專利名稱：一種復合式燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，更加具體地說，涉及一種新型復合式燃料電池，具有水管理自優(yōu)由化的特點。
背景技術(shù)：
目前的質(zhì)子交換膜(ProtonExchangeMembrane, PEM)燃料電池會在陰極生成水，陽極消耗水。同時由于電滲拖拽(electro-osmoticdrag, E0D)作用，部分陽極的水會被拖拽到陰極，使陰極的水更多，陽極的水更少，從而導致大量的液態(tài)水堆積在陰極影響反應流體的傳輸，進而影響燃料電池的工作效率。同時，PEM膜陰陽兩級水分布的不平衡會導致膜本身電阻增加，使局部過熱而損壞PEM膜，進而影響燃料電池的工作效率。因此，PEM膜燃料電池需要有效利用陽極生成的水和外部輸送的水，充分加濕膜，同時將陰極生成的液態(tài)水及時排除，減少對反應流體傳輸?shù)挠绊?。這些使得PEM膜燃料電池的水熱管理變得復雜。目前的固態(tài)堿性陰離子交換膜(AlkalineAnionExchange Membrane, AAEM)燃料電池則相反，陽極的水更多，陰極的水更少。AAEM膜陰陽兩級水分布的不平衡也會導致和PEM膜同樣的問題，從而影響燃料電池的工作效率。水熱管理也同樣會變得復雜，如附圖1所示。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新型復合式燃料電池。這種燃料電池可以充分利用PEM膜陰極水多和AAEM膜陽極水多的特點，使兩種膜所產(chǎn)生的水相互補充，從而使膜兩級的水分布較為平衡，進而使水熱管理變得簡單。本發(fā)明的技術(shù)目的通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn):一種復合式燃料電池，包括復合膜、密封墊片、碳板、導電板、耐熱絕緣板及緊固裝置，其中:導電板、耐熱絕緣板及緊固裝置可選用燃料電池領(lǐng)域的常用材料，所述導電板設置在碳板的外側(cè)，用于收集碳板上的電流并對外輸出電流；所述絕緣耐熱板設置在導電板的外側(cè)，用于使緊固裝置和導電板絕緣，防止漏電；所述緊固裝置的表面可覆蓋絕緣材料，以防止緊固裝置和碳板接觸而漏電，或者直接采用絕緣材料制備的緊固裝置，所述緊固裝置用于連接和緊固燃料電池的各個組成部分，選擇螺栓/螺母。所述復合膜中鑲嵌有質(zhì)子交換膜(ProtonExchangeMembrane, PEM)和堿性陰離子交換膜(AlkalineAnionExchangeMembrane, AAEM),每個喊性陰離子交換膜(AAEM)和質(zhì)子交換膜(PEM)均構(gòu)成一個單獨獨立的燃料電池且交錯分布，進行反應，并將兩種交換膜的陽極位于復合膜的一側(cè)，陰極位于復合膜的另一側(cè)，這樣一來，堿性陰離子交換膜(AAEM)陽極生成的水可對質(zhì)子交換膜(PEM)陽極進行補充，質(zhì)子交換膜(PEM)陰極生成的水對堿性陰離子交換膜(AAEM)陰極進行補充，復合膜的本體起到絕緣和密封的作用，防止PEM膜和AAEM膜電解質(zhì)的泄漏。所述復合膜的本體選擇聚酯薄膜。
所述質(zhì)子交換膜和堿性陰離子交換膜的反應活化面積比為2:1。所述質(zhì)子交換膜的數(shù)量和堿性陰離子交換膜的數(shù)量相等，以構(gòu)成電極反應生成水的補充，例如I個AAEM和I個PEM組成，2個AEM和2個PEM組成，3個AEM和3個PEM,根據(jù)燃料電池的大小適當選擇交換膜的數(shù)量，并可根據(jù)兩者的反應活化面積之比進行設計。為實現(xiàn)這一功能，在碳板上設置有與堿性陰離子交換膜(AAEM)燃料電池和質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池位置相應的蛇形流道，要保證流體交替經(jīng)過PEM膜和AAEM膜并且流體開始流入碳板的流道時，在復合膜的陽極一側(cè)要先經(jīng)過AAEM膜，再經(jīng)過PEM膜，再經(jīng)過AAEM膜，再經(jīng)過PEM膜；在復合膜的陰極一側(cè)要先經(jīng)過PEM膜，再經(jīng)過AAEM膜，再經(jīng)過PEM膜，再經(jīng)過AAEM膜。在整個蛇形流道的外圍設有密封橡膠圈的槽道，內(nèi)置密封橡膠圈；相鄰的膜之間的對應的蛇形流道是相通的，并利用設有密封橡膠圈的槽道進行分割，碳板上蛇形流道的分布與復合膜上交換膜的位置分布相對應。所述蛇形流道和設有密封橡膠圈的槽道通過機械加工方法直接在碳板表面進行加工而成，例如刻蝕。所述設置在碳板上的密封橡膠圈的作用是防止流道中流體(例如燃料、氣體和電極反應生成的水)的泄漏，所述密封橡膠圈外圍放有密封墊片，所述密封墊片覆蓋除蛇形流道之外的碳板表面，用于進一步密封和防止復合膜兩側(cè)的碳板接觸導致短路。所述復合膜和碳板表面的蛇形流道相接觸。組裝成為燃料電池后，在進行工作時，在復合膜的陽極和陰極兩側(cè)，流體以一定速度經(jīng)過入口進入蛇形流道，并進入擴散層(GasDiffusionLayer,⑶L)和催化層(CatalystLayer，CL)，最終進入膜并發(fā)生電化學反應產(chǎn)生H2O,電能和熱能。產(chǎn)生的電能和電能通過CL、⑶L、碳板和極板導出，產(chǎn)生的H2O經(jīng)過CL和⑶L到達流道中，然后被流體從水多的部分帶到水少的部分，從而達到水管理自優(yōu)化的作用。所述流體在陽極一側(cè)選擇燃料，例如甲醇、氫氣；在陰極一側(cè)選擇氧氣或者空氣。所述兩側(cè)流體的速度選擇等速，或者按照化學反應計量比進行調(diào)整。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案將PEM膜和AAEM膜在一起使用，將PEM膜和AAEM膜的相同的電極放置在同一面。通過水熱管理，該新型燃料電池膜可以利用PEM膜陰極生成的水補充AAEM陰極消耗的水，同樣可以利用AAEM膜陽極的生成水補充PEM膜陽極加濕所需的水。本發(fā)明在充分考慮現(xiàn)有技術(shù)的基礎上(質(zhì)子交換膜燃料電池和固態(tài)堿性陰離子交換膜燃料電池)可直接使用現(xiàn)有技術(shù)中的交換膜及其相應的組件進行自裝(導電板、螺栓、耐熱絕緣板)，并具有如下優(yōu)點:(I)與PEM膜燃料電池和AAEM膜燃料電池相比實現(xiàn)了較為簡單的水熱管理，具有水管理自由化的特點，更適合被動式燃料電池和微型燃料電池；
(2)與PEM膜燃料電池相比，貴重催化劑的使用少，排放低，化學反應速率快，功率密度高，啟動迅速，對氫氣替代燃料(如甲醇、乙醇、二甲醚)實用性強，耐腐蝕性高；(3)與AAEM膜燃料電池相比，二氧化碳適應性高，功率輸出高，電阻小，耐久性高；(4)無需生產(chǎn)新的燃料電池膜，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便且成本較低。


圖1為PEM膜和AAEM膜燃料電池工作原理示意圖。圖2為本發(fā)明的新型復合式燃料電池工作原理示意圖。
圖3為本發(fā)明的新型復合式燃料電池的復合膜的平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明的新型復合式燃料電池的復合膜的剖面示意圖。圖5為本發(fā)明的新型復合式燃料電池的碳板結(jié)構(gòu)示意圖，其中A和B分別為流體的進出口。圖6為本發(fā)明的新型復合式燃料電池密封墊片結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為本發(fā)明的新型復合式燃料電池導電板結(jié)構(gòu)示意圖。圖8為本發(fā)明的新型復合式燃料電池絕緣耐熱板結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為本發(fā)明的新型復合式燃料電池組裝結(jié)構(gòu)示意圖。圖10為利用本發(fā)明的技術(shù)方案測得燃料電池極化曲線圖，其中A代表單獨使用PEM膜的燃料電池，B代表單獨使用AAEM膜的燃料電池，C代表本新型復合式燃料電池。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明的技術(shù)方案是PEM膜燃料電池和AAEM膜燃料電池的改進，利用兩種燃料電池在陰陽極各自生成水量的不同，將相鄰的PEM膜燃料電池和AAEM膜燃料電池組成循環(huán)，如圖3所示。復合膜以聚酯薄膜為主體，其上設置有PEM膜燃料電池和AAEM膜燃料電池，是兩者交錯分布，以聚酯薄膜起到絕緣和密封的作用，防止PEM膜和AAEM膜電解質(zhì)的泄漏。從圖4所示，在聚酯薄膜上設置燃料電池的PEM膜和AAEM膜時，將堿性陰離子交換膜(AAEM)燃料電池的陽極和質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池的陽極同時設置在復合膜的一側(cè)，將兩種燃料電池的陰極同時設置在復合膜的另一側(cè)。每個堿性陰離子交換膜(AAEM)和質(zhì)子交換膜(PEM)均構(gòu)成一個單獨獨立的燃料電池，進行反應，由于兩種燃料電池的陽極位于復合膜的一側(cè)，陰極位于復合膜的另一側(cè)，這樣一來，堿性陰離子交換膜(AAEM)陽極生成的水可對質(zhì)子交換膜(PEM)陽極進行補充，質(zhì)子交換膜(PEM)陰極生成的水對堿性陰離子交換膜(AAEM)陰極進行補充。為實現(xiàn)這一功能，如圖5所示，在碳板上設置有與堿性陰離子交換膜(AAEM)燃料電池和質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池位置相應的蛇形流道，要保證流體交替經(jīng)過PEM膜和AAEM膜并且流體開始流入碳板的流道時，在復合膜的陽極一側(cè)要先經(jīng)過AAEM膜，再經(jīng)過PEM膜，再經(jīng)過AAEM膜，再經(jīng)過PEM膜；在復合膜的陰極一側(cè)要先經(jīng)過PEM膜，再經(jīng)過AAEM膜，再經(jīng)過PEM膜，再經(jīng)過AAEM膜，即在陽極碳板，A為進口，B為出口 ；在陰極碳板，B為進口，A為出口。在整個蛇形流道的外圍設有密封橡膠圈的槽道，內(nèi)置密封橡膠圈；相鄰的膜之間的對應的蛇形流道是相通的，并利用設有密封橡膠圈的槽道進行分割，碳板上蛇形流道的分布與復合膜上交換膜的位置分布相對應。具體來說，以四個交換膜為例，堿性陰離子膜及催化層和擴散層1，堿性陰離子膜及催化層和擴散層3，質(zhì)子交換膜及催化層和擴散層2，質(zhì)子交換膜及催化層和擴散層4，通過設有密封橡膠圈的槽道將蛇形流道分割為四個部分，以與上述四塊交換膜的位置相適應，從流體運動方向來看，在陽極一側(cè)，由I到2，再由2到3，最后由3到4 ;在陰極一側(cè)，由4到3，再由3到2，最后由2到I。所述設置在碳板上的密封橡膠圈的作用是防止流道中流體(例如燃料、氣體和電極反應生成的水)的泄漏，所述密封橡膠圈外圍放有密封墊片，所述密封墊片覆蓋除蛇形流道之外的碳板表面，用于進一步密封和防止復合膜兩側(cè)的碳板接觸導致短路。所述復合膜和碳板表面的蛇形流道相接觸。碳板的外側(cè)放有導電板，其形狀如圖7所示，導電板的作用是收集碳板上的電流并對外輸出電流。導電板的外側(cè)放有絕緣耐熱板，其形狀如圖8所示，絕緣耐熱板的作用是使螺栓和導電板絕緣，防止螺栓漏電。螺栓的表面覆蓋絕緣材料，表面覆蓋絕緣材料的作用是防止螺栓和碳板、導電板接觸而漏電或者直接采用絕緣材料制備的螺栓，最后按照附圖9所示方式將上述部件進行組裝，使用螺栓/螺母將各個組成部分進行固定和加緊，其中碳板、導電板、耐熱絕緣板可選用燃料電池領(lǐng)域的常見材料。組裝成為燃料電池后，在進行工作時，在復合膜的陽極和陰極兩側(cè)，流體以一定速度經(jīng)過入口進入蛇形流道，并進入擴散層(GasDiffusionLayer,⑶L)和催化層(CatalystLayer，CL)，最終進入膜并發(fā)生電化學反應產(chǎn)生H2O,電能和熱能。產(chǎn)生的電能和電能通過CL、⑶L、碳板和極板導出，產(chǎn)生的H2O經(jīng)過CL和⑶L到達流道中，然后被流體從水多的部分帶到水少的部分，從而達到水管理自優(yōu)化的作用。實施例1下面為本發(fā)明的具體實施例:本實施例以甲醇為燃料，分別對單獨使用PEM膜的燃料電池，單獨使用AAEM膜的燃料電池和本發(fā)明的新型復合式燃料電池進行實驗。本新型復合式燃料電池中，選擇附圖3 - 5所示的結(jié)構(gòu)，分別選擇兩塊交換膜以形成復合燃料電池，堿性陰離子膜及催化層和擴散層1，堿性陰離子膜及催化層和擴散層3，質(zhì)子交換膜及催化層和擴散層2，質(zhì)子交換膜及催化層和擴散層4。PEM膜部分采用Nafio# 117膜，陽極催化劑采用碳基鉬釕合金，陰極催化劑采用碳基鉬，總反應活化面積為8.167cm2。AAEM膜部分采用A201膜，其厚度做成和ΝαΓ οη 117膜相同，陽極催化劑采用碳基鉬，陰極催化劑采用碳基鉬，總反應活化面積為4.083cm2。PEM膜和AA EM膜總反應活化面積比為2:1，AAEM膜和PEM膜的催化層和擴散層均為多孔介質(zhì)材料。所測量的工況:溫度333K，壓力:2atm，陽極甲醇供給速率和濃度:5ml/min和lmol/L0陰極空氣供給速率:150ml/min，即甲醇作為陽極的流體，空氣作為陰極的流體，分別從陽極一側(cè)和陰極一側(cè)的蛇形管道進口通入。由測得結(jié)果附圖10可以看出，本新型復合式燃料電池的性能和單獨使用PEM膜燃料電池、單獨使用AAEM膜燃料電池非常接近；在大電流密度輸出的情況下，即電流密度介于0.18A/cm2和0.26A/cm2時，本新型復合式燃料電池的性能要優(yōu)于其他兩種燃料電池。實施例2本實施例測試了，不同的電流密度下，以甲醇和氫氣作為燃料時(即分別以甲醇和氫氣作為陽極流體，以空氣為陰極流體)，單獨使用PEM膜燃料電池，陽極需要加濕的水量和陰極需要排走的水量；單獨使用AAEM膜燃料電池，陰極需要加濕的水量和陽極需要排走的水量以及本新型復合式燃料電池中對應部分需要加濕的水量和排走的水量。以甲醇為燃料時，數(shù)據(jù)如下:表I被測燃料電池需要加濕的水量(g/s)
權(quán)利要求
1.一種復合式燃料電池，包括復合膜、密封墊片、碳板、導電板、耐熱絕緣板及緊固裝置，其特征在于， 所述復合膜中鑲嵌有質(zhì)子交換膜和堿性陰離子交換膜，每個堿性陰離子交換膜和質(zhì)子交換膜均構(gòu)成一個單獨獨立的燃料電池且交錯分布，所述兩種交換膜的陽極位于復合膜的一側(cè)，陰極位于復合膜的另一側(cè)； 在所述碳板上設置有與堿性陰離子交換膜和質(zhì)子交換膜位置相應的蛇形流道，以保證流體交替經(jīng)過堿性陰離子交換膜和質(zhì)子交換膜，并且流體開始流入碳板的蛇形流道時，在復合膜的陽極一側(cè)要先經(jīng)過AAEM膜，再經(jīng)過PEM膜；在復合膜的陰極一側(cè)要先經(jīng)過PEM膜，再經(jīng)過AAEM膜，以使堿性陰離子交換膜陽極生成的水對質(zhì)子交換膜陽極進行補充，質(zhì)子交換膜陰極生成的水對堿性陰離子交換膜陰極進行補充。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復合式燃料電池，其特征在于，在整個蛇形流道的外圍設有密封橡膠圈的槽道，內(nèi)置密封橡膠圈，用于防止蛇形流道中流體的泄漏；相鄰的膜之間的對應的蛇形流道是相通的，并利用設有密封橡膠圈的槽道進行分割，碳板上蛇形流道的分布與復合膜上交換膜的位置分布相對應。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的一種復合式燃料電池，其特征在于，所述復合膜的本體起到絕緣和密封的作用，防止堿性陰離子交換膜和質(zhì)子交換膜中電解質(zhì)的泄漏。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種復合式燃料電池，其特征在于，所述復合膜的本體為聚酯薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的一種復合式燃料電池，其特征在于，所述質(zhì)子交換膜的數(shù)量和堿性陰離子交換膜的數(shù)量相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的一種復合式燃料電池，其特征在于，所述質(zhì)子交換膜和堿性陰離子交換膜的反應活化面積比為2:1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的一種復合式燃料電池，其特征在于，所述蛇形流道和設有密封橡膠圈的槽道通過機械加工方法直接在碳板表面進行加工而成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的一種復合式燃料電池，其特征在于，所述密封墊片覆蓋除蛇形流道之外的碳板表面，用于進一步密封和防止復合膜兩側(cè)的碳板接觸導致短路，所述復合膜和碳板表面的蛇形流道相接觸；所述導電板設置在碳板的外側(cè)，用于收集碳板上的電流并對外輸出電流；所述絕緣耐熱板設置在導電板的外側(cè)，用于使緊固裝置和導電板絕緣，防止漏電；所述緊固裝置的表面可覆蓋絕緣材料，以防止緊固裝置和碳板接觸而漏電，或者直接采用絕緣材料制備的緊固裝置，所述緊固裝置用于連接和緊固燃料電池的各個組成部分。
9.利用如權(quán)利要求1所述的復合式燃料電池進行水管理的方法，其特征在于，所述流體在陽極一側(cè)選擇燃料，在陰極一側(cè)選擇氧氣或者空氣，通過流體在復合膜的陽極和陰極兩側(cè)的蛇形流道中的運動，以使堿性陰離子交換膜陽極生成的水對質(zhì)子交換膜陽極進行補充，質(zhì)子交換膜陰極生成的水對堿性陰離子交換膜陰極進行補充。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的進行水管理的方法，其特征在于，所述陽極和陰極兩側(cè)的流體的速度選擇等速，或者按照化學反應計量比進行調(diào)整。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復合式燃料電池，利用PEM膜燃料電池和AAEM膜燃料電池在陰陽極各自生成水量的不同，將相鄰的PEM膜燃料電池和AAEM膜燃料電池組成循環(huán)，并在碳板上設置蛇形管道，以實現(xiàn)流體帶動水在兩種交換膜之間的流動，從而利用PEM膜陰極生成的水補充AAEM陰極消耗的水，同樣可以利用AAEM膜陽極的生成水補充PEM膜陽極加濕所需的水。
文檔編號H01M8/04GK103151547SQ20131008606
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月18日
發(fā)明者焦魁, 王大為, 鄧豪 申請人:天津大學