CN2852409Y - 一种自增湿氢/空气质子交换膜燃料电池系统 - Google Patents

一种自增湿氢/空气质子交换膜燃料电池系统 Download PDF

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本实用新型公开了一种自增湿氢/空气质子交换膜燃料电池系统，由电堆模块、风机和密封腔组成，电堆模块通过密封腔与风机相连通；电堆模块由端板、集流金属板、石墨双极板与自增湿膜电极组成，电堆模块的两端为端板，端板的内侧与集流金属板相贴合，集流金属板之间交替贴合多组由石墨双极板与自增湿膜电极组成的单电池单元；石墨双极板开有贯通式的空气流道；端板开有氢气的进出口。本实用新型采用自增湿膜电极代替传统燃料电池的外增湿系统，用空气冷却取代水冷却系统，特别适于用作便携式电子电器、电动自行车、电动滑板车、电动割草机、电动摩托车、电动轮椅车等的动力电源。本实用新型结构紧凑，运行稳定，工作性能优良。

Description

一种自增湿氢/空气质子交换膜燃料电池系统
                         技术领域
本实用新型涉及一种燃料电池，具体是指一种自增湿氢/空气质子交换膜燃料电池系统。
                         背景技术
质子交换膜燃料电池具有洁净、噪音小、操作温度低、电流密度大、能量转化效率高等优点。小功率的这种燃料电池可以用作电动自行车、电动滑板车、电动割草机、电动摩托车、电动轮椅车、电动工具等的动力电源。这种燃料电池系统除了燃料电池堆之外，还需要燃料和氧化剂的供给系统、电子智能控制等辅助系统。其燃料氢的供给一般都有一个可通过调节水温来调节氢气湿度的对氢增湿系统，电池堆则有一个用水或其他液体对电池堆进行温度控制的液体冷却系统。膜电极是电堆的核心部件。它由一张质子交换膜和阴阳两个电极热压而成。在膜电极的阳极侧，燃料氢气在催化剂的表面发生电化学反应产生电子和质子，质子通过质子交换膜迁移到阴极侧，并与从外电路传导过来的电子结合而生成水。阳极侧的质子在膜内与水结合成水合质子并在电渗力的作用下向阴极迁移，结果会导致阳极侧的膜脱水。虽然存在水在浓度差作用下的反渗透现象，但在风机抽风或鼓(吹)风过程中，这种反渗透作用往往会被大大地削弱，从而使质子交换膜的质子传导性能严重下降而危及电堆的电性能。现有背景技术中存在的缺陷包括：
1、采用外增湿系统和采用压缩机来提供高压氧源的质子交换膜燃料电池系统的体积大、重量重、结构不紧凑，不适于用作可移动电源，特别不适于用作可移动的动力电源。
2、对采用常压空气作为氧源的质子交换膜燃料电池，若采用风机抽风或鼓(吹)风作为其动力，在空气经过电堆双极板的贯通式流道时，会使水从阴极向阳极的反渗透现象削弱，若不对阳极的氢气进行增湿，则在阳极侧的膜就会脱水，从而使本来功率较低的电堆的电性能进一步下降。
                          发明内容
本实用新型的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种能克服以上缺陷、避免阳极侧的膜脱水、阻止电堆的电性能下降、工作性能稳定优良的自增湿氢/空气质子交换膜燃料电池系统。
本实用新型的目的通过下述技术方案来实现：所述自增湿氢/空气质子交换膜燃料电池系统由电堆模块、风机和密封腔相互连接而成，所述电堆模块通过密封腔与风机相连通；所述电堆模块由端板、集流金属板、石墨双极板与自增湿膜电极相互连接而组成，所述电堆模块的两端为端板，端板的内侧通过橡胶垫与集流金属板相贴合，所述集流金属板之间交替贴合多组由石墨双极板与自增湿膜电极组成的单电池单元；所述石墨双极板开有贯通式的空气流道；所述端板开有氢气的进出口。
为了更好地实现本实用新型，所述自增湿膜电极是由质子交换膜以及阳极侧的自增湿层和阴极侧的电极催化层组成，并外覆碳纸；所述自增湿层是指将由Nafion溶液和碳载铂(Pt/C)催化剂混合成的涂层；所述电极催化层由聚四氟乙烯(PTFE)乳液和Pt/C催化剂混合成的途层；所述石墨双极板采用阴极面贯通式结构双极板；所述电堆模块有1～2个；所述电堆模块的工作温度范围为30～85℃，重量比功率在0.1～0.3W/cm2之间；所述风机包括抽风机和鼓风机。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本实用新型通过对膜电极的阳极侧进行自增湿处理，燃料电池在运行过程中不需要额外增加增湿系统，即水在渗透力的作用下可以从阴极渗回到阳极，达到膜内部的水平衡，从而实现燃料电池的正常稳定运行。双极板采用风冷贯通式流场结构，常压空气在风机的作用下，流过阴极的贯通式流场。这样不但提供了电堆所用的氧化剂，而且还带走了电堆所生成的热量和水分，起到散热和排水的作用。用空气冷却电堆即用风冷取代传统的水冷却系统，电堆的输出功率可在1W～1000W的范围。整个电堆运行系统的结构简单、紧凑、体积小、重量轻、性能优良，可用作电动自行车、电动滑板车、电动割草机、电动摩托车、电动轮椅车、电动工具等的动力电源。
                       附图说明
图1是自增湿膜电极的结构示意图；
图2是电堆模块的结构示意图；
图3是本实用新型采用抽风形式的结构示意图；
图4是本实用新型采用鼓风形式的结构示意图。
                     具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型作进一步的详细说明。
实施例一
如图1所示，将Nafion112型质子交换膜4(美国杜邦公司产品)依次放入浓度为5wt.％双氧水、去离子水、0.5M硫酸、去离子水中处理30分钟，温度均为80℃，然后存于去离子水中备用。将碳纸浸泡在浓度为5wt.％的聚四氟乙烯(PTFE)乳液中30分钟，然后取出，烘干，放入马福炉内，在340℃下焙烧30分钟，取出冷却后，在其一侧表面均匀涂上一层由碳黑与聚四氟乙烯乳液的混合物(重量比5∶1)，使其表面平整，晾干后在马福炉内于340℃焙烧30分钟，即制得具有一定疏水性有利于气体扩散的碳纸1。将Pt/C催化剂与PTFE乳液的混合物(重量比4∶1)经超声波分散后均匀地涂抹在碳纸上，形成电极催化层2，烘干后即得到疏水性的电极。在质子交换膜4的一侧喷涂上一层由Nafion溶液(美国杜邦公司产品)与Pt/C催化剂的混合物(重量比7∶1)，构成自增湿层3，再与制备好的疏水性电极热压成三合一膜电极，压力为1MPa、温度为125℃，时间为2分钟，铂的担载量为0.5mg/cm2，其中有自增湿层的一侧为阳极。这样在三合一膜电极中形成了由疏水到亲水的梯度结构。这种梯度结构的形成有利于保证电子通道、质子通道、水通道和气体通道的畅通，从而使电堆能保持一个良好、稳定的工作状态。
如图2所示，电堆模块由端板7、集流金属板9、石墨双极板10和自增湿膜电极11相互连接而组成。电堆模块的两端为端板7，端板7的内侧通过橡胶垫8与集流金属板9相贴合，集流金属板9之间交替贴合着多组由石墨双极板10和自增湿膜电极11所组成的单电池单元。石墨双极板10的阴极面采用贯通式结构的流场即空气流道12，端板7开有氢气的进口5和出口6。
本实用新型所述自增湿氢/空气质子交换膜燃料电池系统由电堆模块13、风机14和密封腔15相互连接而组成。电堆模块13通过密封腔15与风机14相连通。风机14安置在石墨双极板10的空气流道12的一边，风机是常压空气流动的动力源，在常压下采用抽风的方式为电池提供氧源，同时排出电堆模块13所生成的水和废热。风机14与电堆模块13之间采用塑料板和热熔胶密封。电堆模块13的工作温度可为45℃，重量比功率可达到0.3W/cm2。
实施例二
如图3所示，当单电池单元的数目过多时，电堆模块13采用两个平行排列，两电堆模块13的石墨双极板10出风口的间距为60mm，风机14安装在两个电堆模块13的端板7的外侧，风机14与两个电堆模块13之间采用塑料板和热熔胶密封。电堆模块13的工作温度为85℃，重量比功率达到0.2W/cm2。
实施例三
如图4所示，选用排气扇或鼓风机，排气扇或鼓风机14安装在石墨双极板10的空气流道12的一侧，采用鼓(吹)风的方式为电堆模块13提供氧源。其余同实施例一。电堆模块13的工作温度为30℃，重量比功率达到0.1W/cm2。
如上所述，即可较好地实现本实用新型。

Claims (8)

1、一种自增湿氢/空气质子交换膜燃料电池系统，其特征是，它由电堆模块、风机和密封腔相互连接而成，所述电堆模块通过密封腔与风机相连通；所述电堆模块由端板、集流金属板、石墨双极板与自增湿膜电极相互连接而组成，所述电堆模块的两端为端板，端板的内侧通过橡胶垫与集流金属板相贴合，所述集流金属板之间交替贴合多组由石墨双极板与自增湿膜电极组成的单电池单元；所述石墨双极板开有贯通式的空气流道；所述端板开有氢气的进出口。
2、根据权利要求1所述一种自增湿氢/空气质子交换膜燃料电池系统，其特征是，所述自增湿膜电极是由质子交换膜以及阳极侧的自增湿层和阴极侧的电极催化层组成，并外覆碳纸。
3、根据权利要求2所述一种自增湿氢/空气质子交换膜燃料电池系统，其特征是，所述自增湿层是指将由Nafion溶液和碳载铂催化剂混合成的涂层。
4、根据权利要求2所述一种自增湿氢/空气质子交换膜燃料电池系统，其特征是，所述电极催化层由聚四氟乙烯乳液和碳载铂催化剂混合成的涂层。
5、根据权利要求1所述一种自增湿氢/空气质子交换膜燃料电池系统，其特征是，所述石墨双极板采用阴极面贯通式结构双极板。
6、根据权利要求1所述一种自增湿氢/空气质子交换膜燃料电池系统，其特征是，所述电堆模块有1～2个。
7、根据权利要求1所述一种自增湿氢/空气质子交换膜燃料电池系统，其特征是，所述电堆模块的工作温度范围为30～85℃，重量比功率在0.1～0.3W/cm2之间。
8、根据权利要求1所述一种自增湿氢/空气质子交换膜燃料电池系统，其特征是，所述风机包括抽风机和鼓风机。
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