質(zhì)子交換燃料電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種質(zhì)子交換燃料電池，包括一個或多個單體電池；其特征是：所述單體電池包括陽極板和陰極板，陽極板和陰極板之間由質(zhì)子交換膜分隔，陽極板和質(zhì)子交換膜之間形成氫氣通道，陰極板和質(zhì)子交換膜之間形成氧氣通道；在所述陽極板上設置氫氣進口和氫氣出口，在陰極板上設置氧氣進口和氧氣出口；在所述陽極板的內(nèi)表面和質(zhì)子交換膜的陽極板一側(cè)表面設置第一電催化劑層，在陰極板的內(nèi)表面和質(zhì)子交換膜的陰極板一側(cè)表面設置第二電催化劑層；所述各個單體電池的陽極板通過導線并聯(lián)連接于電池的負極，陰極板通過導線并聯(lián)連接于電池的正極。本發(fā)明所述質(zhì)子交換燃料電池能量轉(zhuǎn)換率高、啟動快捷、運行可靠、無污染、低噪音。
【專利說明】質(zhì)子交換燃料電池
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種質(zhì)子交換燃料電池。
【背景技術】
[0002]質(zhì)子交換燃料電池是經(jīng)電化學反應，將氫氣和氧化劑反應生成的化學能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。它的工作特征，以氫為燃料、空氣為氧化劑，由聚合物電解質(zhì)和電極催化劑發(fā)生作用，其中催化劑是促使氫分子分離為質(zhì)子和電子，質(zhì)子通過電解質(zhì)與氧組合生成水，電子流向陰極產(chǎn)生出電流，向外輸出電能。
[0003]自人類社會掌握和利用一次能源轉(zhuǎn)換技術以來，現(xiàn)代工業(yè)社會絕大部分能量轉(zhuǎn)換是通過熱機來實現(xiàn)的。燃燒產(chǎn)生熱量，再將熱量轉(zhuǎn)換動能、機械能。根據(jù)熱力學第二定律，從熱能轉(zhuǎn)換為動能、機械能的轉(zhuǎn)變總是伴隨著大量的熱損失。一臺遵循卡諾熱機循環(huán)工作的熱機，它的實際反映出的效率通常在50%左右。如果將熱交換損失、運動過程損失，它的總能量損失甚至更高。通常，熱機的能量轉(zhuǎn)換效率僅為45%，有一半以上的能量在轉(zhuǎn)換過程中損耗，同時在熱能的轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生出大量的有害粉塵、氧化碳、硫化物等有害物質(zhì)和環(huán)境噪音。由此造成大氣、水質(zhì)和土壤的環(huán)境污染，嚴重損害了人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境。
[0004]自石油時代起始以來，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和人類生存越來越依賴石油資源，然而地球石油儲量有限，若干年后人類面臨石油資源枯竭。因此，人類必然要尋找一種新型能源來替代石油資源。
[0005]氫是地球上分布最廣的氣體，地球氫資源十分豐富，在自然界氫很少以游離狀態(tài)存在，主要以化合物如水、甲烷、氨、烴類等形式存在。所以氫利用要從自然資源中提取，水是地球上的主要資源，地表70%以上被水覆蓋。
[0006]氫分子中沒有碳原子，所以燃燒時不會排放二氧化碳，氫資源是地球上一種新型綠色能源。
[0007]氫不同于石油通過燃料產(chǎn)生動能，氫經(jīng)電化學反應直接轉(zhuǎn)換成電能，以電化學氧化反應取代傳統(tǒng)燃燒反應，氫不排放碳、沒有環(huán)境污染；氫不同于石油，氫可以再生。氫由化學反應產(chǎn)生電能、熱能，并生成水，而水又可再經(jīng)電解反應轉(zhuǎn)化成氫和氧。
[0008]人類自煤、石油、天然氣之后，未來氫能開發(fā)利用為人類必然，使用氫資源作為人類交通工具燃料是今后發(fā)展趨勢。
[0009]質(zhì)子交換燃料電池工作原理如圖1所示:
一、氫氣H2進入陽極，經(jīng)流道導向作用進入全流場，到達陽極面；
二、在陽極催化劑作用下，一個氫分子解離成二個氫離子(質(zhì)子)，釋放出二個電子；陽極反應過程:H2 — 2H+ + 2e ；
三、在電池極板的另一側(cè)，氧氣或空氣進入陰極面，此刻氫離子穿過電解質(zhì)到達陰極，電子通過外電路到達陰極；
四、在陰極催化劑的作用下，氧氣與氫離子和電子發(fā)生反應生成水；陰極反應為:1/202+ 2H+ + 2e — H2O ； 上述總電化學反應過程為=H2 + 1/202 = H2O,同時，電子在外電路的連接下形成電流，向負載輸出電能，完成由氫、氧化學能經(jīng)電化學反應直接轉(zhuǎn)換成電能的全過程。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術中存在的不足，提供一種質(zhì)子交換燃料電池，能量轉(zhuǎn)換率高、啟動快捷、運行可靠、無污染、低噪音。
[0011]按照本發(fā)明提供的技術方案，所述質(zhì)子交換燃料電池，包括一個或多個單體電池；其特征是:所述單體電池包括陽極板和陰極板，陽極板和陰極板之間由質(zhì)子交換膜分隔，陽極板和質(zhì)子交換膜之間形成氫氣通道，陰極板和質(zhì)子交換膜之間形成氧氣通道；在所述陽極板上設置氫氣進口和氫氣出口，在陰極板上設置氧氣進口和氧氣出口 ；在所述陽極板的內(nèi)表面和質(zhì)子交換膜的陽極板一側(cè)表面設置第一電催化劑層，在陰極板的內(nèi)表面和質(zhì)子交換膜的陰極板一側(cè)表面設置第二電催化劑層；所述各個單體電池的陽極板通過導線并聯(lián)連接于電池的負極，陰極板通過導線并聯(lián)連接于電池的正極。
[0012]所述陽極板和陰極板形成若干平行布置的梯形流道。
[0013]所述陽極板和陰極板采用碳纖維布和聚四氟乙烯復合制成。
[0014]所述質(zhì)子交換膜為全氟磺酸型質(zhì)子交換膜。
[0015]所述質(zhì)子交換膜的厚度為25?30微米，平均孔徑為0.3微米。
[0016]所述第一電催化劑層和第二電催化劑層采用的催化劑為碳載鉬合金催化劑，鉬載量為 0.05 ?0.1 mg/cm2。
[0017]本發(fā)明所述質(zhì)子交換燃料電池在常溫條件下能迅速啟動運行，即使環(huán)境溫度達到80°C它也能正常工作。質(zhì)子交換燃料電池適宜頻繁啟動場合，啟動快捷、運行平穩(wěn)、無噪聲、無污染、運行性能可靠。它既可用于小型固定電站，亦可作為移動式電站和交通運輸車輛的動力源。適用于居民住宅、辦公樓宇、公共事業(yè)用電和居民小區(qū)等場合獨立式熱、電聯(lián)用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為質(zhì)子交換燃料電池工作原理示意圖。
[0019]圖2為本發(fā)明所述質(zhì)子交換燃料電池的示意圖。
[0020]圖3為所述單體電池的示意圖。
[0021]圖4為所述單體電池的剖面示意圖。
[0022]圖5為所述單體電池的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合具體附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0024]如圖2?圖5所示:所述質(zhì)子交換燃料電池包括陽極板1、陰極板2、質(zhì)子交換膜3、氫氣進口 4、氫氣出口 5、氧氣進口 6、氧氣出口 7、第一電催化劑層8、第二電催化劑層9、流道10、導線11等。
[0025]如圖2所示，本發(fā)明包括一個或多個單體電池；如圖3?圖5所示，所述單體電池包括陽極板I和陰極板2，陽極板I和陰極板2之間由質(zhì)子交換膜3分隔，陽極板I和質(zhì)子交換膜3之間形成氫氣通道，陰極板2和質(zhì)子交換膜3之間形成氧氣通道；在所述陽極板I上設置氫氣進口 4和氫氣出口 5，在陰極板2上設置氧氣進口 6和氧氣出口 7 ;在所述陽極板I的內(nèi)表面和質(zhì)子交換膜3的陽極板I 一側(cè)表面設置第一電催化劑層8，在陰極板2的內(nèi)表面和質(zhì)子交換膜3的陰極板2 —側(cè)表面設置第二電催化劑層9 ;所述各個單體電池的陽極板I通過導線11并聯(lián)連接于電池的負極，陰極板2通過導線11并聯(lián)連接于電池的正極；
所述陽極板I和陰極板2形成若干平行布置的梯形流道10 ；
所述陽極板I和陰極板2采用碳纖維布和聚四氟乙烯復合制成；
所述質(zhì)子交換膜3為全氟磺酸型質(zhì)子交換膜，具有較高的H+傳導能力、電導率可達到
0.1 s/cm的數(shù)量級、具備良好的化學和電化學穩(wěn)定性、較低的氫、氧氣體的滲透系數(shù)，以確保燃料電池具有良好的法拉第效率(即氫、氧電化學反應利用率);所述質(zhì)子交換膜3的厚度為25?30微米，平均孔徑為0.3微米；所述質(zhì)子交換膜3除了具備質(zhì)子交換功能外，同時還起到阻隔燃料氫和氧化劑的作用；質(zhì)子交換膜3具有良好的離子導電性能，從而降低電池內(nèi)阻、提高電流密度的作用，同時具備穩(wěn)定的電化學性能和良好的機械強度和結(jié)構(gòu)強度；
所述第一電催化劑層8和第二電催化劑層9采用的催化劑為碳載鉬合金催化劑，其中，鉬載量為0.05?0.1 mg/cm2 ;所述第一電催化劑層8和第二電催化劑層9的作用是提高陽極板I和陰極板2發(fā)生電學反應量。
[0026]本發(fā)明所述質(zhì)子交換燃料電池的工作原理:氫氣和氧氣各自通過單體電池上的氫氣進口 5和氧氣進口 6進入氫氣通道和氧氣通道，構(gòu)成氫、氧氣體擴散層；在質(zhì)子交換膜3的陽極板I 一側(cè)，氫氣在第一催化劑層8的作用下，解離為氫離子(質(zhì)子)和帶負電的電子，氫離子以水合質(zhì)子H+ (X H2O)形式，在質(zhì)子交換膜3中從一個磺酸基(-SO3H)轉(zhuǎn)移到另一個磺酸基，最后到達陰極板2，實現(xiàn)了質(zhì)子導電。質(zhì)子的這種轉(zhuǎn)移過程導致陽極板I出現(xiàn)帶負電的電子積聚，從而變成一個帶負電的負極。此刻，陰極板2的氧分子與第二催化劑層9激發(fā)產(chǎn)生電子發(fā)生反應，變成氧離子，使得陰極板2變成帶正電的正極。這一過程在陽極板2的帶負電終端和陰極板I帶正電終端之間產(chǎn)生一個電壓。通過外部電路兩極聯(lián)接，電子就會通過回路從陽極流向陰極，由此產(chǎn)生電能。同時氫離子與氧離子發(fā)生反應后生成的水，由陰極板2下端匯集排除，使得整個系統(tǒng)氫、氧電化學反應過程達到物質(zhì)和電荷量的平衡，對外輸出電能。
[0027]本發(fā)明所述質(zhì)子交換燃料電池在常溫條件下能迅速啟動運行，即使環(huán)境溫度達到80°C它也能正常工作。質(zhì)子交換燃料電池適宜頻繁啟動場合，啟動快捷、運行平穩(wěn)、無噪聲、無污染、運行性能可靠。它既可用于小型固定電站，亦可作為移動式電站和交通運輸車輛的動力源。適用于居民住宅、辦公樓宇、公共事業(yè)用電和居民小區(qū)等場合獨立式熱、電聯(lián)用。
[0028]質(zhì)子交換燃料電池的最大優(yōu)越性，適合用于公共交通、汽車動力替代燃油發(fā)動機，因此，它的潛在應用領域十分廣泛。
[0029]例如，一輛商務轎車如采用質(zhì)子交換燃料電池，它的全套系統(tǒng)由氫儲罐、驅(qū)動電機、逆變器、場矢量控制器等組成。由燃料電池驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速可達到1600/min，最大轉(zhuǎn)矩在200N*h。逆變器轉(zhuǎn)換將質(zhì)子燃料電池所輸出的高直流電壓、轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?2V、24V，車上同時配置電池充電，車輛不行駛時燃料電池亦可發(fā)電運行。燃料電池的全套裝置設在車前位置、重量約200公斤左右。
[0030]小型分散式電站主要是為特定情況下用電需要。目前，大多數(shù)這類電站采用兩類技術發(fā)電:一是傳統(tǒng)技術，如柴油發(fā)電機組，另一類則是先進技術，如光伏發(fā)電、風能發(fā)電，蓄電池組以及其他類型的儲能技術等。而采用質(zhì)子交換燃料電池更適用于功率在200KW?2麗范圍的分散式電站。
【權利要求】
1.一種質(zhì)子交換燃料電池，包括一個或多個單體電池；其特征是:所述單體電池包括陽極板(I)和陰極板(2)，陽極板(I)和陰極板(2)之間由質(zhì)子交換膜(3)分隔，陽極板(I)和質(zhì)子交換膜(3)之間形成氫氣通道，陰極板(2)和質(zhì)子交換膜(3)之間形成氧氣通道；在所述陽極板(I)上設置氫氣進口(4)和氫氣出口(5)，在陰極板(2)上設置氧氣進口(6)和氧氣出口(7);在所述陽極板(I)的內(nèi)表面和質(zhì)子交換膜(3)的陽極板(I) 一側(cè)表面設置第一電催化劑層(8)，在陰極板(2)的內(nèi)表面和質(zhì)子交換膜(3)的陰極板(2) —側(cè)表面設置第二電催化劑層(9);所述各個單體電池的陽極板(I)通過導線(11)并聯(lián)連接于電池的負極，陰極板(2)通過導線(11)并聯(lián)連接于電池的正極。
2.如權利要求1所述的質(zhì)子交換燃料電池，其特征是:所述陽極板(I)和陰極板(2)形成若干平行布置的梯形流道(10 )。
3.如權利要求1所述的質(zhì)子交換燃料電池，其特征是:所述陽極板(I)和陰極板(2)采用碳纖維布和聚四氟乙烯復合制成。
4.如權利要求1所述的質(zhì)子交換燃料電池，其特征是:所述質(zhì)子交換膜(3)為全氟磺酸型質(zhì)子交換膜。
5.如權利要求1所述的質(zhì)子交換燃料電池，其特征是:所述質(zhì)子交換膜(3)的厚度為25?30微米，平均孔徑為0.3微米。
6.如權利要求1所述的質(zhì)子交換燃料電池，其特征是:所述第一電催化劑層(8)和第二電催化劑層(9)采用的催化劑為碳載鉬合金催化劑，鉬載量為0.05?0.1 mg/cm2。
【文檔編號】H01M8/10GK103779595SQ201410017142
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月15日 優(yōu)先權日:2014年1月15日
【發(fā)明者】徐福昌 申請人:徐福昌