专利名称：一种具有较高功率密度的燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及电池，尤其涉及电化学燃料电池。
电化学燃料电池是一种能够将氢燃料及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学反应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。
在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。
在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达阳极反应阴极反应在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在二块导电的极板中间，每块导电极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导电极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导电极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。
为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。
一个典型电池组通常包括(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或由甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组后进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。
在阳极区的正氢离子迁移穿过质子交换膜，通常需要携带大量的水分子一起通过，所以膜的两边表面必须保持水分子存在，才能使正氢离子的迁移电导不受影响。因此，燃料与氧化剂气体在进入燃料电池活性区进行反应之前，必须进行湿化，以便保证膜电极中的膜处于水湿化饱和状态。
根据质子交换膜燃料电池的不同用途，其总体上的设计有很大不同。在用作小功率的可移动电源或可移动的动力电源时，质子交换膜燃料电池的设计上采用与正常大气压接近的压力下运行，因为这种电源往往要求整个系统结构简单，重量轻，体积很小。
目前大量专利报道了这种小功率的可移动电源或可用作移动的动力电源的燃料电池报道如H-Power等有类似的专利报道。这些类型的小功率(小于1千瓦)的燃料电池都存在功率密度不高的缺陷，就是指燃料电池输出功率与其系统重量、体积比的值，普遍都在小于＜200W/公斤的值。主要原因是1.燃料电池采用自散热设计，主要依靠排出空气及空气携带的水来散热，但由于空气的比热有限，散热量也有限。所以常需要额外设上排热、散热片，从而增加了电池体积。
2.由于散热方法不得当，设计结构不当导致燃料电池只能在低电流密度(低功率输出)的条件下运行，以防电池散热来不及，所以妨碍了燃料电池的功率输出。
3.燃料电池中的内部关键部件膜电极及导流板的设计及它们之间的组合设计关系不足导致燃料电池体积增加，重量增加，而功率密度降低。
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有较高功率密度的燃料电池。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种具有较高功率密度的燃料电池，包括可传导质子和电子的膜电极、可分别导入燃料与氧化剂的导流极板、正极板、负极板、连接拉杆、冷却单元、监控单元，所述的膜电极两侧附着有催化剂及多孔性碳纸，所述的导流极板设有导流槽，用两块导流极板将一张膜电极夹在中间构成一单电池，所述的正极板、负极板将多个单电池夹紧并通过连接拉杆串接在一起构成一燃料电池组，所述的冷却单元对过程产生的热量进行冷却，所述的监控单元对过程的数据进行监控，其特点是，所述的冷却单元为一充满去离子水的外围水箱，所述的燃料电池组设置在该外围水箱内。
所述的外围水箱内去离子水的温度为40～80℃。
所述的外围水箱设有外循环去离子水管路，该管路上设有一热交换器以及一循环泵。
所述的热交换器可将燃料进行预热或传热。
所述的导电极板为双极板，该双极板的正、反面分别设有引导燃料和氧化剂的导流槽。
还包括水板，该水板设在去离子水循环管的管口处。
所述的外围水箱采用不锈钢或塑料。
所述的外围水箱设有散热片。
与现有技术相比，本发明具有以下优点1.整个燃料电池放入去离子水箱中，燃料电池生成的热可以快速被外围去离子水吸收带出，燃料电池可以在高电流密度下工作，一般温度(外围水箱)可控制在40℃～80℃之间。
2.外围去离子水经泵循环可以将燃料电池的热带出，进入外围的储氢瓶内的热交换器，因为金属粉末储氢瓶里面吸附有大量的氢气，当氢气放出供给燃料电池时，需要吸收大量热，而用这种循环热水的方法又安全，又有效。
3.这种燃料带出内部本身不再需要内冷却水进、水出的设计，燃料带出可以均采用双极板作为导流板，而不需内夹冷却夹板。这样实际上平均每一块双极板，就有一张膜电极，增加了功率密度。
4.这种燃料电池若采用内增湿的设计，也不需要额外供水，可以将水板经过特殊设计加工，可以让去离子水自由快速进入水板中，去离子的循环口正对水板，水可以快速进入水板。
图1为本发明实施例1的结构示意图；图2为本发明实施例2的双极板的主视图；图3为本发明实施例2的双极板的后视图；图4为本发明实施例2的膜电极的主视图；图5为本发明实施例3的水板的主视图；图6为本发明实施例3的水板的后视图；图7为本发明实施例3的气水增湿交换膜的主视图。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1如图1所示，为本发明一种具有较高功率密度的燃料电池的实施例，包括可传导质子的膜电极1、可导入氢气的导流极板2、可导入空气的导流极板3、正极板4、负极板5、连接拉杆(图未示)、外围水箱6、去离子水7、监控单元(图未示)，所述的膜电极1两侧附着有催化剂及多孔性碳纸，所述的导流极板2和导流极板3将一张膜电极1夹在中间构成一单电池，所述的正极板4、负极板5将多个单电池夹紧并通过连接拉杆串接在一起构成一燃料电池组，该燃料电池组设置在外围水箱6内；所述的外围水箱采用不锈钢或塑料材料，水箱内去离子水的温度控制在40～80℃，外围水箱6设有外循环去离子水管路8，该管路上设有一热交换器9以及一循环泵10；所述的燃料氢气在进入电池之前经过热交换器9进行预热，这种工艺既经济又安全。
实施例2如图2、图3、图4所示，一种具有较高功率密度的燃料电池，其特点是将导电极板改为双极板，该双极板的正、反面分别设有引导氢气的导流槽11和引导空气的导流槽12，这样实际上平均每一块双极板就有一张膜电极13，从而增加了功率密度；其余结构与实施例1相同。
实施例3如图5、图6、图7所示，一种具有较高功率密度的燃料电池，其特点是采用内增湿设计，不需要额外供水，在实施例2的去离子水循环管的管口处设置一水板14，该水板内设有气水增湿交换膜15；其余结构与实施例2相同。
权利要求
1.一种具有较高功率密度的燃料电池，包括可传导质子和电子的膜电极、可分别导入燃料与氧化剂的导流极板、正极板、负极板、连接拉杆、冷却单元、监控单元，所述的膜电极两侧附着有催化剂及多孔性碳纸，所述的导流极板设有导流槽，用两块导流极板将一张膜电极夹在中间构成一单电池，所述的正极板、负极板将多个单电池夹紧并通过连接拉杆串接在一起构成一燃料电池组，所述的冷却单元对过程产生的热量进行冷却，所述的监控单元对过程的数据进行监控，其特征在于，所述的冷却单元为一充满去离子水的外围水箱，所述的燃料电池组设置在该外围水箱内。
2.根据权利要求1所述的具有较高功率密度的燃料电池，其特征在于，所述的外围水箱内去离子水的温度为40～80℃。
3.根据权利要求1所述的具有较高功率密度的燃料电池，其特征在于，所述的外围水箱设有外循环去离子水管路，该管路上设有一热交换器以及一循环泵。
4.根据权利要求3所述的具有较高功率密度的燃料电池，其特征在于，所述的热交换器可将燃料进行预热或传热。
5.根据权利要求1所述的具有较高功率密度的燃料电池，其特征在于，所述的导电极板为双极板，该双极板的正、反面分别设有引导燃料和氧化剂的导流槽。
6.根据权利要求1所述的具有较高功率密度的燃料电池，其特征在于，还包括水板，该水板设在去离子水循环管的管口处。
7.根据权利要求1所述的具有较高功率密度的燃料电池，其特征在于，所述的外围水箱采用不锈钢或塑料。
8.根据权利要求1所述的具有较高功率密度的燃料电池，其特征在于，所述的外围水箱设有散热片。
全文摘要
本发明涉及一种具有较高功率密度的燃料电池,包括膜电极、导流极板、正极板、负极板、连接拉杆、冷却单元、监控单元,所述的导流极板将一张膜电极夹在中间构成一单电池,所述的正极板、负极板将多个单电池夹紧并通过连接拉杆串接在一起构成一燃料电池组,所述的冷却单元为一充满去离子水的外围水箱,所述的燃料电池组设置在该外围水箱内。与现有技术相比,本发明具有功率密度高、结构紧凑等优点。
文档编号H01M8/10GK1381918SQ0110597
公开日2002年11月27日 申请日期2001年4月13日 优先权日2001年4月13日
发明者胡里清 申请人:上海神力科技有限公司