专利名称：便携式中小功率质子交换膜燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明属于燃料电池技术领域，特别是涉及一种便携式中小功率质子交换膜燃料电池。
背景技术：
燃料电池是一种直接将存贮在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化为电能的能量转换装置。
目前，在中国专利CN02158872.4中描述了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，采用表面修饰过的金属板为双极板，常压空气做氧源，空气从电池堆侧面侧面进入，从相对应的另一侧面流出，是一种小功率电源系统。然而上述专利存在以下不足质量较重，体积较大。
在中国专利CN200410031172.1中描述了一种自呼吸空气的便携式电源，只要加入燃料便会从空气中呼吸氧气，安静地进行电化学反应，不断地输出电能，是一种便利的便携式电源。由于采用了自呼吸空气结构，这就限制了燃料电池的输出功率范围，一般最大只能输出几十瓦，不能广泛适用于需要较大中小功率电源的应用场合。
在美国专利No.6190791中描述了一种系统，包括质子交换膜燃料电池与为该电池提供空气的压缩机，以及与之相匹配的驱动压缩机的膨胀机。上述专利存在系统复杂、辅助件较多、增加了电池系统的重量和体积等不足。
在美国专利No.5,514,486与No.5,595,834中描述了一种便携式燃料电池堆的实例，一单元电池包括一固态聚合物电解质膜，膜的两侧分别是阳极(燃料电极)与阴极(氧电极)；燃料流场板和氧流场板分别设置在阳极(燃料电极)与阴极(氧电极)的侧边上，金属分隔板设置在燃料流场板和氧流场板之间；通过将这些部分相互集成从而形成了单元电池，多个单元电池相互集成从而形成整体结构的电池堆。然而在上述专利中，存在着以下问题采用了金属分隔板，一方面增加了电堆重量与体积，另一方面增加了电堆的接触界面，导致了内阻增大，而且金属表面易被腐蚀，从而降低整个电池堆的性能。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题，提供了一种便携式中小功率质子交换膜燃料电池。
本发明的目的是提供一种质子交换膜燃料电池，该电池是一种低温燃料电池，具有能量转换效率高、环境友好、寿命长、比功率高等特点。
本发明采用如下技术方案便携式中小功率质子交换膜燃料电池，包括端板、导流片、燃料单极板、膜电极、双极板、氧单极板，依次安装构成燃料电池电堆，其特点是端板、导流片、燃料单极板、膜电极、双极板、氧单极板中心有孔，各孔串联组合后形成电堆空气通道。
电池采用反应物空气供给与电池冷却相结合的集成设计。电池采用风冷形式，冷却源为反应物空气。
本发明还可以采用如下技术措施所述的便携式中小功率质子交换膜燃料电池，其特点是端板、导流片和燃料单极板、膜电极、双极板、氧单极板中心孔中间由紧固螺栓串联组装在一起。
所述的便携式中小功率质子交换膜燃料电池，其特点是电堆的紧固靠中心孔处的一根螺栓配合垫片、螺母使用方案，通过压力的传递使电池堆压紧。
所述的便携式中小功率质子交换膜燃料电池，其特点是端板外侧中心孔处，安装有直流风扇。
所述的便携式中小功率质子交换膜燃料电池，其特点是两端板外侧中心孔处，安装有两个直流风扇。空气从电堆两端中心孔处进入电堆的空气主管道，然后从单体电池中心孔处进入电池氧流场区域。
所述的便携式中小功率质子交换膜燃料电池，其特点是双极板为石墨双极板，石墨双极板上有氢气进出气孔。
所述的便携式中小功率质子交换膜燃料电池，其特点是双极板阳极侧有外密封圈和内密封圈，两密封圈之间是燃料流场区域。
所述的便携式中小功率质子交换膜燃料电池，其特点是双极板阴极侧是内周与外周均与大气直接相通的氧流场区域，阴极侧在氢气进出孔周围设有阴极密封圈。
本发明具有的优点和积极效果1、本发明采用了反应物空气供给与电池冷却相结合的集成设计技术，简化了电堆组成。
2、本发明采用了从电堆两端中心孔处，通过小型直流风扇进空气，经过空气主管道，从每个单体电池的中心孔处流入空气，然后从电池阴极流场四周与大气相通的流道口处流出，随着空气的有效流动，一方面可以将电池反应生成物水排放，另一方面可以对电池起到良好的散热作用，提高了散热效率。
3、本发明采用中间一根螺栓配合垫片、螺母紧固电堆，省去了传统电堆中四周使用均匀分布的紧固螺栓，简化了紧固部件，电堆更紧凑、美观、轻便。
4、本发明采用石墨双极板，因而电池组结构紧凑，可以有效地降低重量、减小体积；同时大大地减少电堆组件数量、安装难度，以及电池接触表面的数量和接触电阻，降低电池内阻，从而提高电池比功率等优点。
5、本发明采用了小型直流风扇代替自呼吸方式，为电堆提供空气，增大了电堆可用空气的流量和流速，从而可以有效地提高电池的输出功率，扩大输出功率范围，可以广泛地适用于中小功率电源(0-500w)需求的应用场合。
本发明便携式中小功率质子交换膜燃料电池，与通常的加温、加压质子交换膜燃料电池相比，具有结构紧凑、重量轻、体积小等优点。本发明具有能量转换效率高、输出功率范围广、适用性广等优点。因此，本发明可以广泛应用于多种场合，例如用作野外通讯、电动助力车、电子终端设备等的清洁能源。
图1是本发明便携式中小功率质子交换膜燃料电池结构示意图；图2为电池的空气流向示意图；图3为电池双极板阳极侧结构示意图；图4为电池双极板阴极侧结构示意图。
其中1-端板，2-导流片，3-燃料单极板，4-膜电极，5-石墨双极板，6-氧单极板，7-直流风扇，8-紧固螺栓，9-空气主管道，10-外密封圈，11-内密封圈，12-燃料流场区域，13-氢气进出孔，14-阴极流场区域，15-流道口，16-密封圈。
具体实施例方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实例并进行详细说明如下实施例1参照附图1、图2、图3和图4。
便携式中小功率质子交换膜燃料电池，如图1，包括端板1、导流片2、燃料单极板3、膜电极4、石墨双极板5、氧单极板6依次安装构成燃料电池电堆单元；端板1、导流片2、燃料单极板3、膜电极4、石墨双极板5、氧单极板6中心有孔，各孔串联组合后形成电堆空气主管道9。中间的一根紧固螺栓8配合垫片、螺母，通过压力的传递使电池堆压紧。石墨双极板5阳极侧有外密封圈10和内密封圈11，两密封圈之间是燃料流场区域12。石墨双极板5阴极侧是内周与外周均与大气直接相通的氧流场区域，阴极侧在氢气进出孔13周围设有阴极密封圈16。
两端板1外侧中心主管道9处，安装有两个直流风扇7。空气从电堆两端中心孔处进入电堆的空气主管道9，然后从单体电池中心孔处进入电池氧流场区域。电池采用反应物空气供给与电池冷却相结合的集成设计。电池采用风冷形式，冷却源为反应物空气。
电池的反应物燃料为氢气，氧为空气中所含的氧气，通过固定在电堆两端外侧中心孔处的小型直流风扇7为电池提供空气，风扇的额定电压为12V，风压为4.3mmH2O柱。
图2为电池的空气流向分布示意图，空气由电堆两端的小型直流风扇7提供，并从电堆两端外侧中心孔处进入电堆内部空气的主管道9，然后从单体电池中心孔处进入阴极流场区域14，最后从阴极流场四周与大气相通的流道口15流出。通过空气在电池中的流动，一方面既可以为电池提供反应物氧气，另一方面可以将电池反应物生成物水排放，以及对电池起到冷却、散热作用。
图3、图4为电池的双极板示意图，图3为双极板阳极侧示意图，其中外密封圈10和内密封圈11对反应物氢气起到密封作用，将氢气与空气隔离开，保证了电池的安全性。外密封圈10和内密封圈11之间是燃料流场区域12，氢气通过氢气进出孔13进出燃料流场区域12。反应物氢气在该区域、在膜电极4阳极侧催化剂的作用下发生反应，生成氢离子和带负电的电子，氢离子以水合形式通过质子交换膜到达阴极侧，实现质子导电。图4为双极板阴极侧示意图，空气从中心孔处进入阴极流场区域14，在膜电极4阴极侧催化剂的作用下，与氢离子反应生成水。空气与生成物水从阴极流场四周与大气相通的流道口15流出。阴极流场区域上氢气进出孔13周围是阴极密封圈16，它将氢气与空气隔离开。
本发明是一种便携式中小功率质子交换膜燃料电池，具有结构紧凑、重量轻、体积小、能量转换效率高、输出功率范围大，适用性广等优点。
权利要求
1一种便携式中小功率质子交换膜燃料电池，包括端板(1)、导流片(2)、燃料单极板(3)、膜电极(4)、双极板(5)、氧单极板(6)，依次安装构成燃料电池电堆单元；其特征是端板(1)、导流片(2)、燃料单极板(3)、膜电极(4)、双极板(5)、氧单极板(6)中心有孔，各孔串联组合后，形成电堆的空气主管道(9)。
2根据权利要求1所述的便携式中小功率质子交换膜燃料电池，其特征是端板(1)、导流片(2)、燃料单极板(3)、膜电极(4)、双极板(5)、氧单极板(6)中心孔中间由紧固螺栓(8)串联组装在一起。
3根据权利要求1所述的便携式中小功率质子交换膜燃料电池，其特征是电堆的紧固靠中心孔处的一根螺栓，配合垫片、螺母对电堆进行紧固。
4根据权利要求1所述的便携式中小功率质子交换膜燃料电池，其特征是端板(1)外侧中心孔处，安装有直流风扇(7)。
5根据权利要求3所述的便携式中小功率质子交换膜燃料电池，其特征是两端板(1)外侧中心孔处，安装有两个直流风扇(7)。
6根据权利要求1所述的便携式中小功率质子交换膜燃料电池，其特征是双极板(5)为石墨双极板，石墨双极板(5)上有氢气进出气孔(13)。
7根据权利要求1所述的便携式中小功率质子交换膜燃料电池，其特征是双极板(5)阳极侧有外密封圈(10)和内密封圈(11)，两密封圈之间是燃料流场区域(12)。
8根据权利要求1所述的便携式中小功率质子交换膜燃料电池，其特征是双极板(5)阴极侧是内周与外周均与大气直接相通的氧流场区域，阴极侧在氢气进出孔(13)周围设有阴极密封圈(16)。
全文摘要
本发明涉及一种便携式中小功率质子交换膜燃料电池。本发明属于燃料电池技术领域。便携式中小功率质子交换膜燃料电池，包括端板、导流片、燃料单极板、膜电极、双极板、氧单极，板依次安装构成燃料电池电堆单元；其特点是端板、导流片、燃料单极板、膜电极、双极板、氧单极板中心有孔，各孔串联组合后形成电堆空气主管道。采用中间一根螺栓配合垫片、螺母对电堆进行紧固。电池反应物空气供给与电池冷却相结合，反应物空气由小型直流风扇提供。本发明具有结构紧凑、重量轻、体积小、能量转换效率高、输出功率范围大、适用性广等优点，属于清洁能源。
文档编号H01M8/10GK1949576SQ20051001539
公开日2007年4月18日 申请日期2005年10月14日 优先权日2005年10月14日
发明者任丽彬, 虞靖, 金静, 李勇辉, 刘浩杰, 张遥 申请人:中国电子科技集团公司第十八研究所