CN101141007A - 多通道燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有多通道结构的燃料电池堆，其结构是：设有双极板(13)，以及至少有两个进、出气通道的燃料和氧化剂的通道；双极板(13)具有多孔传质结构，各个双极板并行叠放，每个极板上的各个气体进口、气体出口分别组合到一起，形成电池堆的多个公共进气通道和多个出气通道；反应气体通过多个公共进气通道进入电池堆，再分配到各个单电池参与电池反应，最后通过多个公共出气通道流出。本发明双极板有利于气体在流场中的均匀传输和扩散，并且使得进入流场的气体可以获得均一的流速；利用该双极板组装的电池堆具有多个公共进、出气通道，有利于气体在各个单电池中的均匀分配和反应生成水的均匀排出，避免电池的局部区域发生“水淹”情况。

Description

多通道燃料电池堆
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，特别是涉及一种多通道的燃料电池堆。
背景技术
燃料电池是一种通过化学反应将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的装置，具有室温下启动快、能量转换效率高、对环境污染小、噪音低等突出优点，在交通、发电、军事、航天航空等领域有着广阔的应用前景。
质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，缩写：PEMFC)以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂/碳或铂-钌/碳为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。
双极板的主要功能是给反应物(燃料和氧化剂)及反应产物提供进出燃料电池的流动通道，并收集电流。一个典型的双极板通常包括：(1)燃料与氧化剂气体的进气口，用于向燃料电池输送燃料和氧化剂；(2)燃料与氧化剂气体的出气口，用于排出部分燃料和氧化剂气体；(3)流场区，包括气体进出口处的流场和整个流场反应区；(4)冷却流体(如水)进、出口，用于提供燃料电池所需冷却流体。
在PEMFC中，电极各处均能获得充足的反应剂，及时把电池生成水排出是保证燃料电池正常运行的关键。如果反应剂在电极各处分布不均匀，会造成电极各处反应的不均匀，从而引起电流密度分布不均匀，导致电池局部过热，表现出某个电池电压很低甚至出现负值，电池运行不稳定，降低电池性能并影响电池的寿命。同样，如果阴极生成的水不能及时排出，会增大气体扩散阻力形成浓差极化，影响电池性能，甚至造成“水淹”电极的情况，水的累计也会使质子交换膜局部产生溶涨现象。因此，双极板的设计对PEMFC的性能有着很大的影响。
目前，应用于燃料电池的双极板中，一般只有一个燃料进口，一个燃料出口，一个氧化剂进口，一个氧化剂出口，一个冷却流体的进口，一个冷却流体出口，共6个开口，如比较常见的蛇形流场双极板，其结构如图4所示：包括蛇形流场的燃料气体进口26，冷却流体进口27，蛇形流场的氧化剂气体进口28，蛇形流场的氧化剂气体出口29，冷却流体出口30，燃料气体出口31，以及蛇形流场的双极板流场区32。在一个燃料电池电堆中，这类双极板排成一行，组装成的电堆相应有6个通道，分别是一个燃料进口通道，一个燃料出口通道，一个氧化剂进口通道，一个氧化剂出口通道，一个冷却流体进口通道，一个冷却流体出口通道。气体由一个公共进气通道进入电堆，再通过这些公共通道进入各个单电池，经过多个线形弯道后，最后经由电堆的一个公共出气通道流出。
上述双极板设计及利用该双极板组装成的电堆存在以下缺点：
由于双极板上只开有一个公共进气口，从进口到流场边缘区域的弯弧和角度都较大，而流道的长度又较长，这样就使得气体传输路径长，气体传输阻力增大，并且反应气在拐角处损耗较大，从而影响电池的稳定运行，降低电池的效率。尤其是对于大面积燃料电池，流场边缘区域的流道因为角度太大，易形成反应“死区”，影响电池性能和效率。
另外，利用这类双极板组装成的电堆只有一个公共进气通道和一个公共出气通道，容易造成进入电堆的气体在各个单电池间分配不均。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种新型的具有多孔道的双极板，同时利用这种双极板组装成具有多通道结构的燃料电池堆，该电池堆更能均匀的获得燃料和氧化剂，使性能发挥稳定。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：设有双极板，以及提供燃料的通道、提供氧化剂的通道、提供冷却介质的通道。提供的燃料和氧化剂的通道，至少有两个进气通道和出气通道。双极板具有多孔传质结构，各个双极板并行叠放，每个极板上的各个气体进口、气体出口分别组合到一起，形成电池堆的多个公共进气通道和多个出气通道；反应气体通过多个公共进气通道进入电池堆，再分配到各个单电池参与电池反应，最后通过多个公共出气通道流出。
本发明因采用了新型的双极板，其进口和出口分别采用多孔设计结构，相对于常规的的一个进气口和一个出气口设计的双极板来说，流场的弯道减少，流道长度也减少，从而使得气体在流场中的流速也相应减小，这样有利于气体在流场中的均匀传输和扩散，并且使得进入流场的气体可以获得均一的流速，有利于气体在电极表面的分配，避免流场局部区域气体浓度分布不均匀；同时还有利于电池内部水的排出，避免“水淹”电池情况的发生。另外，利用该多孔双极板组装成的电堆，反应气体可以通过多个进气通道进入电堆参与电池反应，再通过多个出气通道流出，有利于气体在各个单电池间的分配，确保了单电池间气体分配的均匀，提高了电池运行的稳定性。
总之，本发明因采用了具有多孔传质结构的双极板，这种设计减小了气体在流场中的运行阻力和传输距离，故提高了气体从电池堆公共通道向各个单电池分配的均匀性，使得进入流场的气体可以获得均一的流速，避免流场局部区域气体浓度分布不均匀，以及电池内部水的均匀排出，避免电池发生“水淹”情况，提高了电池运行的稳定性；同时减少了气体在传输中的损耗，在一定程度上提高了燃料电池的性能。
附图说明
图1是本发明多通道的燃料电池堆的结构示意图。
图2是图1中双极板13的阳极流场结构示意图。
图3是图1中双极板13的阴极流场结构示意图。
图4是现有蛇形结构双极板示意图。
图1中：1.燃料气体公共进气通道；2.氧化剂气体公共进气通道；3.冷却水的进口；4.氧化剂气体公共进气通道；5.燃料气体公共进气通道；6.燃料气体出气通道；7.氧化剂气体公共出气通道；8.冷却水的出口；9.氧化剂气体公共出气通道；10.燃料气体出气通道；11.流场区；12.端板；13.双极板；14.膜电极。
图2、图3中：15.燃料气体第一进口；16.氧化剂气体第一进口；17.冷却水的进口；18.氧化剂气体第二进口；19.燃料气体第二进口；20.燃料气体第一出口；21.氧化剂气体第一出口；22.冷却水的出口；23.氧化剂气体第二出口；24.燃料气体第二出口；25.多通道双极板的流场区。
图4中：26.蛇形流场的燃料气体进口；27.冷却流体进口；28.蛇形流场的氧化剂气体进口；29.蛇形流场的氧化剂气体出口；30.冷却流体出口；31.燃料气体出口；32.蛇形流场的双极板流场区。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步的说明，但不限定本发明。
本发明利用50副双极板13、膜电极14、端板12等部件组装成如图1所示的燃料电池电堆，其中：氢气和空气的公共进气通道各有两个，氢气和空气的公共排气通道也有两个，双极板13、膜电极14和端板12组合到一起构成一个具有多通道结构的燃料电池堆。
本发明提供的多通道燃料电池堆，其具体结构如图1所示：设有双极板13，以及提供燃料的通道、提供氧化剂的通道、提供冷却介质的通道。所述提供燃料和氧化剂的通道，至少有两个进气通道和出气通道。所述双极板13具有多孔传质结构，各个双极板并行叠放，每个极板上的各个气体进口、气体出口分别组合到一起，形成电池堆的多个公共进气通道和多个出气通道；反应气体通过多个公共进气通道进入电池堆，再分配到各个单电池参与电池反应，最后通过多个公共出气通道流出。所述的公共进气通道和公共出气通道可根据双极板上进气口和出气口数量的变化而变化。
上述的双极板13包括阳极双极板和阴极双极板，其结构包括设置在极板上的阳极气体进口、阳极气体出口，阴极气体进口、阴极气体出口以及冷却水进口、冷却水出口，阳极气体为氢气，阴极气体为空气。该极板上的每个气体进口都对应一个气体出口，每对气体进口、出口通过流道连接形成一个流场区11。其阳极流场的气体进口和出口是燃料气体(氢气)的进出口(见图2)，其阴极流场的气体进口和出口是氧化剂气体(氧气或空气)的进出口(见图3)；其燃料和氧化剂的气体进口和出口，呈矩形、圆形或扇形。
以阳极双极板为例，如图2所示：本例采用石墨材料制作成的燃料电池用双极板，双极板为矩形，尺寸为60mm×200mm。在阳极板的两端，分别开有燃料气体(氢气)第一进口15和第二进口19，燃料气体(氢气)第一出口20和第二出口24，氧化剂气体(氧气或空气)第一进口16和第二进口18，氧化剂气体(氧气或空气)第一出口21和第二出口23，以及冷却水的进口17和出口22。所述的氢气第一进口15对应氢气第一出口20，氢气第二进口19对应氢气第二出口24。所述的气体或冷却水的进口为不规则的扇形，所述的气体或冷却水的出口同样为不规则的扇形。序号25为双极板的流场区。
参见图2，阳极双极板活性区开有24条平行槽道，其中12条槽道通过变宽度的弧形槽分别与氢气第一进口15、氢气第一出口20相连，另外的12条槽道通过变宽度弧形槽分别与氢气第二进口19、氢气第二出口24相连。参见图3，阴极双极板活性区也开有24条平行槽道，其中12条槽道通过变宽度的弧形槽分别与氧化剂气体(氧气或空气)第一进口16和第一出口21相连，另外的12条槽道通过变宽度弧形槽分别与氧化剂气体(氧气或空气)第二进口18和第二出口23相连。所述的阳极流场和阴极流场的槽道的槽深×槽宽为0.4mm×0.7mm，气体进口、出口以及流道数量也可依据实际需要而定。
图4为现有的蛇形流场结构的双极板示意图。蛇形流场中的流道同样为24条，但流场中有3个弯道，每个弯道的流道数为8条。与之相比，该双极板的流道弯道数仅为蛇形流场的三分之一，流道长度也仅为蛇形流场的三分之一，使得气体在流场中的流速也相应减少为蛇形流场中流速的三分之一。双极板13可由金属、石墨或复合材料等材料制成。
所述的提供燃料和氧化剂的通道，每个通道的进口处至少开有两个进气口，出口处至少开有两个出气口。
下面结合图1简述本发明的工作过程：
电池工作时，氢气源提供的氢气由燃料气体公共进气通道1和5进入电池堆，再由双极板13分配给各个单电池。由燃料气体公共进气通道1进入单电池的气体经过上半部分的活性区参加电化学反应，剩余气体由燃料气体出气通道6排出；由燃料气体公共进气通道5进入单电池的气体经过下半部分的活性区参加电化学反应，剩余气体由燃料气体出气通道10排出。空气泵提供的氧化剂由氧化剂气体公共进气通道2、4进入电池堆并通过双极板分配给各个单电池，由氧化剂气体公共进气通道2进入单电池的气体经过上半部分的活性区参加电化学反应，剩余气体由氧化剂气体公共出气通道7排出；由氧化剂气体公共进气通道4进入单电池的气体经过下半部分的活性区参加电化学反应，剩余气体由氧化剂气体公共出气通道9排出。序号11是本发明电池堆的流场区。冷却水由冷却水的进口3进入，再由冷却水的出口8流出，以便稳定电池堆的进口和出口温度，并带走电池堆部分多余的热量。

Claims (6)

1.一种燃料电池堆，设有双极板(13)，以及提供燃料的通道、提供氧化剂的通道、提供冷却介质的通道，其特征是一种多通道燃料电池堆，其提供燃料和氧化剂的通道至少有两个进气通道和出气通道，其双极板(13)具有多孔传质结构，各个双极板并行叠放，每个极板上的各个气体进口、气体出口分别组合到一起，形成电池堆的多个公共进气通道和多个出气通道；反应气体通过多个公共进气通道进入电池堆，再分配到各个单电池参与电池反应，最后通过多个公共出气通道流出。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于所述的双极板，其极板上的每个气体进口都对应一个气体出口，每对气体进口、出口通过流道连接形成一个流场区(11)。
3.根据权利要求2所述的燃料电池堆，其特征在于双极板中，其阳极流场的气体进口和出口是燃料气体的进出口，其阴极流场的气体进口和出口是氧化剂气体的进出口。
4.根据权利要求3所述的燃料电池堆，其特征在于所述的双极板，其燃料和氧化剂的气体进口和出口，呈圆形、矩形或扇形。
5.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于所述的提供燃料和氧化剂的通道，每个通道的进口处至少开有两个进气口，出口处至少开有两个出气口。
6.根据权利要求1或2所述的燃料电池堆，其特征在于所述的双极板，由金属、石墨或复合材料制成。
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