质子交换燃料电池的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种质子交换燃料电池，包括一个或多个单体电池；其特征是：所述单体电池包括阳极板和阴极板，阳极板和阴极板之间由质子交换膜分隔，阳极板和质子交换膜之间形成氢气通道，阴极板和质子交换膜之间形成氧气通道；在所述阳极板上设置氢气进口和氢气出口，在阴极板上设置氧气进口和氧气出口；在所述阳极板的内表面和质子交换膜的阳极板一侧表面设置第一电催化剂层，在阴极板的内表面和质子交换膜的阴极板一侧表面设置第二电催化剂层；所述各个单体电池的阳极板通过导线并联连接于电池的负极，阴极板通过导线并联连接于电池的正极。本发明所述质子交换燃料电池能量转换率高、启动快捷、运行可靠、无污染、低噪音。
【专利说明】质子交换燃料电池
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种质子交换燃料电池。
【背景技术】
[0002]质子交换燃料电池是经电化学反应，将氢气和氧化剂反应生成的化学能转换成电能的发电装置。它的工作特征，以氢为燃料、空气为氧化剂，由聚合物电解质和电极催化剂发生作用，其中催化剂是促使氢分子分离为质子和电子，质子通过电解质与氧组合生成水，电子流向阴极产生出电流，向外输出电能。
[0003]自人类社会掌握和利用一次能源转换技术以来，现代工业社会绝大部分能量转换是通过热机来实现的。燃烧产生热量，再将热量转换动能、机械能。根据热力学第二定律，从热能转换为动能、机械能的转变总是伴随着大量的热损失。一台遵循卡诺热机循环工作的热机，它的实际反映出的效率通常在50%左右。如果将热交换损失、运动过程损失，它的总能量损失甚至更高。通常，热机的能量转换效率仅为45%，有一半以上的能量在转换过程中损耗，同时在热能的转换过程产生出大量的有害粉尘、氧化碳、硫化物等有害物质和环境噪音。由此造成大气、水质和土壤的环境污染，严重损害了人类赖以生存的生态环境。
[0004]自石油时代起始以来，现代工业生产和人类生存越来越依赖石油资源，然而地球石油储量有限，若干年后人类面临石油资源枯竭。因此，人类必然要寻找一种新型能源来替代石油资源。
[0005]氢是地球上分布最广的气体，地球氢资源十分丰富，在自然界氢很少以游离状态存在，主要以化合物如水、甲烷、氨、烃类等形式存在。所以氢利用要从自然资源中提取，水是地球上的主要资源，地表70%以上被水覆盖。
[0006]氢分子中没有碳原子，所以燃烧时不会排放二氧化碳，氢资源是地球上一种新型绿色能源。
[0007]氢不同于石油通过燃料产生动能，氢经电化学反应直接转换成电能，以电化学氧化反应取代传统燃烧反应，氢不排放碳、没有环境污染；氢不同于石油，氢可以再生。氢由化学反应产生电能、热能，并生成水，而水又可再经电解反应转化成氢和氧。
[0008]人类自煤、石油、天然气之后，未来氢能开发利用为人类必然，使用氢资源作为人类交通工具燃料是今后发展趋势。
[0009]质子交换燃料电池工作原理如图1所示:
一、氢气H2进入阳极，经流道导向作用进入全流场，到达阳极面；
二、在阳极催化剂作用下，一个氢分子解离成二个氢离子(质子)，释放出二个电子；阳极反应过程:H2 — 2H+ + 2e ；
三、在电池极板的另一侧，氧气或空气进入阴极面，此刻氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路到达阴极；
四、在阴极催化剂的作用下，氧气与氢离子和电子发生反应生成水；阴极反应为:1/202+ 2H+ + 2e — H2O ； 上述总电化学反应过程为=H2 + 1/202 = H2O,同时，电子在外电路的连接下形成电流，向负载输出电能，完成由氢、氧化学能经电化学反应直接转换成电能的全过程。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种质子交换燃料电池，能量转换率高、启动快捷、运行可靠、无污染、低噪音。
[0011]按照本发明提供的技术方案，所述质子交换燃料电池，包括一个或多个单体电池；其特征是:所述单体电池包括阳极板和阴极板，阳极板和阴极板之间由质子交换膜分隔，阳极板和质子交换膜之间形成氢气通道，阴极板和质子交换膜之间形成氧气通道；在所述阳极板上设置氢气进口和氢气出口，在阴极板上设置氧气进口和氧气出口 ；在所述阳极板的内表面和质子交换膜的阳极板一侧表面设置第一电催化剂层，在阴极板的内表面和质子交换膜的阴极板一侧表面设置第二电催化剂层；所述各个单体电池的阳极板通过导线并联连接于电池的负极，阴极板通过导线并联连接于电池的正极。
[0012]所述阳极板和阴极板形成若干平行布置的梯形流道。
[0013]所述阳极板和阴极板采用碳纤维布和聚四氟乙烯复合制成。
[0014]所述质子交换膜为全氟磺酸型质子交换膜。
[0015]所述质子交换膜的厚度为25?30微米，平均孔径为0.3微米。
[0016]所述第一电催化剂层和第二电催化剂层采用的催化剂为碳载钼合金催化剂，钼载量为 0.05 ?0.1 mg/cm2。
[0017]本发明所述质子交换燃料电池在常温条件下能迅速启动运行，即使环境温度达到80°C它也能正常工作。质子交换燃料电池适宜频繁启动场合，启动快捷、运行平稳、无噪声、无污染、运行性能可靠。它既可用于小型固定电站，亦可作为移动式电站和交通运输车辆的动力源。适用于居民住宅、办公楼宇、公共事业用电和居民小区等场合独立式热、电联用。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为质子交换燃料电池工作原理示意图。
[0019]图2为本发明所述质子交换燃料电池的示意图。
[0020]图3为所述单体电池的示意图。
[0021]图4为所述单体电池的剖面示意图。
[0022]图5为所述单体电池的剖面结构示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合具体附图对本发明作进一步说明。
[0024]如图2?图5所示:所述质子交换燃料电池包括阳极板1、阴极板2、质子交换膜3、氢气进口 4、氢气出口 5、氧气进口 6、氧气出口 7、第一电催化剂层8、第二电催化剂层9、流道10、导线11等。
[0025]如图2所示，本发明包括一个或多个单体电池；如图3?图5所示，所述单体电池包括阳极板I和阴极板2，阳极板I和阴极板2之间由质子交换膜3分隔，阳极板I和质子交换膜3之间形成氢气通道，阴极板2和质子交换膜3之间形成氧气通道；在所述阳极板I上设置氢气进口 4和氢气出口 5，在阴极板2上设置氧气进口 6和氧气出口 7 ;在所述阳极板I的内表面和质子交换膜3的阳极板I 一侧表面设置第一电催化剂层8，在阴极板2的内表面和质子交换膜3的阴极板2 —侧表面设置第二电催化剂层9 ;所述各个单体电池的阳极板I通过导线11并联连接于电池的负极，阴极板2通过导线11并联连接于电池的正极；
所述阳极板I和阴极板2形成若干平行布置的梯形流道10 ；
所述阳极板I和阴极板2采用碳纤维布和聚四氟乙烯复合制成；
所述质子交换膜3为全氟磺酸型质子交换膜，具有较高的H+传导能力、电导率可达到
0.1 s/cm的数量级、具备良好的化学和电化学稳定性、较低的氢、氧气体的渗透系数，以确保燃料电池具有良好的法拉第效率(即氢、氧电化学反应利用率);所述质子交换膜3的厚度为25?30微米，平均孔径为0.3微米；所述质子交换膜3除了具备质子交换功能外，同时还起到阻隔燃料氢和氧化剂的作用；质子交换膜3具有良好的离子导电性能，从而降低电池内阻、提高电流密度的作用，同时具备稳定的电化学性能和良好的机械强度和结构强度；
所述第一电催化剂层8和第二电催化剂层9采用的催化剂为碳载钼合金催化剂，其中，钼载量为0.05?0.1 mg/cm2 ;所述第一电催化剂层8和第二电催化剂层9的作用是提高阳极板I和阴极板2发生电学反应量。
[0026]本发明所述质子交换燃料电池的工作原理:氢气和氧气各自通过单体电池上的氢气进口 5和氧气进口 6进入氢气通道和氧气通道，构成氢、氧气体扩散层；在质子交换膜3的阳极板I 一侧，氢气在第一催化剂层8的作用下，解离为氢离子(质子)和带负电的电子，氢离子以水合质子H+ (X H2O)形式，在质子交换膜3中从一个磺酸基(-SO3H)转移到另一个磺酸基，最后到达阴极板2，实现了质子导电。质子的这种转移过程导致阳极板I出现带负电的电子积聚，从而变成一个带负电的负极。此刻，阴极板2的氧分子与第二催化剂层9激发产生电子发生反应，变成氧离子，使得阴极板2变成带正电的正极。这一过程在阳极板2的带负电终端和阴极板I带正电终端之间产生一个电压。通过外部电路两极联接，电子就会通过回路从阳极流向阴极，由此产生电能。同时氢离子与氧离子发生反应后生成的水，由阴极板2下端汇集排除，使得整个系统氢、氧电化学反应过程达到物质和电荷量的平衡，对外输出电能。
[0027]本发明所述质子交换燃料电池在常温条件下能迅速启动运行，即使环境温度达到80°C它也能正常工作。质子交换燃料电池适宜频繁启动场合，启动快捷、运行平稳、无噪声、无污染、运行性能可靠。它既可用于小型固定电站，亦可作为移动式电站和交通运输车辆的动力源。适用于居民住宅、办公楼宇、公共事业用电和居民小区等场合独立式热、电联用。
[0028]质子交换燃料电池的最大优越性，适合用于公共交通、汽车动力替代燃油发动机，因此，它的潜在应用领域十分广泛。
[0029]例如，一辆商务轿车如采用质子交换燃料电池，它的全套系统由氢储罐、驱动电机、逆变器、场矢量控制器等组成。由燃料电池驱动电机转速可达到1600/min，最大转矩在200N*h。逆变器转换将质子燃料电池所输出的高直流电压、转变为直流12V、24V，车上同时配置电池充电，车辆不行驶时燃料电池亦可发电运行。燃料电池的全套装置设在车前位置、重量约200公斤左右。
[0030]小型分散式电站主要是为特定情况下用电需要。目前，大多数这类电站采用两类技术发电:一是传统技术，如柴油发电机组，另一类则是先进技术，如光伏发电、风能发电，蓄电池组以及其他类型的储能技术等。而采用质子交换燃料电池更适用于功率在200KW?2丽范围的分散式电站。
【权利要求】
1.一种质子交换燃料电池，包括一个或多个单体电池；其特征是:所述单体电池包括阳极板(I)和阴极板(2)，阳极板(I)和阴极板(2)之间由质子交换膜(3)分隔，阳极板(I)和质子交换膜(3)之间形成氢气通道，阴极板(2)和质子交换膜(3)之间形成氧气通道；在所述阳极板(I)上设置氢气进口(4)和氢气出口(5)，在阴极板(2)上设置氧气进口(6)和氧气出口(7);在所述阳极板(I)的内表面和质子交换膜(3)的阳极板(I) 一侧表面设置第一电催化剂层(8)，在阴极板(2)的内表面和质子交换膜(3)的阴极板(2) —侧表面设置第二电催化剂层(9);所述各个单体电池的阳极板(I)通过导线(11)并联连接于电池的负极，阴极板(2)通过导线(11)并联连接于电池的正极。
2.如权利要求1所述的质子交换燃料电池，其特征是:所述阳极板(I)和阴极板(2)形成若干平行布置的梯形流道(10 )。
3.如权利要求1所述的质子交换燃料电池，其特征是:所述阳极板(I)和阴极板(2)采用碳纤维布和聚四氟乙烯复合制成。
4.如权利要求1所述的质子交换燃料电池，其特征是:所述质子交换膜(3)为全氟磺酸型质子交换膜。
5.如权利要求1所述的质子交换燃料电池，其特征是:所述质子交换膜(3)的厚度为25?30微米，平均孔径为0.3微米。
6.如权利要求1所述的质子交换燃料电池，其特征是:所述第一电催化剂层(8)和第二电催化剂层(9)采用的催化剂为碳载钼合金催化剂，钼载量为0.05?0.1 mg/cm2。
【文档编号】H01M8/10GK103779595SQ201410017142
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月15日 优先权日:2014年1月15日
【发明者】徐福昌 申请人:徐福昌