CN2489481Y - 一种具有高功率密度的质子交换膜燃料电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种具有高功率密度的质子交换膜燃料电池,包括由质子交换膜构成的膜电极、不透气隔层、气体扩散载体、金属引线,所述的质子交换膜两边涂有催化剂,所述的膜电极和不透气隔层叠加并卷成一层或多层卷筒型,所述的气体扩散载体设在膜电极的两侧,所述的金属引线设在气体扩散载体上。与现有技术相比,本实用新型具有电极有效面积利用率高、体积小、重量轻等优点。

Description

一种具有高功率密度的质子交换膜燃料电池

技术领域

本实用新型涉及燃料电池，尤其涉及一种具有高功率密度的质子交换膜燃料电池。

背景技术

电化学燃料电池是一种能够将氢燃料及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学反应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。

在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。

在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。

在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：

阳极反应：

阴极反应：

在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导电极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导电极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导电极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流极板与阴极氧化剂的导流极板。这些导流极板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流极板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。

为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。

一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或由甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组后进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。

质子交换膜燃料电池的用途很广，可以用作手机电源、笔记本电脑电源、电动自行车、电动摩托车、电动汽车等电源，质子交换膜燃料电池中的核心部件是三合一电极，目前几乎所有质子交换膜燃料电池三合一电极都是压制成平面型，如图1(图1中阴影部分为电极有效面积)，这种平面型三合一电极迫使燃料电池的构成导流极板也必须是平面型的，如图2，由平面型的三合一电极与导流极板装配成的典型燃料电池，如图3，这种典型的由平面型电极与导流板构成燃料电池，由于以下原因导致功率密度不高：

(1)电极有效面积利用率低，一般＜80％；

(2)导流极板较重或体积较大，有效导流面积利用率也较低，一般少于80％。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种电极有效面积利用率高、体积小、重量轻的具有高功率密度的质子交换膜燃料电池。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种具有高功率密度的质子交换膜燃料电池，包括由质子交换膜构成的膜电极，所述的质子交换膜两边涂有催化剂，其特征在于，还包括不透气隔层，气体扩散载体，金属引线，所述的膜电极和不透气隔层叠加并卷成一层或多层卷筒型，所述的气体扩散载体设在膜电极的两侧，所述的金属引线设在气体扩散载体上，由此构成一卷筒型具有高功率密度的质子交换膜燃料电池。

所述的卷筒型具有高功率密度的质子交换膜燃料电池每卷一段进行间断，构成一个单电池，各单电池进行串联或并联连接。

本实用新型的目的还可以通过以下技术方案来实现：一种具有高功率密度的质子交换膜燃料电池，包括由质子交换膜构成的膜电极，所述的质子交换膜两边涂有催化剂，其特征在于，还包括不透气隔层、气体扩散载体、金属引线，所述的膜电极与隔层卷成一层或多层卷筒型，该卷筒型的隔层与隔层之间设有两层膜电极，所述的气体扩散载体设在膜电极与膜电极之间和膜电极与隔层之间，所述的金属引线设在气体扩散载体上，由此构成一卷筒型具有高功率密度的质子交换膜燃料电池。

所述的卷筒型具有高功率密度的质子交换膜燃料电池每卷一段进行间断，构成一个单电池，各单电池进行串联或并联连接。

所述的催化剂为铂催化剂。

所述的气体扩散载体采用柔性金属丝网或碳纤维材料。

与现有技术相比，本实用新型是将燃料电池中的核心部件进行完全不同的设计，将平面叠加型改为数层或一层卷筒型，不需要导流极板，从而解决以上平面型燃料电池中的两个缺陷，大大提高了燃料电池的功率密度。

附图说明

图1为现有平面型三合一电极的结构示意图；

图2为现有平面型导流极板的结构示意图；

图3为现有平面型的三合一电极与导流极板装配成的典型燃料电池的结构示意图；

图4为本实用新型的结构示意图；

图5为图4的横截面实施例1结构示意图；

图6为图4的横截面实施例2结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1

如图4、图5所示，是一种多层卷筒型的三合一电极及其构成的燃料电池，这种采用卷筒型的电极构成的燃料电池具有很高的功率密度。

图5中卷筒型的燃料电池膜电极1由质子交换膜11构成，膜两边涂铂等贵金属催化剂12，膜电极1之间由一层不透气的隔层2(图中黑实线)隔开，这样可使膜电极1两侧可分别各走燃料氢气H₂或氧化剂O₂(或空气)，并可填充一些气体扩散载体3，如柔性的金属丝网或碳纤材料，如碳布，这样就不需要导流极板，而电流可以从膜电极1两侧的气体扩散载体3连接相应的金属引线(图未示)引出。

为了使卷筒型的燃料电池适应实际应用需要，可将数个卷筒型的燃料电池进行串联或并联连接，以达到应用目的所需求的电流电压，也可以将卷筒型中每卷一段进行间断，构成一个单电池，整个卷筒型燃料电池间断成数段，构成数个单电池，并将各单电池进行串联连接，以增加整个卷筒型燃料电池的输出电压。

实施例2

如图4、图6所示，也是一种多层卷筒型电极构成的燃料电池，也具有极高的功率密度。与实施例1所不同的是图6的卷筒形的隔层2与隔层2之间(黑实线)有两层膜电极1，每层膜电极1均由一张质子交换膜11构成，膜两边涂铂等贵金属催化剂12，而这两层膜电极1中间目前是走燃料氢气H₂(也可以走氧化剂如氧气或空气)，而两层膜电极1外侧目前是走氧化剂如氧气O₂(也可以走氢气)。其中膜电极1’与膜电极1之间，膜电极1与隔层2之间可以填充一些气体扩散载体3，如柔性的金属丝网或碳纤维材料，如碳布，这样就不需要导流极板，而电流可以从膜电极1两侧的气体扩散载体3连接相应的金属引线(图未示)引出。

为了使卷筒型的燃料电池适应实际应用需要，可以将数个这种类型的燃料电池进行各种方式的串、并联连接，以达到应用目的所需求的电流电压，也可以将卷筒型中每一卷段进行间断，构成一个单电池，整个卷筒型燃料电池间断成数段，构成数个单电池，再进行串、并联连接，以达到实际应用目的电流、电压的需求。

实施例3

请参阅图4、图5，一种一层卷筒型的三合一电极及其构成的燃料电池，这种一层卷筒型的电极构成的燃料电池具有很高的功率密度。一层卷筒型的燃料电池膜电极1由质子交换膜11构成，膜两边涂铂等贵金属催化剂12，膜电极1两边各设有一层不透气的隔层2(图中黑实线)，这样可使膜电极1两侧分别走燃料氢气H₂或氧化剂O₂(或空气)，并可填充一些气体扩散载体3，如柔性的金属丝网或碳纤材料，如碳布，这样就不需要导流极板，而电流可以从膜电极1两侧的气体扩散载体3连接相应的金属引线(图未示)引出。

为了使卷筒型的燃料电池适应实际应用需要，可将数个卷筒型的燃料电池进行串联或并联连接，以达到应用目的所需求的电流电压，也可以将卷筒型中每卷一段进行间断，构成一个单电池，整个卷筒型燃料电池间断成数段，构成数个单电池，并将各单电池进行串联连接，以增加整个卷筒型燃料电池的输出电压。

Claims (6)

1.一种具有高功率密度的质子交换膜燃料电池，包括由质子交换膜构成的膜电极，所述的质子交换膜两边涂有催化剂，其特征在于，还包括不透气隔层，气体扩散载体，金属引线，所述的膜电极和不透气隔层叠加并卷成一层或多层卷筒型，所述的气体扩散载体设在膜电极的两侧，所述的金属引线设在气体扩散载体上，由此构成一卷筒型具有高功率密度的质子交换膜燃料电池。

2.根据权利要求1所述的具有高功率密度的质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述的卷筒型具有高功率密度的质子交换膜燃料电池每卷一段进行间断，构成一个单电池，各单电池进行串联或并联连接。

3.一种具有高功率密度的质子交换膜燃料电池，包括由质子交换膜构成的膜电极，所述的质子交换膜两边涂有催化剂，其特征在于，还包括不透气隔层、气体扩散载体、金属引线，所述的膜电极与隔层卷成一层或多层卷筒型，该卷筒型隔层与隔层之间设有两层膜电极，所述的气体扩散载体设在膜电极与膜电极之间和膜电极与隔层之间，所述的金属引线设在气体扩散载体上，由此构成一卷筒型具有高功率密度的质子交换膜燃料电池。

4.根据权利要求3所述的具有高功率密度的质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述的卷筒型具有高功率密度的质子交换膜燃料电池每卷一段进行间断，构成一个单电池，各单电池进行串联或并联连接。

5.根据权利要求1或3所述的具有高功率密度的质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述的催化剂为铂催化剂。

6.根据权利要求1或3所述的具有高功率密度的质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述的气体扩散载体采用柔性金属丝网或碳纤维材料。

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