[发明专利]质子交换燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种质子交换燃料电池。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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：1/2O₂ + 2H⁺ + 2e → H₂O；

上述总电化学反应过程为：H₂ + 1/2O₂ = 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

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。

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。

所述阳极板和阴极板形成若干平行布置的梯形流道。

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。

所述质子交换膜为全氟磺酸型质子交换膜。

所述质子交换膜的厚度为25～30微米，平均孔径为0.3微米。

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铂合金催化剂，铂载量为0.05～0.1 mg/cm²。