專(zhuān)利名稱(chēng)：一片膜上含有多個(gè)膜電極的燃料電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及對(duì)膜電極的改進(jìn)及在一片膜上制備多個(gè)膜電極的方法。
眾所周知，燃料電池將是21世紀(jì)理想的能源轉(zhuǎn)換裝置，燃料電池是一種將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的電化學(xué)發(fā)電裝置，燃料電池除了在發(fā)電時(shí)無(wú)污染，無(wú)澡音，無(wú)腐蝕，制作容易外，尤其具有發(fā)電效率高，使用壽命長(zhǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)，因此在航天，交通工具，移動(dòng)電源等各領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前已有的燃料電池見(jiàn)

圖1，燃料電池的核心部件是膜電極(4)，膜電極(4)是由質(zhì)子交換膜(1)，催化層(2，2a)，擴(kuò)散層(3，3a)三部分材料緊密結(jié)合而成的，通常情況下，在一片質(zhì)子交換膜(1)上只制備出一個(gè)膜電極(4)，加上膜電極兩側(cè)的導(dǎo)流板(亦稱(chēng)雙極板)(5，5a)只能組成一個(gè)燃料電池發(fā)電單元(6)。質(zhì)子交換膜燃料電池利用氫氣和氧氣在催化劑作用下，產(chǎn)生電能。理論上，氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池的電動(dòng)勢(shì)約為1.23V，在額定輸出功率狀態(tài)下輸出電壓為0.6-0.7V，因此，為了實(shí)用化，通常要把幾個(gè)、幾十個(gè)甚至上百個(gè)發(fā)電單元依次串聯(lián)起來(lái)使用(參見(jiàn)圖2)，這勢(shì)必形成較復(fù)雜的氣路結(jié)構(gòu)和較大的燃料電池體積、重量，并增大了組裝和密封的難度，使質(zhì)子交換膜燃料電池難以小型化、微型化以及多樣化。
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述已有燃料電池存在的問(wèn)題而提出在一片膜上制備出含有多個(gè)膜電極的燃料電池及其制備方法，制備出在一個(gè)燃料電池發(fā)電單元厚度條件下，升高輸出電壓和輸出多種不同電壓，以實(shí)現(xiàn)燃料電池發(fā)電裝本發(fā)明的內(nèi)容之一是提供一種在一片質(zhì)子交換膜上含有多個(gè)膜電極的燃料電池，結(jié)合圖3、圖4和圖5對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步的闡述。本發(fā)明的特征是在一片質(zhì)子交換膜上制作含有多個(gè)膜電極(4A，4B，4C，4D，4E，4F，4G，4H，4I，4J......)，也包括在一片質(zhì)子交換膜上制作含有2個(gè)膜電極(4A和4B)至100個(gè)膜電極(4A，4B，4C，4D，4E，4F，4G，4H，4I，4J......)，多個(gè)膜電極的形狀既可以相同，又可以不相同，其面積可以相等，也可以不相等，其中每一個(gè)膜電極(4)均是由質(zhì)子定換膜(1)，催化層(2，2a)和擴(kuò)散層(3，3a)三部分材料緊密結(jié)合成的；在每一個(gè)膜電極(4)的兩側(cè)分別對(duì)應(yīng)有導(dǎo)流板(5，5a)，由多個(gè)膜電極和導(dǎo)流板(5，5a)組成多個(gè)發(fā)電單元(6A，6B，6C，6D，6E，6F，6G，6H，6I，6J，......)，導(dǎo)流板(5，5a)上均有向外引出導(dǎo)電耳，把各個(gè)發(fā)電單元的正負(fù)極導(dǎo)電耳用多種方式串聯(lián)起來(lái)，并通過(guò)最終的正負(fù)極端子把一種或多種電壓輸出，而組成在一片質(zhì)子交換膜上含有多個(gè)膜電極的燃料電池。
本發(fā)明的內(nèi)容之二是提供一種在一片質(zhì)子交換膜上制作含有多個(gè)膜電極燃料電池的制作方法，為了在一片質(zhì)子交換膜上能作出多個(gè)膜電極，而且使每個(gè)膜電極都具有預(yù)先規(guī)劃好的各種形狀和設(shè)計(jì)好的面積，本發(fā)明采用了模板涂敷法，即把預(yù)先用薄型不銹鋼板或塑料板作好的分割成多個(gè)幾何圖形的模板，例如2個(gè)正方形的模板，3個(gè)矩形的模板，6個(gè)半圖形的模板，10個(gè)三角形的模板等，將上述的模板置于質(zhì)子交換膜上，然后用裝有催化劑液的噴筆把催化劑均勻噴涂于質(zhì)子交換膜上，也可采用刷涂法、網(wǎng)印法、化學(xué)鍍法、真空濺射法、真空蒸鍍法、離子真空濺射法、電鍍法以及其它的印刷方法等涂敷方法。當(dāng)質(zhì)子交換膜一面涂敷的催化劑干燥后，就制作出了催化層(2)，將膜翻轉(zhuǎn)另一面朝上，仍用上述相同的涂敷方法，在膜的另一面相對(duì)應(yīng)的位置制作出催化層(2a)；采用導(dǎo)電性好，透氣性好的碳紙或碳布材料制作為擴(kuò)散層(3，3a)，將碳紙氣性好的碳紙或碳布材料制作為擴(kuò)散層(3，3a)，將碳紙或碳布裁剪成與催化層(2，2a)形狀，大小完全相同的碳紙片或碳布片，將其分別對(duì)應(yīng)的貼在催化層(2，2a)上，這樣就制得一片由質(zhì)子交換膜(1)，催化層(2，2a)和擴(kuò)散層(3，3a)三部分材料緊密結(jié)合組成了膜電極(4)，如果在一片質(zhì)子交換膜上予制2個(gè)正方形就能得到一片質(zhì)子交換膜上含有兩個(gè)膜電極；同樣，在予制的3個(gè)矩形的模板上就能制得到一片質(zhì)子交換膜上含有3個(gè)膜電極；在予制的6個(gè)半園形模板上就制得了一片質(zhì)子交換膜上含有6個(gè)膜電極；在予制10個(gè)三角形模板上就能制得一片質(zhì)子交換膜上含有10個(gè)模電極；導(dǎo)流板采用加工成有氣體導(dǎo)流槽或加工為多孔狀的耐電化學(xué)腐蝕及導(dǎo)電性好的材料制成，包括碳板、不銹鋼板、鎳板或鍍鎳板、鍍金板、覆鎳以及覆金屬板，每?jī)蓧K導(dǎo)流板(5，5a)均有相對(duì)應(yīng)的膜電極(4)，由導(dǎo)流板(5，5a)和多個(gè)膜電極(4)組成多個(gè)發(fā)電單元，每一個(gè)導(dǎo)流板(5，5a)上均有向外引出的導(dǎo)電耳，將各個(gè)發(fā)電單元的正負(fù)極導(dǎo)電耳多種方式串聯(lián)起來(lái)，并通過(guò)最終的正負(fù)極端子輸出一種或多種電壓。導(dǎo)流板(5，5a)同時(shí)還供應(yīng)各膜電極氫氣、氧氣(空氣)，還可將膜同一面的導(dǎo)流板用一塊絕緣板聯(lián)接起來(lái)，使其便于組合為在一片質(zhì)子交換膜上含有多個(gè)膜電極的燃料電池。
本發(fā)明所達(dá)到的效果是實(shí)現(xiàn)了在一片質(zhì)子交換膜上做出多個(gè)膜電極，使燃料電池在原來(lái)一個(gè)發(fā)電單元厚度上作出多個(gè)發(fā)電單元，縮小了燃料電池的厚度，提高了輸出電壓及輸出多種電壓，實(shí)現(xiàn)了燃料電池小型化、微型化、實(shí)用化、多樣化。
附圖及其說(shuō)明圖1—現(xiàn)有技術(shù)、在一片質(zhì)子交換膜上作出一個(gè)燃料電池發(fā)電單元示意2現(xiàn)有技術(shù)將任意個(gè)發(fā)電單元串聯(lián)示意3本發(fā)明一片質(zhì)子交換膜上制作多個(gè)膜電極示意圖其中a—在一片質(zhì)子交換膜(1)上制作兩個(gè)正方形(4B，4C)和四個(gè)矩形膜電極(4A，4D，4E，4F)示意圖(可輸出兩種以上不同電壓)b—在一片質(zhì)子交換膜(1)上制作兩個(gè)正方形膜電極(4A和4C)示意圖c—在一片質(zhì)子交換膜(1)上制作三個(gè)矩形膜電極(4A，4B和4C)示意圖d—在一片質(zhì)子交換膜(1)上制作兩個(gè)半園形膜電極(4A和4B)示意圖e—在一片質(zhì)子交換膜(1)上制作四個(gè)三角形膜電極(4A，4B，4C和4D)示意4本發(fā)明是在一片質(zhì)子交換(1)上制作出三個(gè)發(fā)電單元(6A，6B和6C)的結(jié)構(gòu)示意圖。
A---主視圖B---側(cè)視5本發(fā)明是在一片質(zhì)子交換膜(1)上制作6個(gè)發(fā)電單元(6A，6B，6C，6D，6E，6F)的示意圖。
其中質(zhì)子交換膜---1(1A和1B)催化層---2，2a擴(kuò)散層---3，3a膜電極和多個(gè)膜電極---4(4A，4B，4C，4D，4E，4F，4G......)導(dǎo)電板---5，5a發(fā)電單元和多個(gè)發(fā)電單元---6(6A，6B，6C，6D，6E，6F，6G......)實(shí)施例1在薄型不銹鋼板上，均勻地作出6個(gè)等面積的矩形模板(參見(jiàn)圖5)，將其置于一片77mm×34mm的質(zhì)子交換膜(1)上，用噴筆將催化劑液噴涂于質(zhì)子交換膜的兩面形成催化層(2，2a)，將碳紙裁成12個(gè)等面積的矩形擴(kuò)散層(3，3a)個(gè)膜電極(4A，4B，4C，4D，4E，4F)，用帶有多孔鎳板作為導(dǎo)流板(5，5a)，每?jī)蓧K導(dǎo)流板與其對(duì)應(yīng)的膜電板組成6個(gè)發(fā)電單元(6A，6B，6C，6D，6E，6F)，就制備出在一片質(zhì)子交換膜上制作出6個(gè)膜電極的燃料電池，其在使用0.1MPa空氣(常壓空氣)，0.1MPa氫氣，室溫條件下，發(fā)電效果為3.6V電壓下輸出功率大于2W，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種電子產(chǎn)品施實(shí)供電的目的。
實(shí)施例2在塑料板上作出2個(gè)等面積的正方形模板(參見(jiàn)圖3-b)，將其置于一片40mm×80mm的質(zhì)子交換膜(1)上，用刷涂法把催化劑涂于質(zhì)子交換膜的兩面上，形成催化層(2，2a)，將碳布剪裁成與催化層大小一樣的4個(gè)正方形，分別組裝在催化層兩側(cè)就是擴(kuò)散層(3，3a)，在一片質(zhì)子交換膜上就制作出2個(gè)膜電極(4A和4B)，用多孔的不銹鋼板制成導(dǎo)流板(3，3a)，組裝在膜電極的兩側(cè)就組成了2個(gè)發(fā)電單元(6A和6B)。
實(shí)施例3在薄型不銹鋼板上制作出三個(gè)等面積的矩形模板(參見(jiàn)圖3c)，將其置于一片40mm×60mm的質(zhì)子交換膜(1)上，用網(wǎng)印法將催化劑液涂敷至質(zhì)子交換膜(1)的兩面，干燥后就形成催化層(2，2a)，將碳紙剪裁成與催化層(2，2a)大小，形狀完全一樣6片矩形，分別組裝在催化層(2，2a)兩側(cè)就是擴(kuò)散層(3，3a)，制出了在一片質(zhì)子交換膜上有3個(gè)膜電極(4A，4B，4C)，用具有氣體導(dǎo)流槽的碳板作為導(dǎo)流板(5，5a)，每?jī)蓧K導(dǎo)流板(5，5a)與其對(duì)應(yīng)的三個(gè)膜電極(4A，4B，4C)組裝在一起構(gòu)成了三個(gè)發(fā)電單元(6A，6B，6C)。
實(shí)施例4在塑料板上作出兩個(gè)半園型模板(圖3-d)，將其置于一片φ20mm的質(zhì)子交換膜(1)上，用化學(xué)鍍將催化劑液鍍于質(zhì)子交換膜的兩面形成催化層(2，2a)，將碳布剪裁成與催化層大小一樣的4個(gè)半園形擴(kuò)散層(3，3a)組裝在催化層(2，2a)兩側(cè)就形成在一片質(zhì)子交換膜上有2個(gè)膜電極(4A，4B)，用多孔的鍍金板作為導(dǎo)流板(5，5a)組裝在膜電極(4A，4B)兩側(cè)構(gòu)成了2個(gè)發(fā)電單元(6A，6B)。
實(shí)施例5在塑料板上作出四個(gè)三角形模板(圖3—e)，將其置于一片40mm×40mm質(zhì)子交換膜(1)上，用真空蒸鍍法將催化劑液涂于質(zhì)子交換膜的兩個(gè)面上，干燥后就形成催化層(2，2a)，將碳布剪裁成與催化層大小一致的8個(gè)三角形擴(kuò)散層(3，3a)，組裝在催化層兩側(cè)，就形成了一片質(zhì)子交換膜上有4個(gè)膜電極(4A，4B，4C，4D)，再將多孔鍍鎳板作為導(dǎo)流板(5，5a)，組裝在與其相對(duì)應(yīng)的膜電板(4A，4B，4C，4D)兩側(cè)就構(gòu)成了4個(gè)發(fā)電單元(6A，6B，6C，6D)。
實(shí)施例6在不銹鋼板上作出2個(gè)正方形和4個(gè)矩形的模板(圖3—a)，將其置于一片100mm×100mm質(zhì)子交換膜(1)上，用離子真空濺射法將催化劑液濺射于質(zhì)子交換膜的兩個(gè)面上，干燥后形成催化層(2，2a)，將碳布剪成與催化層形狀，大小完全一樣的8個(gè)矩形和4個(gè)正方形的擴(kuò)散層(3，3a)組裝在催化層(2，2a)兩側(cè)就構(gòu)成了多個(gè)膜電極(4A，4B，4C，4D，4E，4F)，在其兩側(cè)組裝上多孔覆鎳板作為導(dǎo)流板(5，5a)就構(gòu)成了6個(gè)發(fā)電單元(6A，6B，6C，6D，6E，6F)，將2個(gè)正方形發(fā)電單元(4B和4C)上導(dǎo)流板(5，5a)上向外引出導(dǎo)電耳串聯(lián)起來(lái)，并通過(guò)最終的正負(fù)極端子將1.4V電壓輸出；將4個(gè)矩形發(fā)電單元(4A，4D，4E，4F)上導(dǎo)流板(5，5a)上向外引出導(dǎo)電耳串聯(lián)起來(lái)，并通過(guò)最終的正負(fù)極端子將2.8V電壓輸出。這樣，在一個(gè)小型燃料電池發(fā)電裝置上就可輸出兩種以上不同的電壓。
權(quán)利要求
1.一種質(zhì)子交換膜燃料電池，包括質(zhì)子交換膜，空氣電極，氫電極，其特征是在一片質(zhì)子交換膜(1)上含多個(gè)膜電極(4A，4B，4C，4D，4E，4F，4G......)，其中每一個(gè)膜電極(4)均是由質(zhì)子交換膜(1)，催化層(2，2a)和擴(kuò)散層(3，3a)三部分材料緊密結(jié)合成的，在每個(gè)膜電極的兩側(cè)分別對(duì)應(yīng)有導(dǎo)流板(5，5a)，由多個(gè)膜電極(4A，4B，4C，4D，4E，4F......)與其對(duì)應(yīng)和導(dǎo)流板(5，5a)組成發(fā)電單元(6A，6B，6C，6D，6E，6F......)，導(dǎo)流板(5，5a)上有向外引出的導(dǎo)電耳，把各個(gè)發(fā)電單元的正負(fù)極導(dǎo)電耳以多種方式串聯(lián)起來(lái)，并通過(guò)最終的正負(fù)極端子輸出一種或多種電壓，而組成在一片質(zhì)子交換膜上含有多個(gè)膜電極的燃料電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征是在一片質(zhì)子交換膜(1)含有2個(gè)(4A，4B)至100個(gè)(4A，4B，4C，4E，4F，4G，4H，4I，4L......)膜電極。
3.一種制備質(zhì)子交換膜燃料電池的方法，其特征在于采用模板涂敷法制備出在一片質(zhì)子交換膜上含有多個(gè)膜電極的燃料電池，其步驟如下①在一片薄型不銹鋼板或塑料板上予制成多個(gè)設(shè)計(jì)好的各種幾何圖形的模板；將模板置于一片質(zhì)子交換膜(1)上；②將催化劑液噴涂于質(zhì)子交換膜(1)相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)面上，催化劑液干燥后，就形成了多個(gè)催化層(2，2a)；③采用導(dǎo)電性好，透氣性好的材料作為擴(kuò)散層(3，3a)，將其剪裁成與催化層(2，2a)形狀，大小相同的片，組裝在催化層(2，2a)的兩側(cè)，就構(gòu)成了多個(gè)膜電極(4A，4B，4C，4E，4F，4G，4H，4I，4L......)；④采用導(dǎo)電性好，耐電化學(xué)腐蝕的材料制成導(dǎo)流板(5，5a)，每?jī)蓧K導(dǎo)流板(5，5a)與其相對(duì)應(yīng)的多個(gè)膜電極組裝成多個(gè)發(fā)電單元(6A，6B，6C，6D，6E，6G，6H，6I，6J......)；每一個(gè)導(dǎo)流板上均有向外引出的導(dǎo)電耳，將多個(gè)發(fā)電單元的正負(fù)極導(dǎo)電耳以多種方式串聯(lián)起來(lái)，并通過(guò)最終的正負(fù)極端子輸出一種或多種電壓；⑤根據(jù)權(quán)利的要求3所述的制備燃料電池的方法，其特征在于制備擴(kuò)散層(3，3a)的材料包括碳紙、碳布；⑥根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備燃料電池的方法，其特征在于導(dǎo)流板的氣體通道包括多孔狀、具有氣體導(dǎo)流糟型；⑦根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備燃料電池的方法，其特征于導(dǎo)流板的材料包括碳板、不銹鋼板、鎳板、鍍鎳板、覆鎳板、覆金屬板、鍍金板。⑧根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備燃料電池的方法，其特征在于制備催化層的涂敷方法包括噴涂法、刷涂法、網(wǎng)印法、化學(xué)鍍法、等離子真空濺射法、真空濺射法、真空蒸鍍以及其它印刷法。
全文摘要
本發(fā)明是采用模板涂敷法在一片質(zhì)子交換膜上制作多個(gè)膜電極的燃料電池。由一片質(zhì)子交換膜,多個(gè)催化層和多個(gè)擴(kuò)散層三者組成多個(gè)膜電極;由多個(gè)膜電極和多個(gè)導(dǎo)流板組成多個(gè)發(fā)電單元;各個(gè)發(fā)電單元的導(dǎo)流板上均有向外引出的導(dǎo)電耳,將多個(gè)發(fā)電單元的正負(fù)極導(dǎo)電耳以多種方式串聯(lián)起來(lái)并通過(guò)最終的正負(fù)極端子輸出一種或多種電壓。本發(fā)明不僅能使燃料電池達(dá)到提高輸出電壓和多種電壓的目的,而且能使燃料電池小型化、微型化、實(shí)用化、多樣化,成為21世紀(jì)人類(lèi)最理想的能源轉(zhuǎn)換裝置。
文檔編號(hào)H01M8/10GK1276633SQ0012112
公開(kāi)日2000年12月13日 申請(qǐng)日期2000年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月27日
發(fā)明者鄭重德 申請(qǐng)人:鐘家輪