CN100517826C - 一种具有高功率密度自散热及自增湿型燃料电池堆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有高功率密度自散热及自增湿型燃料电池难，包括导流双极板，质子交换膜电极、集流板、端板；所述的导流双极板内部设置了多根具有高导热性的金属薄条，并且该金属薄条在导流双极板的两侧导出，整个燃料电池堆的两侧形成了用于冷却的金属翅片：所述的导流双极板的空气或氢气导流面的一对进出流体孔之间分出一条或多条空气或氢气导流槽，所述的氢气导流槽的出口与空气导流槽的入口在导流双极板的同一侧，氢气导流槽的入口与空气导流槽的出口在导流双极板的另一侧。与现有技术相比，本发明具有结构简单、合理，体积小、成本低、可自增湿等特点。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种具有高功率密度自散热及自增湿型燃料电池堆。
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。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的流体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板、后端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具有室温启动，转化效率高，产物零污染等特点，因而成为当前国际社会的研究重点。质子交换膜燃料电池用途广泛，大型燃料电池可作为潜艇、汽车等的动力电源；小型燃料电池可用做电动自行车、笔记本电脑、数码相机及其它移动用电设备的电源。
一般燃料电池系统的结构主要包括：燃料电池堆，空气泵，空气增湿装置，储氢装置，氢气增湿装置，水泵，水箱，散热器。由于燃料电池在高电流密度下工作时会产生大量的热能，一般来说需要采用冷却流体，如冷却水在燃料电池内部强制流动，由水泵驱动再经过外部的一个散热器将热量带走。
对于小型燃料电池堆来说，其要求结构简单，紧凑，辅助设备少。采用上述普遍推行的质子交换膜燃料电池技术有如下缺点：
1.采用水作为冷却介质，使得电池堆的热容增加，升温速度变慢，在低温条件下的可操作性变差。
2.采用水作为冷却介质，需要水泵进行驱动，这样使整个燃料电池系统的功耗增加，整个发电系统的效率下降。
3.采用水作为冷却介质，需要水箱、散热器，这样整加了整个燃料电池系统的体积，并且电池运行一段时间后需要向水箱中添加水以补充由于增湿而消耗的水。
另外，应用于质子交换膜燃料电池的增湿装置主要有二种：一种是干氢气或空气与去离子水进入燃料电池前，在增湿装置内进行直接碰撞后使水分子与氢气或空气分子呈混合均匀的气态空气、水分子，经过水汽分离后，进入燃料电池时，是达到一定相对湿度的氢气或空气；另一种是干氢气或空气与去离子水在进入燃料电池前在增湿装置并没有直接接触，而是由一层可以让水分子自由透过但不让气体分子透过的膜分隔开来，当膜一边流过干氢气或空气而膜另一边流过去离子水时，水分子就会自动从膜的一边透过膜的另一边，使空气分子与水分子混合达到一定的相对湿度的空气；这种膜可以是质子交换膜，如杜邦公司的Nafion膜等，也可以是一些其它的微孔膜。
采用现有燃料电池发电系统中的二种增湿装置技术对于小功率的燃料电池有以下技术缺陷：
1.采用上述两种技术都需要额外的增湿装置，这样就大大增加了燃料电池系统的体积与重量。
2.在进行增湿过程中需要额外的液态纯水，系统一般需要有一个水箱，以及进行增湿用纯水循环与补充系统，增加了功率消耗器件，如水泵等，也增加了燃料电池系统的体积与重量。
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的一种结构简单、合理，体积小、成本低、可自增湿的具有高功率密度自散热及自增湿型燃料电池堆。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种具有高功率密度自散热及自增湿型燃料电池堆，包括导流双极板，质子交换膜电极、集流板、端板，所述的导流双极板的两面分别为空气导流面与导氢气流面，该导流双极板与质子交换膜电极一起构成一个单电池，一系列单电池叠加再与集流板、端板一起构成燃料电池堆，其特征在于，所述的导流双极板内部设置了多根具有高导热性的金属薄条，并且该金属薄条在导流双极板的两侧导出，在多块导流双极板、质子交换膜电极叠加后，整个燃料电池堆的两侧形成了用于冷却的金属翅片；所述的导流双极板的空气导流面的一对进出空气的流体孔之间分出一条或多条空气导流槽，所述的导流双极板的氢气导流面的一对进出氢气的流体孔之间分出一条或多条氢气导流槽，所述的氢气导流槽的出口与空气导流槽的入口在导流双极板的同一侧，氢气导流槽的入口与空气导流槽的出口在导流双极板的另一侧。
所述的进空气的流体孔分出多条空气导流槽，该多条空气导流槽各分出多条呈平行状的支空气导流槽，该支空气导流槽又汇集到另一端的多条空气导流槽，该多条空气导流槽再进入出空气的流体孔。
所述的进氢气的流体孔分出多条氢气导流槽，该多条氢气导流槽各分出多条呈平行状的支氢气导流槽，该支氢气导流槽又汇集到另一端的多条氢气导流槽，该多条氢气导流槽再进入出氢气的流体孔。
所述的导流双极板上的空气导流槽与氢气导流槽呈平行排列。
所述的空气导流槽的深度为0.3mm～1mm，宽度为0.8mm～3mm。空气导流槽的深度最好在0.4mm～0.7mm之间，宽度最好在1mm～1.5mm之间。
所述的氢气导流槽的深度为0.3mm～1mm，宽度为0.8mm～3mm。氢气导流槽的深度最好在0.4mm～0.7mm之间，宽度最好在1mm～1.5mm。
本发明导流双极板的生产可以利用模压而成，包括模具上下层设置有空气、氢气导流槽，石墨粉，热固性树脂及设置在石墨粉中的许多金属薄条。
本发明克服了现有普遍推行的质子交换膜燃料电池的技术缺陷，它是一种自散热及自增湿型的燃料电池。因此它可以大大降低燃料电池的体积，降低设备成本，同时使燃料电池的结构变得更加简单、合理，燃料电池的低温启动性变好。
本发明的燃料电池中的燃料电池堆为扁平状，通过燃料电池堆中金属翅片进行散热。在启动后，在低温时由于电池堆的温度与外界环境的温差小，所以散的热量小，电池堆可以快速升温；在高温时由于温差加大，散热量也随之增加，最后电池可以稳定在40℃～60℃之间。此外提供给电池的空气量是通过电流传感器测量电池的电流决定的。本发明燃料电池的双极板由于采用了空气、氢气导流槽的特殊设计，因此氧化剂空气及燃料氢气可以不另外增湿，而采用反应本身产生的水来维持膜的湿态。由于储氢材料中的氢脱附需要吸收热量，所以把储氢材料瓶放金属翅片附近以便于利用燃料电池产生的废热。采用空气自然冷却的方法，燃料电池系统可以稳定运行，系统结构简单，体积小。
附图说明
图1为本发明燃料电池系统结构示意图；
图2为本发明导流双极板空气面结构示意图；
图3为本发明导流双极板氢气面结构示意图；
图4为本发明质子交换膜电极结构示意图；
图5为本发明燃料电池堆结构示意图；
图6为本发明燃料电池净输出300W的输出功率随时间变化曲线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图2～4所示，给出了导流双极板空气面、导流双极板氢气面、膜电极的结构示意图，其中电极10为质子交换膜电极，空气导流板11、氢气导流板12为一个双极板，14为密封线，15为空气导流槽，16为氢气导流槽。图5给出了燃料电池堆的结构示意图，氢气导流板12，空气导流板11与质子交换膜电极10一起构成一个单电池，一系列单电池叠加再与集流板17、端板18一起构成燃料电池堆13；在端板18上分布着空气入口19、空气出口20、氢气入口21、氢气出口22；冷却空气由上到下进入燃料电池堆。
图1给出了整个燃料电池系统结构示意图，其中，储氢材料罐1为金属储氢罐，罐内有一定量的氢气，通过减压阀2后进入燃料电池堆3，在燃料电池堆3的出口设有一氢气流量控制阀4。空气经过过滤器5通过空气泵6进入燃料电池堆3，在燃料电池堆的空气出口处有一温度传感7，9为控制电路，它利用燃料电池产生的电能为空气泵6、温度传感器7、电流传感器8，提供电能并控制空气泵6的运行状态。
整个电池系统是这样运行的：储氢材料罐1中氢气通过减压阀2后进入燃料电池堆的氢气导流板，这时电池堆的电压会上升，当达到一定的数值后便启动了整个燃料电池系统控制电路，控制电路把燃料电池产生的电能提供给空气泵，空气泵把空气送到空气导流板中，此时系统处于待机状态。然后接通外加负载，通过电流传感器测量电流，然后反馈给空气泵，使其提供合适的空气流量。由于采用了新型的流场设计，燃料电池不需要外加增湿，而是通过自身产生的水来维持质子交换膜的湿润。
下面是一个具体实施例，以图1的方式组装净输出300W一体化燃料电池系统，其中膜电极的有效面积为46cm2，导流双极板尺寸为120mm×70mm。40块电池按照图6的方法组装出燃料电池堆。电池工作温度为45℃，燃料电池堆总输出电压为24V，输出电流为17A。其中空气泵消耗60W，其它控制电路及执行元件所消耗的功率很低约2W。附图7给出了电池输出功率随时间变化曲线，从该图可以看出以这种方式运行的燃料电池系统在没有外电源的情况下可以稳定运行。
Claims (5)
1.一种具有高功率密度自散热及自增湿型燃料电池堆，包括导流双极板，质子交换膜电极、集流板、端板，所述的导流双极板的两面分别为空气导流面与导氢气流面，该导流双极板与质子交换膜电极一起构成一个单电池，一系列单电池叠加再与集流板、端板一起构成燃料电池堆，其特征在于，所述的导流双极板内部设置了多根具有高导热性的金属薄条，并且该金属薄条在导流双极板的两侧导出，在多块导流双极板、质子交换膜电极叠加后，整个燃料电池堆的两侧形成了用于冷却的金属翅片；所述的导流双极板的空气导流面的一对进出空气的流体孔之间分出一条或多条空气导流槽，所述的导流双极板的氢气导流面的一对进出氢气的流体孔之间分出一条或多条氢气导流槽，所述的氢气导流槽的出口与空气导流槽的入口在导流双极板的同一侧，氢气导流槽的入口与空气导流槽的出口在导流双极板的另一侧；所述的进空气的流体孔分出多条空气导流槽，该多条空气导流槽各分出多条呈平行状的支空气导流槽，该支空气导流槽又汇集到另一端的多条空气导流槽，该多条空气导流槽再进入出空气的流体孔。
2.根据权利要求1所述的一种具有高功率密度自散热及自增湿型燃料电池堆，其特征在于，所述的进氢气的流体孔分出多条氢气导流槽，该多条氢气导流槽各分出多条呈平行状的支氢气导流槽，该支氢气导流槽又汇集到另一端的多条氢气导流槽，该多条氢气导流槽再进入出氢气的流体孔。
3.根据权利要求1所述的一种具有高功率密度自散热及自增湿型燃料电池堆，其特征在于，所述的导流双极板上的空气导流槽与氢气导流槽呈平行排列。
4.根据权利要求1所述的一种具有高功率密度自散热及自增湿型燃料电池堆，其特征在于，所述的空气导流槽的深度为0.3mm～1mm，宽度为0.8mm～3mm。
5.根据权利要求1所述的一种具有高功率密度自散热及自增湿型燃料电池堆，其特征在于，所述的氢气导流槽的深度为0.3mm～1mm，宽度为0.8mm～3mm。
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