专利名称：自屏蔽质子交换膜燃料电池的制作方法
技术领域：
本实用新型属于燃料电池领域。
背景技术：
质子交换膜燃料电池(pemfc)是一种直接利用氢能的发电装置，pemfc把贮存在 氢燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，而不经过热机过程，因此不受卡诺循环的限 制，能量转化效率高(40%——66% );燃料电池环境友好，几乎不排放氮和硫的氧化物，二 氧化碳的排放量也比常规发电厂减少40%以上。因此，燃料电池技术被认为是21世纪首选 的洁净、高效的发电技术。pemfc近年来有了很大的进步，目前国外燃料电池寿命较长的有 3000多个小时，国内为1000多小时，但是许多情况下的电池还达不到这个水平。燃料电池 至今无法满足商业化的要求，电池寿命不长是其中最重要的原因之一。 pemfc是由多个电池组成的电堆，其内电阻主要由质子交换膜含水率与温度决定， 电动势主要由气体和发电能力决定，电流主要由整体发电能力和外部输出决定。当pemfc 总体发电能力满足负载要求时，其输出电流就会基本不变。当由于负载的突然变化要求电 流突然增大时，具体表现就是输出功率瞬间加大，某个电堆气体的传递速度就会出现小于 消耗速度，这样这个电堆的催化剂表面就处于欠气状态。而如果输出功率增加到一定值，其 某个电堆本身输出的电压会小于本身产生的电压降，电池极性发生反转，即发生反极现象。
同样当pemfc中某个单电池由于气体流道堵塞或发成故障无法发电时，单电池消耗同样会 大于单电池产生的电动势而发生反极现象。反极现象容易引起电池烧毁，甚至引发爆炸，即 使没有发生危险，反极对电池造成的损害同样很严重，会改变催化剂层孔结构和扭曲结构 等，从而影响电池寿命。 目前为了能够有效的解决这些问题，通常把pemfc和蓄电池或超级电容器混合使 用。pemfc提供恒功率输出，蓄电池或超级电容器提供瞬间加速或加载所需功率，减缓动力 系统对pemfc的加载速度。这样， 一套发电系统或能量供给系统就包括由pemfc系统和蓄 电池或超级电容器系统的两个电系统混合，既增加了系统的复杂性，又增加了系统重量、体 积和成本。在轿车和便携通讯设备等严格限制体积和重量的场合，大大限制了 pemfc优点 的发挥。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是提供一种自屏蔽质子交换膜燃料电池，有效避 免单电池因发生反极而降低电池使用寿命。 本实用新型为解决上述技术问题所采取的技术方案为一种自屏蔽质子交换膜燃 料电池，包括一个或多个单电池，所述单电池包括阳极、阴极和设置在所述阳极和阴极之间 的质子交换膜，阳极和阴极都含有加速电极电化学反应的催化剂，其特征在于它还包括与 所述单电池相并联的二极管，其中二极管正极与所述阳极相联接，二极管负极与所述阴极 相联接。[0007] 按上述方案，所述的每个单电池均并联一个二极管，所述阳极和阴极上分别设置 有焊接二极管的金属片。 按上述方案，所述的二极管为锗型二极管。 本实用新型的工作过程为质子交换膜燃料电池由多个单电池组成，单电池包括 阳极、阴极和设置在所述阳极和阴极之间的质子交换膜，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴 极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解 质，工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。当质子交换膜燃料电 池遇到汽车启动、停止和路况动态变化需要瞬时大电流时，电池内一些单电池由于突然的 变化而出现反极时二极管就会被导通，由于二极管的电阻远远小于单电池的电阻，出现反 极的燃料电池电堆会被二极管自动屏蔽；同样当燃料电池某个单电池由于气体流道被水堵 塞或单电池出现故障无法发电等情况时，单电池会由于消耗大于产生的电能而发生反极， 出现反极的单电池也会被二极管瞬间屏蔽。 与现有技术相比，本实用新型的有益效果为1、有效避免单电池因发生反极而导 致的电极腐蚀以及催化剂中毒；2、大大增加电池的使用寿命；3、降低了电池系统的复杂 性；4、减少了电池的重量、体积和成本。
图1为本实用新型一个实施例的结构示意图 图2为阳极(阴极)的结构示意图
具体实施方式图1为本实用新型一个实施例的结构示意图，一种自屏蔽质子交换膜燃料电池， 包括多个单电池，所述单电池包括阳极2、阴极3和设置在所述阳极和阴极之间的质子交换 膜4，阳极2为氢燃料发生氧化的场所，阴极3为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极 电化学反应的催化剂，质子交换膜4作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源 负极，阴极为电源正极。本燃料电池还包括与所述单电池相并联的二极管l，其中二极管正 极与所述阳极2相联接，二极管负极与所述阴极3相联接，每个单电池均并联一个二极管， 因为每个单电池在运行过程中都有缺气的可能性，为了增加整个燃料电池电堆的寿命需对 每个单电池进行保护。所述阳极和阴极上分别设置有焊接二极管的金属片6，所述二极管1 与单电池连接方式采用与作为单电池阴极和阳极的碳板上的金属片焊接，如图2所示。 当PEMFC(质子交换膜燃料电池)突然发生负载变化，其电流传输会在瞬间完成， 而PEMFC的气体反应则需要一定的时间来完成。在负载变化的瞬间，输入PEMFC的瞬间气 体流量是不变的，当这一定量的气体从燃料电池的气体入口进入燃料电池电堆后，由于电 流基本不变，燃料电池两端的会需要产生更高的电动势来提供给负载，这就必然导致两端 的单电池消耗的气体会有所增加，而PEMFC电堆中间的电堆会由于气体不足无法满足发电 需求，产生的电动势降低，而燃料电池本身消耗的电动势是大致不变的。单电池如果缺气严 重，就会出现本身产生的电动势小于消耗的电动势而出现反极。 当PEMFC中有单电池由于空气流道被水堵塞而出现空气不足时，单电池会由于气 体不足无法满足发电需求产生的电动势降低，而PEMFC本身消耗的电动势是大致不变的。如果空气流道5被堵塞的过于严重，单电池空气提供的电动势无法满足其消耗，单电池就 会出现反极现象。 在PEMFC供气足够下正常运行时，二极管1都处于断路状态，而当PEMFC中一些单 电池出现反极时，单电池阳极电位就会比阴极电位高，当二极管的正极电压高于负极电压 时，二极管l就会和电堆连接形成回路，并与反极的单电池形成并联电路。锗型二极管电阻 很小，单电池的电阻远远大于二极管的电阻，由于电阻相差过大，电流会自动的选择电阻较 小的二极管通过，所以缺气的单电池在二极管的作用下会瞬间被短路。随着气体流量增加， 被屏蔽的单电池产生的电动势逐渐增大，当其产生的电动势大于其消耗的电动势时，其阳 极电位就会小于阴极电位，当二极管的正极电位小于负极电位时，二极管单向导电使得其 电阻突然增加到远大于单电池的电阻，由于电阻相差过大，电流会选择通过单电池，而二极 管1就还原为断路的状态。 当PEMFC中有单电池出现故障无法发电时，这个单电池就会成为一个负载。单电 池阳极电位就会比阴极电位高，当二极管的正极电压高于负极电压时，与单电池并联的二 极管就会被导通，并与反极的单电池形成并联电路。锗型二极管电阻很小，单电池的电阻远 远大于二极管的电阻，由于电阻相差过大，电流会自动的选择电阻较小的二极管通过，所以 缺气的单电池在二极管的作用下会瞬间被短路。二极管电阻很小，其处在通路下的电功率 消耗也很小，在通路保护单电池的情况下也为PEMFC减少了功率负载。
权利要求一种自屏蔽质子交换膜燃料电池，包括一个或多个单电池，所述单电池包括阳极、阴极和设置在所述阳极和阴极之间的质子交换膜，阳极和阴极都含有加速电极电化学反应的催化剂，其特征在于它还包括与所述单电池相并联的二极管，其中二极管正极与所述阳极相联接，二极管负极与所述阴极相联接。
2. 根据权利要求1所述的自屏蔽质子交换膜燃料电池，其特征在于所述的每个单电 池均并联一个二极管，所述阳极和阴极上分别设置有焊接二极管的金属片。
3. 根据权利要求1或2所述的自屏蔽质子交换膜燃料电池，其特征在于所述的二极 管为锗型二极管。
专利摘要本实用新型提供一种自屏蔽质子交换膜燃料电池，包括一个或多个单电池，所述单电池包括阳极、阴极和设置在所述阳极和阴极之间的质子交换膜，阳极和阴极都含有加速电极电化学反应的催化剂，其特征在于它还包括与所述单电池相并联的二极管，其中二极管正极与所述阳极相联接，二极管负极与所述阴极相联接。质子交换膜燃料电池内一些单电池由于突然的变化而出现反极时二极管就会被导通，由于二极管的电阻远远小于单电池的电阻，出现反极的燃料电池电堆会被二极管自动屏蔽。本实用新型能够有效避免单电池因发生反极而导致的电极腐蚀以及催化剂中毒，大大增加电池的使用寿命，并且降低了电池系统的复杂性，减少了电池的重量、体积和成本。
文档编号H01M8/24GK201523041SQ200920228510
公开日2010年7月7日 申请日期2009年9月28日 优先权日2009年9月28日
发明者刘超, 罗志平, 罗马吉, 詹志刚 申请人:武汉理工大学