氢氧质子交换膜燃料电池用带锥度的圆柱形膜电极的制作方法

专利名称：氢氧质子交换膜燃料电池用带锥度的圆柱形膜电极的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种圆柱型氢氧质子交换膜燃料电池用电极结构。
背景技术：
二十一世纪是能源紧缺的世纪，对新型能源的开发、现有能源的合理高效利用已成为 本世纪发展的主题。目前，人类赖以生存的石油、天然气和煤等化石能源正在日趋减少，取 而代之的将是氢能、太阳能和风能等可再生资源。同时，由于对现有资源(如石油、天然气和 煤)的低效燃烧使用，既浪费了能源，也对环境造成了严重污染，以成为本世纪必须解决的 重要问题。燃料电池(Fuel Cells)是一种电化学的发电装置，它可以直接将化学能转化为电 能。它不经过热机过程，因此不受卡诺循环的限制。能量转换效率高(40%—60%);环境友 好，几乎不排放氮氧化物和硫氧化物；二氧化碳的排放量也比常规发电厂减少40%以上。正 是由于这些突出的优越性，燃料电池技术的研究和开发备受各国政府与大公司的重视，被 认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术，成为大家研究和开发焦点。根据电解质的不同，燃料电池(FC) —共分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)，碱性 燃料电池(AFC)，磷酸形燃料电池(PAFC)，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，固体氧化物燃料电 池(SOFC)，直接甲醇燃料电池(DMFC)六大类。质子交换膜燃料电池(PEMFC)除具有燃料电池一般的特点(如能量转化效率高、环 境友好等)之外，同时还具有可在室温快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率 与能量高等突出特点。因此，它不仅用于建设分散电站，也特别适宜用作可移动力源，施电 动车和不依靠空气推动潜艇的理想候选电源之一，是军、民通用的一种新型可移动动力源。质子交换膜燃料电池经过多年的发展，其各方面技术日趋成熟，目前已接近商业 化，研究的主要方面还是围绕平板式燃料电池，而且市场上平板式燃料电池的种类也很多， 但是这种采用由双极板、膜电极和催化剂组成的平板式燃料电池，不仅电池成本很高，还有 很多缺点电池体积大，重量大，密封困难，安装烦琐，由于双极板的流道狭窄，对于水热管 理带来很多的困难，电池内失去水平衡，，导致电池工作电压急剧下降，影响电池的效率和 寿命。电堆的运行需要泵、气瓶、空压机等外围设备，用于燃料的输送和产物的移出，使电堆 系统庞大，体积比功率和质量比功率降低。针对平板型燃料电池的不足，研究人员提出了设计其它结构的PEMFC，如制作管状 燃料电池(不用带流场的双极板)的构想，以达到简化电池的外围设备，提高电池的体积比 功率和质量比功率、降低制作成本、缩短制造周期，满足体积小、重量轻、功率要求不高的负 载使用要求，加快PEMFC燃料电池商业化步伐。为了使制备出的管状质子交换膜型燃料电池性能要达到平板型燃料电池，研究人 员对管状燃料的电池已经进行了大量的研究，通常管状质子交换膜型燃料电池单体，包括 膜电极(MEA)组件，其具有形成为中空形状的电解质薄膜及设置在电解质薄膜内外侧上的 催化剂层。在单体电池中发生反应，例如，当向薄膜电极组件的内侧供给氢气，并向薄膜电 极组件的外侧供给氧气时，通过电反应产生的电力分别由设置在MEA的内外侧上的集电器收集，然后输出到外部。设置在膜电极组件内侧上集电器称为“内集电器”，并且设置在膜电 极组件外侧上的集电器称为“外集电器”。即，在管状质子交换膜型燃料电池中通过向薄膜 电极组件的内侧供给一种反应气体(例如氢)，并向薄膜电极组件的外侧供给另一种反应气 体(例如氧)来进行发电。因此，在管状质子交换膜型燃料电池中，两个或更多个单体电池的 外表面暴露在供给到公共空间的反应气体中，因而与平板式质子交换膜型燃料电池的情形 不同，管状质子交换膜型燃料电池在尺寸上可制得紧凑。目前也有一部分研究人员研究出管状燃料电池，例如，于如军采用将催化剂喷涂 到Nafi0nll5上，然后把阴、阳极扩散层缠绕到一个金属棒上，采用弯曲热压工艺，用两个 半圆形模具进行热压得到了管状膜电极；阳极扩散层的内支撑采用不锈钢金属多孔管，用 于甲醇溶液的储存和流道；膜电极外侧采用不锈钢弹簧固定在阴极扩散层，得到了空气自 呼吸直接甲醇燃料电池(Direct methanol fuel cell，DMFC)。但以上方法制作工艺复杂， 特别是无法解决极板和复合膜之间的紧密接触问题。对于平板式电池来说，通过外面不锈钢板，采用螺栓和螺母，旋紧螺母方法来使膜 电极、阴极、阳极之间的紧密结合。而一般圆柱形采用缠绕式方法，无法解决膜电极、阴极、 阳极之间的紧密接触问题。特别是反应产生水后膨胀，使膜和电极间更易出现间隙，会大大 降低电池性能。

发明内容
本发明的目的在于提供一种结构合理、装配简单、复合膜、阳极、阴极能紧密结合、气密 性好的氢氧质子交换膜燃料电池用带锥度的圆柱形膜电极。本发明的技术解决方案是
一种氢氧质子交换膜燃料电池用带锥度的圆柱形膜电极，其特征是由内及外分别依 次为阳极、复合膜、阴极组成，与氢气接触的是阳极，与空气接触的是阴极；复合膜由质子交 换膜、催化层、扩散层组成，阳极板处有输出接头，在阳极输出接头处设置将阳极输出接头 与复合膜和阴极隔离的密封圈，阴极的底部为阴极输出接头；阳极呈锥形，复合膜呈与阳极 锥形配合的锥形，阴极为中空管，且阴极中空管的外表面为圆柱形，阴极中空管的内孔呈与 阴极锥度相同的锥孔形式。阳极的锥度为1:50。阳极为中空的管状形式，中空部分为氢气通道。阳极管壁为疏松组织或开有均布的小通孔，以让氢气通过。阳极为实心棒状体，在棒状体外周设有通过氢气的螺旋槽或网格槽，槽宽l_3mm， 槽深 0. 5-2mm。阴极管壁上开有均勻分布的小通孔，以让空气到达复合膜。阴极管壁内表面上开有开有螺旋槽或网格槽，槽宽l_3mm，槽深0.5-2mm，以让空 气氧气到达复合膜。
本发明结构合理，复合膜与阳极、阴极之间由于有了锥度，所以接触严实，防漏性增强； 热压磨具和热压工艺简单，制造难度低；阳极采用多孔石墨，不用带流场双极板，制造成本 低；散热面积大，散热速度快，温度调节方便；组装电池组时拆卸方便，有利于维修和更换 组件；应用广泛，可以应用于笔记本电脑、电动自行车、电动玩具等。
本发明阳极采用的是开有螺旋状糟的实心石墨棒、或网状形槽的石墨棒，或管壁 上开有许多小通孔的石墨圆锥管。氢气从石墨管中流过，氢气渗透石墨(石墨管型)、或从小 通孔中通过(石墨管壁上开有许多小通孔型)；或从管壁外开的流道(石墨棒上开有螺旋槽 和网状槽型)流过；而与最外层(阴极)通入的空气中氧气，在催化剂作用下发生化学反应， 产生电能。此装置密封方法独特，氢、氧载体相对已有圆柱形燃料电池大有改进。


下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图1是本发明实施例1的结构示图。图2是图1的横截面示图。图3是外形为圆锥体、且外表开有螺旋槽的阳极结构示图。图4是外形为圆柱形，内孔为锥孔，且开有螺旋槽的阴极结构示图。图5是阴极为管状体、且开有小通孔时的结构示图。图6是图5的剖面图。图7为实施例2的结构示图。
具体实施例方式
实施例1
一种氢氧质子交换膜燃料电池用带锥度的圆柱形膜电极，由内及外分别依次为阳极2、 复合膜3、阴极4组成，与氢气接触的是阳极，与空气接触的是阴极；复合膜由质子交换膜 (Nafion膜)(包括催化剂层、扩散层)组成，阳极板处有输出接头1，在阳极输出接头处设置 将阳极输出接头与复合膜和阴极隔离的密封圈6，阴极的底部为阴极输出接头5，并设有密 封圈7 ；两端的6、7密封圈分别开有氢气和氧气的进、出口，并分别与阳极和阴极的通道连
ο图中8为质子交换膜接头，9为阴极接头。阳极呈锥形，复合膜呈与阳极锥形配合 的锥形，阴极为中空管，且阴极中空管的外表面为圆柱形，阴极中空管的内孔呈与阴极锥度 相同的锥孔形式。阳极的锥度为1:50，可在正负5°范围内。阳极为中空的管状形式，中空部分为氢气通道。可采用疏松的实心管壁，或管壁上 设有网状分布的氢气通孔。阴极管壁上开有均勻分布的小通孔10。阳极和阴极加工方法石墨材料的采用机械加工。也可采用石墨/聚合物复合材 料，用模具成型的方法制造，采用模具成型制造时具有高效、低成本的特点。装配方法把做成圆锥管状的复合膜放入内、外管之间，再将内、外管压实，由于有 锥度配合，所以能压实，达到紧密配合的目的。实施例2
阳极为实心棒状体，在棒状体外周设有通过氢气的螺旋槽或网格槽，槽宽l_3mm，槽深 0. 5-2mm。阴极管壁内表面上开有开有螺旋槽或网格槽，槽宽l_3mm，槽深0. 5_2mm。其余同 实施例1。两端的密封圈分别开有氢气和氧气的进、出口，并分别与阳极和阴极的通道连通。
权利要求
1.一种氢氧质子交换膜燃料电池用带锥度的圆柱形膜电极，其特征是由内及外分别 依次为阳极、复合膜、阴极组成，与氢气接触的是阳极，与空气接触的是阴极；复合膜由质子 交换膜、催化层、扩散层组成，阳极板处有输出接头，在阳极输出接头处设置将阳极输出接 头与复合膜和阴极隔离的密封圈，阴极的底部为阴极输出接头；阳极呈锥形，复合膜呈与阳 极锥形配合的锥形，阴极为中空管，且阴极中空管的外表面为圆柱形，阴极中空管的内孔呈 与阴极锥度相同的锥孔形式。
2.根据权利要求1所述的氢氧质子交换膜燃料电池用带锥度的圆柱形膜电极，其特征 是阳极的锥度为1:50。
3.根据权利要求1或2所述的氢氧质子交换膜燃料电池用带锥度的圆柱形膜电极，其 特征是阳极为中空的管状形式，中空部分为氢气通道。
4.根据权利要求3所述的氢氧质子交换膜燃料电池用带锥度的圆柱形膜电极，其特征 是阳极管壁为疏松组织或开有均布的小通孔，以让氢气通过。
5.根据权利要求1或2所述的氢氧质子交换膜燃料电池用带锥度的圆柱形膜电极，其 特征是阳极为实心棒状体，在棒状体外周设有通过氢气的螺旋槽或网格槽，槽宽l_3mm， 槽深 0. 5-anm。
6.根据权利要求4所述的氢氧质子交换膜燃料电池用带锥度的圆柱形膜电极，其特征 是阴极管壁上开有均勻分布的小通孔，以让空气到达复合膜。
7.根据权利要求5所述的氢氧质子交换膜燃料电池用带锥度的圆柱形膜电极，其特征 是阴极管壁内表面上开有开有螺旋槽或网格槽，槽宽l_3mm，槽深0. 5_2mm，以让空气氧气 到达复合膜。
全文摘要
本发明公开了一种氢氧质子交换膜燃料电池用带锥度的圆柱形膜电极，其特征是由内及外分别依次为阳极、复合膜、阴极组成，与氢气接触的是阳极，与空气接触的是阴极；复合膜由质子交换膜(常为Nafion膜)组成，阳极板处有输出接头，在阳极输出接头处设置将阳极输出接头与复合膜和阴极隔离的密封圈，阴极的底部为阴极输出接头；阳极呈锥形，复合膜呈与阳极锥形配合的锥形，阴极为中空管，且阴极中空管的外表面为圆柱形，阴极中空管的内孔呈与阴极锥度相同的锥孔形式。本发明结构合理，关键是由于采用了圆锥体结构，能解决圆柱形氢氧质子交换膜燃料电池电极和复合膜之间的紧密配合问题，从而大大提高电池性能，且制造、装配方便。
文档编号H01M4/96GK102122717SQ20111003202
公开日2011年7月13日 申请日期2011年1月30日 优先权日2011年1月30日
发明者万晓峰, 倪红军, 周一丹, 廖萍, 朱昱, 李志扬, 谢国如, 贾中实, 问朋朋, 顾卫标, 黄明宇 申请人:南通大学