专利名称：一种实用化的质子交换膜燃料电池发电机的制作方法
技术领域：
本发明属于新能源技术领域，涉及到一种实用化的质子交换膜燃料电池发电机。
背景技术：
燃料电池是一种能够将燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应转变为电能的 连续发电装置。燃料电池技术主要根据电解质不同分为几种类型碱性燃料电池、磷酸燃 料电池、熔融碳酸盐燃料电池、聚合物电解质燃料电池和固体氧化物燃料电池等。目前发展 得相对成熟而且应用前景最为广泛的是质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)，以下简称为燃料电池。该装置的核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly, MEA)，膜电极由一片聚合物离子交换膜、膜两面结合的催化层(通常 采用Pt/C催化剂和离子导体制备)以及扩散层(如碳纸、金属网等)组成。实质上燃料电池是一种电、热、水三联产的开放性能量转换装置。工作方式 上类似于内燃机，而工作原理上类似于化学电源。水的生成正是燃料电池具有环保性的主 要原因，而产生电能的同时也要排放大量的废热，所产生的废热能与电能比值接近1 :1。因 此，PEMFC在发电的同时还必须通过合适的散热设计来维持正常工作温度，否则电堆内部温 度过高会导致燃料电池的失效，甚至造成危险。PEMFC的散热方式通常采用水冷法和空冷法 两种。水冷法通过冷却水将电池中的废热带出，再通过外部换热将热量带走，降温后的冷却 水再循环入电池；空冷法是通过将常温空气强制流经电堆带走废热，具体的散热设计取决 于燃料电池的功率大小。空冷和水冷结构设计各有优缺点空冷系统简单，成本较低，仅需 轴流风扇和控制器即可，部件少可靠性高；水冷系统复杂，成本较高，需要纯净水、水泵、阀、 水管等，部件较多可靠性低，而且还需要定期更换或净化冷却水。在一定温度下，质子交换膜的电导率直接依赖于水含量(λ =摩尔数[Η20]/摩尔 数[S03H])，它们几乎成正比关系。当质子交换膜处于干涸的情况下，质子交换膜的导电率 几乎为零，而在较大含水量的条件下，导电率也随之增大。所以在燃料电池发电过程中，需 要对PEMFC进行有效的水管理，维持膜中的水含量使其保持完全湿润，降低电池内阻，这对 于优化电池性能至关重要。传统的燃料电池增湿技术主要为有源增湿方式，即从外界提供 水源。增湿方法有鼓泡增湿、膜增湿、露点加湿、直接注水等，按与电池堆的集成紧密程度 可分为外增湿与内增湿两类外增湿是将增湿子系统与电池分开，在反应气体进入电池之 前进行增湿；内增湿是将增湿子系统与电池集成为一体，在反应气体进入电池之后进行增 湿。虽然燃料电池的增湿子系统能有效地使质子交换膜保持良好的湿润状态，但也给其商 业化应用带来了许多困难一是增加了发电系统的成本；二是使发电系统变得更为复杂， 实用性很差；三是引入了两相流使系统稳定性变差。传统的燃料电池在发电过程中需要精 心地控制氢燃料的纯度、操作温度、操作压力和气体湿度等工况，造成了燃料电池发电系统 复杂、成本昂贵，与传统电源相比，性价比较差，实用性不强。总之，复杂的燃料电池发电系 统是不会为用户所接受的，要使其产业化，就必须向简单的方向突破。目前，燃料电池技术 正在从高压、加湿朝着常压供气和自增湿方向发展，新一代的空冷、自增湿燃料电池技术有
4望实现操作系统的大大简化，并可能大大地降低成本。
发明内容
针对以上不足，本发明的目的在于提供一种实用化的质子交换膜燃料电池发电 机，是对传统燃料电池技术进行了多项技术创新，其燃料电池采用自增湿复合质子交换膜 作为电解质隔膜、普氢作为燃料；燃料电池阴极采用与空气贯通的开放结构设计，氧化剂与 冷却剂合二为一；燃料电池阳极采用间歇式的尾气排放方法；该发电机在发电过程中，无 需进行复杂的热管理和对反应气体进行加湿，大大地减化了系统结构，提高了比功率，并降 低了成本，是一种实用性很强的新型发电机。本发明的技术方案是通过以下方式实现的一种实用化的质子交换膜燃料电池发 电机，由燃料电池电堆、轴流风扇、阳极间歇式排气电磁阀、直流转直流电源和控制电路板 等构成，燃料电池电堆的正极端通过气管与阳极间歇式排气电磁阀连接，负极与直流转直 流电源连接，燃料电池电堆的正负极之间连接有直流转直流电源，直流转直流电源的一端 与阳极间歇式排气电磁阀，另一端通过电线连接在轴流风扇上，其特征在于所述的燃料电 池电堆由若干个单体燃料电池串联紧固而成的燃料电池、碳板、集流板组成，碳板采用等静 压压力机和带有流场的模具将石墨粉与树脂混合物模压而成。所述的每一个单体燃料电池均包括阳极、密封件、膜电极、阴极、催化层、多功能 层、气体扩散层和流道层，在阳极和阴极之间设有密封件和膜电极，阴极内设有与空气贯通 的开放式多个流道，空气既作燃料电池反应氧化剂又作燃料电池散热冷却剂；在阴极上部 的气体扩散层与催化层之间置入由疏水树脂和活性碳混合物构成的透气保水的致密微孔 多功能层，所述的阳极催化层采用全氟磺酸溶液与Pt-Ru/C催化剂制备而成，阴极催化层 采用全氟磺酸溶液与Pt/C催化剂制备而成；
所述的每一个单体燃料电池阳极的反应物为氢气、阴极的反应物为空气； 所述的膜电极中的电解质采用自增湿复合质子交换膜，并控制膜厚小于25微米； 所述的自增湿复合质子交换膜是以全氟磺酸树脂为基底掺杂结晶水合物制备而成，结 晶水合物通式为M. IiH2O，其中M为无机化合物；
所述的燃料电池阴、阳两极催化剂为非对称设计，阳极催化剂为抗CO中毒的Pt-Ru/C 催化剂，阴极催化剂为高效氧还原的Pt/C催化剂；
所述的燃料电池电堆的阴极采用氧化剂与冷却剂合二为一的方式； 所述的燃料电池电堆的阳极尾气排放采用间歇式排气控制，是根据燃料电池电堆阳极 侧的湿度和惰性气体浓度对阳极尾气排放进行控制，当燃料电池电堆的阳极有过多的水汽 或惰性气体时，燃料电池电堆发电机中的直流转直流电源(DC/DC)向阀控电路板供给电能， 阀控电路板按程序设定自动控制打开阳极间歇式排气电磁阀经气管排放过多的水汽或惰 性气体，短暂排放后自动关闭，实现阳极间歇式排气。所述的燃料电池电堆的阳极采用间歇式排气控制，是燃料电池电堆发电机阀控电 路板和风扇控制器合二为一集成为既控制轴流风扇又控制电磁阀动作的控制器，燃料电池 发电机的直流转直流电源(DC/DC)稳压后供给控制器，控制器对轴流风扇和阳极间歇式排 气电磁阀进行同时控制；控制器对轴流风扇的空气流量进行控制，产生不同空气流量满足 电池的反应和散热需求；一旦轴流风运转起来之后，大量的空气就会供应到每个电池单体的阴极流道或冷却流道，为燃料电池发电机电化学反应提供充足的氧气，并带走电化学反 应产生的全部废热，实现接近恒温下的额定功率的输出；当燃料电池电堆阳极有过多的水 汽或惰性气体时，控制器按程序设定自动控制打开阳极间歇式排气电磁阀经气管排放过多 的水汽或惰性气体，短暂排放后自动关闭，实现阳极间歇式排气。所述的燃料电池电堆的阴极温度控制是通过轴流风扇将新鲜空气强制对流经过 电堆每个单电池的阴极侧，将电堆反应的废热带走，并控制电堆的温度在55°以下。本发明，采用普氢作为燃料，发电效率可达到50%以上，功率密度达到300mW/cm2 以上，实现零排放。该技术的推广应用对缓解电力供应紧张和减少(X)2排放具有重要社会
眉、ο
图1是本发明的实施例1的工艺示意图。图2是实施例2的工艺示意图。图3是燃料电池电堆结构示意图。图4是燃料电池单体结构示意图。
具体实施例方式实施例1
一种实用化的质子交换膜燃料电池发电机，由燃料电池电堆1、轴流风扇2、阳极间歇 式排气电磁阀4、直流转直流电源3、阀控电路板5、风扇控制器6、电线8和气管7等构成， 燃料电池电堆1的正极端通过气管7与阳极间歇式排气电磁阀4连接，负极与直流转直流 电源3连接，燃料电池电堆1的正负极之间连接有直流转直流电源3，直流转直流电源3的 一端连接在阀控电路板5，另一端通过电线8连接在轴流风扇2上。当给燃料电池电堆1通入氢气时，氢气经燃料电池电堆1分配管道进入每个电池 单体的阳极一侧，电池单体阳极出现了带负电的电子积累，从而变成了一个带负电的端子 (负极)。与此同时，与大气贯通的电池单体的阴极催化剂将氧分子催化作用变成氧离子，使 得阴极缺电子变成带正电的端子(正极)，其结果就是在阳极的带负电端和阴极的带正电端 之间产生了一个电压。电池单体的串联就能得到电压的叠加形成较高的电堆输出端电压。 燃料电池电堆⑴电能的极少部分经过直流转直流电源(DC/DC) 3稳压后供给风扇控制器6 对轴流风扇2进行转速控制，轴流风扇2产生远离燃料电池电堆1方向的不同空气流量满 足电池的反应和散热需求。一旦轴流风扇2运转起来之后，大量的空气就会供应到每个电 池单体的阴极流道或冷却流道，为燃料电池发电机电化学反应提供充足的氧气，并带走电 化学反应产生的全部废热，实现接近恒温下的额定功率的输出。燃料电池发电过程中要产 生大量的液态水，通过膜电极的催化层和气体扩散层之间采用水汽阻隔层和复合质子交换 膜的自保湿技术以及空冷设计，可将阴极产生的液态水大部分地保存下来，并在压差和浓 差的作用下，向阳极进行自动传递，满足质子从阳极向阴极传导过程中对水分子的需求。当 燃料电池阳极有过多的水汽或惰性气体时，燃料电池发电机中的直流转直流电源(DC/DC)3 向阀控电路板5供给电能，阀控电路板5按程序设定自动控制打开阳极间歇式排气电磁阀 4经气管7排放过多的水汽或惰性气体，短暂排放后自动关闭，实现阳极间歇式排气。
实施例2:
一种实用化的质子交换膜燃料电池发电机，由燃料电池电堆1、轴流风扇2、阳极间歇 式排气电磁阀4、直流转直流电源3、控制器9、电线8和气管7等构成，燃料电池电堆1的正 极端通过气管7与阳极间歇式排气电磁阀4连接，负极与直流转直流电源3连接，燃料电池 电堆1的正负极之间连接有直流转直流电源3，直流转直流电源3的输出端连接在控制器9 上，控制器9通过电线8分别与轴流风扇2和阳极间歇式排气电磁阀4连接。当燃料电池发电机阀控电路板5和风扇控制器6合二为一集成为既控制轴流风扇 又控制电磁阀动作的控制器9时，燃料电池发电机的直流转直流电源(DC/DCX3稳压后供给 控制器9，控制器9对轴流风扇2和阳极间歇式排气电磁阀4进行同时控制。控制器9对轴 流风扇2的空气流量进行控制，产生不同空气流量满足电池的反应和散热需求。一旦轴流 风扇2运转起来之后，大量的空气就会供应到每个电池单体的阴极流道或冷却流道，为燃 料电池发电机电化学反应提供充足的氧气，并带走电化学反应产生的全部废热，实现接近 恒温下的额定功率的输出。当燃料电池电堆1阳极有过多的水汽或惰性气体时，控制器9 按程序设定自动控制打开阳极间歇式排气电磁阀4经气管7排放过多的水汽或惰性气体， 短暂排放后自动关闭，实现阳极间歇式排气。由图3知，本发明提供的一种实用化的质子交换膜燃料电池发电机，燃料电池电 堆1由多片燃料电池单体10串联紧固而成，燃料电池电堆1由多个燃料电池单体10、碳板 11和集流板11组成。碳板11采用等静压压力机和带有流场的模具将石墨粉与树脂混合物 模压而成。由图4知，燃料电池单体10由包括阳极10-1、密封件10-2、膜电极10_3、阴极 10-4、催化层10-8、多功能层10-7、气体扩散层10-6和流道10_5，在阳极10_1和阴极10_4 之间设有密封件10-2和膜电极10-3，阴极10-4内设有与空气贯通的开放式多个流道 10-5，空气既作燃料电池反应氧化剂又作燃料电池散热冷却剂；在阴极10-4上部的气体扩 散层10-6与催化层10-8之间置入由疏水树脂和活性碳混合物构成的透气保水的致密微孔 多功能层10-7，阳极催化层采用全氟磺酸溶液与Pt-Ru/C催化剂制备而成，阴极催化层采 用全氟磺酸溶液与Pt/C催化剂制备而成。膜电极10-3中的电解质采用自增湿复合质子交换膜，并控制膜厚小于25微米，所 述的自增湿复合质子交换膜是以全氟磺酸树脂为基底掺杂结晶水合物制备而成，结晶水合 物通式为M. IiH2O (M为无机化合物)。本发明燃料电池发电机系统简单，辅助配件少，系统不含二次电池，成本低廉。通 入氢气，电堆就能即时起动。在发电机小功率输出电能时，开放的阴极依靠氧气浓差推动 力，零功耗地自动呼吸空气中的氧气发生电化学反应，输出电能；在电堆大功率输出时，依 靠自身的电力带动轴流风扇通过电堆阴极流道自供应大量的空气，充分满足电化学反应对 氧气的需求并带走全部反应废热，维持电堆的稳定发电。本发明燃料电池发电机能使用普氢作为燃料。由于燃料电池阳极采用抗CO中毒 的Pt-Ru/C催化剂，所以燃料电池发电机可避免使用高纯氢气，而直接使用普氢，降低燃料 电池发电机的使用成本。本发明能实现宽功率范围的自增湿发电。在电化学发电过程中，无需进行复杂的 热管理和对反应气体进行预加湿，大大地减化了系统结构，提高了系统比功率(265W/kg、211W/L)，并降低了成本，是一种实用性很强的新能源发电机。 燃料电池堆是该新型发电机的核心，可由若干个电池单体联接(串联)而成，本 发明中燃料电池采用自增湿复合质子交换膜作为电解质隔膜；燃料电池阴极采用与空气 贯通的开放结构设计，氧化剂与冷却剂合二为一；燃料电池的阳极采用间歇式的尾气排放 方法；燃料电池采用普氢作为燃料。当给燃料电池发电机通入氢气时，氢气经分配管道进 入每个电池单体的阳极一侧，在阳极催化剂的作用下解离成质子和电子，质子以水合形态 H+. (IiH2O)在质子交换膜中从一个磺酸基(-SO3H)团簇转移到另一个磺酸基团簇，最后到达 阴极侧，实现质子导电。质子的这种迁移导致电池单体阳极出现了带负电的电子积累，从而 变成了一个带负电的端子(负极)。与此同时，与大气贯通的电池单体的阴极催化剂将氧分 子催化作用变成氧离子，使得阴极缺电子变成带正电的端子(正极)，其结果就是在阳极的 带负电端和阴极的带正电端之间产生了一个电压。电池单体的串联就能得到电压的叠加形 成较高的电堆输出端电压。该电能的极少部分经过DC/DC稳压后供给轴流风扇使用，一旦 轴流风扇运转起来之后，大量的空气就会供应到每个电池单体的阴极流道或冷却流道，为 发电机电化学反应提供充足的氧气，并带走电化学反应产生的全部废热，实现接近恒温下 的额定功率的输出。燃料电池发电过程中要产生大量的液态水，本发明通过膜电极的催化 层和气体扩散层之间采用水汽阻隔层和复合质子交换膜的自保湿技术以及空冷设计，可将 阴极产生的液态水大部分地保存下来，并在压差和浓差的作用下，向阳极进行自动传递，满 足质子从阳极向阴极传导过程中对水分子的需求。当燃料电池阳极有过多的水汽或惰性气 体时，燃料电池发电机自动控制打开尾气排放电磁阀，短暂排放后自动关闭，实现阳极间歇 式排气。燃料电池发电机控制电路板分别控制轴流风扇和电磁阀的动作。本发明燃料电池 发电机系统简单，辅助配件少，系统不含二次电池等辅助电源，成本低廉。运行稳定性和燃 料利用率的积极效果。
权利要求
1.一种实用化的质子交换膜燃料电池发电机，由燃料电池电堆(1)、轴流风扇(2)、阳 极间歇式排气电磁阀(4)、直流转直流电源(3)和阀控电路板(5)等构成，燃料电池电堆(1) 的正极端通过气管(7)与阳极间歇式排气电磁阀(4)连接，负极与直流转直流电源(3)连 接，直流转直流电源(3)的一端与阳极间歇式排气电磁阀(4)，另一端与轴流风扇(2)通过 电线(8)连接其上，其特征在于所述的燃料电池电堆(1)由若干个单体串联紧固而成的燃 料电池(10 )、碳板(端板11)、集流板(12 )组成。
2.根据权利要求1所述的一种实用化的质子交换膜燃料电池发电机，其特征在于所 述的碳板(11)采用等静压压力机和带有流场的模具将石墨粉与树脂混合物模压而成。
3.根据权利要求1所述的一种实用化的质子交换膜燃料电池发电机，其特征在于所 述的每一个单体燃料电池(10)均包括阳极(10-1)、密封件(10-2)、膜电极(10-3)、阴极 (10-4)、催化层(10-8)、多功能层(10-7)、气体扩散层(10-6)和流道(10-5)，在阳极(10-1) 和阴极(10-4 )之间设有密封件(10-2 )和膜电极(10-3 )，阴极(10-4 )内设有与空气贯通的 开放式多个流道(10-5)，空气既作燃料电池反应氧化剂又作燃料电池散热冷却剂；在阴极 (10-4)上部的气体扩散层(10-6)与催化层(10-8)之间置入由疏水树脂和活性碳混合物构 成的透气保水的致密微孔多功能层(10-7)。
4.根据权利要求3所述的一种实用化的质子交换膜燃料电池发电机，其特征在于所 述的阳极催化层采用全氟磺酸溶液与Pt-Ru/C催化剂制备而成，阴极催化层采用全氟磺酸 溶液与Pt/C催化剂制备而成。
5.根据权利要求3所述的一种实用化的质子交换膜燃料电池发电机，其特征在于每 一个单体燃料电池阳极(10-1)的反应物为氢气、阴极(10-4)的反应物为空气。
6.根据权利要求3所述的一种实用化的质子交换膜燃料电池发电机，其特征在于所 述的膜电极(10-3)中的电解质采用自增湿复合质子交换膜，并控制膜厚小于25微米。
7.根据权利要求6所述的一种实用化的质子交换膜燃料电池发电机，其特征在于所 述的自增湿复合质子交换膜是以全氟磺酸树脂为基底掺杂结晶水合物制备而成，结晶水合 物通式为Μ. ηΗ20，其中M为无机化合物。
8.根据权利要求3所述的一种实用化的质子交换膜燃料电池发电机，其特征在于所 述的燃料电池电堆的阴极采用氧化剂与冷却剂合二为一方式。
9.根据权利要求3所述的一种实用化的质子交换膜燃料电池发电机，其特征在于所 述的燃料电池电堆的阳极尾气排放采用间歇式排气控制，是根据燃料电池电堆阳极侧的湿 度和惰性气体浓度对阳极尾气排放进行控制，当燃料电池电堆的阳极有过多的水汽或惰性 气体时，燃料电池电堆发电机中的直流转直流电源(3)向阀控电路板(5)供给电能，阀控电 路板(5)按程序设定自动控制打开阳极间歇式排气电磁阀(4)经气管(7)排放过多的水汽或 惰性气体，短暂排放后自动关闭，实现阳极间歇式排气。
10.根据权利要求1所述的一种实用化的质子交换膜燃料电池发电机，其特征在于所 述的燃料电池电堆的阳极采用间歇式排气控制，是当燃料电池电堆发电机阀控电路板(5) 和风扇控制器(6)合二为一集成为既控制轴流风扇又控制电磁阀动作的控制器(9)时，燃 料电池发电机的直流转直流电源(3 )稳压后供给控制器(9 )，控制器(9 )对轴流风扇(2 )和 阳极间歇式排气电磁阀(4)进行同时控制；当燃料电池电堆(1)阳极有过多的水汽或惰性 气体时，控制器(9)按程序设定自动控制打开阳极间歇式排气电磁阀(4)经气管(7)排放过多的水汽或惰性气体，短暂排放后自动关闭，实现阳极间歇式排气。
11.根据权利要求3所述的一种实用化的质子交换膜燃料电池发电机，其特征在于所 述的燃料电池电堆的阴极温度控制是通过轴流风扇将新鲜空气强制对流经过电堆每个单 电池的阴极侧，将电堆反应的废热带走，并控制电堆的温度在55°以下。
全文摘要
一种实用化的质子交换膜燃料电池发电机，由燃料电池电堆(1)、轴流风扇(2)、阳极间歇式排气电磁阀(4)、直流转直流电源(3)和阀控电路板(5)等构成，燃料电池电堆(1)的正极端通过气管(7)与阳极间歇式排气电磁阀(4)连接，负极与直流转直流电源(3)连接，直流转直流电源(3)的一端与阳极间歇式排气电磁阀(4)，另一端与轴流风扇(2)通过电线(8)连接其上，其特征在于所述的燃料电池电堆(1)由若干个单体串联紧固而成的燃料电池(10)、碳板(端板11)、集流板(12)组成。本发明采用普氢作为燃料，发电效率可达到50%以上，功率密度达到300mW/cm2以上，实现零排放。该技术的推广应用对缓解电力供应紧张和减少CO2排放具有重要社会意义。
文档编号H01M8/04GK102142574SQ201110045579
公开日2011年8月3日 申请日期2011年2月25日 优先权日2011年2月25日
发明者刘发喜, 朱浩, 朱艾成, 董文超, 许惠麟, 郭振报 申请人:江苏冰城电材股份有限公司