[發明專利]一種復合式燃料電池

無效

• 申請號: 201310086062.4
• 申請日: 2013-03-18
• 公開（公告）號: CN103151547A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發明（設計）人: 焦魁;王大為;鄧豪
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10;H01M8/04
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 王秀奎

技術領域

本發明屬于燃料電池領域，更加具體地說，涉及一種新型復合式燃料電池，具有水管理自優由化的特點。

背景技術

目前的質子交換膜（ProtonExchangeMembrane，PEM）燃料電池會在陰極生成水，陽極消耗水。同時由于電滲拖拽（electro-osmoticdrag，EOD）作用，部分陽極的水會被拖拽到陰極，使陰極的水更多，陽極的水更少，從而導致大量的液態水堆積在陰極影響反應流體的傳輸，進而影響燃料電池的工作效率。同時，PEM膜陰陽兩級水分布的不平衡會導致膜本身電阻增加，使局部過熱而損壞PEM膜，進而影響燃料電池的工作效率。因此，PEM膜燃料電池需要有效利用陽極生成的水和外部輸送的水，充分加濕膜，同時將陰極生成的液態水及時排除，減少對反應流體傳輸的影響。這些使得PEM膜燃料電池的水熱管理變得復雜。目前的固態堿性陰離子交換膜（AlkalineAnionExchange?Membrane，AAEM）燃料電池則相反，陽極的水更多，陰極的水更少。AAEM膜陰陽兩級水分布的不平衡也會導致和PEM膜同樣的問題，從而影響燃料電池的工作效率。水熱管理也同樣會變得復雜，如附圖1所示。

發明內容

本發明的目的在于提供一種新型復合式燃料電池。這種燃料電池可以充分利用PEM膜陰極水多和AAEM膜陽極水多的特點，使兩種膜所產生的水相互補充，從而使膜兩級的水分布較為平衡，進而使水熱管理變得簡單。

本發明的技術目的通過下述技術方案予以實現：

一種復合式燃料電池，包括復合膜、密封墊片、碳板、導電板、耐熱絕緣板及緊固裝置，其中：

導電板、耐熱絕緣板及緊固裝置可選用燃料電池領域的常用材料，所述導電板設置在碳板的外側，用于收集碳板上的電流并對外輸出電流；所述絕緣耐熱板設置在導電板的外側，用于使緊固裝置和導電板絕緣，防止漏電；所述緊固裝置的表面可覆蓋絕緣材料，以防止緊固裝置和碳板接觸而漏電，或者直接采用絕緣材料制備的緊固裝置，所述緊固裝置用于連接和緊固燃料電池的各個組成部分，選擇螺栓/螺母。

所述復合膜中鑲嵌有質子交換膜（ProtonExchangeMembrane，PEM）和堿性陰離子交換膜（AlkalineAnionExchangeMembrane，AAEM），每個堿性陰離子交換膜（AAEM）和質子交換膜（PEM）均構成一個單獨獨立的燃料電池且交錯分布，進行反應，并將兩種交換膜的陽極位于復合膜的一側，陰極位于復合膜的另一側，這樣一來，堿性陰離子交換膜（AAEM）陽極生成的水可對質子交換膜（PEM）陽極進行補充，質子交換膜（PEM）陰極生成的水對堿性陰離子交換膜（AAEM）陰極進行補充，復合膜的本體起到絕緣和密封的作用，防止PEM膜和AAEM膜電解質的泄漏。

所述復合膜的本體選擇聚酯薄膜。

所述質子交換膜和堿性陰離子交換膜的反應活化面積比為2：1。

所述質子交換膜的數量和堿性陰離子交換膜的數量相等，以構成電極反應生成水的補充，例如1個AAEM和1個PEM組成，2個AEM和2個PEM組成，3個AEM和3個PEM，根據燃料電池的大小適當選擇交換膜的數量，并可根據兩者的反應活化面積之比進行設計。

為實現這一功能，在碳板上設置有與堿性陰離子交換膜（AAEM）燃料電池和質子交換膜（PEM）燃料電池位置相應的蛇形流道，要保證流體交替經過PEM膜和AAEM膜并且流體開始流入碳板的流道時，在復合膜的陽極一側要先經過AAEM膜，再經過PEM膜，再經過AAEM膜，再經過PEM膜；在復合膜的陰極一側要先經過PEM膜，再經過AAEM膜，再經過PEM膜，再經過AAEM膜。在整個蛇形流道的外圍設有密封橡膠圈的槽道，內置密封橡膠圈；相鄰的膜之間的對應的蛇形流道是相通的，并利用設有密封橡膠圈的槽道進行分割，碳板上蛇形流道的分布與復合膜上交換膜的位置分布相對應。

所述蛇形流道和設有密封橡膠圈的槽道通過機械加工方法直接在碳板表面進行加工而成，例如刻蝕。

所述設置在碳板上的密封橡膠圈的作用是防止流道中流體（例如燃料、氣體和電極反應生成的水）的泄漏，所述密封橡膠圈外圍放有密封墊片，所述密封墊片覆蓋除蛇形流道之外的碳板表面，用于進一步密封和防止復合膜兩側的碳板接觸導致短路。所述復合膜和碳板表面的蛇形流道相接觸。