一种可实现输出电压数倍增加的燃料电池制造技术

本发明专利技术涉及一种可实现输出电压数倍增加的燃料电池，包括至少一膜电极，至少二导流极板、二集流母板、一前端板、一后端板、至少一连接杆，所述的膜电极的导电部分被绝缘体分隔成至少两个等导电区域，所述的导流极板的导电部分被绝缘体分隔成至少两个与膜电极相应的等导电区域，将至少两等导电区域的集流母板进行串联连接，即构成可实现输出电压数倍增加的燃料电池。与现有技术相比，本发明专利技术在具有较大的燃料电池导流极板、膜电极有效工作面积时，同样可以实现数倍减少电流输出，而数倍增加电压输出，达到既节省电池材料，又提高其能量转换效率的目的。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池，尤其涉及一种可实现输出电压数倍增加的燃料电池。
技术介绍
电化学燃料电池是一种能够将氢燃料及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学反应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达阳极反应 阴极反应在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导膜电极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导膜电极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导膜电极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流极板与阴极氧化剂的导流极板。这些导流极板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流极板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。一个典型电池组通常包括(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或由甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组后进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。质子交换膜燃料电池可用作车、船等运载工具的动力系统，又可用作手提式、移动式、固定式的发电装置。质子交换膜燃料电池输出电流的大小与燃料电池中膜电极工作的有效面积有关，例如燃料电池在0.5安培/(每平方厘米膜电极)电流密度工作时，采用200平方厘米的有效膜电极即可输出100安培。质子交换膜燃料电池输出电压的大小与燃料电池中工作单电池个数有关，每个工作单电池的输出电压大约在1.0～0.5伏之间，而将若干个工作单电池以串联方式串成燃料电池堆，那么燃料电池堆可以实现较高的电压输出。如图1、图2、图3所示，分别表示燃料电池的导流极板、膜电极以及燃料电池堆。根据质子交换膜燃料电池在不同功率范围的应用要求，在质子交换膜燃料电池工程设计上必须考虑膜电极有效面积，导流极板大小、形状以及整个质子交换膜燃料电池堆中的单电池个数。因为导流极板，膜电极有效面积大小决定了燃料电池堆的宽度与高度，以及燃料电池输出电流的大小，而燃料电池堆中的单电池个数决定了燃料电池堆的长度与输出电压的大小。所以，目前国际上著名Ballard Power System公司生产的质子交换膜燃料电池堆，当用作大功率的动力或发电装置时，其Mark5型工程设计上体现出燃料电池堆的宽和高较大(大约有20公分)，长有40多公分，但用作手提式小功率发电装置时，其另一种小型燃料电池工程设计上体现出燃料电池堆的宽和高较小(不超过5公分左右)，但为了增加输出电压，增加工作单电池个数其长度较长，也有几十公分长。这种燃料电池工程设计原则上是根据质子交换膜燃料电池在不同功率范围的应用要求，得到适合应用要求的输出电流与电压。但是按上述目前普遍推行的燃料电池工程设计方法而成的燃料电池堆有其不可克服的缺陷(1)在燃料电池堆大功率输出应用要求时，一般加大燃料电池输出电流与电压，由于燃料电池堆装配等原因对其长度有一定限制，即对燃料电池单电池个数的增加有一定限制，结果不得不加大燃料电池输出电流，即增加燃料电池的宽与高度，使输出电流高达几百安培，结果在大电流输出时产生了许多电能损失，主要损失在电池内阻与线路及接头上，变成了无法利用的热能，导致燃料电池能量效率降低。(2)在燃料电池堆中、小功率，特别要求高电压输出应用要求时，一般必须尽量减少燃料电池堆的电流输出，而相应加大燃料电池的电压输出，这样势必造成燃料电池堆的宽、高度很小，而单电池个数很多，长度很长，不但造成装配难度，而且造成了燃料电池制造材料的数量增加，成本也大大增加。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种在不加大体积的基础上可实现输出电压数倍增加的燃料电池。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现一种可实现输出电压数倍增加的燃料电池，包括至少一膜电极，至少二导流极板、二集流母板、一前端板、一后端板、至少一连接杆，所述的膜电极为质子交换膜两侧附着催化剂及多孔性碳纸构成，所述的导流极板设有导流槽，将两块导流极板夹住一块膜电极即构成一电池单元，将各电池单元通过连接杆串接在一起，并在两端设置集流母板及前、后端板，即构成燃料电池，其特征在于，所述的膜电极的导电部分被绝缘体分隔成至少两个等导电区域，所述的导流极板的导电部分被绝缘体分隔成至少两个与膜电极相应的等导电区域，将膜电极，导流极板串联装配成燃料电池时，至少两个等导电区域分别用至少四块不串流的集流母板设在燃料电池的阴、阳极两端，再将至少两等导电区域的集流母板进行串联连接，即构成可实现输出电压数倍增加的燃料电池。所述的绝缘体包括塑料树脂或橡胶。本专利技术由于采用了以上技术方案，即采用新的质子交换膜燃料电池工程设计，由此而制成的燃料电池堆在具有较大的燃料电池导流极板、膜电极有效工作面积时，同样可以实现数倍地减少电池电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可实现输出电压数倍增加的燃料电池，包括至少一膜电极，至少二导流极板、二集流母板、一前端板、一后端板、至少一连接杆，所述的膜电极为质子交换膜两侧附着催化剂及多孔性碳纸构成，所述的导流极板设有导流槽，将两块导流极板夹住一块膜电极即构成一电池单元，将各电池单元通过连接杆串接在一起，并在两端设置集流母板及前、后端板，即构成燃料电池，其特征在于，所述的膜电极的导电部分被绝缘体分隔成至少两个等导电区域，所述的导流极板的导电部分被绝缘体分隔成至少两个与膜电极相应的等导电区域，将膜电极，导流极板串联装配成燃料电池时，至少两个等导电区域分别用至少四块不串流的集流母板设在燃料电池的阴、阳极两端，再将至少两等导电区域的集流母板进行串联连接，即构成可实现输出电压数倍增加的燃料电池。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡里清，吴忻，
申请(专利权)人：上海神力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]