CN101127407A - 水热自管理的便携式质子交换膜燃料电池堆 - Google Patents

水热自管理的便携式质子交换膜燃料电池堆 Download PDF

Info

Publication number
CN101127407A
CN101127407A CNA200710030194XA CN200710030194A CN101127407A CN 101127407 A CN101127407 A CN 101127407A CN A200710030194X A CNA200710030194X A CN A200710030194XA CN 200710030194 A CN200710030194 A CN 200710030194A CN 101127407 A CN101127407 A CN 101127407A
Authority
CN
China
Prior art keywords
flow channel
cathode side
proton exchange
fluid channels
hole
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CNA200710030194XA
Other languages
English (en)
Inventor
沈培康
李永亮
黄岳强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sun Yat Sen University
National Sun Yat Sen University
Original Assignee
National Sun Yat Sen University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Sun Yat Sen University filed Critical National Sun Yat Sen University
Priority to CNA200710030194XA priority Critical patent/CN101127407A/zh
Publication of CN101127407A publication Critical patent/CN101127407A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

本发明提供一种水热自管理的便携式质子交换膜燃料电池堆，包括端板，集流板，导流双极板，质子交换膜组装电极，密封材料，其特征在于：所述的导流双极板在正反两个面上分别设有阴极侧空气流道和阳极侧氢气流道，阴极侧空气流道是由平行流道和矩阵通孔二合一形成组合流道，阳极侧氢气流道是蛇行流道；所述的导流双极板阳极侧与导流双极板阴极侧分别设置密封垫圈再与质子交换膜组装电极一起构成一个单电池；在电池堆垂直于导流双极板阴极侧空气流道的平行流道的侧面设有风扇。本发明的便携式质子交换膜燃料电池堆具有结构紧凑、功率密度高、自保湿、工作稳定等优点。

Description

水热自管理的便携式质子交换膜燃料电池堆
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及便携式质子交换膜燃料电池堆技术领域。
技术背景
目前全人类使用的能源主要是矿石燃料(石油、煤炭、天然气等)，属于非再生能源，储量有限。能源短缺，已是世界性问题。另一方面，燃烧矿石燃料时，直接向大气中排放的废气在全球形成严重污染，温室效应、酸雨、光化学烟雾等已严重威胁着人类的生存环境。所以开发新能源寻找新材料以求解决上述问题变得日益重要。
燃料电池是一种直接将化学能高效、环境友好地转变为电能的电化学装置，理论转化率可达80％以上，是一种绿色能源，可同时解决节能和环保两大世界难题。所以燃料电池的研制得到了重视和快速发展。质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有重量轻、结构紧凑、排水容易、能量密度高、可在低温下快速启动等优点，且使用腐蚀性不强的固态电解质，特别是作为便携式电源和机动车动力源，有着广泛的应用前景，近年来发展迅速。
质子交换膜燃料电池主要由质子交换膜组装电极和极板组成。质子交换膜组装电极按次序由内向外由质子交换膜(PEM)、阴阳极催化层和阴阳极扩散层五个部分组成。燃料电池工作时，氢气通过管道或导气板到达阳极，在阳极催化剂的作用下，氢气发生氧化，释放出电子：H2→2H++2e，氢离子穿过电解质到达阴极，而在电池的另一端，氧气(或空气)通过管道或导气板到达阴极，同时，电子通过外电路也到达阴极。在阴极侧，氧气与氢离子和电子在阴极催化剂的作用下反应生成水：1/2O2+2H++2e→H2O。与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，通过适当连接可以向负载输出电能。燃料电池总的化学反应为：H2+1/2O2＝H2O。
电化学反应中，除产生电能外，反应还生成水和热。如果生成的水与进入电池内的水之和小于电池的排水量，则质子交换膜脱水，影响电池的使用寿命。反之，则阴极可能被淹，影响气体扩散，同样会使电池性能下降。当温度较低时，存在明显的电化学极化，质子交换膜欧姆阻抗亦较大；升高温度会降低欧姆阻抗，减少极化，因而可提高电池性能。但是，温度提高使水蒸发速率加快，引起质子交换膜脱水而使电导率降低，引起电池性能下降。因此，PEMFC的热管理和水管理在电池运行过程中起着举足轻重的作用。
对便携式燃料电池堆，其要求主要包括结构简单紧凑，外加的辅助设备少，控制系统简单等。若采用通常的水热管理技术，有如下缺点：
1、采用水作为冷却介质，首先需要水泵进行驱动，这样会增加电池堆的系统功耗，使整个发电系统效率下降，其次还需要水箱、散热器等外部设备，增加了整个燃料电池系统的体积和重量。
2、采用外增湿装置对电池堆反应气体进行加湿，需要水箱、水泵等外部设备，大大增加了燃料电池系统的体积与重量，也增加了燃料电池系统的功耗。
3、加湿及散热系统的控制系统很复杂。
显然，便于携带的小型燃料电池需要采用无外加湿装置的技术来实现期望的要求，但在无加湿的操作条件下，电池性能、稳定性以及寿命的控制都会比较困难。
发明内容
本发明的目的就是要克服上述便携式燃料电池堆的现有水热管理技术存在的系统功耗大、效率低、体积和重量大、加湿及散热系统的控制系统复杂等缺陷而提供一种结构紧凑、功率密度高、自保湿、工作稳定的水热自管理的便携式质子交换膜燃料电池堆。
本发明所述的水热自管理的便携式质子交换膜燃料电池堆，由多个导流双极板与质子交换膜组装电极、密封垫圈、集流板和端板通过固定件组装而成。所述的导流双极板在正反两个面上分别设有阴极侧空气(或氧气)流道和阳极侧氢气流道，阴极侧空气(或氧气)流道是由平行流道和矩阵通孔二合一形成组合流道，平行流道是平行的散热、进排气流道，贯穿导流双极板阴极侧两端，通孔分布于平行流道的槽上。所述的阳极侧氢气流道是蛇行流道，蛇行流道是平行蛇行流道或单蛇行流道。在组装电池堆时，所述的多个导流双极板与质子交换膜组装电极、密封垫圈、集流板和端板由固定件组装成具有一定功率的燃料电池堆，在该电池堆的侧面、垂直于导流双极板空气侧平行流道的位置设有风扇。
本发明特点在于所述的空气流道是由平行流道和矩阵通孔二合一形成组合流道。平行流道的作用主要是输送空气(氧气)到阴极，输送空气的速度越快，阴极在单位时间内得到的氧气越多，有利于电极反应。空气在平行流道中通过时将反应产生的热量带走，起了散热的作用。要保持合适的电池性能，就必须控制好送氧和散热的速度，这一点主要是通过对流道的设计实现。但是，在送氧和散热的过程中同时也将反应产生的水排走。排走水是必要的，但是，在输送空气速度较快的情况下，很容易引起排水速度过快，使膜失水而降低电池性能。通孔设计使空气(氧气)从背面接触阴极膜电极，使空气(氧气)在孔内有时间停留，使反应更加充分，反应气体利用率更高。同时可造成气体在孔内扰动，增强强制对流，加快传质传热速率。通孔结构使孔内外气体流速分布不同，孔内低气体流速有利于减少水分的流失，充分利用燃料电池本身反应生成的水分，有利于保持质子交换膜的含水量，提高燃料电池运行的稳定性。孔外高气体流速有利于快速散热。以上技术方案使本发明的水热自管理的便携式质子交换膜燃料电池堆具有结构紧凑、功率密度高、自保湿、工作稳定的特点。
本发明另一特点在于由上述双极板及其它组件组装成燃料电池堆后，电池堆顶端进气口形成平行通道，使气体更均匀地进入各片电极的流场内，有利于提高各单电池工作的均匀性和稳定性。而且只需要一个普通风扇即可完成对燃料电池的有效控制，极大地简化了燃料电池的控制系统，并使燃料电池堆稳定运行。同时，反应产生的水在通孔中也能保持一定时间而不被直接吹走，这样能保持膜电极湿润，从而保持电池性能。
本发明所述的阴极侧平行流道的槽的宽与高的尺寸分别为0.8～3.0mm和0.3～2.0mm。一般分别为1.0～2.0mm和0.6～1.0mm。
本发明所述的阴极通孔为圆形、方形、长方形、三角形、蜂巢形或菱形，通孔深度为0.5～3.0mm，一般为0.8～2.5mm，较好为1.0～2.0mm。通孔面积占平行流道面积的为20％～80％，一般为40％～60％。
附图说明
图1是本发明电池堆中的导流双极板阴极侧结构示意图。
图2是本发明的水热自管理燃料电池堆结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
实施例1
图1给出了导流双极板阴极侧(618)的结构示意图。其中614为燃料电池双极板阴极侧氢气入口，615为燃料电池双极板阴极侧氢气出口，616为燃料电池双极板阴极侧气体矩阵通孔，617为燃料电池双极板阴极侧平行流道。平行流道的作用主要是输送空气(氧气)到阴极，输送空气的速度越快，阴极在单位时间内得到的氧气越多，有利于电极反应。空气在平行流道中通过时将反应产生的热量带走，起了散热的作用。导流双极板的面积为10cm2，阴极侧平行流道长20mm，宽1.6mm，高2.0mm。通孔为长方形，孔尺寸为1.0mm×0.8mm，孔深度为1mm，通孔占平行流道面积的50％。通孔设计使空气(氧气)从背面接触阴极膜电极，使空气(氧气)在孔内有时间停留，使反应更加充分，反应气体利用率更高。同时可造成气体在孔内扰动，增强强制对流，加快传质传热速率。通孔结构使孔内外气体流速分布不同，孔内低气体流速有利于减少水分的流失，充分利用燃料电池本身反应生成的水分，有利于保持质子交换膜的含水量，提高燃料电池运行的稳定性。孔外高气体流速有利于快速散热。
实施例2
导流双极板的面积为10cm2，阴极侧平行流道长20mm，宽0.8mm，高0.3mm。通孔为正方形，孔尺寸为0.8mm×0.8mm，孔深度为0.5mm，通孔占平行流道面积的40％。
实施例3
导流双极板的面积为20cm2。阴极侧平行流道长25mm，宽3.0mm，高2.0mm。通孔为圆形，孔尺寸为φ＝1.2mm，孔深度为3.0mm，通孔占平行流道面积的60％。阳极侧氢气流道是蛇行流道，流道深0.5mm，宽1.6mm。
实施例4
图2中604为质子交换膜组装电极，612为导流双极板阳极侧、618为导流双极板阴极侧，620是指导流双极板整体。导流双极板阳极侧612、导流双极板阴极侧618、密封垫圈619与质子交换膜组装电极604一起构成一个单电池。一系列的单电池叠加再与集流板624、端板621、紧固件螺杆623、螺母622组成了燃料电池堆。在燃料电池堆侧面垂直于导流双极板阴极侧平行流道面安装一个风扇625，为燃料电池堆提供反应用空气且起散热、除水等作用。
实施例5
以图2的方式组装了一个由10块单电池组成的燃料电池堆，输出功率约为22W，其中质子交换膜电极的有效面积为10cm2，导流双极板的尺寸为80mm×25mm。电池堆总输出电压为6V，输出电流为3.7A。燃料电池堆可以稳定运行。

Claims (7)

1.一种水热自管理的便携式质子交换膜燃料电池堆，由多个导流双极板与质子交换膜组装电极、密封垫圈、集流板和端板通过固定件组装而成，其特征在于：所述的导流双极板在正反两个面上分别设有阴极侧空气流道和阳极侧氢气流道，阴极侧空气流道是由平行流道和矩阵通孔二合一形成的组合流道，阳极侧氢气流道是蛇行流道；所述的导流双极板阳极侧与导流双极板阴极侧分别设置密封垫圈再与质子交换膜组装电极一起构成一个单电池；在电池堆侧面、垂直于导流双极板阴极侧空气流道的平行流道的位置设有风扇。
2.根据权利要求1所述的电池堆，其特征在于所述的阴极侧空气流道中的平行流道的槽的宽与高分别为0.8～3.0mm和0.3～2.0mm。
3.根据权利要求1所述的电池堆，其特征在于所述的阴极侧空气流道中的平行流道的槽的宽与高分别为1.0～2.0mm和0.6～1.0mm。
4.根据权利要求1所述的电池堆，其特征在于所述的阴极侧空气流道中的矩阵通孔为圆形、正方形、长方形、三角形、蜂巢形或菱形，通孔深度为0.5～3.0mm，通孔面积占平行流道面积的20％～80％。
5.根据权利要求1所述的电池堆，其特征在于所述的阴极侧空气流道中的矩阵通孔为圆形、正方形、长方形、三角形、蜂巢形或菱形，通孔深度为0.8～2.5mm，通孔面积占平行流道面积的40％～60％。
6.根据权利要求1所述的电池堆，其特征在于所述的阴极侧空气流道中的矩阵通孔为圆形、正方形、长方形、三角形、蜂巢形或菱形，通孔深度为1.0～2.0mm。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的一种水热自管理的便携式质子交换膜燃料电池堆，其特征在于所述的阳极侧蛇行流道是平行蛇行流道或单蛇行流道。
CNA200710030194XA 2007-09-11 2007-09-11 水热自管理的便携式质子交换膜燃料电池堆 Pending CN101127407A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNA200710030194XA CN101127407A (zh) 2007-09-11 2007-09-11 水热自管理的便携式质子交换膜燃料电池堆

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNA200710030194XA CN101127407A (zh) 2007-09-11 2007-09-11 水热自管理的便携式质子交换膜燃料电池堆

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN101127407A true CN101127407A (zh) 2008-02-20

Family

ID=39095372

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNA200710030194XA Pending CN101127407A (zh) 2007-09-11 2007-09-11 水热自管理的便携式质子交换膜燃料电池堆

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN101127407A (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103620844A (zh) * 2011-05-26 2014-03-05 原子能和替代能源委员会 具有改进的热管理的燃料电池
WO2015020615A1 (en) * 2013-08-09 2015-02-12 Saisuwan Bhornbhat Plant for compressing hydrogen oxygen and carbondioxide technical field
CN104393322A (zh) * 2014-12-05 2015-03-04 上海空间电源研究所 一种能够自主排水进气的燃料电池堆
CN104716376A (zh) * 2015-04-02 2015-06-17 浙江高成绿能科技有限公司 一种燃料电池堆结构
CN105470542A (zh) * 2015-12-10 2016-04-06 上海精密计量测试研究所 一种燃料电池

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103620844A (zh) * 2011-05-26 2014-03-05 原子能和替代能源委员会 具有改进的热管理的燃料电池
US9337500B2 (en) 2011-05-26 2016-05-10 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Fuel cell with improved thermal management
WO2015020615A1 (en) * 2013-08-09 2015-02-12 Saisuwan Bhornbhat Plant for compressing hydrogen oxygen and carbondioxide technical field
CN104393322A (zh) * 2014-12-05 2015-03-04 上海空间电源研究所 一种能够自主排水进气的燃料电池堆
CN104716376A (zh) * 2015-04-02 2015-06-17 浙江高成绿能科技有限公司 一种燃料电池堆结构
CN105470542A (zh) * 2015-12-10 2016-04-06 上海精密计量测试研究所 一种燃料电池
CN105470542B (zh) * 2015-12-10 2023-08-25 上海精密计量测试研究所 一种燃料电池

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101587959B (zh) 一种电极框及全钒液流储能电池堆
Wang et al. A bipolar passive DMFC stack for portable applications
CN102437357B (zh) 燃料电池的水平衡系统
CN104393322B (zh) 一种能够自主排水进气的燃料电池堆
CN100495796C (zh) 自增湿微型热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统
CN101210750A (zh) 一种利用燃料电池废热驱动空调的方法
CN102945979B (zh) 一种被动排水燃料电池堆
CN1279644C (zh) 燃料电池的间歇冷却
CN104716392A (zh) 一种液流电池结构
CN100416902C (zh) 质子交换膜燃料电池交指-平行组合流场
CN101447583A (zh) 一种燃料电池一体化单元模块及其电堆
CN101127407A (zh) 水热自管理的便携式质子交换膜燃料电池堆
CN101409357B (zh) 基于金属双极板结构的被动式自呼吸直接甲醇燃料电池组
CN103035937B (zh) 自呼吸甲醇燃料电池堆及其系统
CN100550500C (zh) 一种燃料电池组
CN100416900C (zh) 一种含有组合流道的质子交换膜燃料电池极板
RU160133U1 (ru) Твердополимерный топливный элемент
CN100517826C (zh) 一种具有高功率密度自散热及自增湿型燃料电池堆
CN103956512A (zh) 一种被动排热燃料电池堆
CN108390083B (zh) 一种组合再生式燃料电池系统放电工作模式启动方法
CN102810676A (zh) 一种有利于减少冷却流体流动阻力的燃料电池导流极板
CN112768739A (zh) 一种改善燃料电池堆端板弱片的结构
CN102299359A (zh) 一种自呼吸醇类燃料电池
CN202076373U (zh) 一种新型燃料电池发电机
JP2010061986A (ja) 燃料電池スタック

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C12 Rejection of a patent application after its publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Open date: 20080220