CN1276633A - 一片膜上含有多个膜电极的燃料电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是采用模板涂敷法在一片质子交换膜上制作多个膜电极的燃料电池。由一片质子交换膜,多个催化层和多个扩散层三者组成多个膜电极;由多个膜电极和多个导流板组成多个发电单元;各个发电单元的导流板上均有向外引出的导电耳,将多个发电单元的正负极导电耳以多种方式串联起来并通过最终的正负极端子输出一种或多种电压。本发明不仅能使燃料电池达到提高输出电压和多种电压的目的,而且能使燃料电池小型化、微型化、实用化、多样化,成为21世纪人类最理想的能源转换装置。

Description

一片膜上含有多个膜电极的燃料电池 及其制备方法

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及对膜电极的改进及在一片膜上制备多个膜电极的方法。

众所周知，燃料电池将是21世纪理想的能源转换装置，燃料电池是一种将燃料的化学能直接转换成电能的电化学发电装置，燃料电池除了在发电时无污染，无澡音，无腐蚀，制作容易外，尤其具有发电效率高，使用寿命长等突出优点，因此在航天，交通工具，移动电源等各领域有着广泛的应用前景。目前已有的燃料电池见图1，燃料电池的核心部件是膜电极(4)，膜电极(4)是由质子交换膜(1)，催化层(2，2a)，扩散层(3，3a)三部分材料紧密结合而成的，通常情况下，在一片质子交换膜(1)上只制备出一个膜电极(4)，加上膜电极两侧的导流板(亦称双极板)(5，5a)只能组成一个燃料电池发电单元(6)。质子交换膜燃料电池利用氢气和氧气在催化剂作用下，产生电能。理论上，氢氧质子交换膜燃料电池的电动势约为1.23V，在额定输出功率状态下输出电压为0.6-0.7V，因此，为了实用化，通常要把几个、几十个甚至上百个发电单元依次串联起来使用(参见图2)，这势必形成较复杂的气路结构和较大的燃料电池体积、重量，并增大了组装和密封的难度，使质子交换膜燃料电池难以小型化、微型化以及多样化。

本发明的目的是针对上述已有燃料电池存在的问题而提出在一片膜上制备出含有多个膜电极的燃料电池及其制备方法，制备出在一个燃料电池发电单元厚度条件下，升高输出电压和输出多种不同电压，以实现燃料电池发电装

本发明的内容之一是提供一种在一片质子交换膜上含有多个膜电极的燃料电池，结合图3、图4和图5对本发明的内容作进一步的阐述。本发明的特征是在一片质子交换膜上制作含有多个膜电极(4A，4B，4C，4D，4E，4F，4G，4H，4I，4J......)，也包括在一片质子交换膜上制作含有2个膜电极(4A和4B)至100个膜电极(4A，4B，4C，4D，4E，4F，4G，4H，4I，4J......)，多个膜电极的形状既可以相同，又可以不相同，其面积可以相等，也可以不相等，其中每一个膜电极(4)均是由质子定换膜(1)，催化层(2，2a)和扩散层(3，3a)三部分材料紧密结合成的；在每一个膜电极(4)的两侧分别对应有导流板(5，5a)，由多个膜电极和导流板(5，5a)组成多个发电单元(6A，6B，6C，6D，6E，6F，6G，6H，6I，6J，......)，导流板(5，5a)上均有向外引出导电耳，把各个发电单元的正负极导电耳用多种方式串联起来，并通过最终的正负极端子把一种或多种电压输出，而组成在一片质子交换膜上含有多个膜电极的燃料电池。

本发明的内容之二是提供一种在一片质子交换膜上制作含有多个膜电极燃料电池的制作方法，为了在一片质子交换膜上能作出多个膜电极，而且使每个膜电极都具有预先规划好的各种形状和设计好的面积，本发明采用了模板涂敷法，即把预先用薄型不锈钢板或塑料板作好的分割成多个几何图形的模板，例如2个正方形的模板，3个矩形的模板，6个半图形的模板，10个三角形的模板等，将上述的模板置于质子交换膜上，然后用装有催化剂液的喷笔把催化剂均匀喷涂于质子交换膜上，也可采用刷涂法、网印法、化学镀法、真空溅射法、真空蒸镀法、离子真空溅射法、电镀法以及其它的印刷方法等涂敷方法。当质子交换膜一面涂敷的催化剂干燥后，就制作出了催化层(2)，将膜翻转另一面朝上，仍用上述相同的涂敷方法，在膜的另一面相对应的位置制作出催化层(2a)；采用导电性好，透气性好的碳纸或碳布材料制作为扩散层(3，3a)，将碳纸气性好的碳纸或碳布材料制作为扩散层(3，3a)，将碳纸或碳布裁剪成与催化层(2，2a)形状，大小完全相同的碳纸片或碳布片，将其分别对应的贴在催化层(2，2a)上，这样就制得一片由质子交换膜(1)，催化层(2，2a)和扩散层(3，3a)三部分材料紧密结合组成了膜电极(4)，如果在一片质子交换膜上予制2个正方形就能得到一片质子交换膜上含有两个膜电极；同样，在予制的3个矩形的模板上就能制得到一片质子交换膜上含有3个膜电极；在予制的6个半园形模板上就制得了一片质子交换膜上含有6个膜电极；在予制10个三角形模板上就能制得一片质子交换膜上含有10个模电极；导流板采用加工成有气体导流槽或加工为多孔状的耐电化学腐蚀及导电性好的材料制成，包括碳板、不锈钢板、镍板或镀镍板、镀金板、覆镍以及覆金属板，每两块导流板(5，5a)均有相对应的膜电极(4)，由导流板(5，5a)和多个膜电极(4)组成多个发电单元，每一个导流板(5，5a)上均有向外引出的导电耳，将各个发电单元的正负极导电耳多种方式串联起来，并通过最终的正负极端子输出一种或多种电压。导流板(5，5a)同时还供应各膜电极氢气、氧气(空气)，还可将膜同一面的导流板用一块绝缘板联接起来，使其便于组合为在一片质子交换膜上含有多个膜电极的燃料电池。

本发明所达到的效果是实现了在一片质子交换膜上做出多个膜电极，使燃料电池在原来一个发电单元厚度上作出多个发电单元，缩小了燃料电池的厚度，提高了输出电压及输出多种电压，实现了燃料电池小型化、微型化、实用化、多样化。

附图及其说明

图1—现有技术、在一片质子交换膜上作出一个燃料电池发电单元示意图

图2现有技术将任意个发电单元串联示意图

图3本发明一片质子交换膜上制作多个膜电极示意图

其中：

a—在一片质子交换膜(1)上制作两个正方形(4B，4C)和四个矩形膜电极(4A，4D，4E，4F)示意图(可输出两种以上不同电压)

b—在一片质子交换膜(1)上制作两个正方形膜电极(4A和4C)示意图

c—在一片质子交换膜(1)上制作三个矩形膜电极(4A，4B和4C)示意图

d—在一片质子交换膜(1)上制作两个半园形膜电极(4A和4B)示意图

e—在一片质子交换膜(1)上制作四个三角形膜电极(4A，4B，4C和4D)示意图

图4本发明是在一片质子交换(1)上制作出三个发电单元(6A，6B和6C)的结构示意图。

  A---主视图

  B---侧视图

图5本发明是在一片质子交换膜(1)上制作6个发电单元(6A，6B，6C，6D，6E，6F)的示意图。

其中：

质子交换膜---1(1A和1B)

    催化层---2，2a

    扩散层---3，3a

    膜电极和多个膜电极---4(4A，4B，4C，4D，4E，4F，4G......)

    导电板---5，5a

    发电单元和多个发电单元---6(6A，6B，6C，6D，6E，6F，6G......)

实施例1

在薄型不锈钢板上，均匀地作出6个等面积的矩形模板(参见图5)，将其置于一片77mm×34mm的质子交换膜(1)上，用喷笔将催化剂液喷涂于质子交换膜的两面形成催化层(2，2a)，将碳纸裁成12个等面积的矩形扩散层(3，3a)个膜电极(4A，4B，4C，4D，4E，4F)，用带有多孔镍板作为导流板(5，5a)，每两块导流板与其对应的膜电板组成6个发电单元(6A，6B，6C，6D，6E，6F)，就制备出在一片质子交换膜上制作出6个膜电极的燃料电池，其在使用0.1MPa空气(常压空气)，0.1MPa氢气，室温条件下，发电效果为3.6V电压下输出功率大于2W，实现了对多种电子产品施实供电的目的。

实施例2

在塑料板上作出2个等面积的正方形模板(参见图3-b)，将其置于一片40mm×80mm的质子交换膜(1)上，用刷涂法把催化剂涂于质子交换膜的两面上，形成催化层(2，2a)，将碳布剪裁成与催化层大小一样的4个正方形，分别组装在催化层两侧就是扩散层(3，3a)，在一片质子交换膜上就制作出2个膜电极(4A和4B)，用多孔的不锈钢板制成导流板(3，3a)，组装在膜电极的两侧就组成了2个发电单元(6A和6B)。

实施例3

在薄型不锈钢板上制作出三个等面积的矩形模板(参见图3c)，将其置于一片40mm×60mm的质子交换膜(1)上，用网印法将催化剂液涂敷至质子交换膜(1)的两面，干燥后就形成催化层(2，2a)，将碳纸剪裁成与催化层(2，2a)大小，形状完全一样6片矩形，分别组装在催化层(2，2a)两侧就是扩散层(3，3a)，制出了在一片质子交换膜上有3个膜电极(4A，4B，4C)，用具有气体导流槽的碳板作为导流板(5，5a)，每两块导流板(5，5a)与其对应的三个膜电极(4A，4B，4C)组装在一起构成了三个发电单元(6A，6B，6C)。

实施例4

在塑料板上作出两个半园型模板(图3-d)，将其置于一片φ20mm的质子交换膜(1)上，用化学镀将催化剂液镀于质子交换膜的两面形成催化层(2，2a)，将碳布剪裁成与催化层大小一样的4个半园形扩散层(3，3a)组装在催化层(2，2a)两侧就形成在一片质子交换膜上有2个膜电极(4A，4B)，用多孔的镀金板作为导流板(5，5a)组装在膜电极(4A，4B)两侧构成了2个发电单元(6A，6B)。

实施例5

在塑料板上作出四个三角形模板(图3—e)，将其置于一片40mm×40mm质子交换膜(1)上，用真空蒸镀法将催化剂液涂于质子交换膜的两个面上，干燥后就形成催化层(2，2a)，将碳布剪裁成与催化层大小一致的8个三角形扩散层(3，3a)，组装在催化层两侧，就形成了一片质子交换膜上有4个膜电极(4A，4B，4C，4D)，再将多孔镀镍板作为导流板(5，5a)，组装在与其相对应的膜电板(4A，4B，4C，4D)两侧就构成了4个发电单元(6A，6B，6C，6D)。

实施例6

在不锈钢板上作出2个正方形和4个矩形的模板(图3—a)，将其置于一片100mm×100mm质子交换膜(1)上，用离子真空溅射法将催化剂液溅射于质子交换膜的两个面上，干燥后形成催化层(2，2a)，将碳布剪成与催化层形状，大小完全一样的8个矩形和4个正方形的扩散层(3，3a)组装在催化层(2，2a)两侧就构成了多个膜电极(4A，4B，4C，4D，4E，4F)，在其两侧组装上多孔覆镍板作为导流板(5，5a)就构成了6个发电单元(6A，6B，6C，6D，6E，6F)，将2个正方形发电单元(4B和4C)上导流板(5，5a)上向外引出导电耳串联起来，并通过最终的正负极端子将1.4V电压输出；将4个矩形发电单元(4A，4D，4E，4F)上导流板(5，5a)上向外引出导电耳串联起来，并通过最终的正负极端子将2.8V电压输出。这样，在一个小型燃料电池发电装置上就可输出两种以上不同的电压。

Claims (3)

1、一种质子交换膜燃料电池，包括质子交换膜，空气电极，氢电极，其特征是在一片质子交换膜(1)上含多个膜电极(4A，4B，4C，4D，4E，4F，4G......)，其中每一个膜电极(4)均是由质子交换膜(1)，催化层(2，2a)和扩散层(3，3a)三部分材料紧密结合成的，在每个膜电极的两侧分别对应有导流板(5，5a)，由多个膜电极(4A，4B，4C，4D，4E，4F......)与其对应和导流板(5，5a)组成发电单元(6A，6B，6C，6D，6E，6F......)，导流板(5，5a)上有向外引出的导电耳，把各个发电单元的正负极导电耳以多种方式串联起来，并通过最终的正负极端子输出一种或多种电压，而组成在一片质子交换膜上含有多个膜电极的燃料电池。

2、根据权利要求1所述的燃料电池，其特征是在一片质子交换膜(1)含有2个(4A，4B)至100个(4A，4B，4C，4E，4F，4G，4H，4I，4L......)膜电极。

3、一种制备质子交换膜燃料电池的方法，其特征在于采用模板涂敷法制备出在一片质子交换膜上含有多个膜电极的燃料电池，其步骤如下：

①在一片薄型不锈钢板或塑料板上予制成多个设计好的各种几何图形的模板；将模板置于一片质子交换膜(1)上；

②将催化剂液喷涂于质子交换膜(1)相对应的两个面上，催化剂液干燥后，就形成了多个催化层(2，2a)；

③采用导电性好，透气性好的材料作为扩散层(3，3a)，将其剪裁成与催化层(2，2a)形状，大小相同的片，组装在催化层(2，2a)的两侧，就构成了多个膜电极(4A，4B，4C，4E，4F，4G，4H，4I，4L......)；

④采用导电性好，耐电化学腐蚀的材料制成导流板(5，5a)，每两块导流板(5，5a)与其相对应的多个膜电极组装成多个发电单元(6A，6B，6C，6D，6E，6G，6H，6I，6J......)；每一个导流板上均有向外引出的导电耳，将多个发电单元的正负极导电耳以多种方式串联起来，并通过最终的正负极端子输出一种或多种电压；

⑤根据权利的要求3所述的制备燃料电池的方法，其特征在于制备扩散层(3，3a)的材料包括碳纸、碳布；

⑥根据权利要求3所述的制备燃料电池的方法，其特征在于导流板的气体通道包括多孔状、具有气体导流糟型；

⑦根据权利要求3所述的制备燃料电池的方法，其特征于导流板的材料包括碳板、不锈钢板、镍板、镀镍板、覆镍板、覆金属板、镀金板。

⑧根据权利要求3所述的制备燃料电池的方法，其特征在于制备催化层的涂敷方法包括喷涂法、刷涂法、网印法、化学镀法、等离子真空溅射法、真空溅射法、真空蒸镀以及其它印刷法。

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