CN2459762Y - 一种采用双层空气呼吸的微型燃料电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种采用双层空气呼吸的微型燃料电池,它由以下三部分组成:燃料制氢装置、电能发生装置和电子稳压回路;燃料制氢装置和电能发生装置通过导管相连,电能发生装置的输出与电子稳压回路相连;电能发生装置由空气极板、燃料极板、膜三一包装体三部分组成;燃料极板位中间,燃料极板的两面是膜三合一包装体,膜三合一包装体靠近空气的一面是空气极板;膜三合一压制有若干个单电池结构,每个单电池在电路上相互串联,单电池组的电流引线和空气极板上的输出端相连;它制造费用低,极板原料来源丰富,整体运行可靠,易于实现。

Description

一种采用双层空气呼吸的微型燃料电池

本实用新型涉及一种能源产品，特别是一种质子交换膜燃料电池。

质子交换膜燃料电池是将化学能直接转化为电能的装置，是21世纪的绿色能源技术。在大功率质子交换膜燃料电池一般采用金属板或石墨板作双极板，但其一般价格比较贵。质子交换膜燃料电池堆中的流场板主要包括双极板、冷却板和增湿板，它们是电池组中体积最大和质量最重的组成部件，高质量的流场板可以有效降低电池堆的尺寸和重量。目前应用最多的石墨流场板，由于需要精密的机械加工且造价较高，约占电池堆成本的60％左右。为了降低电池成本和减轻重量，常用金属薄板和复合碳板取代石墨流场板。Ballard公司设计出一个当前比较流行的电池堆，其采用35个电池单元，其中19个电池进行了热管理，14个电池进行了反应气增湿处理；其三合一组件由Nafion 117制备，双极板为石墨流场板，整个电池堆的体积为0.5立方英尺，燃料采用纯氢和纯氧，压力分别为0.2atm和0.3atm，电池堆的功率为3KW。但是为了保持电池堆结构整凑以及反应气不相互串通，石墨流场板必须保持适当的厚度，这样极板的制造费用高，电池堆的尺寸比较大。目前Los Alamos国家实验室、瑞典的ECN均采用过薄金属流场板，可以降低电池的欧姆过电位，提高电池堆的电功率性能；国际燃料电池公司和Ballard公司正在探索使用碳黑和聚合物浇铸成型的复合碳板。

而在小功率质子交换膜燃料电池，由于要求获得较高的输出功率和，假如采用金属板或石墨板作双极板，其需要串联4对以上的单电池，尤其在直接甲醇燃料电池更是如此。当采用串联方式组装电池堆的时候，必须采用压缩空气或特殊的双极板。在美国专利5，364，711和5，432，023中描述用于办公自动化电子产品、摄相机、收音机的微型燃料电池。在这些专利中介绍了使用微型燃料电池的优点和制造燃料电池的整个技术。这两个专利实质上是用灯芯向燃料电池注入液体燃料和电解质，然后将过多的水排出。由于采用灯芯向燃料电池注入液体燃料和电解质，因而在一块膜上不能做多个电池，使整个电池组的输出电压较低；由于整个电池组的功率较小，为了保持低的湿度环境和避免电解质流失，其主要是水的保持和重新利用而不是水的排除，这样在低功率输出的情况下，整个电池的水平衡获得非常困难。此外，水如何从灯芯排出没有进行描述。实际上一个单独的灯芯是不可能将水排出，除非灯芯中直接和液态水接触或通过其它水蒸汽排送机理使水从电池传送到灯芯。

在电池的氢源方面，H-Power公司和Analytic Power公司合作开发一个25瓦的燃料电池驱动摄相机，其采用高压储氢罐为燃料电池提供燃料。采用高压储氢罐为燃料电池提供燃料，高压储氢罐存在重量和体积较大、使用不方便和不安全等缺点。

上面所述的燃料电池都采用双极板，电池极板比较贵，电池密封很多，例如在每个单电池4个密封区，每个双极板有2个气室。如果这样的小电池用于需要3.5V电压的手机，而每个单电池的平均电压为0.5V，这就需要28个密封，这就提高电池技术难度和成本。在电池的氢源方面，采用高压储氢罐电池的燃料供应不方便，价格贵，提高了整个电池系统的成本。

本实用新型的目的是提供一种可以有效克服上述问题发生的新型燃料电池，它结构简单、加工技术简单、生产成本低，且体积小使用方便。

本实用新型的目的是这样实现的，它由以下三部分组成：燃料制氢装置、电能发生装置和电子稳压回路；燃料制氢装置和电能发生装置通过导管相连，电能发生装置的输出与电子稳压回路相连；电能发生装置由空气极板、燃料极板、膜三合一包装体三部分组成；燃料极板位于中间，燃料极板的两面是膜三合一包装体，膜三合一包装体靠近空气的一面是空气极板；膜三合一包装体压制有若干单电池结构，每个单电池在电路上相互串联，单电池组的电流引线和空气极板上的输出端相连；空气极板、燃料极板、膜三合一包装体被密封为一体，三部分上分别开有相互连通的燃料进气口和燃料出气口。

此外，为了对电能发生装置排出的尾气的进行流量控制，电能发生装置的出气口设有反应废气控制开关。

本实用新型的燃料制氢装置可以采用如下结构：由燃料罐、压力平衡阀和催化制氢室组成，燃料罐与催化制氢室通过管道相连，管道上安装有压力平衡阀；

燃料罐，包括外壳、储液囊、气体恒压源；外壳为一封闭结构，其内设气体恒压源和储液囊，储液囊用来存储液体燃料，储液囊开放端与管道相通；

催化制氢室，其燃料入口与储液囊的出口管道相连，气体出口和电能发生装置的氢气入口相连；它由壳体、制氢催化剂和气液分离膜三部分组成，壳体的表面开有小孔，制氢催化剂位于壳体内部的中部，在壳体的外围四周包有气液分离膜。

本实用新型的电子稳压回路可以采用DC-DC电子回路，其输入端与电能发生装置相连，输出端和外回路相连。

本实用新型的电能发生装置两端为空气极板，空气极板可直接面对空气呼吸和对外排水。中间为燃料极板，燃料极板的两面都可收集电池的阳极端电流。膜三合一包装体，其内有多个单电池，位于燃料极板和空气极板之间。这种电池技术制造费用低，极板原料来源丰富，整体运行可靠，易于实现，且可以相同体积情况下可以提供较高电压。另外本实用新型电能发生装置的输出上设有电子稳压回路，因此使电池在工作时能达到稳定的输出电压。

下面结合附图和具体实施例详述本实用新型。

图1为本实用新型结构示意图。

图2为图1A部局部放大示意图。

图3为图1B部局部放大示意图。

图4为图1C部局部放大示意图。

图5为本实用新型空气极板结构图

图6为本实用新型燃料极板结构图

图7为本实用新型膜三合一包装体结构图

图8放大的电能发生装置组装示意图。

图中序号说明：A：压力平衡阀B：燃料罐11自锁装置C：反应废气控制开关1、燃料罐外壳      2、燃料制氢装置     3、气体恒压源4、燃料储存囊      5、制氢反应室       6、废气出口7、电能发生装置    8、气液分离膜       9、电子稳压回路10、氢气室         11、燃料罐          12、制氢催化剂13、空气极板       14、排水灯芯        15、空气导气孔16、吸水膜         17、氢气进气导管及燃料入口18、燃料极板       19、燃料出口        20、铆钉孔21、燃料气入       22、导气槽          23、燃料气出口24、燃料气入       25、单电池电极      26、Nafion 112膜27、燃料气出       28、银导电膜        29、膜三合一包装体30、密封环         31、单电池阴极      32、单电池阳极33、氢气导管出口

如图所示，微型燃料电池由以下三部分组成：燃料制氢装置2、电能发生装置7和电子稳压回路9；燃料制氢装置2和电能发生装置7通过导管相连，电能发生装置7的输出与电子稳压回路9相连；电能发生装置7由空气极板13、燃料极板18、膜三合一包装体29三部分组成；燃料极板18位于中间，燃料极板18的两面是膜三合一包装体29，膜三合一包装体29靠近空气的一面是空气极板13；膜三合一包装体29压制有若干单电池结构，每个单电池在电路上相互串联，单电池组的电流引线和空气极板13上的输出端相连；空气极板13、燃料极板18、膜三合一包装体29被密封为一体，三部分上分别开有相互连通的燃料气入口17、21、24和燃料气出口19、23、27。

燃料制氢装置2用于储存液体燃料如肼和制取氢气，并向电能发生装置7提供氢燃料；电能发生装置7是发生电化学反应的地方，氢气和空气中的氧在这里发生反应，并向外界提供电能；电子稳压回路9是稳定电池的电压，使电压不随电流的变化而变化。

本实施例的燃料制氢装置2包括燃料罐11、制氢反应室5和压力平衡阀A。燃料罐11，包括外壳1、燃料储液囊4、气体恒压源3；外壳1为一封闭结构，其内设气体恒压源3和燃料储液囊4，燃料储液囊4用来存储液体燃料，燃料储液囊4开放端与管道相通，在气体恒压源3放有液态丁烷，使燃料储存囊4周围保持3-4atm的压力不变，这样无论燃料罐11处于什么位置，都能向制氢反应室5提供燃料。燃料罐自锁装置B使燃料罐11插向电池能实现自锁。制氢反应室5包括制氢催化剂12和气液分离膜8，气液分离膜8位于制氢反应室5的四周，制氢催化剂12位于制氢反应室5的中央，当液体燃料如水合肼经过压力平衡阀A流到制氢反应室5，和制氢催化剂12混合，发生分解生成氢气，提供给电能发生装置7。气体在流向电能发生装置7时通过气液分离膜8，保证气体通过而使液体燃料不通过。在燃料罐11和制氢反应室5之间是压力平衡阀A，压力平衡阀A实现液体燃料的间歇供给，当氢气室10中的压力大于气体恒压源3中的压力时，压力平衡阀A实现截止，液体燃料不通过压力平衡阀A流向制氢反应室5，使制氢反应室5生成的氢气量减少，随着电能发生装置7消耗氢气，氢气室10中的压力下降，当当氢气室10中的压力小于气体恒压源3中的压力时，压力平衡阀A接通，液体燃料通过压力平衡阀A流向制氢反应室5，开始生成氢气，直至氢气室10中的压力大于气体恒压源3中的压力。这样压力平衡阀A能实现液体燃料的间歇供给。

电能发生装置7包括空气极板13、燃料极板18、膜三合一包装体29、反应废气控制开关C(见图1、图5)。空气极板13，位于电能发生装置7的最外面，与外界空气相接触，在电能发生装置7中有二块空气极板13，其包括排水灯芯14、空气导气孔15和吸水膜16(见图2)，主要作用是为燃料电池提供氧气同时将电池中过多的水分排出。空气极板13由硬质塑料薄板制成，导气孔15直径为1mm-5mm，为了便于液态水的排出，在空气极板13上制备出均匀分布微型排水灯芯14，排水灯芯14位于两排导气孔15之间，和两排导气孔15距离相同。在空气极板13的和空气相通端置有吸水膜16，吸水膜16和排水灯芯14相连，以便电能发生装置7保持适当的湿度，电池保持最佳状态。由于空气极板13直接面对外界空气，不再需要复杂的气体增压设备。在空气极板13中心线的一边有铆钉孔20，通过铆钉孔20，用铆钉将电能发生装置7产生的电流引出，铆钉和不锈钢薄片34相连。燃料极板18，燃料极板18位于二块膜三合一包装体29之间，在电池中作为燃料气的导流板，引导氢气在电池中均匀分布(见图3)。其包括燃料气入口19、出口21和导气槽22，入口端沟槽互相连通，燃料出口端沟槽也互相连通，但气体燃料入口端沟槽和气体燃料出口端沟槽并不直接连通，燃料气在沟槽中流动时向极板的两端扩散，并保持气体分布的均匀性。膜三合一包装体29，这是本实用新型的核心部件之一，位于空气极板13与燃料极板18之间(见图4)，由硬质塑料密封包装保护，它将化学能转化为电能，为负载提供电能；在硬质塑料密封包装置有银导电膜28，将包装里单电池串联起来，在膜三合一包装体29两端的单电池的正极或负极有不锈钢薄片34，通过不锈钢薄片34和空气极板上的铆钉相连，将电流引出。反应废气控制开关C，由于在制氢反应室5的产生的气体是氢气和氮气的混合气，随着电池的放电，氢气在混合气的含量将下降，下降到一定程度将影响电池的性能，所以需要将反应气及时排除，通过对反应废气控制开关C的设计，对电池的废气排放实现三种状态，电池不放电时废气不排放，电池小电流放电时实现废气小量排放，电池大电流放电时实现废气适量排放，能使电池在不放电、小电流放电、大电流放电时对氢气进行最佳利用。通过这种极板结构设计，其最大的优点是不再需要对每个单电池进行热管理和增湿管理，在采用双极板线性组装的电池堆中热管理和增湿管理设备已不再需要。电池在工作时能使各个单电池的电解质薄膜保持良好的湿润状态，并保持较好的功率输出性能。

为了保持恒定的电压输出，本实施例电子稳压回路9采用DC-DC电子回路，其输入端与电能发生装置7相连，输出端和外回路相连。

Claims (5)

1、一种采用双层空气呼吸的微型燃料电池，其特征是：它由以下三部分组成：燃料制氢装置、电能发生装置和电子稳压回路；燃料制氢装置和电能发生装置通过导管相连，电能发生装置的输出与电子稳压回路相连；电能发生装置由空气极板、燃料极板、膜三合一多组件包装体三部分组成；燃料极板位中间，燃料极板的两面是膜三合一包装体，膜三合一多组件包装体靠近空气的一面是空气极板；膜三合一多组件包装体压制有若干个单电池结构，每个单电池在电路上相互串联，单电池组的电流引线和空气极板上的输出端相连；空气极板、燃料极板、膜三合一多组件包装体被密封为一体，三部分上分别开有相互连通的燃料进气口和燃料出气口。

2、如权利要求1所述的燃料电池，其特征是：燃料制氢装置由燃料罐、压力平衡阀和催化制氢室组成，燃料罐与催化制氢室通过管道相连，管道上安装有压力平衡阀；

燃料罐，包括外壳、储液囊、气体恒压源；外壳为一封闭结构，其内设气体恒压源和储液囊，储液囊用来存储液体燃料，储液罐开放端与管道相通；

催化制氢室，其燃料入口与储液囊的出口管道相连，气体出口和电能发生装置的氢气入口相连；它由壳体、制氢催化剂和气液分离膜三部分组成，壳体的表面开有小孔，制氢催化剂位于壳体内部的中部，在壳体的外围四周包有气液分离膜。

3、如权利要求1或2所述的燃料电池，其特征是：电能发生装置的空气极板上设有导气孔和排水灯芯，空气极板另一面贴有吸水膜。

4、如权利要求1、2或3所述的燃料电池，其特征是：电能发生装置的燃料极板上面设有条状沟槽，气体燃料进口端沟槽和气体燃料出口端沟槽并不直接连通，燃料气在沟槽中流动时向极板的两端扩散。

5、如权利要求1、2或3所述的燃料电池，其特征是：电能发生装置的出气口设有反应废气控制开关。

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