CN101212057A - 一种适用于高温操作的质子交换膜燃料电池结构 - Google Patents

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孙立言
燕希强
林业发
姜玉玉
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Abstract

本发明涉及燃料电池，具体地说是一种适用于高温操作的质子交换膜燃料电池的结构，由燃料流场、CCM、氧化剂流场，及其两侧设置的薄金属分隔板构成，在薄金属分隔板内侧附着有多孔导电材料层，多孔导电材料层既为流场、又兼作扩散层。本发明所述的结构可以使燃料电池结构简化，体积大幅度减少。

Description

一种适用于高温操作的质子交换膜燃料电池结构
技术领域
本发明涉及燃料电池，具体地说是一种适用于高温操作的质子交换膜燃料电池的结构-即“膜电极双极板组件(Membrane Electrode Bipolarplate Assemble，MEBA)”。
背景技术
燃料电池是一种等温的按电化学方式直接将化学能转化为电能的发电装置。它不经过热机过程，因此不受卡诺循环的限制，能量转化效率高，环境友好。由于以上这些突出的优点，近些年来燃料电池技术的研究和开发倍受各国政府和大公司的重视，被认为是21世纪首选的洁净高效的发电方式。其中高温质子交换膜燃料电池，近来来引起了国际上的普遍关注。
所谓高温质子交换膜燃料电池是指操作温度高于100℃的燃料电池(常规的质子交换膜燃料电池通常操作温度≤80℃)。在该种条件下的电池有如下优点：1)电化动力学反应速率提高，有利于电性能的提高；2)提高了燃料电池废热品质，有利于废热的有效利用，提高系统效率；降低了冷却系统的重量与体积，提高了系统的重量与体积比功率密度；3)水处于汽态，减少了两相流引起的传质极化；流场设计也可以得到大幅度的简化，减少为了保证对水的吹扫高气速引起的阻力降增加。4)有利于CO在阳极的氧化与脱附，提高抗CO能力；从而可以简化重整系统的净化部分。5)高温操作状态下，水含量少，因此可以减少由于低温冷冻状态下水的冰冻引起的电池性能衰减，有利于低温启动。而常规的系统低温停车时为了消除水的影响，需要吹扫，增加了系统的复杂性，且在膜中的液态水也会有部分残存。
目前，高温膜的研究引起了国际上普遍重视，但是，适用于高温操作的质子交换膜燃料电池结构还是个空白，由于高温燃料电池中流体的形态和热质传递的特性均区别于常规的燃料电池，所以有必要建立新的燃料电池结构，以适应高温质子交换膜燃料电池的需要。
发明内容
在试验与理论分析的基础上，通过工程计算与设计，本发明的目的在于提供一种结构简单、厚度小的适用于高温操作的质子交换膜燃料电池结构。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种适用于高温操作的质子交换膜燃料电池结构-即“膜电极双极板组件(Membrane Electrode Bipolar plate Assemble，MEBA)”。，由燃料流场、CCM(阳极电极、质子交换膜、阴极电极)、氧化剂流场，及其两侧设置的薄金属分隔板构成，在薄金属分隔板内侧附着有多孔导电材料层，多孔导电材料层即为流场、又兼作扩散层。
该结构利用流场兼作扩散层，采用多孔导电材料如炭毡、不锈钢纤维毡、泡沫钛、金属细丝网等或特殊设计的多孔微通道等结构，与CCM和薄金属分隔板组合建立膜电极双极板组件(MEBA)，它与冷却腔组成了一个单节电池。
本发明采用这种结构具有如下优点：
1)本发明所述的结构可以使燃料电池结构简化，体积大幅度减少。新结构把流场与扩散层功能结合为一体，结构相对简单，此外厚度也可以减少。
2)提高传质速率，增加电化学反应效率。传统的质子交换膜燃料电池的发电过程是伴随着多尺度多介质中的两相流热质传递过程。由于高温质子交换膜燃料电池流体的特点是单相气态流，比传统的质子交换膜气液两相流在物性上有很大的区别，如密度、粘度、扩散系数等，因此决定了阻力特性与传递机理的不同，单相流不必担心液态水引起的电极水淹问题，更易于水管理，另外在同等条件下阻力降也小于两相流。
本发明设计“膜电极双极板组件(MEBA)”(Membrane ElectrodeBipolar plate Assemble)结构(如图1)用于高温质子交换膜燃料电池，与常规传统结构“MEA+双极板”(如图2)不同的是，该结构利用流场兼作扩散层，采用多孔导电材料如炭毡、不锈钢纤维毡、泡沫钛、金属细丝网等或特殊设计的多孔微通道等结构，与CCM和薄金属分隔板组合建立膜电极双极板组件(MEBA)，其结构如图1a所示，它与冷却腔组成了一个单节电池，如图1b所示。
3)降低双极板加工成本。
4)本发明所述的MEBA新结构由于双极板与膜电极组件为一整体单元，提高了电池组的集成度，便于批量化生产。
附图说明
图1为本发明所述的适用于高温质子交换膜燃料电池的“膜电极双极板组件--MEBA”结构示意图；
图2为常规质子交换膜燃料电池的“膜电极组件--MEA+双极板”结构示意图。
具体实施方式
为更好的理解本发明的技术方案，以下结合附图进一步描述本发明所述的膜电极双极板组件的结构。
如图1所示：
采用炭毡、不锈钢纤维毡、泡沫钛、金属细丝网等或特殊设计的多孔微通道等结构作为流场兼作扩散层(燃料流场2’，氧化剂流场6’)，附在薄金属分隔板上(薄金属分隔板1’)，与带有电极(阳极电极3，阴极电极5)的质子交换膜4构成了膜电极双极板组件。它与冷却腔8组成了一个单节电池。
由于简化了结构，使得厚度大幅度减少。本发明新结构与常规结构的比较如下表所示：
Figure A20061013511100051

Claims (2)

1.一种适用于高温操作的质子交换膜燃料电池结构，其特征在于：由燃料流场、CCM、氧化剂流场，及其两侧设置的薄金属分隔板构成，在薄金属分隔板内侧附着有多孔导电材料层，多孔导电材料层即为流场、又兼作扩散层。
2.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池结构，其特征在于：所述多孔导电材料为炭毡、不锈钢纤维毡、泡沫钛或金属细丝网、或多孔微通道材料。
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