CN1343018A - 微型燃料电池的导流板结构 - Google Patents

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Abstract

本发明是对微型燃料电池的多孔导流板的结构改进,采用覆合金属板制成带有沟槽的多孔导流板,即将金属薄片与绝缘材料薄片覆合在一起制成新的多孔导流板,加强了多孔导流板的强度和提高了导电性,使微型燃料电池的输出功率由1.2—1.5瓦提高到2.0—3.0瓦。

Description

微型燃料电池的导流板结构
本发明属于质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及一种使用氢气和空气发电的微型燃料电池多孔导流板结构的改进。
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装置，目前中国专利CN00121124.2和CN00123627.x均涉及到在一片质子膜上含有多个膜电极的微型燃料电池，见图1。燃料电池的核心部件是膜电极，膜电极是由一片质子交换膜(1)，催化层(2，2a)，扩散层(3，3a)三部分材料紧密结合而成的，在一片质子交换膜(1)上可以制备一个或多个膜电极，再加上膜电极两侧的多孔导流板(4，4a)，亦称双极板，就组成一个或多个燃料电池发电单元，多孔导流板(4，4a)的材料包括碳板、不锈钢板、镍板或镀镍板、镀金板、覆镍以及覆金属板，而且多孔导流板上的小孔全是一样的圆形孔，由于多孔阳极板上的小孔彼此没有连通，不利于燃料气的扩散和均匀分布，使微型燃料电池性能受到限制。
本发明的目的是针对着多孔导流板的结构存在的缺陷，对其进行改进，而大大提高微型燃料电池的发电性能。
本发明的内容是为在单片膜上含多个膜电极微型燃料电池提供采用覆金属板制成多孔导流板，即将金属薄片(＜1mm)与绝缘材料覆合在一起，保证多孔导流板的强度和导电性，多孔导流板主要起到导水、导电、导气的作用。多孔导流板的形状和尺寸大小与膜电极相同，配合膜电极实现了在一片质子交换膜上含有多个膜电极的串联设计，不需要升压电路，从而获得高电压和输出多种不同的电压。
通过多孔导流板上导电耳(4A)，以多种方式串联，从而实现了使膜电极之间的串联，组成多个发电单元，构成燃料电池基本单元，图3中所示6个膜电极(2×3)串联外，该设计还可以扩大为m×n(m，n≥2)个膜电极串联。这使得在单片膜上可实现任意电压的输出和多种不同的电压输出，见图2，微型燃料电池的发电单元包括一片质子交换膜(1)，含有一个和多个膜电极(6)，密封件(8，8a)，多孔导流板(4，4a)，其特征在于多孔导流板(4，4a)中的阴极多孔导流板(4)是由多孔金属薄片(4H)和多孔绝缘材料薄片(4B)覆合在一起而组成多孔覆合金属导流板(4’)；阳极多孔导流板(4a)是由多孔金属薄片(4Ha)和刻有沟槽的多孔绝缘材料薄片(4Ba)覆合在一起组成带有沟槽的多孔覆合金属导流板(4a’)；由多孔覆合金属导流板(4’)、密封件(8)、一个或多个膜电极(6)、密封件(Sa)和带有沟槽的多孔覆合金属导流板(4a’)紧密夹制而成发电单元，由于多孔绝缘层上刻了很多沟槽，使多孔阳极板上的孔相互之间连通，这样有利于燃料气的扩散和均匀分布，大大提高了电池的性能，在阳极导流板(4a’)的绝缘板(4Ba)的面上紧贴上与其相匹配的透水膜和吸水剂薄片将导流板导出的水吸收掉。
上述的多孔覆合金属导流板，其特征在于多孔金属薄片是耐电化学腐蚀及导电性好的材料，包括不锈钢板、镍板、镀镍板、镀金板、覆镍以及覆金属板、碳板。
上述的多孔覆合金属导流板，其特征在于多孔绝缘材料薄片包括多孔绝缘材料主要采用树脂基复合材料，其中，基体树脂采用热固性的不饱和聚酯、酚醛、环氧和双马来胺，氨基树脂及热塑性聚酰胺，聚丙烯线型，支链型高聚物增强材料采用玻璃纤维，碳纤维、聚四氟乙烯纤维、芳纶纤维、聚芳酰胺纤维以及采用树脂基纸层压板。
上述的多孔覆合金属导流板，其特征在于导流板上上的小孔(5)是多种形状包括圆形、三角形、蜂巢形、菱形、多边形。
上述密封件(8，8a)是厚为0.2-0.5mm的框式结构其形状及大小与膜电极(6)和多孔导流板(4’，4a’)相匹配，密封件的材料包括橡胶、天然橡胶、丁苯橡胶、聚丁二烯橡胶、乙丙橡胶。
在导流板(4’，4a’)的阳极导流板(4a)的绝缘板(4Ba)的面上紧贴0.1-0.3mm薄片型透水膜，其形状和尺寸与导流板相匹配，透水膜的材料包括聚乙烯醇，聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮，离子聚合物。在透水膜下面紧贴上0.2-0.6mm片状吸水剂，两者形状，尺寸相匹配，吸水剂材料包括聚丙烯酸类，聚内烯腈类，聚丙烯酰胺类，聚乙烯醇类，聚杂双环化合物，天然吸水材料及其衍生物，纤维素系列，整个微型燃料电池中的水由多孔导流板(4’，4a’)导出由透水膜和吸水剂所吸收。
本发明达到的效果，由于在微型燃料电池中采用阴极和阳极的多孔导流板结构的不同，对阳极多孔导流板结构进行了改进，在它的多孔绝缘层上刻了很多沟槽，使多孔阳极板上的孔相互连通，这样有利于燃料气扩散和均匀分布，大大提高了电池的性能，使用改进后的多孔导流板，燃料电池输出的功率由1.2-1.5瓦提高到2.0-3.0瓦。
附图及其说明
图1——含3个膜电极的3个发电单元示意图
图2——含6个膜电极组装成6个发电单元的现有导流板结构示
       意图
图3——6个发电单元导流板上导电耳串联示意图
图4——本发明单片膜上含6个膜电极组装成6个发电单元，其
       导流板结构改进示意图
图5——本发明单片交换膜上含2个正方形和4个矩形膜电极的
       发电单元，其导流板改进示意图(能输出两种不同电压)其中：
1——一片质子交换膜
2，2a——催化层
3，3a——扩散层
4，4a——多孔导流板
4’——多孔覆合金属导流板(阴极板)
4a’——刻有沟槽的多孔覆合金属导流板(阳极板)
4A——导流板上的导电耳
5——导流板上的小孔的形状是多种多样的
6——一片质子交换膜上含6个膜电极
7——含3个膜电极的发电单元
8，8a——密封件
4Ha——阴极板中的多孔金属材料薄片
4Ba——阳极板中刻有沟槽的多孔绝缘材料薄片
4H——阴极板中的多孔金属材料薄片
4B——阴极板中的多孔绝缘材料薄片
                 实施例1
参见图4，在一片质子交换膜(1)上含有6个膜电极(6)，其外形尺寸为77mm×34mm，阴极板是用多孔的带有导电耳(4A)的0.6mm镍板制作而成，77mm×34mm薄片(4H)和用多孔的玻璃纤维增强环氧树脂厚为0.8mm薄片制成与(4H)相匹配的(4B)，两者覆合而组成多孔覆合镍导流板(4’)；阳极板是由多孔的带有导电耳(4A)镍薄片制成77mm×34mm矩形板(4Ha)和多孔的玻璃纤维增强环氧树脂薄片制作成与4Ha相匹配的薄片(4Ba)，在(4Ba)面上刻上深度为0.1mm的沟槽(d)，沟槽(d)与小孔(5)彼此连通而覆合制成带有沟槽的多孔覆合镍导流板(4a’)，在绝缘板(4Ba)面上先紧贴上0.1mm聚丙烯酸薄片透水膜，再贴上0.2mm聚丙烯腈薄片吸水剂，两者的形状大小与导流板相匹配且紧密贴制在一起，由多孔覆合镍导流板(4’，4a’)、0.2mm橡胶密封件(8，8a)将单片质子交换膜(1)含有6个膜电极(6)紧密夹合制成发电单元。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3W，能对多种电子产品实施供电。
                   实施例2
参见图5，用0.5mm厚的不锈钢板制作成100mm×100mm带有导电耳(4A)和多孔(5)的薄片(4H)和用玻璃纤维增强酚醛树脂制成厚度为1.5mm带有多孔(5)的薄片(4B)，(4B)与(4H)相匹配，且上面小孔的形状是多种的彼此对应，由(4B)和(4H)覆合而制成多孔不锈钢板(4’)是阴极板；阳极板(4a’)是由带导电耳(4A)多孔不锈钢板制成(4Ha)和刻有深度0.5mm沟槽的多孔玻璃纤维增强酚醛树脂制成厚度为0.4mm薄片(4Ba)，由(4Ha)和(4Ba)覆合在一起组成带有沟槽的多孔覆合不锈钢板(4a’)；在绝缘板(4Ba)面上先紧贴上0.3mm聚乙烯醇薄片的透水膜再贴上0.5mm聚丙烯酸薄片吸水剂两者的形状两者的形状大小与导流板相匹配肯紧密贴在一起，由多孔覆合不锈钢板导流板(4，4a’)和密封件(8，8a)，将含有6个膜电极(6)夹制成发电单元，其在使用0.1MPa空气(常压空气)、0.1MPa氢气、室温条件下，能发出1.4V和2.8V电压输出功率大于2.0瓦，这样，在一个微型燃料电池可输出两种以上不同的电压。

Claims (8)

1，一种微型燃料电池的发电单元(A)包括一片质子交换膜(1)含有一个或多个膜电极(6)，密封件(8，8a)，多孔导流板(4，4a)，其特征在于多孔导流板(4’4a’)中的阴极多孔导流板(4)是由多孔金属薄片(4H)和多孔绝缘材料薄片(4B)覆合在一起而组成多孔覆合金属导流板(4’)；阳极多孔导流板(4a)是由多孔金属薄片(4Ha)和刻有深度为0.1-0.5mm沟槽的多孔绝缘材料薄片(4Ba)覆合在一起组成带有沟槽的多孔导流板(4a’)，在绝缘板(4Ba)面上紧贴与其相匹配的有透水膜薄片和吸水剂薄片，由多孔覆合金属导流板(4’，4a’)和密封件(8，8a)将单片膜上含一个或多个膜电极(6)夹制而成发电单元。
2，根据权利要求1所述的多孔覆合金属导流板，其特征在于多孔金属薄片是耐电化学腐蚀及导电性好的材料包括不锈钢板、镍板、镀镍板、镀金板、覆镍以及覆金属板、碳板。
3，根据权利要求1所述的多孔覆合金属导流板，其特征在于多孔绝缘材料包括多孔绝缘材料主要采用树脂基复合材料，其中，基体树脂采用热固性的不饱和聚酯、酚醛、环氧和双马亚胺，氨基树脂及热塑性聚酰胺，聚丙烯线型，支链型高聚物增强材料采用玻璃纤维，碳纤维、聚四氟乙烯纤维、芳纶纤维、聚芳酰胺纤维以及采用树脂基纸层压板。
4， 根据权利要求1所述的多孔覆合金属导流板，其特征在于导气小孔(5)是多种形状包括圆形、三角形、蜂巢形、菱形、多边形。
5， 根据权利要求1所述的发电单元，其特征在于密封件(8，8a)的材料包括橡胶、天然橡胶、丁苯橡胶、聚丁二烯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、聚橡胶、乙丙橡胶。
6， 根据权利要求1所述的多孔覆合金属导流板，其特征是在阳极多孔导流板(4a)的绝缘板(4Ba)的面上紧贴透水膜薄片和吸水剂薄片。
7，根据权利要求1或6所述的透水膜，其特征在于透水膜材料包括聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、离子聚合物，其厚度为0.1-0.3mm的片状膜。
8，根据权利要求1或6所述的吸水剂，其特征在于吸水剂的材料包括聚丙烯酸类、聚丙烯腈类、聚丙烯酰胺类、聚乙烯醇类、聚杂双环化合物、天然吸水材料及其衍生物吸水剂纤维素系列，其厚度为0.2-0.6mm片状剂。
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