專利名稱：：具備氣體加濕、膜水合、除水和冷卻功能的單層雙極板燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種聚合物燃料電池，具體地說是一種具備氣體加濕、膜水合、除水和電池冷卻功能的單層雙極板燃料電池。技術(shù)背景燃料電池是一種把貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，等溫的按電化學(xué)原理轉(zhuǎn)化為電能的能量還原裝置，其發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是氫氣的燃燒反應(yīng)。它與一般電池不同之處在于燃料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是起催化轉(zhuǎn)換作用。所需燃料(氫或通過甲烷、天然氣、煤氣、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取)和氧(或空氣)不斷由外界輸入，因此燃料電池是名符其實(shí)的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。燃料電池有多種分類，表1列出了幾種主要類型燃料電池的燃料、電解質(zhì)、電極和工作溫度等基本特點(diǎn)。表l燃料電池的分類<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>本發(fā)明中的燃料電池指的是聚合物離子膜燃料電池，即"質(zhì)子交換膜燃料電池"。簡單的說，質(zhì)子交換膜燃料電池就是通過一種質(zhì)子交換膜(PEMProtonExchangeMembrane)和催化層(CLCatalystLayer)而產(chǎn)生電流的一種裝置。這種電池只要外界源源不斷的供應(yīng)燃料(例如純氫氣)，就可以提供持續(xù)電能。它的工作原理，是利用一種叫質(zhì)子交換膜技術(shù)，使氫氣在覆蓋有催化劑的質(zhì)子交換膜作用下，在陽極將氫氣催化分解成為質(zhì)子，這些質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，在氫氣的分界過程中釋放出電子，電子通過負(fù)載被引出到陰極，這樣就產(chǎn)生了電能。在陽極經(jīng)過質(zhì)子交換膜和催化劑的作用，在陰極質(zhì)子與氧氣和電子相結(jié)合產(chǎn)生水。也就是說燃料電池內(nèi)部的氫和空氣中的氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成水的過程，同時(shí)產(chǎn)生了電流，也可以理解為是電解水的逆反應(yīng)。工作原理圖如下見圖7質(zhì)子交換膜是一種可導(dǎo)質(zhì)子而不能導(dǎo)電子的特殊的親水物質(zhì)，必須經(jīng)水合處理才能發(fā)揮作用，其傳導(dǎo)質(zhì)子的能力與其水合度是成正比。擴(kuò)散層是一種多孔物質(zhì)，必須確保其孔洞的暢通，才能夠?qū)⒎磻?yīng)氣體引導(dǎo)到催化劑層進(jìn)行反應(yīng)。這就引出了兩難的問題——一方面要確保膜的高水合度，一方面又不能有太多的水堵塞住擴(kuò)散層的多孔通道，而且，燃料電池在工作時(shí)會(huì)生成大量的水，因此，如何將生成的水排出的同時(shí)又確保膜的水合度，即如何管理好"水"就成為質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前傳統(tǒng)的做法是將反應(yīng)氣體進(jìn)行濕化處理(如上圖所示)，利用膜能夠自動(dòng)吸附水分的親水性來保證膜的水合度。氣體所帶入的水分是以"霧氣"的形式進(jìn)入反應(yīng)部件，霧氣過稀就不能實(shí)現(xiàn)膜的高度水合，而霧氣過濃又會(huì)聚集成滴堵塞擴(kuò)散層，其缺陷在于氣體濕化度難以控制。相關(guān)的美國專利有US6，566，002B2、US6，926，983B2、US6,869，719B2、5，958，613、5,503,944。上述專利都存在氣體濕化度難以控制或生成大量的水難以排出的問題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，發(fā)明一種含單層雙極板、隔水層以及經(jīng)保濕材料處理的MEA氣體擴(kuò)散層，并具備氣體加濕、膜水合、除水和電池冷卻功能的燃料電池。它通過對(duì)擴(kuò)散層的處理，為反應(yīng)氣體的加濕、膜水合、去除生成水和電池冷卻提供了統(tǒng)一的解決方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括質(zhì)子交換膜，質(zhì)子交換膜的兩側(cè)復(fù)合有催化劑層，催化劑層上復(fù)合有經(jīng)過保濕材料處理的氣體擴(kuò)散層，氣體擴(kuò)散層的兩側(cè)分別裝有單層板作為陰極和陽極，作為陰極的單層板一面設(shè)有空氣流道和冷卻水流道，作為陽極單層板的一面相對(duì)應(yīng)位置設(shè)有氫氣流道和冷卻水流道，冷卻水流道通過多孔與氣體擴(kuò)散層連通，在冷卻水流道和氣體擴(kuò)散層接觸面的區(qū)域內(nèi)設(shè)有經(jīng)過水傳輸材料處理的導(dǎo)水層，空氣流道和氫氣流道中分別通入空氣和氫氣。上述技術(shù)方案中作為陽極的單層板的一面間隔排列有多個(gè)氫氣流道和冷卻水流道；所述的水傳輸材料處理的導(dǎo)水層與催化劑層通過多孔連通;所述的單層板為多孔介質(zhì)板;所述的多孔介質(zhì)為石墨或鎳;所述的催化劑為鉑金催化劑。本發(fā)明的技術(shù)方案也可以通過下述方法實(shí)現(xiàn)它包括質(zhì)子交換膜，質(zhì)子交換膜的兩側(cè)復(fù)合有催化劑層，催化劑層上復(fù)合有經(jīng)過保濕材料處理的氣體擴(kuò)散層，氣體擴(kuò)散層的兩側(cè)分別裝有單層板作為陰極和陽極，作為陰極的單層板一面設(shè)有空氣流道和冷卻水流道，作為陽極單層板的一面相對(duì)應(yīng)位置設(shè)有氫氣流道和冷卻水流道，冷卻水流道通過多孔與氣體擴(kuò)散層連通，在冷卻水流道內(nèi)設(shè)有經(jīng)過水傳輸材料處理的導(dǎo)水層，空氣流道和氫氣流道中分別通入空氣和氫氣。上述技術(shù)方案中作為陽極的單層板的一面間隔排列有多個(gè)氫氣流道和冷卻水流道；所述的水傳輸材料處理的導(dǎo)水層與催化劑層通過多孔連通；所述的單層板為多孔介質(zhì)板；所述的多孔介質(zhì)為石墨或鎳；所述的催化劑為鉑金催化劑。本發(fā)明的技術(shù)方案又可以通過下述方法實(shí)現(xiàn)它包括質(zhì)子交換膜，質(zhì)子交換膜的兩側(cè)復(fù)合有催化劑層，催化劑層上復(fù)合有經(jīng)過保濕材料處理的氣體擴(kuò)散層，氣體擴(kuò)散層的兩側(cè)分別裝有單層板作為陰極和陽極，作為陰極的單層板一面設(shè)有空氣流道和冷卻水流道，作為陽極單層板的一面相對(duì)應(yīng)位置設(shè)有氫氣流道和冷卻水流道，冷卻水流道通過多孔與氣體擴(kuò)散層連通，在冷卻水流道內(nèi)和冷卻水流道與氣體擴(kuò)散層接觸面的區(qū)域內(nèi)都設(shè)有經(jīng)過水傳輸材料處理的導(dǎo)水層，空氣流道和氫氣流道中分別通入空氣和氫氣。上述技術(shù)方案中作為陽極的單層板的一面間隔排列有多個(gè)氫氣流道和冷卻水流道；所述的水傳輸材料處理的導(dǎo)水層與催化劑層通過多孔連通；所述的單層板為多孔介質(zhì)板；所述的多孔介質(zhì)為石墨或鎳；所述的催化劑為鉑金催化劑。本發(fā)明通過氣體擴(kuò)散層和導(dǎo)水層在一個(gè)流道內(nèi)對(duì)水進(jìn)行處理，冷卻水和反應(yīng)區(qū)是相通的，它直接把水引導(dǎo)到氣體擴(kuò)散層來，因此它能夠?qū)崿F(xiàn)質(zhì)子交換膜的高度水合，又徹底解決了因水過量導(dǎo)致聚集成滴堵塞擴(kuò)散層的問題，并且節(jié)約了大量的極板材料。圖l是本發(fā)明的橫截面示意2是本發(fā)明的另一實(shí)施方式3是本發(fā)明的又一實(shí)施方式4是冷卻液流道、多孔的隔水層6和膜電極中氣體擴(kuò)散層2上的導(dǎo)水物質(zhì)5的橫截面示意5是單片1、包括催化劑3、膜4和含導(dǎo)水物質(zhì)5的氣體擴(kuò)散層2的半片膜電極的示意6是單片1、包括催化劑3和含導(dǎo)水物質(zhì)5的氣體擴(kuò)散層2的半片膜電極的示意圖圖7是本發(fā)明工作原理圖具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述實(shí)施例l:如圖1所示，本發(fā)明包括質(zhì)子交換膜4，質(zhì)子交換膜4的兩側(cè)復(fù)合有催化劑層3，催化劑層3上復(fù)合有經(jīng)過保濕材料處理的氣體擴(kuò)散層2，氣體擴(kuò)散層2的兩側(cè)分別裝有單層板1作為陰極和陽極，作為陰極的單層板1一面設(shè)有空氣流道7和冷卻水流道8，作為陽極單層板1的一面相對(duì)應(yīng)位置設(shè)有氫氣流道9和冷卻水流道10，冷卻水流道8和10通過多孔與氣體擴(kuò)散層2連通，在冷卻水流道和氣體擴(kuò)散層接觸面之間設(shè)有經(jīng)過水傳輸材料處理的導(dǎo)水層6，空氣流道7和氫氣流道9中分別通入空氣和氫氣。實(shí)施例2:如圖2所示本發(fā)明包括質(zhì)子交換膜4，質(zhì)子交換膜4的兩側(cè)復(fù)合有催化劑層3，催化劑層3上復(fù)合有經(jīng)過保濕材料處理的氣體擴(kuò)散層2，氣體擴(kuò)散層2的兩側(cè)分別裝有單層板1作為陰極和陽極，作為陰極的單層板一面設(shè)有空氣流道7和冷卻水流道8，作為陽極單層板的一面相對(duì)應(yīng)位置設(shè)有氫氣流道9和冷卻水流道10，冷卻水流道10通過多孔與氣體擴(kuò)散層連通，在冷卻水流道內(nèi)設(shè)有經(jīng)過水傳輸材料處理的導(dǎo)水層6，空氣流道7和氫氣流道9中分別通入空氣和氫氣。實(shí)施例3:如圖3所示本發(fā)明包括質(zhì)子交換膜4，質(zhì)子交換膜4的兩側(cè)復(fù)合有催化劑層3，催化劑層3上復(fù)合有經(jīng)過保濕材料處理的氣體擴(kuò)散層2，氣體擴(kuò)散層2的兩側(cè)分別裝有單層板1作為陰極和陽極，作為陰極的單層板一面設(shè)有空氣流道7和冷卻水流道8，作為陽極單層板的一面相對(duì)應(yīng)位置設(shè)有氫氣流道9和冷卻水流道10，冷卻水流道通過多孔與氣體擴(kuò)散層連通，在冷卻水流道內(nèi)和冷卻水流道與氣體擴(kuò)散層接觸面之間都設(shè)有經(jīng)過水傳輸材料處理的導(dǎo)水層6，空氣流道7和氫氣流道9中分別通入空氣和氫氣。上述三種技術(shù)方案中作為陽極的單層板的一面間隔排列有多個(gè)氫氣流道和冷卻水流道；所述的水傳輸材料處理的導(dǎo)水層與催化劑層通過多孔連通；所述的單層板為多孔介質(zhì)板；所述的多孔介質(zhì)為石墨或鎳；所述的催化劑為鉑金催化劑。如圖1所示單片1的一面是許多反應(yīng)物(空氣)流道和冷卻水流道，另一面是反應(yīng)物(燃料)流道和冷卻水流道，兩個(gè)單片之間夾著膜電極，包括催化劑層3、質(zhì)子交換膜4和含親水物質(zhì)和導(dǎo)水物質(zhì)5的氣體擴(kuò)散層2，在氣體擴(kuò)散層2的導(dǎo)水物質(zhì)5和冷卻水流道之間是導(dǎo)水層6，導(dǎo)水層是含親水物質(zhì)和導(dǎo)水物質(zhì)的多孔物，如圖4所示。因此導(dǎo)水層6和導(dǎo)水物質(zhì)5具有優(yōu)良的水滲透設(shè)計(jì)，它們與單片1之間的接觸縫隙也是設(shè)計(jì)好的，能夠讓所需液體(水)根據(jù)冷卻水流道和反應(yīng)物流道之間可調(diào)控的壓差經(jīng)由冷卻水流道流入和流出，如圖5和圖6所示，以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)氣體濕化、膜水合、除去額外水分的功能。圖4放大顯示了單片1的一個(gè)冷卻水流道、多孔的導(dǎo)水層6和膜電極中氣體擴(kuò)散層2上的導(dǎo)水物質(zhì)5的橫截面示意圖。單片l、導(dǎo)水層6和氣體擴(kuò)散層2上有導(dǎo)水物質(zhì)5的膜電極組合起來可以實(shí)現(xiàn)燃料電池的氣體濕化、膜水合、電池冷卻和去除額外水分的功能。在圖5中，冷卻水流道中的液體不僅有電池冷卻的作用，還有濕化作用，該液體的一部分通過導(dǎo)水層6、如綠色箭頭所示、進(jìn)入反應(yīng)物流道，成為反應(yīng)氣體流道中氣體的濕化源；一部分通過導(dǎo)水層6和氣體擴(kuò)散層2上的導(dǎo)水物質(zhì)5，進(jìn)入氣體擴(kuò)散層2的其它區(qū)域，如箭頭所示，這些水對(duì)氣體擴(kuò)散層2多孔介質(zhì)中的反應(yīng)氣體流進(jìn)行濕化；還有一部分滲透導(dǎo)水層6和氣體擴(kuò)散層2上的導(dǎo)水物質(zhì)5，迸入催化劑層3和質(zhì)子交換膜4，成為膜水合的水源。如圖6所示，本發(fā)明提供了一種新的除水方法，此方法利用導(dǎo)水層6，導(dǎo)水物質(zhì)5和氣體擴(kuò)散層2的多空介質(zhì)所形成的毛細(xì)管作用，通過調(diào)節(jié)冷卻水流道和反應(yīng)氣體流道之間的壓力差，多余水分的一部分就會(huì)由于氣體擴(kuò)散層的導(dǎo)水物質(zhì)5和導(dǎo)水層6的親水材料的吸水性而聚集于此處，從而可被導(dǎo)入冷卻水流道以待移出。根據(jù)燃料電池運(yùn)行的不同需要，壓力差調(diào)節(jié)過程可以是脈沖式或者連續(xù)式，用于供水，如圖5示，或去除多余水分，如圖6示。權(quán)利要求1、一種具備氣體加濕、膜水合、除水和電池冷卻功能的單層雙極板燃料電池，它包括質(zhì)子交換膜，質(zhì)子交換膜的兩側(cè)復(fù)合有催化劑層，催化劑層上復(fù)合有經(jīng)過保濕材料處理的氣體擴(kuò)散層，氣體擴(kuò)散層的兩側(cè)分別裝有單層板作為陰極和陽極，作為陰極的單層板一面設(shè)有空氣流道和冷卻水流道，作為陽極單層板的一面相對(duì)應(yīng)位置設(shè)有氫氣流道和冷卻水流道，冷卻水流道通過多孔與氣體擴(kuò)散層連通，在冷卻水流道和氣體擴(kuò)散層接觸面之間設(shè)有經(jīng)過水傳輸材料處理的導(dǎo)水層，空氣流道和氫氣流道中分別通入空氣和氫氣。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備氣體加濕、膜水合、除水和電池冷卻功能的單層雙極板燃料電池，其特征是作為陰極的單層板的一面間隔排列有多個(gè)空氣流道和冷卻水流道。3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具備氣體加濕、膜水合、除水和電池冷卻功能的單層雙極板燃料電池，其特征是作為陽極的單層板的一面間隔排列有多個(gè)氫氣流道和冷卻水流道。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備氣體加濕、膜水合、除水和電池冷卻功能的單層雙極板燃料電池，其特征是所述的水傳輸材料處理的導(dǎo)水層與催化劑層通過多孔連通。5、根據(jù)權(quán)利要求3所述的具備氣體加濕、膜水合、除水和電池冷卻功能的單層雙極板燃料電池，其特征是所述的單層板為多孔介質(zhì)板。6、一種具備氣體加濕、膜水合、除水和電池冷卻功能的單層雙極板燃料電池，它包括質(zhì)子交換膜，質(zhì)子交換膜的兩側(cè)復(fù)合有催化劑層，催化劑層上復(fù)合有經(jīng)過保濕材料處理的氣體擴(kuò)散層，氣體擴(kuò)散層的兩側(cè)分別裝有單層板作為陰極和陽極，作為陰極的單層板一面設(shè)有空氣流道和冷卻水流道，作為陽極單層板的一面相對(duì)應(yīng)位置設(shè)有氫氣流道和冷卻水流道，冷卻水流道通過多孔與氣體擴(kuò)散層連通，在冷卻水流道內(nèi)設(shè)有經(jīng)過水傳輸材料處理的導(dǎo)水層，空氣流道和氫氣流道中分別通入空氣和氫氣。7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的具備氣體加濕、膜水合、除水和電池冷卻功能的單層雙極板燃料電池，其特征是作為陰極的單層板的一面間隔排列有多個(gè)空氣流道和冷卻水流道。8、根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的具備氣體加濕、膜水合、除水和電池冷卻功能的單層雙極板燃料電池，其特征是作為陽極的單層板的一面間隔排列有多個(gè)氫氣流道和冷卻水流道。9、根據(jù)權(quán)利要求6所述的具備氣體加濕、膜水合、除水和電池冷卻功能的單層雙極板燃料電池，其特征是所述的水傳輸材料處理的導(dǎo)水層與催化劑層通過多孔連通。10、根據(jù)權(quán)利要求8所述的具備氣體加濕、膜水合、除水和電池冷卻功能的單層雙極板燃料電池，其特征是所述的單層板為多孔介質(zhì)板。11、一種具備氣體加濕、膜水合、除水和電池冷卻功能的單層雙極板燃料電池，它包括質(zhì)子交換膜，質(zhì)子交換膜的兩側(cè)復(fù)合有催化劑層，催化劑層上復(fù)合有經(jīng)過保濕材料處理的氣體擴(kuò)散層，氣體擴(kuò)散層的兩側(cè)分別裝有單層板作為陰極和陽極，作為陰極的單層板一面設(shè)有空氣流道和冷卻水流道，作為陽極單層板的一面相對(duì)應(yīng)位置設(shè)有氫氣流道和冷卻水流道，冷卻水流道通過多孔與氣體擴(kuò)散層連通，在冷卻水流道內(nèi)和冷卻水流道與氣體擴(kuò)散層接觸面的區(qū)域內(nèi)都設(shè)有經(jīng)過水傳輸材料處理的導(dǎo)水層，空氣流道和氫氣流道中分別通入空氣和氫12、根據(jù)權(quán)利要求11所述的具備氣體加濕、膜水合、除水和電池冷卻功能的單層雙極板燃料電池，其特征是作為陰極的單層板的一面間隔排列有多個(gè)空氣流道和冷卻水流道。13、根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的具備氣體加濕、膜水合、除水和電池冷卻功能的單層雙極板燃料電池，其特征是作為陽極的單層板的一面間隔排列有多個(gè)氫氣流道和冷卻水流道。14、根據(jù)權(quán)利要求11所述的具備氣體加濕、膜水合、除水和電池冷卻功能的單層雙極板燃料電池，其特征是所述的水傳輸材料處理的導(dǎo)水層與催化劑層通過多孔連通。15、根據(jù)權(quán)利要求13所述的具備氣體加濕、膜水合、除水和電池冷卻功能的單層雙極板燃料電池，其特征是所述的單層板為多孔介質(zhì)板。全文摘要本發(fā)明公開了一種具備氣體加濕、膜水合、除水和電池冷卻功能的單層雙極板燃料電池。它包括質(zhì)子交換膜，質(zhì)子交換膜的兩側(cè)復(fù)合有催化劑層，催化劑層上復(fù)合有經(jīng)過保濕材料處理的氣體擴(kuò)散層，氣體擴(kuò)散層的兩側(cè)分別裝有單層板作為陰極和陽極，作為陰極的單層板一面設(shè)有空氣流道和冷卻水流道，作為陽極單層板的一面相對(duì)應(yīng)位置設(shè)有氫氣流道和冷卻水流道，冷卻水流道通過多孔與氣體擴(kuò)散層連通，在冷卻水流道和氣體擴(kuò)散層接觸面的之間設(shè)有經(jīng)過水傳輸材料處理的導(dǎo)水層，空氣流道和氫氣流道中分別通入空氣和氫氣。它通過對(duì)擴(kuò)散層的處理，為反應(yīng)氣體的加濕、膜水合、去除生成水和電池冷卻提供了統(tǒng)一的解決方法。文檔編號(hào)H01M8/10GK101217201SQ200710169078公開日2008年7月9日申請(qǐng)日期2007年12月27日優(yōu)先權(quán)日2007年12月27日發(fā)明者勇高申請(qǐng)人:勇高