CN100361333C - 一种可改善燃料电池堆端部单电池性能的方法 - Google Patents

一种可改善燃料电池堆端部单电池性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可改善燃料电池堆端部单电池性能的方法，该方法包括燃料电池堆的制作，以及燃料电池堆端部单电池的加工工艺，该加工工艺是在保证整个燃料电池堆所有导流极板的导流孔与导流槽机械加工精度与装配精度一致性的前提下，将前端部与末端部单电池导流极板的导流槽加工上仅加深0.1～20丝或加宽0.1～20丝，使前端部与末端部单电池导流极板上各流动的流体进压力与流体出压力差减小，达到与其它单电池导流极板上各流体进压力与流体出压力差相等或接近。与现有技术相比，本发明具有可提高燃料电池堆的使用寿命及运行稳定性等优点。

Description

一种可改善燃料电池堆端部单电池性能的方法
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种可改善燃料电池堆端部单电池性能的方法。
背景技术
电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。
在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。
在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：
阳极反应：H2→2H++2e
阴极反应：1/2O2+2H++2e→H2O
在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。
为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端单极板、末端单极板及拉杆紧固在一起成为一体。
一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。
质子交换膜燃料电池的用途非常广泛，可以用作电动自行车、助动车、电动汽车及其它运载工具的动力系统；也可用作发电装置，如固定式或手提式电源、手机电源等。
目前，质子交换膜燃料电池堆一般都由数个或数十个，甚至一百多个单电池通过叠合串联方式集合而成。一个完整的燃料电池堆主要由许多个单电池、正负极集流母板、前末端版及紧固件构成。其中，燃料电池如氢气，氧化剂如空气以及冷却流体如水，这三者的进通道及出通道一般集合在燃料电池堆的前端面板上或前、末端面板上，甚至中间面板上。如图1、图2、图3所示，从图1中可以看出，燃料电池堆的前端面板集成了氢气、空气、冷却流体三进与三出的六条总流体通道；从图2中可以看出，燃料电池堆的前端单极板集成了氢气、空气、冷却流体三进三条总流体通道；末端单极板上集成了氢气、空气、冷却流体三出三条总流体通道；从图3中可以看出，燃料电池堆的中间面板上集成了氢气、空气、冷却流体的三进、三出六条总流体通道〔上海神力公司专利申请号：02136045.6〕。
不管是采用何种方式集成燃料电池堆氢气、空气、冷却流体的三进、三出六条总流体通道，但目的都是要求燃料电池的工程设计可以让氢气沿总进导流通道进去并均匀地将氢气分布于各个燃料电池单电池极板的氢导流场中，并且通过电化学反应后过量的氢气与少量的水重新汇集到总出导流通道出来，如图4。氧化剂空气也一样，沿总进导流通道均匀地将空气分布于各个燃料电池单电池极板的空气导流场中，并且通过电化学反应后过量的空气与产物水重新汇集到总出导流通道出来，如图5。冷却流体即沿总进导流通道进去并均匀地流经各个燃料电池单电池极板的冷却流体导流场，带出热量后重新汇集到总出导流通道出来。
目前的燃料电池堆工程设计上，一方面在各流体孔设计上保证各流体流过时不产生流速损失的瓶颈效应；另一方面还保证燃料电池堆中的每块极板包括导流孔、导流场等加工，电极加工，在机械精度上保证很高的一致性，尽量保证各流体可以均匀地分布于各个燃料电池单电池中。
目前采用机械加工精度很高的一致性的极板，以及很高机械装配精度而成的燃料电池堆，尽管采用一致性很好的电极，但在实际运行时仍无法保证燃料电池堆中每个单电池性能的一致性。燃料电池单电池性能的不一致性的后果有时是非常严重的，因为燃料电池堆每个单电池都是以叠合式串联的方式连接的。当某个单电池性能出现比总体单电池性能相差较大时，在大电流放电时该性能较差的电极会出现反极现象，即输出电压为负值，那么该电极就会导致永久性、不可恢复的损坏。引起以上燃料电池堆中的某些燃料电池单电池性能不一致性的原因，除了极板加工、电极性能、装配等不一致性外，最主要的原因是勃纳利效应〔Bernoulli Effects〕，以下是我们发现最常见的勃纳利效应的一种情况，如图6～8所示，图中纵坐标P为压力，横坐标为流体离进或出通道口的距离，ΔP为压力差，箭头为流体流动方向。我们发现在确保让极板加工精度、电极性能、装配精度以及电极性能都一致性的前提下，燃料电池堆中所有单电池性能的一致性完全取决于所有单电池的流进流体与流出流体的压力差是否一样，如图8所示。
由于勃纳利效应〔Bernoulli Effects〕，我们发现燃料电池堆前端部与末端部的单电池流进流体与流出流体的压力差往往较大，而电池堆中间部的单电池流进流体与流出流体的压力差往往相对较小，从而导致燃料、氧化剂、冷却流体在整个燃料电池堆中分布在压力差较大的燃料电池单电池中相对少，分布在压力差较小的燃料电池单电池中相对多。这样就说明了燃料电池堆在运行过程中特别是在较大电流放电时，前端部与末端部的单电池性能落后的原因。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可使燃料电池堆各单电池性能一致，从而可提高燃料电池堆的使用寿命及运行稳定性的可改善燃料电池堆端部单电池性能的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种可改善燃料电池堆端部单电池性能的方法，该方法包括燃料电池堆的制作，所述的燃料电池堆的制作是按常规方法制作，包括制作带催化剂的质子交换膜电极、带导流槽的导流极板、带导流槽的前端单极板与末端单极板，所述的二块导流极板之间夹持一块膜电极即构成一单电池，所述的前端单极板或末端单极板与导流极板之间夹持一块膜电极即构成一端部单电池，所述的前端部单电池与末端部单电池之间夹持数个单电池即构成一燃料电池堆，其特征在于，该方法还包括燃料电池堆端部单电池的加工工艺，该加工工艺是在保证整个燃料电池堆所有导流极板的导流孔与导流槽机械加工精度与装配精度一致性的前提下，将前端部与末端部单电池导流极板的导流槽加工上仅加深0.1～20丝或加宽0.1～20丝，使前端部与末端部单电池导流极板上各流动的流体进压力与流体出压力差减小，达到与其它单电池导流极板上各流体进压力与流体出压力差相等或接近。
所述的燃料电池堆端部单电池的加工工艺还包括在保证整个燃料电池堆的膜电极性能高度一致性的前提下，将前端部与末端部单电池的膜电极中增大催化剂的用量。
本发明由于采用了以上技术方案，因此消除勃纳利效应，使整个燃料电池堆中所有的单电池性能在运行过程中表现出完全的一致性。从而可提高燃料电池堆的使用寿命及运行稳定性。
附图说明
图1为进、出流体通道口集成在前端单极板的燃料电池堆的结构示意图；
图2为进、出流体通道口分别集成在前端单极板、末端单极板的燃料电池堆的结构示意图；
图3为进、出流体通道口集成在中间面板的燃料电池堆的结构示意图；
图4为进、出流体通道口集成在前端单极板的燃料电池堆的内部氢气流向示意图；
图5为进、出流体通道口集成在前端单极板的燃料电池堆的内部空气流向示意图；
图6为燃料电池堆的气体流进勃纳利效应示意图；
图7为燃料电池堆的气体流出勃纳利效应示意图；
图8为燃料电池堆的气体流进、流出勃纳利效应示意图；
图9为本发明消除燃料电池堆勃纳利效应示意图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1
一台10KW的燃料电池堆，氢气、空气运行压力为0.5个大气压〔相对压力〕，运行温度为65℃～75℃，由70个单电池组成，采用前端面板集流氢气、空气、冷却水三进口，三出口的方法〔如图1〕。70个单电池的极板导流孔、导流槽的机械加工精度完全一致〔±1丝〕，所有电极性能完全一致，装配精度一致。燃料电池堆运行时前端部的第一个、第二个单电池相对其它单电池工作性能偏低10％～20％左右；将第一个、第二个单电池的所有导流槽加深20丝后重新装配电池堆，使所有单电池性能一致。该燃料电池堆消除了勃纳利效应的示意图如图9所示，图中纵坐标P为压力，横坐标为流体离进或出通道口的距离，ΔP为压力差，箭头为流体流动方向。
实施例2
一台10KW的燃料电池堆，氢气、空气运行压力为0.5个大气压〔相对压力〕，运行温度为65℃～75℃，由70个单电池组成，采用前端面板集流氢气、空气、冷却水三进口，三出口的方法〔如图1〕。70个单电池的极板导流孔、导流槽的机械加工精度完全一致〔±1丝〕，所有电极性能完全一致，装配精度一致。燃料电池堆运行时前端部的第一个、第二个单电池相对其它单电池工作性能偏低10％～20％左右；将第一个、第二个单电池的所有导流槽加宽10丝，同时增加第一个、第二个单电池膜电极中的催化剂用量10～20％后重新装配电池堆，使所有单电池性能一致。该燃料电池堆消除了勃纳利效应的示意图如图9所示，图中纵坐标P为压力，横坐标为流体离进或出通道口的距离，ΔP为压力差，箭头为流体流动方向。

Claims (2)

1.一种可改善燃料电池堆端部单电池性能的方法，该方法包括燃料电池堆的制作，所述的燃料电池堆的制作是按常规方法制作，包括制作带催化剂的质子交换膜电极、带导流槽的导流极板、带导流槽的前端板与末端板，两块导流极板之间夹持一块膜电极即构成一单电池，所述的前端板或末端板与导流极板之间夹持一块膜电极即构成一端部单电池，前端部单电池与末端部单电池之间夹持数个单电池即构成一燃料电池堆，其特征在于，该方法还包括燃料电池堆端部单电池的加工工艺，该加工工艺是在保证整个燃料电池堆所有导流极板的导流孔与导流槽机械加工精度与装配精度一致性的前提下，将前端部与末端部单电池导流极板的导流槽相对其他单电池加深0.1～20丝或加宽0.1～20丝，使前端部与末端部单电池导流极板上各流动的流体进压力与流体出压力差减小到与其它单电池导流极板上各流体进压力与流体出压力差相等或接近。
2.根据权利要求1所述的一种可改善燃料电池堆端部单电池性能的方法，其特征在于，所述的燃料电池堆端部单电池的加工工艺还包括在保证整个燃料电池堆的膜电极性能完全一致性的前提下，增加前端部与末端部单电池的膜电极中催化剂的用量10％～20％。
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