[发明专利]圆柱形自呼吸式质子交换膜燃料电池

说明书

技术领域：

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池。

背景技术：

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)是一种低温燃料电池，它以氢气为燃料，以空气或氧气为氧化剂，是实现使用可再生能源(氢气)和零排放(其唯一的排放物是水)的绿色能源，是燃料电池汽车的首选电源，并作为移动电源广泛用于民用和国防领域。目前，质子交换膜燃料电池多为板框式(平板型)结构，针对平板型燃料电池质量重和体积大的不足，研究人员提出了设计其它结构的PEMFC，如制作管状燃料电池、不用带流场的双极板等构想，以达到简化电池的外围设备，提高电池的体积比功率和质量比功率、降低制作成本、缩短制造周期，满足体积小、重量轻、功率要求不高的负载使用要求。

自呼吸式质子交换膜燃料电池(Self-breath Proton ExchangeMembrane Fuel Cell，Self-PEMFC)直接使用氢气作燃料，供氢气可以外带储氢罐或者加储氢材料，真正达到零污染的新能源的使用，对于能源的可持续发展战略有很长远的研究意义。因此，近年来，对PEMFC技术的开发和应用发展迅速，国内外许多高校、研究院所以及各大公司均对PEMFC研究开发花费了巨大的人力与物力。研究的重点就是降低PEMFC的成本，提高PEMFC的性能，适合商业化使用。

圆形结构的PEMFC，在用作便携式电动装置动力电池和家用电源时，具有独特的优点。国外有研究报道，圆形PEMFC的研究刚刚开始，膜电极可选择的材料、制备工艺以及小型电堆的研制方面多为研究性论文，未有商品化的产品。

圆形质子交换膜燃料电池和目前方形质子交换膜燃料电池在基本原理上一样，但在结构上由于是圆形体积大大减小，电池的体积比功率和质量比功率增加，制造成本降低，制造速度加快，对质子交换膜燃料电池的推广采用具有重要意义。但由于结构上的改变，在设计和制造上则有很大不同，所以需要进行许多研究。

因此，通过对圆形PEMFC电池组总体结构以及各部件结构的改进，提高电池的性能，降低电池的制造成本，可以促进PEMFC商业化应用。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种结构合理，工作性能好的圆柱形自呼吸式质子交换膜燃料电池。

本发明的技术解决方案是：

一种圆柱形自呼吸式质子交换膜燃料电池，其特征是：电池外形为圆柱形，包括外壳、膜电极、阳极管，膜电极内为燃料室，外壳与膜电极之间为空气室，膜电极两端设置绝缘密封圈，在电池组的阴极端、阳极端分别设置阴极输出件、阳极输出件，在阴极输出件上设置集排水装置。

在电池两端设置密封盖，可以用聚四氟乙烯。阳极采圆管型用使氢气通过同时起支撑作用的多孔石墨。

膜电极由阴极、Nafion膜层、阳极复合组成，与氢气接触的是阳极，与空气接触的是阴极；膜电极中阴极由扩散层、阴极催化剂层复合组成，阳极由阳极催化剂层和阳极扩散层复合组成。

外壳表面呈便于空气流通的多孔形式，可以采用一些注射成型的塑料件。

阴极输出件采用不锈钢、铜或钛材料，阳极输出件采用不锈钢、铜或钛材料，绝缘密封圈采用聚四氟乙烯材料。

集排水装置为在底部有小圆形通孔并以一些吸水材料(如聚乙烯醇吸水海绵等)作塞子塞住。

阴极采用碳布作为扩散层，阳极采用石墨或石墨基复合材料整体制造的圆管型，Nafion膜接头处通过Nafion溶液粘结。

膜电极中的阴极接头处、Nafion膜接头处位于同一位置，一起采用聚四氟乙烯焊接连接。

燃料为氢气，用外部储氢罐供氢或用储氢材料直接放置到石墨圆管内部；当用外部储氢罐供氢时，上部和下部可分别开进气和出气口。

电池的外形和大小尺寸与7号、5号、2号或1号干电池尺寸相同；也可以根据需要做成更大尺寸的电池。

本发明结构合理，(1)外壳表面呈便于空气流通的多孔形式，空气可以自呼吸式；(2)圆管型膜电极可以采用涂覆和热压法制备，阻抗小；(3)功率密度高，实现高性能；(4)圆管状的阳极采用多孔石墨，不用带流场双极板，制造成本低；(5)圆管状的多孔石墨一次成型，制造难度降低；(6)设计有集水和排水装置，水管理方便；(7)散热面积大，散热速度快，温度调节方便；(8)拆卸方便，有利于维修和更换组件；(9)可以用外部储氢罐供氢，也可以用储氢材料直接放置内部作为燃料。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例1的结构示图，内置储氢材料。

图2是图1的剖面视图。