CN1327555C - 自呼吸空气的便携式电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于燃料电池技术领域的基于集成燃料装置的自呼吸空气的聚合物电解质燃料电池的一种自呼吸空气的便携式电源。将能量单元氢燃料装置与由双极板、膜电极、燃料流场板、空气流场板、集流板、端板和垫圈构成燃料电池堆的功率单元用紧固螺栓串连而成。采用两侧面均有气体分布沟槽的环形双极板代替金属分隔板，去掉复杂的排气阀和简化紧固件，把氢源装置与自呼吸式燃料电池堆有机地结合在一起，气密性良好，降低体积、重量与成本，可以在远离高压氢气瓶的偏远地方作为便携式电源发电，无须使用交流电网充电，只要加入燃料便会从空气中呼吸氧气进行安静地电化学反应，无需人工干预，不断地输出电能，是一种十分便利的便携式电源。

Description

自呼吸空气的便携式电源

发明领域

本发明属于燃料电池技术领域，主要涉及到基于集成燃料装置的自呼吸空气的聚合物电解质燃料电池的一种自呼吸空气的便携式电源。

背景技术

本发明涉及一种呼吸空气式的便携式电源，它具有轻型、无噪音且零污染的特性。这种便携式电源可以用于多种用途，例如可用作户外活动、车用以及家用电子设备、个人电子设备等的清净能源，这种便携式电源主要由氢燃料装置的能量单元与燃料电池堆的功率单元两部分构成，该氢燃料装置可以是贮氢装置或氢发生装置，该燃料电池堆是自吸空气式的自适应固态聚合物电池堆。与通常的加压、加温并配备水热等管理系统的燃料电池堆相比，自呼吸燃料电池堆是一个完全被动式的操作(无源操作)，非常适合于便携式电源应用。在自呼吸燃料电池堆发电的过程中，燃料从燃料装置中流入到电池堆中，在膜电极上与呼吸来的环境空气发生电化学反应，释放出电能并反应生成水，自呼吸空气的燃料电池堆无需泵动力来循环或排走反应物或生成水。燃料电池堆最理想的燃料是氢气。聚合物燃料电池具有操作温度低、输出功率大的特点，是诸类燃料电池中的一种类型。

在美国专利No.5,595,834与No.5,514,486中描述了一种便携式燃料电池堆的实例，在一个单元电池的阳极(燃料电极)及阴极(氧电极)设置在固态聚合物电解质膜片的两侧，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；两个单元电池之间由分隔板隔开。单元电池相互集成从而形成多个单元电池堆叠起来构成整体结构的电池堆，由于这些燃料电池堆叠物适用于低功率的燃料电池，所以它们可以被设计成尺寸小且质量轻的燃料池电堆。中国专利No.02106940.9在此基础上作了几方面的改进：(1)去掉了燃料流场板，由于没有在燃料电池堆中各电池单元的阳极侧面设置流场板，在一定程度上减少了两表面接触的数量；(2)改变了燃料从侧孔供给的方式，即放弃了燃料供给流场板以及用于燃料供给的端板开孔。而是在固定螺母上开一个燃料供给细孔，细孔与燃料分配总管相贯通，以用于从端板的中心处供给燃料。这样燃料不流经燃料流场而直接供给到燃料分配总管处，流动阻力会减小，而可以实现平稳的燃料供给；在传统的自呼吸电池堆放电过程中，当氢燃料从氢气装置分配到电池堆的燃料流场板进行电化学反应后，如果没有排放尾气的出口，那么在燃料流道中会很可能慢慢积累生成水，使电池堆积水而使得电压与电流下降，影响电池堆输出性能。传统的方法是在氢燃料总管的末端安装放气阀，其结构在专利No.5,595,834与专利No.02106940.9中有详细描述。

然而在以上传统的呼吸空气式的电池堆设计中，还存在很大问题：首先，在上述的专利中都或多或少地采用了金属分隔板，这样增加了电池堆重量与体积，更重要的是增加了电池堆中的接触界面，导致了内阻增大，而且金属表面很容易被腐蚀，内阻会随着放电的进行而越来越大，从而降低整个电池堆的输出功率。在专利No.02106940.9中，虽然去掉了燃料流场板，表面上看可降低电池堆内阻，但由于金属表面直接与燃料电池膜电极接触，膜电极是一个弱酸性的环境，这样金属分隔板表面腐蚀作用会加强，不仅可能增大内阻，而且还可能释放金属杂质离子，使电池堆的膜电极核心部件失效。另一方面，由于缺少燃料流场板，会对燃料的均匀分布造成负面影响，因为电化学反应产物水就会容易在电极中驻留，形成氢气无法到达的‘死区’，导致性能衰减。其次燃料电池堆未与氢燃料装置相集成，只是能量转换的功率单元，不能成为便携式电源。再次，在氢燃料分布总管的末端安装排气阀有许多不利因素，因为在电池堆内部与环境气压的压力差作用下，通过排气阀排出积累水与废气，这就要求放气阀定时地被打开，使其处于排放状态。这样自呼吸式燃料电池堆的正常工作就需要人工干预。如果排气阀排放的时间不足，就会造成电性能下降；但如果排气阀排放频繁，就会浪费大量的燃料氢气。另一方面虽然排气阀也可以通过自动化装置来操作，排放的氢燃料也可以通过氢泵回收，但这样会使电池堆的被动式操作大打折扣。除此之处，因为氢属易燃易爆品，排气阀间歇式直接排放给应用的安全性带来了不良影响。当然还存在维护工作繁重、形状复杂以及尺寸偏大等诸多问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种自呼吸空气的便携式电源，所述自呼吸空气的便携式电源的能量单元燃料装置9与由双极板1、膜电极2、燃料流场板3、空气流场板4、集流板10、端板7和垫圈8构成燃料电池堆的功率单元用紧固螺栓5和紧固螺栓6串连而成；采用两侧面均有气体分布沟槽的环形一体化石墨双极板代替燃料流场板和空气流场板，该双极板的外周与内周设有密封槽17，在双极板基体15上有互相贯通的导流槽16组成导流网络，基体15周边的空气流进出口孔洞14与外界空气贯通，或以架桥的方式与外界空气贯通；在内周边缘部分的孔洞14通过紧固螺栓5上的燃料连接孔12与中心分配管13相通，燃料装置里的燃料氢气与空气被双极板分隔离在双极板两侧；在双极板的氢气分布侧，有与空气流场分布侧相似的互相贯通的导流槽16组成氢气导流网络。

所述空气流进出口孔洞14为方形、圆形或梯形。

所述导流槽16的槽宽可连续或不连续地变化，导流槽16的形状为直线、曲线、折线或网络形状。导流槽的深度可连续或不连续地变化，槽底呈平面、台阶、波浪或曲面形状。

所述膜电极2由疏水碳纸19、阳极疏水碳粉层20、阳极催化层21、阴极催化层22、固态聚合物电解质膜片18构成；所用碳纸由碳纤维复合而成，并采用聚四氟乙烯塑料进行疏水处理。

本发明的有益效果是：1.采用的双极板除了起到自动分布反应气体的作用，还具有良好的散热作用，因为空气分布流场完全与外界空气相通，随着空气的自然对流、扩散或随着电化学反应生成物水的蒸发排放，自然地起到良好的散热作用。2.去掉了金属分隔板，有利于空气的自动呼吸，有利于燃料氢气的均匀分布，不会产生燃料不可到达的‘死区’；大大地减少组件数量与安装的难度，减少了两表面接触的数量与接触部分的电阻，也防止了使用金属造成的腐蚀现象，从而有效地降低电堆的内阻，提高了电池的运行寿命，能实现高效率的便携式发电。3.通过贯通式空气导流槽的特殊分布，实现了自然空气气冷的良好散热方法，简化了燃料电池系统，使其组件数量得以减少，降低了成本。4.把燃料装置与呼吸空气的聚合物燃料电池堆集成起来，并去掉燃料电池堆的金属分隔板通过集成特殊的双极板以减少界面接触部分，使电池堆的内阻得到降低，由此改善电性能。5.去掉结构复杂的排气阀，通过膜电极与空气流场板的协同作用来排放阳极中的积累水，实现自呼吸电池堆操作的无人工干预，增强了其发电的自适应性。从而减小操作的复杂性、不安全性以及进一步减小尺寸、重量。该发明具有广阔的市场前景。

附图说明

图1为自呼吸空气的便携式电源结构示意图。

图2A为双极板的氢燃料流场示意图。

图2B为双极板的空气流场示意图。

图2C为双板板的正面示意图。

图3为膜电极组件示意图。

图4为自呼吸空气的便携式电源立体外观图。

具体实施方式

本发明是一种自呼吸空气的便携式电源。在图1所示自呼吸空气的便携式电源的结构中，能量单元氢燃料装置9与由双极板1、膜电极2、燃料流场板3、空气流场板4、集流板10、端板7和垫圈8构成燃料电池堆的功率单元用紧固螺栓5和紧固螺栓6串连而成。本发明采用两侧面均有气体分布沟槽的环形一体化石墨双极板代替燃料流场板、空气流场板和金属分隔板。该双极板的外周与内周设有密封槽17，在双极板基体15上有互相贯通的导流槽16组成导流网络，基体15周边的空气流进出口孔洞14与外界空气贯通，或以架桥的方式与外界空气贯通；在内周边缘部分的孔洞14通过紧固螺栓5上的燃料连接孔12与中心分配管13相通，燃料装置里的燃料氢气与空气被双极板分隔离在双极板两侧；在双极板的氢气分布侧，有与空气流场分布侧相似的互相贯通的导流槽16组成氢气导流网络(如图2A～2C)所示。空气流进出口孔洞14为方形、圆形或梯形；导流槽16的槽宽可连续或不连续地变化，导流槽16的形状为直线、曲线、折线或网络形状。导流槽的深度可连续或不连续地变化，槽底呈平面、台阶、波浪或曲面形状。

上述膜电极2(如图3所示)使用高疏水性的多孔碳纸19作阳极基底，在其一侧表面上分布具有微孔(当量孔径小于碳纸的当量孔径)的疏水性碳粉层20，这样制备出阳极催化层21基底；使用高疏水性的多孔碳纸19作阴极基底，但上面无疏水性的碳粉层20，直接用作阴极催化层22的基底。然后将它们与固体聚合物电解质膜片18一起制备成膜电极2组件。在电堆中双极板(或空气流场板)的空气流场沟槽经疏水性的功能化处理，有利于阴极排水，防止电化学反应生成水的积累，降低阴极侧的水活度。

在本发明中，去掉复杂的排气阀和简化了电池堆的紧固件。为了保持良好的氢气密封性，减少了活动件螺母的使用，而只采用两根螺栓进行紧固并形成氢燃料分配管道的方案。其中一根螺栓的轴向与径向均开有燃料连接孔12，并在其固定头上形成具有内螺纹的孔11，与燃料装置相连接，实现燃料装置与电池堆的氢气贯通。电池堆的紧固是通过一根螺栓的螺杆前端与另一根螺栓的螺杆前端在螺纹的咬合下相连接，通过垫片压力的传递使得电池堆端板压紧，实现了连接头放置于电堆内部的新型设计，有利于降低体积、重量与成本，这样该便携式电源相对于轴心方向即可以水平放置，也可垂直放置。简化紧固部件，气密性良好，而且因在电池堆外部没有连接头使得电池堆美观，发电过程中无需人工干预，增强了其实用性，可增强公众的接受性，有利于推广使用

另外，本发明把现场氢源装置与自呼吸式燃料电池堆有机地结合在一起，真正地实现了即具有能量单元又具有功率单元的便携式电源。可以在远离高压氢气瓶的偏远地方作为便携式电源发电，无须使用交流电网充电，只要加入燃料便会从空气中呼吸氧气进行安静地电化学反应，不断地输出电能，是一种十分便利的便携式电源。

固态聚合物电解质膜片包括使用氟化的或具有芳环结构的质子交换膜或它们的有机、无机复合质子交换膜。本实施中采用全氟磺酸质子交换膜，其厚度在25μm～μ180m之间，其EW值在600～1300之间。固态聚合物电解质膜一般需要经过H₂O₂、H₂SO₄的稀溶液处理，以去除有机杂质并质子化，在本实施例中还对其进行了表面粗糙化处理。最后将电极按双极板1形状裁剪成环形的电极，并与固态聚合物电解质膜复合在一起，制备成膜电极组件2。

图4所示为上述结构的自呼吸空气的便携式电源立体外观图。其工作原理如下。

燃料装置是该便携式电源于能量单元，其燃料的贮存或产生量决定了电源的能量密度；自呼吸的燃料电池堆是电源的功率单元，其间发生的电化学反应决定了输出功率的大小。当启动电源后，燃料装置里的燃料氢气通过燃料连接孔12进入燃料中心分配管13，再由该燃料中心分配管13通过双极板1、燃料分配板3上的内部孔道把氢燃料输送到每一个电池单元的燃料流场面，并由燃料流场中的导流槽16均匀地把氢气分布在膜电极2的阳极侧。另一方面环境空气通过对流、扩散等方式从外界穿过双极板1、空气分配极板4的外周孔道14进入每一个电池单元的空气流场面，并由空气流场中的导流槽均匀地将空气中的氧气分布在膜电极2的阴极侧。这样在电池堆的核心部件膜电极2的两侧分别分布有氢燃料气体与氧气，电化学反应就在这里发生。氢气在阳极催化剂的作用下解离成质子和带负电的电子，质子以水合形态H⁺.(nH₂O)在固体电解质膜中从一个磺酸基(-SO₃H)转移到另一个磺酸基，最后到达阴极，实现质子导电。质子的这种迁移导致阳极出现了带负电的电子积累，从而变成了一个带负电的端子(负极)。与此同时，阴极的氧分子与催化剂作用下产生的电子发生反应，变成氧离子，使得阴极变成带正电的端子(正极)，其结果导致在阳极的带负电终端和阴极的带正电终端之间产生了一个电压。电池背单元串联就能得到电压的叠加。如果此时通过外部电路将两极相连，电子就会通过回路从阳极流向阴极，从而产生电能。

Claims (4)

1.一种自呼吸空气的便携式电源，所述自呼吸空气的便携式电源的能量单元燃料装置(9)与由双极板(1)、膜电极(2)、燃料流场板(3)、空气流场板(4)、集流板(10)、端板(7)和垫圈(8)构成燃料电池堆的功率单元用紧固螺栓(5)和紧固螺栓(6)串连而成；其特征在于：采用两侧面均有气体分布沟槽的环形一体化石墨双极板代替燃料流场板和空气流场板，该双极板的外周与内周设有密封槽(17)，在双极板基体(15)上有互相贯通的导流槽(16)组成导流网络，基体(15)周边的空气流进出口孔洞(14)与外界空气贯通，或以架桥的方式与外界空气贯通；在内周边缘部分的孔洞(14)通过紧固螺栓(5)上的燃料连接孔(12)与中心分配管(13)相通，燃料装置里的燃料氢气与空气被双极板分隔离在双极板两侧；在双极板的氢气分布侧，有与空气流场分布侧相似的互相贯通的导流槽(16)组成氢气导流网络。

2.根据权利要求1所述自呼吸空气的便携式电源，其特征在于：所述空气流进出口孔洞(14)为方形、圆形或梯形。

3.根据权利要求1或2所述自呼吸空气的便携式电源，其特征在于：所述导流槽(16)的槽宽可连续或不连续地变化，导流槽(16)的形状为直线、曲线、折线或网络形状；导流槽的深度可连续或不连续地变化，槽底呈平面、台阶、波浪或曲面形状。

4.根据权利要求1所述自呼吸空气的便携式电源，其特征在于：所述膜电极(2)由疏水碳纸(19)、阳极疏水碳粉层(20)、阳极催化层(21)、阴极催化层(22)、固态聚合物电解质膜片(18)构成；所用碳纸由碳纤维复合而成，并采用聚氟塑料进行疏水处理。

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