專利名稱：一種具有高功率密度的質子交換膜燃料電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及一種具有高功率密度的質子交換膜燃料電池。
背景技術：
電化學燃料電池是一種能夠將氫燃料及氧化劑轉化成電能及反應產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細小分散的引發(fā)電化學反應的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導電物體將發(fā)生電化學反應過程中生成的電子，通過外電路引出，構成電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學反應，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質子交換膜，到達膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學反應得到電子，形成負離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發(fā)生反應，形成反應產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)的催化電化學反應就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質子)。質子交換膜幫助氫正離子從陽極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負離子，并與陽極區(qū)遷移過來的氫正離子反應，生成反應產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質子交換膜燃料電池中，陽極反應與陰極反應可以用以下方程式表達
陽極反應陰極反應在典型的質子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導電的極板中間，每塊導電極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機械銑刻，形成至少一條以上的導流槽。這些導電極板可以是金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導電極板上的導流孔道與導流槽分別將燃料和氧化劑導入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個質子交換膜燃料電池單電池的構造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導流極板與陰極氧化劑的導流極板。這些導流極板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導流極板上的導流槽又作為燃料與氧化劑進入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通?？赏ㄟ^直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導流進口和導流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學放熱反應生成的熱吸收并帶出電池組后進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應的導流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
質子交換膜燃料電池的用途很廣，可以用作手機電源、筆記本電腦電源、電動自行車、電動摩托車、電動汽車等電源，質子交換膜燃料電池中的核心部件是三合一電極，目前幾乎所有質子交換膜燃料電池三合一電極都是壓制成平面型，如圖1(圖1中陰影部分為電極有效面積)，這種平面型三合一電極迫使燃料電池的構成導流極板也必須是平面型的，如圖2，由平面型的三合一電極與導流極板裝配成的典型燃料電池，如圖3，這種典型的由平面型電極與導流板構成燃料電池，由于以下原因導致功率密度不高(1)電極有效面積利用率低，一般＜80％；(2)導流極板較重或體積較大，有效導流面積利用率也較低，一般少于80％。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種電極有效面積利用率高、體積小、重量輕的具有高功率密度的質子交換膜燃料電池。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)一種具有高功率密度的質子交換膜燃料電池，包括由質子交換膜構成的膜電極，所述的質子交換膜兩邊涂有催化劑，其特征在于，還包括不透氣隔層，氣體擴散載體，金屬引線，所述的膜電極和不透氣隔層疊加并卷成單層或多層卷筒型，所述的氣體擴散載體設在膜電極的兩側，所述的金屬引線設在氣體擴散載體上，由此構成一卷筒型具有高功率密度的質子交換膜燃料電池；燃料氫氣和氧化劑分別通過氣體擴散載體到達膜電極兩側，并在膜電極上進行電化學反應產(chǎn)生電流，所產(chǎn)生的電流由金屬引線引出。
所述的卷筒型具有高功率密度的質子交換膜燃料電池每卷一段進行間斷，構成一個單電池，各單電池進行串聯(lián)或并聯(lián)連接，構成一還具有較高輸出電壓或電流的燃料電池。
本發(fā)明的目的還可以通過以下技術方案來實現(xiàn)一種具有高功率密度的質子交換膜燃料電池，包括由質子交換膜構成的膜電極，所述的質子交換膜兩邊涂有催化劑，其特征在于，還包括不透氣隔層、氣體擴散載體、金屬引線，所述的膜電極與隔層卷成單層或多層卷筒型，該卷筒型的隔層與隔層之間設有兩層膜電極，該兩層膜電極中間走燃料氫氣或氧化劑，膜電極與外側隔層之間走氧化劑或燃料氫氣，所述的氣體擴散載體設在膜電極與膜電極之間和膜電極與隔層之間，所述的金屬引線設在氣體擴散載體上，由此構成一卷筒型具有高功率密度的質子交換膜燃料電池。
所述的卷筒型具有高功率密度的質子交換膜燃料電池每卷一段進行間斷，構成一個單電池，各單電池進行串聯(lián)或并聯(lián)連接，構成一還具有較高輸出電壓或電流的燃料電池。
所述的催化劑為鉑催化劑。
所述的氣體擴散載體采用柔性金屬絲網(wǎng)或碳纖維材料。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明是將燃料電池中的核心部件進行完全不同的設計，將平面疊加型改為數(shù)層或一層卷筒型，不需要導流極板，從而解決以上平面型燃料電池中的兩個缺陷，大大提高了燃料電池的功率密度。


圖1為現(xiàn)有平面型三合一電極的結構示意圖；圖2為現(xiàn)有平面型導流極板的結構示意圖；圖3為現(xiàn)有平面型的三合一電極與導流極板裝配成的典型燃料電池的結構示意圖；圖4為本實用新型的結構示意圖；圖5為圖4的橫截面實施例1結構示意圖；圖6為圖4的橫截面實施例2結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
實施例1如圖4、圖5所示，是一種多層卷筒型的三合一電極及其構成的燃料電池，這種采用卷筒型的電極構成的燃料電池具有很高的功率密度。
圖5中卷筒型的燃料電池膜電極1由質子交換膜11構成，膜兩邊涂鉑等貴金屬催化劑12，膜電極1之間由一層不透氣的隔層2(圖中黑實線)隔開，這樣可使膜電極1兩側可分別各走燃料氫氣H2或氧化劑O2(或空氣)，并可填充一些氣體擴散載體3，如柔性的金屬絲網(wǎng)或碳纖材料，如碳布，這樣就不需要導流極板，而電流可以從膜電極1兩側的氣體擴散載體3連接相應的金屬引線(圖未示)引出。
為了使卷筒型的燃料電池適應實際應用需要，可將數(shù)個卷筒型的燃料電池進行串聯(lián)或并聯(lián)連接，以達到應用目的所需求的電流電壓，也可以將卷筒型中每卷一段進行間斷，構成一個單電池，整個卷筒型燃料電池間斷成數(shù)段，構成數(shù)個單電池，并將各單電池進行串聯(lián)連接，以增加整個卷筒型燃料電池的輸出電壓。
實施例2如圖4、圖6所示，也是一種多層卷筒型電極構成的燃料電池，也具有極高的功率密度。與實施例1所不同的是圖6的卷筒形的隔層2與隔層2之間(黑實線)有兩層膜電極1，每層膜電極1均由一張質子交換膜11構成，膜兩邊涂鉑等貴金屬催化劑12，而這兩層膜電極1中間目前是走燃料氫氣H2(也可以走氧化劑如氧氣或空氣)，而兩層膜電極1外側目前是走氧化劑如氧氣O2(也可以走氫氣)。其中膜電極1與膜電極1之間，膜電極1與隔層2之間可以填充一些氣體擴散載體3，如柔性的金屬絲網(wǎng)或碳纖維材料，如碳布，這樣就不需要導流極板，而電流可以從膜電極1兩側的氣體擴散載體3連接相應的金屬引線(圖未示)引出。
為了使卷筒型的燃料電池適應實際應用需要，可以將數(shù)個這種類型的燃料電池進行各種方式的串、并聯(lián)連接，以達到應用目的所需求的電流電壓，也可以將卷筒型中每一卷段進行間斷，構成一個單電池，整個卷筒型燃料電池間斷成數(shù)段，構成數(shù)個單電池，再進行串、并聯(lián)連接，以達到實際應用目的電流、電壓的需求。
實施例3請參考圖4、圖5，一種單層卷筒型的三合一電極及其構成的燃料電池，這種采用卷筒型的電極構成的燃料電池具有很高的功率密度。單層卷筒型的燃料電池膜電極1由質子交換膜11構成，膜兩邊涂鉑等貴金屬催化劑12，膜電極1兩邊各設一層不透氣的隔層2(圖中黑實線)，這樣可使膜電極1兩側分別各走燃料氫氣H2或氧化劑O2(或空氣)，并可填充一些氣體擴散載體3，如柔性的金屬絲網(wǎng)或碳纖材料，如碳布，這樣就不需要導流極板，而電流可以從膜電極1兩側的氣體擴散載體3連接相應的金屬引線(圖未示)引出。
為了使卷筒型的燃料電池適應實際應用需要，可將數(shù)個卷筒型的燃料電池進行串聯(lián)或并聯(lián)連接，以達到應用目的所需求的電流電壓，也可以將卷筒型中每卷一段進行間斷，構成一個單電池，整個卷筒型燃料電池間斷成數(shù)段，構成數(shù)個單電池，并將各單電池進行串聯(lián)連接，以增加整個卷筒型燃料電池的輸出電壓。
權利要求
1.一種具有高功率密度的質子交換膜燃料電池，包括由質子交換膜構成的膜電極，所述的質子交換膜兩邊涂有催化劑，其特征在于，還包括不透氣隔層，氣體擴散載體，金屬引線，所述的膜電極和不透氣隔層疊加并卷成單層或多層卷筒型，所述的氣體擴散載體設在膜電極的兩側，所述的金屬引線設在氣體擴散載體上，由此構成一卷筒型具有高功率密度的質子交換膜燃料電池；燃料氫氣和氧化劑分別通過氣體擴散載體到達膜電極兩側，并在膜電極上進行電化學反應產(chǎn)生電流，所產(chǎn)生的電流由金屬引線引出。
2.根據(jù)權利要求1所述的具有高功率密度的質子交換膜燃料電池，其特征在于，所述的卷筒型具有高功率密度的質子交換膜燃料電池每卷一段進行間斷，構成一個單電池，各單電池進行串聯(lián)或并聯(lián)連接，構成一還具有較高輸出電壓或電流的燃料電池。
3.一種具有高功率密度的質子交換膜燃料電池，包括由質子交換膜構成的膜電極，所述的質子交換膜兩邊涂有催化劑，其特征在于，還包括不透氣隔層、氣體擴散載體、金屬引線，所述的膜電極與隔層卷成單層或多層卷筒型，該卷筒型的隔層與隔層之間設有兩層膜電極，該兩層膜電極中間走燃料氫氣或氧化劑，膜電極與外側隔層之間走氧化劑或燃料氫氣，所述的氣體擴散載體設在膜電極與膜電極之間和膜電極與隔層之間，所述的金屬引線設在氣體擴散載體上，由此構成一卷筒型具有高功率密度的質子交換膜燃料電池。
4.根據(jù)權利要求3所述的具有高功率密度的質子交換膜燃料電池，其特征在于，所述的卷筒型具有高功率密度的質子交換膜燃料電池每卷一段進行間斷，構成一個單電池，各單電池進行串聯(lián)或并聯(lián)連接，構成一還具有較高輸出電壓或電流的燃料電池。
5.根據(jù)權利要求1或3所述的具有高功率密度的質子交換膜燃料電池，其特征在于，所述的催化劑為鉑催化劑。
6.根據(jù)權利要求1或3所述的具有高功率密度的質子交換膜燃料電池，其特征在于，所述的氣體擴散載體采用柔性金屬絲網(wǎng)或碳纖維材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有高功率密度的質子交換膜燃料電池，包括由質子交換膜構成的膜電極、不透氣隔層、氣體擴散載體、金屬引線，所述的質子交換膜兩邊涂有催化劑，所述的膜電極和不透氣隔層疊加并卷成單層或多層卷筒型，所述的氣體擴散載體設在膜電極的兩側，所述的金屬引線設在氣體擴散載體上。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有電極有效面積利用率高、體積小、重量輕等優(yōu)點。
文檔編號H01M8/10GK1398011SQ0112612
公開日2003年2月19日 申請日期2001年7月13日 優(yōu)先權日2001年7月13日
發(fā)明者胡里清 申請人:上海神力科技有限公司