CN100517829C - 一种可提高燃料电池运行稳定性的导流极板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可提高燃料电池运行稳定性的导流极板，包括导流极板本体，该本体上设有可供进出空气、进出氢气、进出冷却水流通的流体孔，以及连接于进、出流体孔之间的导流槽；所述的进出空气或进出氢气的流体孔为一对或多对，设置在该一对或多对进、出流体孔之间的导流槽呈多条平行波浪状或弯曲状。与现有技术相比，本发明可增大有效面积、防止导流槽堵塞，从而可提高燃料电池的运行稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种可提高燃料电池运行稳定性的导流极板。
背景技术
电化学燃料电池是一种能够将氢燃料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反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，每块导流电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。这些导流电极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流电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极板与阴极氧化剂的导流极板。这些导流极板既作为电流集流母板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流极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、甲醇或由甲醇、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后进行散热；(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可用作一切车、船等运载工具的动力系统，又可作手提式、移动式、固定式的发电装置。质子交换膜燃料电池发电系统必须包括燃料电池堆、燃料氢气供应、空气供应、冷却散热、自动控制及电能输出等各个部分。质子交换膜燃料电池运行的稳定与可靠性对作为车、船动力系统或可移式发电装置的应用是非常重要的。其中提高燃料电池堆的运行稳定与可靠性是关键。
目前，质子交换膜燃料电池堆在各流体通道的设计上通常采用牺牲极板的有效利用面积，在各膜电极与极板的相同位置开设流体孔，并将各块膜电极与极板经叠合组成各流体通道。也就是说，每块膜电极与极板上均设有燃料进、燃料出、氧化剂进、氧化剂出、冷却流体进、冷却流体出的流体孔，这些膜电极与导流极板经垂直叠合后就组成燃料电池组，而这些流体孔就组成了燃料电池组内部的燃料进、出；氧化剂进、出；冷却流体进、出的各流体导流通道，并将这些流体通道集合在燃料电池组前或后端板上组成燃料进口、燃料出口，氧化剂进口、氧化剂出口，冷却流体进口、冷却流体出口。
例如：Ballard Power Systems公司，在Us Patent 5,773,160及Us Patent5,840,438等美国专利中所用的二种燃料电池导流极板的设计如图1、图2所示，图中1、2分别为该燃料电池的导流极板，其所用的电极如图3所示，图3中的3为膜电极，其组装成相应的燃料电池组如图4所示，图5是图4燃料电池组的解剖图，图6是采用图2为导流极板的燃料电池组的解剖图。
上述燃料电池堆中的导流极板的流体孔与导流槽设计有如下特点：
1、为了将数量较多(可以达到一至二百块)的导流极板与电极叠合成燃料电池堆，导流极板上的各流体孔往往设计成较大的面积，特别是氧化剂空气的流体孔，由于空气流量需要很大，其流体孔面积也很大，这样可使电池就堆中的流体孔道容积足够大，使足够大的流量的流体可以均匀分布到各块导流极板上。
2、为了增加电极二侧燃料氢气与氧化剂空气向电极反应区快速扩散，导流极板上的导流槽往往设计成蛇形或弯弯曲曲形状，使流体通过形成紊流，利于向电极内部反应区扩散。
上述燃料电池堆中的导流极板流体孔道与导流槽设计有以下技术缺陷：
导流极板上的各流体孔面积较大，每种流体从进口流体孔流进，一般需要沿着多于一条的导流槽弯弯曲曲绕遍整个导流场，各条导流槽并一同从出口流体孔流出。由于多于一条的导流槽弯曲性很大，而且导流槽长度较长，燃料电池生成的产物水很容易在电极阴极侧出现而将空气导流槽堵塞，而且燃料电池生成的产物水也很容易通过反渗透在电极阳极侧出现，将氢气导流槽堵塞。特别是燃料电池作为车、船动力系统或可移式发电装置应用时，由于动力系统的工况变化很大，燃料电池的输出功率也变化很大，这样燃料电池生成的水更容易将空气、氢气导流槽堵塞。另外，为了防止燃料电池生成的水堵塞导流槽，往往采用提高燃料电池运行的空气与氢气计量比，也就是加大空气、氢气流量，用过量的空气、氢气将产物水带出燃料电池，这种运行方法实际上是大大降低了燃料电池系统效率，因为过量的空气被浪费或过量的氢气被循环输送，必然造成输送空气或循环氢气的机械功耗增加，从而降低了燃料电池系统效率。
再次，当运行中燃料电池导流极板空气导流槽或氢气导流槽堵塞时，会表现某个别堵塞电池电压很低甚至出现负值，导致燃料电池运行不稳定，严重时会将电极击穿，并使整个电池堆毁坏。
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增大有效面积、防止导流槽堵塞的可提高燃料电池运行稳定性的导流极板。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种可提高燃料电池运行稳定性的导流极板，包括导流极板本体，该本体上设有可供进出空气、进出氢气、进出冷却水流通的流体孔，以及连接于进、出流体孔之间的导流槽；其特征在于，所述的进出空气或进出氢气的流体孔为一对或多对，设置在该一对或多对进、出流体孔之间的导流槽呈多条平行波浪状或弯曲状。
所述的导流极板本体为导空气流板或导氢气流板或由导空气流板与导氢气流板相背组合一体的导流双极板；所述的导空气流板设有一对进、出空气的流体孔，该一对流体孔之间设有多条呈平行波浪状的导空气流槽；所述的导氢气流板设有一对进、出氢气的流体孔，该一对流体孔之间设有多条呈平行波浪状的导氢气流槽。
所述的导流极板本体为导空气流板或导氢气流板或由导空气流板与导氢气流板相背组合一体的导流双极板；所述的导空气流板设有多对进、出空气的流体孔，该多对流体孔之间设有多条呈平行波浪状的导空气流槽；所述的导氢气流板设有多对进、出氢气的流体孔，该多对流体孔之间设有多条呈平行波浪状的导氢气流槽。
所述的导流极板本体为导空气流板或导氢气流板或由导空气流板与导氢气流板相背组合一体的导流双极板；所述的导空气流板设有一对进、出空气的流体孔，其中，进空气的流体孔分出多条导空气流槽，该多条导空气流槽各分出多条呈平行波浪状的支导空气流槽，该支导空气流槽又汇集到另一端的多条导空气流槽，该多条导空气流槽再一并进入出空气的流体孔中；所述的导氢气流板设有一对进、出氢气的流体孔，其中进氢气的流体孔分出多条导氢气流槽，该多条导氢气流槽各分出多条呈平行波浪状的支导氢气流槽，该支导氢气流槽又汇集到另一端的多条导氢气流槽，该多条导氢气流槽再一并进入出氢气的流体孔中。
所述的导流双极板，其一面的导空气流板的导流槽与另一面的导氢气流板的导流槽呈90°交叉排列。
所述的导流双极板，其一面的导空气流板的导流槽与另一面的导氢气流板的导流槽呈顺向或逆向平行排列。
与现有技术相比，本发明的特点是，导流极板上同一种流体的进口不是由单独一个很大面积的导流进口流体孔流入，并沿整个导流场弯弯曲曲地绕来绕去，然后由单独一个很大面积的导流出口流体孔流出；而是由许个面积很小的导流进口，或由一条形状的导流进口流体孔流入，并沿许多条呈弯形状但平行的导流槽，一并流出分别进入许多个小的导流出口，或进入一条形状的导流出口，如图7所示，图7中的4、5分别为进出口流体孔、导流槽。或者由数条狭窄的导流槽，各条狭窄的导流槽又分支成许多条弯形状的支导流槽，支导流槽又汇合到狭窄的导流槽，最后，数条狭窄的导流槽一并进入出口，如图15所示。图8中的同一种流体分别由四个进口流体孔4流入并沿许多条弯形、平行的导流槽5流进四个出口流体孔4流出，这些进口流体孔或出口流体孔在电池堆的面板上汇合成一个单独的进口流体孔或出口流体孔。
这种新的燃料电池导流极板流体孔道与导流槽设计有如下好处：
同一流体流体孔由一个狭窄条形或多个组成，避免了采用一个很大面积的流体孔，往往使电极或导流极板上的有效利用面积增大，更重要的同一种流体可以沿许多条平行方向但又呈弯形的导流槽流过，不易造成燃料电池生成水堵塞导流槽，由于每个导流槽呈弯形状，又可使流体产生絮流，有利于向电极反应区扩散。
附图说明
图1为现有导流极板的结构示意图；
图2为另一种现有导流极板的结构示意图；
图3为现有电极的结构示意图；
图4为现有导流极板及电极组装后的结构示意图；
图5为图4的解剖图；
图6为另一种现有导流极板及电极组装后的结构示意图；
图7为本发明一种导流极板的结构示意图；
图8为本发明另一种导流极板的结构示意图；
图9为本发明实施例1导流双极板的空气导流板的结构示意图；
图10为本发明实施例1导流双极板的氢气导流板的结构示意图；
图11为本发明实施例2导流双极板的空气导流板的结构示意图；
图12为本发明实施例2导流双极板的氢气导流板的结构示意图；
图13为本发明实施例3导流双极板的空气导流板的结构示意图；
图14为本发明实施例3导流双极板的氢气导流板的结构示意图；
图15为本发明实施例4导流双极板的氢气导流板的结构示意图。
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
如图9、图10所示，一种可提高燃料电池运行稳定性的导流极板，包括导流极板本体，该导流极板本体为导流双极板，其一面为导空气流板A，另一面为导氢气流板B；所述的导空气流板设有四对进、出空气的流体孔6，该四对流体孔6之间设有三条呈平行波浪状的导空气流槽7；所述的导氢气流板设有三对进、出氢气的流体孔8，该三对流体孔8之间设有三条呈平行波浪状的导氢气流槽9，所述的导流双极板上设有一对进出冷却水流体孔10。
上述导流双极板是采用四对空气进出口与三对氢气进出口互相间隔，并且分别集中在导流极板上、下二端的设计。
实施例2
如图11、图12所示，一种可提高燃料电池运行稳定性的导流极板，包括导流极板本体，该导流极板本体为导流双极板，其一面为导空气流板A，另一面为导氢气流板B；所述的导空气流板设有五对进、出空气的流体孔6，该五对流体孔6之间设有三条呈平行波浪状的导空气流槽7；所述的导氢气流板设有四对进、出氢气的流体孔8，该四对流体孔8之间设有三条呈平行波浪状的导氢气流槽9，所述的导流双极板上设有一对进出冷却水流体孔10。
上述导流双极板采用五对空气进出口、四对氢气进出口，它们分别集中在导流双极板左右二边、上下二端的设计；其一面的导空气流板的导流槽7与另一面的导氢气流板的导流槽9呈90°交叉排列。
实施例3
如图13、图14所示，一种可提高燃料电池运行稳定性的导流极板，包括导流极板本体，该导流极板本体为导流双极板，其一面为导空气流板A，另一面为导氢气流板B；所述的导空气流板设有一对进、出空气的流体孔6，该一对流体孔6之间设有二条呈蛇形平行排列的导空气流槽7；所述的导氢气流板设有五对进、出氢气的流体孔8，该五对流体孔8之间设有三条呈平行波浪状的导氢气流槽9，所述的导流双极板上设有一对进出冷却水流体孔10。
上述导流双极板采用一对空气进出口、五对氢气进出口，它们分别集中在导流双极板上下二端、左右二边的设计；其一面的导空气流板的导流槽7与另一面的导氢气流板的导流槽9呈90°交叉排列。
实施例4
如图15所示，一种可提高燃料电池运行稳定性的导流极板，包括导流极板本体，该导流极板本体为导流双极板，其一面为导氢气流板B，另一面为导空气流板A(图未示)；所述的导氢气流板设有一对进、出氢气的流体孔8，其中，进氢气的流体孔分出四条导氢气流槽9，该四条导氢气流槽各分出三～四条呈平行波浪状的支导氢气流槽11，该支导氢气流槽11又汇集到另一端的四条导氢气流槽，该四条导氢气流槽再一并进入出氢气的流体孔8中；所述的导空气流板设有一对进、出空气的流体孔，其结构与导氢气流板相同。
上述导流双极板利用空气、氢气各一个进口，分成数条狭窄条形导流槽再分支成许多波浪形的支导流槽，最后，又汇合到狭窄条形导流槽并入出口设计。
Claims (3)
1.一种可提高燃料电池运行稳定性的导流极板，包括导流极板本体，该本体上设有可供进出空气、进出氢气、进出冷却水流通的流体孔，以及连接于进、出流体孔之间的导流槽；其特征在于，所述的进出空气或进出氢气的流体孔为一对或多对，设置在该一对或多对进、出流体孔之间的导流槽呈多条平行波浪状；所述的导流极板本体为导空气流板或导氢气流板或由导空气流板与导氢气流板相背组合一体的导流双极板；所述的导空气流板设有一对进、出空气的流体孔，该一对流体孔之间设有多条呈平行波浪状的导空气流槽；所述的导氢气流板设有一对进、出氢气的流体孔，该一对流体孔之间设有多条呈平行波浪状的导氢气流槽；或者所述的导空气流板设有多对进、出空气的流体孔，该多对流体孔之间设有多条呈平行波浪状的导空气流槽；所述的导氢气流板设有多对进、出氢气的流体孔，该多对流体孔之间设有多条呈平行波浪状的导氢气流槽。
2.根据权利要求1所述的可提高燃料电池运行稳定性的导流极板，其特征在于，所述的导流双极板，其一面的导空气流板的导流槽与另一面的导氢气流板的导流槽呈90°交叉排列。
3.根据权利要求1所述的可提高燃料电池运行稳定性的导流极板，其特征在于，所述的导流双极板，其一面的导空气流板的导流槽与另一面的导氢气流板的导流槽呈顺向或逆向平行排列。
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