专利名称：圆柱形自呼吸式质子交换膜燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池。
背景技术：
质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)
是一种低温燃料电池，它以氢气为燃料，以空气或氧气为氧化剂，是实 现使用可再生能源(氢气)和零排放(其唯一的排放物是水)的绿色能 源，是燃料电池汽车的首选电源，并作为移动电源广泛用于民用和国防 领域。目前，质子交换膜燃料电池多为板框式(平板型)结构，针对平 板型燃料电池质量重和体积大的不足，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等构想，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。
自呼吸式质子交换膜燃料电池(Self-breath Proton Exchange Membrane Fuel Cell, Sdf-PEMFC)直接使用氢气作燃料，供氢气可以外 带储氢罐或者加储氢材料，真正达到零污染的新能源的使用，对于能源 的可持续发展战略有很长远的研究意义。因此，近年来，对PEMFC技 术的开发和应用发展迅速，国内外许多高校、研究院所以及各大公司均对PEMFC研究开发花费了巨大的人力与物力。研究的重点就是降低 PEMFC的成本，提高PEMFC的性能，适合商业化使用。
圆形结构的PEMFC，在用作便携式电动装置动力电池和家用电源 时，具有独特的优点。国外有研究报道，圆形PEMFC的研究刚刚开始， 膜电极可选择的材料、制备工艺以及小型电堆的研制方面多为研究性论 文，未有商品化的产 品o
圆形质子交换膜燃料电池和目前方形质子交换膜燃料电池在基本 原理上一样，但在结构上由于是圆形体积大大减小，电池的体积比功率 和质量比功率增加，制造成本降低，制造速度加快，对质子交换膜燃料 电池的推广采用具有重要意义。但由于结构上的改变，在设计和制造上 则有很大不同，所以需要进行许多研究。
因此，通过对圆形PEMFC电池组总体结构以及各部件结构的改进， 提高电池的性能，降低电池的制造成本，可以促进PEMFC商业化应用。
发明内容
本发明的目的在于提供~种结构合理，工作性能好的圆柱形自呼吸 式质子交换膜燃料电池。
本发明的技术解决方案是
一种圆柱形自呼吸式质子交换膜燃料电池，其特征是电池外形为
圆柱形，包括外壳、膜电极、阳极管，膜电极内为燃料室，外壳与膜电 极之间为空气室，膜电极两端设置绝缘密封圈，在电池组的阴极端、阳 极端分别设置阴极输出件、阳极输出件，在阴极输出件上设置集排水装置。在电池两端设置密封盖，可以用聚四氟乙烯。阳极采圆管型用使氢 气通过同时起支撑作用的多孔石墨。
膜电极由阴极、Nafion膜层、阳极复合组成，与氢气接触的是阳极， 与空气接触的是阴极；膜电极中阴极由扩散层、阴极催化剂层复合组成， 阳极由阳极催化剂层和阳极扩散层复合组成。
外壳表面呈便于空气流通的多孔形式，可以采用一些注射成型的塑 料件。
阴极输出件采用不锈钢、铜或钛材料，阳极输出件采用不锈钢、铜 或钛材料，绝缘密封圈采用聚四氟乙烯材料。
集排水装置为在底部有小圆形通孔并以一些吸水材料(如聚乙烯醇 吸水海绵等)作塞子塞住。
阴极采用碳布作为扩散层，阳极采用石墨或石墨基复合材料整体制 造的圆管型，Nafion膜接头处通过Nafion溶液粘结。
膜电极中的阴极接头处、Nafion膜接头处位于同一位置， 一起采用 聚四氟乙烯焊接连接。
燃料为氢气，用外部储氢罐供氢或用储氢材料直接放置到石墨圆管 内部；当用外部储氢罐供氢时，上部和下部可分别开进气和出气口。
电池的外形和大小尺寸与7号、5号、2号或1号干电池尺寸相同； 也可以根据需要做成更大尺寸的电池。
本发明结构合理，(1)外壳表面呈便于空气流通的多孔形式，空 气可以自呼吸式；(2)圆管型膜电极可以采用涂覆和热压法制备，阻 抗小；(3)功率密度高，实现高性能；(4)圆管状的阳极采用多孔石墨，不用带流场双极板，制造成本低；(5)圆管状的多孔石墨一次成 型，制造难度降低；(6)设计有集水和排水装置，水管理方便；(7) 散热面积大，散热速度快，温度调节方便；(8)拆卸方便，有利于维 修和更换组件；(9)可以用外部储氢罐供氢，也可以用储氢材料直接 放置内部作为燃料。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图l是本发明实施例l的结构示图，内置储氢材料。
图2是图1的剖面视图。
图3是实施例2的结构示图。
具体实施例方式
实施例1:
一种圆柱形自呼吸式质子交换膜燃料电池，外形和大小尺寸与7号、 5号、2号或1号干电池尺寸相同，也可以根据需要做成更大尺寸的电 池。电池外形为圆柱形，包括外壳2，外壳内设置膜电极3，外壳与膜 电极之间为空气室4，阳极采圆管型用使氢气通过同时起支撑作用的多 孔石墨，阳极管5作为支撑体，膜电极两端设置绝缘密封圈6、 9，阳极 管内为燃料室11。在阴极输出件与外壳端部之间设置带螺纹的密封盖1，
膜电极由阴极、Nation膜层、阳极复合组成，与燃料接触的是阳极，与 空气接触的是阴极；膜电极中阴极由碳布扩散层和阴极催化剂层复合组 成，阳极由阳极催化剂层、扩散层和阳极石墨基复合材料管组成。外壳 表面呈便于空气流通的多孔12形式。阴极输出件采用不锈钢、铜或钛材料7、 13，排水装置设有排水孔14，并以一些吸水材料(如聚乙烯醇 吸水海绵等)作塞子塞住。阳极输出件采用不锈钢、铜或钛材料IO，用 螺钉8固定。绝缘密封圈6、 9采用聚四氟乙烯材料，密封盖l采用聚 四氟乙烯材料。膜电极中的阴极接头处、Nafion膜接头处位于同一位置， 一起采用聚四氟乙烯15焊接连接。 实施例2:
外部用储氢罐供氢，上部和下部可分别开进气和出气口 17、 16。其 余同实施例1。
权利要求
1、一种圆柱形自呼吸式质子交换膜燃料电池，其特征是电池外形为圆柱形，包括外壳、膜电极、阳极管，膜电极内为燃料室，外壳与膜电极之间为空气室，膜电极两端设置绝缘密封圈，在电池组的阴极端、阳极端分别设置阴极输出件、阳极输出件，在阴极输出件上设置集排水装置。
2、 根据权利要求1所述的圆柱形自呼吸式质子交换膜燃料电池， 其特征是阳极采圆管型用使氢气通过同时起支撑作用的多孔石墨。
3、 根据权利要求1所述的圆柱形自呼吸式质子交换膜燃料电池，其特征是膜电极由阴极、Nafkm膜层、阳极复合组成，与氢气接触的 是阳极，与空气接触的是阴极；膜电极中阴极由扩散层、阴极催化剂层 复合组成，阳极由阳极催化剂层和阳极扩散层复合组成。
4、 根据权利要求1所述的圆柱形自呼吸式质子交换膜燃料电池， 其特征是外壳表面呈便于空气流通的多孔形式。
5、 根据权利要求1所述的圆柱形自呼吸式质子交换膜燃料电池， 其特征是阴极输出件采用不锈钢、铜或钛材料，阳极输出件采用不锈 钢、铜或钛材料，绝缘密封圈采用聚四氟乙烯材料。
6、 根据权利要求l、 2、 3、 4或5所述的圆柱形自呼吸式质子交换膜燃料电池，其特征是集排水装置为在底部有小圆形通孔并以一些吸 水材料作塞子塞住。
7、 根据权利要求l、 2、 3、 4或5所述的圆柱形自呼吸式质子交换 膜燃料电池，其特征是阴极采用碳布作为扩散层，阳极采用石墨或石墨基复合材料整体制造的圆管型，Nafion膜接头处通过Nafion溶液粘结。
8、 根据权利要求l、 2、 3、 4或5所述的圆柱形自呼吸式质子交换 膜燃料电池，其特征是膜电极中的阴极接头处、Nafion膜接头处位于 同一位置， 一起采用聚四氟乙烯焊接连接。
9、 根据权利要求l、 2、 3、 4或5所述的圆柱形自呼吸式质子交换 膜燃料电池，其特征是燃料为氢气，用外部储氢罐供氢或用储氢材料 直接放置到石墨圆管内部；当用外部储氢罐供氢时，上部和下部可分别 开进气和出气口。
10、 根据权利要求1或2所述的圆柱形自呼吸式质子交换膜燃料电 池，其特征是电池的外形和大小尺寸与7号、5号、2号或1号干电 池尺寸相同。
全文摘要
本发明公开了一种圆柱形自呼吸式质子交换膜燃料电池，包括外壳，膜电极，阳极管，膜电极内为燃料室，外壳与膜电极之间为空气室，膜电极两端设置绝缘密封圈，在电池组的阴极端、阳极端分别设置阴极输出件、阳极输出件，在阴极输出件上设置排水装置。本发明结构合理，工作性能好。
文档编号H01M8/10GK101587963SQ20091003248
公开日2009年11月25日 申请日期2009年6月18日 优先权日2009年6月18日
发明者倪红军, 吕婧婧, 萍 廖, 张福豹, 施祥兰, 昱 朱, 顾卫标, 黄明宇 申请人:南通大学