專利名稱：一種可實現輸出電壓數倍增加的燃料電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池，尤其涉及一種可實現輸出電壓數倍增加的燃料電池。
背景技術：
電化學燃料電池是一種能夠將氫燃料及氧化劑轉化成電能及反應產物的裝置。該裝置的內部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細小分散的引發電化學反應的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導電物體將發生電化學反應過程中生成的電子，通過外電路引出，構成電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發生電化學反應，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質子交換膜，到達膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發生電化學反應得到電子，形成負離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發生反應，形成反應產物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區的催化電化學反應就產生了氫正離子(或叫質子)。質子交換膜幫助氫正離子從陽極區遷移到陰極區。除此之外，質子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產生爆發式反應。
在陰極區，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負離子，并與陽極區遷移過來的氫正離子反應，生成反應產物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質子交換膜燃料電池中，陽極反應與陰極反應可以用以下方程式表達陽極反應
陰極反應在典型的質子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導電的極板中間，每塊導膜電極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機械銑刻，形成至少一條以上的導流槽。這些導膜電極板可以是金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導膜電極板上的導流孔道與導流槽分別將燃料和氧化劑導入膜電極兩邊的陽極區與陰極區。在一個質子交換膜燃料電池單電池的構造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導流極板與陰極氧化劑的導流極板。這些導流極板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導流極板上的導流槽又作為燃料與氧化劑進入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通常可通過直疊的方式串聯成電池組或通過平鋪的方式聯成電池組。在直疊、串聯式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導流進口和導流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內冷卻通道中，將燃料電池內氫、氧電化學放熱反應生成的熱吸收并帶出電池組后進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應的導流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
質子交換膜燃料電池可用作車、船等運載工具的動力系統，又可用作手提式、移動式、固定式的發電裝置。
質子交換膜燃料電池輸出電流的大小與燃料電池中膜電極工作的有效面積有關，例如燃料電池在0.5安培/(每平方厘米膜電極)電流密度工作時，采用200平方厘米的有效膜電極即可輸出100安培。質子交換膜燃料電池輸出電壓的大小與燃料電池中工作單電池個數有關，每個工作單電池的輸出電壓大約在1.0～0.5伏之間，而將若干個工作單電池以串聯方式串成燃料電池堆，那么燃料電池堆可以實現較高的電壓輸出。
如圖1、圖2、圖3所示，分別表示燃料電池的導流極板、膜電極以及燃料電池堆。
根據質子交換膜燃料電池在不同功率范圍的應用要求，在質子交換膜燃料電池工程設計上必須考慮膜電極有效面積，導流極板大小、形狀以及整個質子交換膜燃料電池堆中的單電池個數。因為導流極板，膜電極有效面積大小決定了燃料電池堆的寬度與高度，以及燃料電池輸出電流的大小，而燃料電池堆中的單電池個數決定了燃料電池堆的長度與輸出電壓的大小。
所以，目前國際上著名Ballard Power System公司生產的質子交換膜燃料電池堆，當用作大功率的動力或發電裝置時，其Mark5型工程設計上體現出燃料電池堆的寬和高較大(大約有20公分)，長有40多公分，但用作手提式小功率發電裝置時，其另一種小型燃料電池工程設計上體現出燃料電池堆的寬和高較小(不超過5公分左右)，但為了增加輸出電壓，增加工作單電池個數其長度較長，也有幾十公分長。
這種燃料電池工程設計原則上是根據質子交換膜燃料電池在不同功率范圍的應用要求，得到適合應用要求的輸出電流與電壓。
但是按上述目前普遍推行的燃料電池工程設計方法而成的燃料電池堆有其不可克服的缺陷(1)在燃料電池堆大功率輸出應用要求時，一般加大燃料電池輸出電流與電壓，由于燃料電池堆裝配等原因對其長度有一定限制，即對燃料電池單電池個數的增加有一定限制，結果不得不加大燃料電池輸出電流，即增加燃料電池的寬與高度，使輸出電流高達幾百安培，結果在大電流輸出時產生了許多電能損失，主要損失在電池內阻與線路及接頭上，變成了無法利用的熱能，導致燃料電池能量效率降低。
(2)在燃料電池堆中、小功率，特別要求高電壓輸出應用要求時，一般必須盡量減少燃料電池堆的電流輸出，而相應加大燃料電池的電壓輸出，這樣勢必造成燃料電池堆的寬、高度很小，而單電池個數很多，長度很長，不但造成裝配難度，而且造成了燃料電池制造材料的數量增加，成本也大大增加。

發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種在不加大體積的基礎上可實現輸出電壓數倍增加的燃料電池。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種可實現輸出電壓數倍增加的燃料電池，包括至少一膜電極，至少二導流極板、二集流母板、一前端板、一后端板、至少一連接桿，所述的膜電極為質子交換膜兩側附著催化劑及多孔性碳紙構成，所述的導流極板設有導流槽，將兩塊導流極板夾住一塊膜電極即構成一電池單元，將各電池單元通過連接桿串接在一起，并在兩端設置集流母板及前、后端板，即構成燃料電池，其特征在于，所述的膜電極的導電部分被絕緣體分隔成至少兩個等導電區域，所述的導流極板的導電部分被絕緣體分隔成至少兩個與膜電極相應的等導電區域，將膜電極，導流極板串聯裝配成燃料電池時，至少兩個等導電區域分別用至少四塊不串流的集流母板設在燃料電池的陰、陽極兩端，再將至少兩等導電區域的集流母板進行串聯連接，即構成可實現輸出電壓數倍增加的燃料電池。
所述的絕緣體包括塑料樹脂或橡膠。
本發明由于采用了以上技術方案，即采用新的質子交換膜燃料電池工程設計，由此而制成的燃料電池堆在具有較大的燃料電池導流極板、膜電極有效工作面積時，同樣可以實現數倍地減少電池電流輸出，而數倍地增加電池電壓輸出，達到既節省燃料電池材料，又提高燃料電池能量轉換效率的目的。


圖1為現有的導流極板的結構示意圖；圖2為現有的膜電極的結構示意圖；圖3為燃料電池的結構示意圖；圖4為本發明導流極板的結構示意圖；圖5為本發明膜電極的結構示意圖；圖6為本發明實施例1的內部結構示意圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖及具體實施例，對本發明作進一步說明。
一種可實現輸出電壓數倍增加的燃料電池，包括至少一膜電極，至少二導流極板、二集流母板、一前端板、一后端板、至少一連接桿，所述的膜電極為質子交換膜兩側附著催化劑及多孔性碳紙構成，所述的導流極板設有導流槽，將兩塊導流極板夾住一塊膜電極即構成一電池單元，將各電池單元通過連接桿串接在一起，并在兩端設置集流母板及前、后端板，即構成燃料電池；所述的膜電極的導電部分被絕緣體分隔成至少兩個等導電區域，所述的導流極板的導電部分被絕緣體分隔成至少兩個與膜電極相應的等導電區域，將膜電極，導流極板串聯裝配成燃料電池時，至少兩個等導電區域分別用至少四塊不串流的集流母板設在燃料電池的陰、陽極兩端，再將至少兩等導電區域的集流母板進行串聯連接，即構成可實現輸出電壓數倍增加的燃料電池。
圖1中的導流極板虛線內是導電區域，而虛線外是絕緣區域，將虛線內的導電區域分割成A、B二個等導電區域，如圖4所示，虛線代表絕緣體分隔，但A、B二個等區域構成的導流極板及上面的導流場(導流槽)與圖1中的大活性面積的導流極板中的導流場及導流槽一樣。
圖2中的膜電極虛線內是導電區域，而虛線外是絕緣區域，將虛線內的膜電極導電區域分隔成相應的A′、B′二個等導電區域，如圖5所示，虛線代表絕緣體分隔，但A′、B′二個區域一樣平整，形狀與圖2中的大活性面積的膜電極一樣，絕緣體分割(虛線)可以用各種粘接劑，如塑料樹脂，橡膠進行絕緣連體。
將上述導流極板、膜電極串聯裝配成燃料電池堆時，如圖3所示，A、B二個等區域分別用四塊不串流的集流母板放在燃料電池堆的陰、陽極二端，再將A、B二個等區域的集流母板集流后進行串聯連接達到燃料電池堆輸出電流減少一倍，而電壓增加一倍。
當然，如果將上述導流極板及膜電極、集流母板活性工作區域按同樣原理分割成互相絕緣的四個部分，由于各個部分的工作性能不一樣，不一定是均等四個部分，但必須分割成工作電流一樣的四個部分，這樣燃料電池總電流輸出將減少四倍，電壓增加四倍。其余分割成八部分，甚至更多的部分原理相同。
實施例1如圖6所示，按目前技術裝配的質子交換膜燃料電池堆，共有雙極板a(帶冷卻板a1的導流極板)20塊，膜電極b20張，二塊集流母板c，一塊前端板d，一塊后端板e。
在采用氫氣為燃料，空氣為氧化劑，每張膜電極有效面積為280平方厘米，雙極板加水冷夾板的尺寸是高206厘米，寬206厘米，厚5厘米，工作壓力(氫氣，空氣)是0.5～2個大氣壓，溫度是76℃。共有20個工作單電池。
當每個工作單電池輸出0.6伏時，膜電極工作電流密度為0.8A/平方厘米，整個燃料電池堆輸出總電壓是12伏，總電流為224安培。
本發明將雙極板加水冷夾板活性工作部分分割成二個對稱工作區域，非工作活性部分是絕緣材料，將集流母板分割成二個對等對稱部分，相當于二個燃料電池堆進行串聯連接，結果，燃料電池總輸出電壓增加一倍，達到24伏，而電流減少一倍達到112安培，總功率不變。
實施例2按實例1中各雙極板(含水冷夾板的導流極板)，膜電極，集流母板活性工作部分都分割成四個區域(四個區域由于各個區域的工作性能差異，不一定對等)，使燃料電池總輸出達到48伏56安培。
權利要求
1.一種可實現輸出電壓數倍增加的燃料電池，包括至少一膜電極，至少二導流極板、二集流母板、一前端板、一后端板、至少一連接桿，所述的膜電極為質子交換膜兩側附著催化劑及多孔性碳紙構成，所述的導流極板設有導流槽，將兩塊導流極板夾住一塊膜電極即構成一電池單元，將各電池單元通過連接桿串接在一起，并在兩端設置集流母板及前、后端板，即構成燃料電池，其特征在于，所述的膜電極的導電部分被絕緣體分隔成至少兩個等導電區域，所述的導流極板的導電部分被絕緣體分隔成至少兩個與膜電極相應的等導電區域，將膜電極，導流極板串聯裝配成燃料電池時，至少兩個等導電區域分別用至少四塊不串流的集流母板設在燃料電池的陰、陽極兩端，再將至少兩等導電區域的集流母板進行串聯連接，即構成可實現輸出電壓數倍增加的燃料電池。
2.根據權利要求1所述的一種可實現輸出電壓數倍增加的燃料電池，其特征在于，所述的絕緣體包括塑料樹脂或橡膠。
全文摘要
本發明涉及一種可實現輸出電壓數倍增加的燃料電池，包括至少一膜電極，至少二導流極板、二集流母板、一前端板、一后端板、至少一連接桿，所述的膜電極的導電部分被絕緣體分隔成至少兩個等導電區域，所述的導流極板的導電部分被絕緣體分隔成至少兩個與膜電極相應的等導電區域，將至少兩等導電區域的集流母板進行串聯連接，即構成可實現輸出電壓數倍增加的燃料電池。與現有技術相比，本發明在具有較大的燃料電池導流極板、膜電極有效工作面積時，同樣可以實現數倍減少電流輸出，而數倍增加電壓輸出，達到既節省電池材料，又提高其能量轉換效率的目的。
文檔編號H01M8/10GK1453893SQ0211150
公開日2003年11月5日 申請日期2002年4月26日 優先權日2002年4月26日
發明者胡里清, 吳忻 申請人:上海神力科技有限公司