专利名称：常压空气做氧源的低功率质子交换膜燃料电池及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及质子交换膜燃料电池，具体地说是一种常压空气做氧源的低功率质子交换膜燃料电池及其系统。
背景技术：
质子交换膜燃料电池在交通工具、发电设备、军事、潜艇、航天和航空等各个领域中均有应用，其前景十分广阔。美国专利NO.5991670公开了一种燃料电池发电系统，包括至少一个燃料电池堆和由燃料电池堆供电的多个电负载，其中有驱动车辆的电动机，以及为燃料电池提供氧气的压缩机；燃料电池堆所输出的电能取决于压缩机的转速等，该发明未涉及电池结构。美国专利NO.6110611公开了一种燃料电池发电系统，该系统使用的是质子交换膜燃料电池，但其中必须包括至少一台可控制其转速的压缩机，该发明未涉及电池结构。美国专利NO.6190791公开了一种质子交换膜燃料电池系统，包括质子交换膜燃料电池与为该电池提供空气的第一台压缩机，以及与之相匹配的驱动第一台压缩机的第一台膨胀机，同时不包括用以作为热源的催化燃烧器等，该发明未涉及电池结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不采用压缩机的常压空气做氧源的低功率质子交换膜燃料电池及其系统。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为常压空气做氧源的低功率质子交换膜燃料电池，采用常压空气做氧化剂，双极板上具有固定尺寸的空气通道。
其中所述电池电极板的工作面积的长宽比为3～6∶1～2；所述双极板为表面进行修饰过的金属板。
一种常压空气做氧源的低功率质子交换膜燃料电池系统，由双极板上具有固定尺寸空气通道的单电池组构成，采用常压空气做氧化剂，空气流动的动力源由出口风压6～10毫米水柱的小型换气扇提供。
其中所述换气扇为普通电脑用小型换气扇；所述换气扇所消耗的能量为质子交换膜燃料电池组自身提供；所述电池中除双极板和集流板及MEA的电化学活性部分外，其余部件均采用非金属的工程塑料材料制成。
固定尺寸空气通道的制作是采用一层薄金属片，冲压成型，使其两侧分别局部凸起，凸起的高度按电池所需空气量确定，以金属片的机械强度和MEA性能确定两相邻凸起间的距离和凸起的面积。
本发明具有如下优点1.质量轻，应用方便。本发明可为用户提供一种方便可靠的随身携带的小功率氢空气质子交换膜燃料电池。
2.适应性广。本发明受外界因素影响小，可为用户提供方便可靠的驱动电动助力车或其它可供行使或航行的交通工具的小功率电源系统。
3.成本低。本发明不采用压缩机为燃料电池提供空气做氧化剂，其电池结构可为用户开发其它较大规模的空气质子交换膜燃料电池提供借鉴。
图1为实施例1双极板结构示意图。
图1A为图1氢气侧网状流场示意图。
图2为空气侧流场外形示意图。
图3为本发明电池组整体结构图。
图4为实施例1电池组特性曲线图。
图5为实施例1单电池的均匀性曲线图。
图6为实施例2氢气侧石墨沟槽流场示意图。
图7为实施例2空气侧石墨流场示意图。
图8为本发明实施例2电池组整体结构图。
图9为实施例2电池组特性曲线图。
图10为实施例2单电池的均匀性曲线图。
图11为实施例3双极板结构示意图。
图12为实施例3电池组特性曲线图。
图13为实施例3单电池的均匀性曲线图。
具体实施例方式
以下实例电池的基本结构为两端是起夹持作用的端板6，端板6的外侧设有燃料气体氢气的进出口接嘴，两板端板6的内侧置有集流板，该集流板7分别承担氢电极和空气电极的集流功能；在两片集流板7之间是与之相平行的双极板9，在集流板7与各双极板9之间均设置有MEA(三合一)8。
实施例1以美国牌号304不锈钢板在其表面按常规技术进行必要的修饰后，按照图1(其中1为尺寸稳定的空气通道，2为燃料气进出之孔道，3为工作面积)的形式制备双极板，以金属网状流场填充氢气侧(示于图1)，以美国牌号304不锈钢板按照图2的外形尺寸制备空气侧流场；在双极板两侧以橡胶制备的密封进行对氢气侧的密封，该电池的电极工作面积的长宽比即B∶A＝3∶1，该电池组以23节单电池构成电池组，选用市场出售的电脑用普通12V直流电换气扇，该换气扇的出口风压低于8毫米水柱，如图3(其中4为空气进出方向，5为氢气进出方向，6为端板，7为空气集流板，8为MEA，9为双极板)结构整体组装并在氢气侧送入普氢气体；该电池组选用自制的空气电池MEA，所取得的电池特性曲线与诸单电池的均匀性曲线分别示于图4(实验条件环境温度17℃，相对湿度70％，氢气增湿)与图5(实验条件环境温度17℃，相对湿度70％，氢气增湿)。其中换气扇所消耗的能量为本发明电池组自身提供。
实施例2以GB/T3880-97铝板按照图1的形式制备双极板，该板材表面可在注塑前或后进行镀银处理，按照图6的形式制备石墨流场填充氢气侧，按照图7的形式制备石墨流场填充空气侧；在双极板两侧以橡胶制备的密封进行对氢气侧的密封，该电池的电极工作面积的长宽比即B∶A＝2∶0.8，该电池组以47节单电池构成电池组，选用市场出售的电脑用普通24V直流电换气扇，该换气扇的出口风压低于8毫米水柱，如图8(其中4为空气进出方向，5为氢气进出方向，6为端板，7为空气集流板，8为MEA，9为双极板)结构整体组装并在氢气侧送入普氢气体；该电池组选用自制的空气电池MEA，所取得的电池特性曲线与诸单电池的均匀性曲线分别示于图9(实验条件环境温度20℃，相对湿度68％，氢气增湿)与图10(实验条件环境温度20℃，相对湿度68％，氢气增湿)。其中换气扇所消耗的能量为本发明电池组自身提供。
实施例3以美国牌号304不锈钢板按照图11(其中1为尺寸稳定的空气通道，2为燃料气进出之孔道，3为工作面积)的形式制备双极板，按照图6的形式制备石墨流场填充氢气侧，以美国牌号304不锈钢板按照图2的形式制备空气侧流场；在双极板两侧以橡胶制备的密封进行对氢气侧的密封，该电池的电极工作面积的长宽比即B∶A＝2∶0.8，该电池组以47节单电池构成电池组，选用市场出售的电脑用普通12V直流电换气扇，该换气扇的出口风压低于8毫米水柱，如图3结构整体组装并在氢气侧送入普氢气体；该电池组选用自制的空气电池MEA，所取得的电池特性曲线与诸单电池的均匀性曲线分别示于图12(实验条件环境温度18℃，相对湿度74％，氢气增湿)与图13(实验条件环境温度18℃，相对湿度74％，氢气增湿)。其中换气扇所消耗的能量为本发明电池组自身提供。
权利要求
1.常压空气做氧源的低功率质子交换膜燃料电池，其特征在于采用常压空气做氧化剂，双极板(9)上具有固定尺寸的空气通道(1)。
2.按照权利要求1所述常压空气做氧源的低功率质子交换膜燃料电池，其特征在于电池电极板的工作面积(3)的长宽比为3～6∶1～2。
3.按照权利要求1所述常压空气做氧源的低功率质子交换膜燃料电池，其特征在于所述双极板(9)为表面进行修饰过的金属板。
4.一种权利要求1所述常压空气做氧源的低功率质子交换膜燃料电池的制备方法，其特征在于所述双极板(9)是采用一层薄金属片，冲压成型，使其两侧分别局部凸起，凸起的高度按电池所需空气量确定，以金属片的机械强度和MEA(8)性能确定两相邻凸起间的距离和凸起的面积。
5.一种应用权利要求1所述电池组成的常压空气做氧源的低功率质子交换膜燃料电池系统，其特征在于由双极板(9)上具有固定尺寸空气通道(1)的单电池组构成，采用常压空气做氧化剂，空气流动的动力源由出口风压6～10毫米水柱的小型换气扇提供。
6.按照权利要求5所述常压空气做氧源的低功率质子交换膜燃料电池系统，其特征在于所述换气扇为普通电脑用小型换气扇。
7.按照权利要求5所述常压空气做氧源的低功率质子交换膜燃料电池系统，其特征在于所述换气扇所消耗的能量为质子交换膜燃料电池组自身提供。
8.按照权利要求5所述常压空气做氧源的低功率质子交换膜燃料电池系统，其特征在于所述电池中除双极板(9)和集流板(7)及MEA(8)的电化学活性部分外，其余部件均采用非金属的工程塑料材料制成。
全文摘要
本发明涉及质子交换膜燃料电池，具体地说是一种常压空气做氧源的低功率质子交换膜燃料电池及其系统。常压空气做氧源的低功率质子交换膜燃料电池系统，由双极板上具有固定尺寸空气通道的单电池组构成，采用常压空气做氧化剂，空气流动的动力源由出口风压6～10毫米水柱的小型换气扇提供。本发明具有如下优点1.质量轻，应用方便；可为用户提供一种方便可靠的随身携带的小功率氢空气质子交换膜燃料电池。2.适应性广；受外界因素影响小，可为用户提供方便可靠的驱动电动助力车等交通工具的小功率电源系统。3.成本低；不采用压缩机为燃料电池提供空气做氧化剂，电池结构可为用户开发其它较大规模的空气质子交换膜燃料电池提供借鉴。
文档编号H01M8/02GK1512613SQ0215887
公开日2004年7月14日 申请日期2002年12月28日 优先权日2002年12月28日
发明者衣宝廉, 韩明, 张恩浚, 明平文, 回晓康 申请人:大连新源动力股份有限公司