CN101238604B - 单板pem燃料电池 - Google Patents
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Abstract
一种燃料电池堆(32)包括多个燃料电池，每个燃料电池由一对可导电的、多孔的、基本亲水的板(17)组成，板的第一表面上有氧化剂反应物气流现场通道(12-15)，第二表面上有燃料反应物气流现场通道(19、19a)。每个板通过组合电极组件(20)和相邻的一块板隔开。组合电极组件包括具有气体扩散层(GDL)的阴极(22)，具有GDL的阳极(23)和布置其间的隔膜(21)，每个GDL之间具有催化剂。在堆叠体上面是冷凝器(33)，冷凝器具有管道(34)以接收冷却剂空气(39、40)并将室(43)排放的氧化剂废气中的水蒸气冷凝。电池内芯吸条带(26)接收冷凝物并沿着堆叠体的长度方向将冷凝物传输给所有电池。在板一面或两面上的电池内部芯吸条带(1G，1-a)把电池内芯吸条带上的水沿着每个电池的整个上平面传导下来。反应物空气从空气泵(49)出来通过空气进入管道(48)进入到空气进入歧管(47)中。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚合电解质、质子交换膜PEM燃料电池，其具有一个单隔离板，该板包括燃料反应气体通道和氧化剂反应气体通道，并且在板的相同边上的一些反应气体通道之间布置水芯吸材料。
背景技术
在一种已知的PEM燃料电池中，反应物流场通道是在隔离的板中(通常称为“水传输板”)，其同样在与反应气流通道相对的一个或两个板的表面上具有水通道。这种多孔且亲水的板允许产生的水从阴极移到水通道，同时允许水从水通道移到阳极以保证均匀的潮湿度。燃料电池的冷却通常是通过水通道里的水来完成的，水在燃料电池堆外循环到一热交换器，其是选择性的通过以维持一定的水温。也可以使用稍冷的板。
当燃料电池电源设备在电动车辆中使用的时候，在达到水冰点以下的温度环境中其将不会起作用。外部的水管、水泵和受液器会因为冰形成后的膨胀而损坏，或者需要用很多的手段去排干和再储存水，维持温度在冰点以上，或者保护设备不会被冻坏。
在车辆中，空间和重量都受到高度关注。外部水管理器件，如水泵和受液器，会增加车辆的重量并占用空间。
在2005年4月15日申请的待审PCT专利申请序列(No.US05/13040)中公开了最近的改造，使用蒸发冷却把阴极的水蒸发到阴极气流中，并在空气排放冷凝；冷凝物通过微小水通道，或者里面的芯，或者水传输板之间返回到电池中。然而，在两极间提供微小水通道(或者阴极和阳极之间等效的多孔芯吸材料)，即使只需几个的需要，也要生产两个板，这是因为在它们中的至少一个的两侧具有通道，为保持物理完整性需要特定的最小厚度。
发明内容
本发明的目的包括燃料电池的提供：其需要最小的空间；其比以前技术的水传输板便宜；虽然比以前成对的水传输板更薄但强度更高；和改进燃料电池和燃料电池电源设备的提供。虽然在说明书中描述的是多孔板技术，但这种方法可以适用于实心隔离板。
根据本发明，燃料电池具有单个多孔、至少实质亲水的板，该板包括燃料反应气体流场和氧化剂反应物气体流场，每N(N是一到若干之间的一个整数)个氧化物和/或燃料反应气体流场通道之间有芯吸条带把阴极产生的水运走，且通过同一个多孔板在燃料和空气入口增湿，以确保电池在整个顶部平面有相同的水合作用。
本发明非常适合用在蒸发冷却类型的燃料电池电源设备上，产生的水蒸发到氧化剂反应物气流中，在氧化剂排放冷凝，冷凝物返回到含有空气流通道和燃料流通道的多孔板中的芯吸条带处。
本发明对于要求更冷板的任何实施例来说同样是有效的，更冷的板通常装配在每两到四个燃料电池之间，比如当使用长寿命的冷却剂(如：乙二醇)的时候。当使用冷却液板的情况时，燃料电池堆会变得非常长；本发明的使用可以显著降低燃料电池的尺寸，因此可以减少整个堆叠体的长度。
本发明可以使用亲水的且有相对高的平面水渗透性的材料制成的芯。这种材料可以是石墨纤维纸，或者可以是其他的一些通常被用作燃料电池扩散媒介的材料，正如需要对其进行亲水的一般处理。
在下面具体实施例的详细描述和相关附图的说明中，本发明的其它的目的，特征和优点将会变得更加的显而易见。
附图说明
图1是具有本发明电池内芯吸条带的一对燃料电池的局部透视图。
图2是在内部给其提供了电池内芯吸条带的图1燃料电池的透视图。
图3是使用了图2中的燃料电池和芯吸的燃料电池电源设备的经简化、形式化并部分剥离后的透视示意图。
图4是具有与氧化剂和燃料通道相邻的电池内芯吸条带的一对燃料电池的局部透视图。
图5和图6是在氧化剂流动通道中具有电池内芯吸条带的一对燃料电池的局部透视图。
图7是具有被芯吸条带空间隔离而形成氧化剂流动通道的一对燃料电池的局部透视图。
具体实施方式
参照图1，一对燃料电池8、9，每个都包括形成氧化剂反应气体流场通道12-15的多个垂直凹槽11，在通道13-14之间的槽中、在导电、多孔、隔离板17中布置电池内芯吸条带16，其优选是基本亲水的。在这个实施例中，每个板17均有水平的燃料反应气体流场通道19。
在这个实施例中，每个燃料电池8、9也包括组合电极组件20，这个组件包括聚合电解质质子交换膜(PEM)21、具有气体扩散层(GDL)的阴极22和具有GDL的阳极23，在PEM与每个GDL之间有催化剂。如图2箭头所示，在这个实施例中，空气会向上流过通道12-15；通常在一半的通道19中燃料会从右往左流(或相反)而在另一半的通道中(图中未显示)中燃料会从左往右流(或相反)。
板17上通常会有直径大约2微米左右的小孔。气体扩散层有直径大约25微米的小孔，为避免气体扩散层溢流，芯吸条带也应该有直径大约在2至25微米之间的小孔。
在图2中，在第一个实例中，电池内芯吸条带26从冷凝器33将水传送给电池内部芯吸条带16，参见图3所示的实施例。电池内芯吸条带26也作为潮湿均衡设备趋向于确保所有的电池潮湿度相同。同时电池内芯吸条带还作为水存储设备，把从反应物空气通道12-15产生的水收集起来并沿着板17扩散开以确保多孔渗水板整个上平面的水合作用。电池内芯吸条带必须是弱电导体，比如可以是纸、可湿聚酯纤维、或者聚丙烯的样式。芯吸条带上的纤维应该沿着水流预计的方向。
如图3简单所示，优选在燃料电池8、9的底部具有一个和芯吸条带26类似的附加电池内芯吸条带30。在底部，电池内芯吸条带30将不会用于传输冷凝物到各个电池，芯吸条带30将用于确保所有电池有相同的潮湿度，以及为产生的水提供存储。
在图1和图2中，电池内芯吸条带16在成对的反应物通道12、13；14、15之间的板17内。不过，电池内芯吸条带16和电池内芯吸条带26、30可以在N个反应物气体通道之间，其中，N是一到“若干”之间的一个整数，“若干”可以是4、5或者是10，甚至更多，这个数量取决于板17的小孔尺寸、多孔性、亲水性、厚度和其它特性。
在图3中，燃料电池8、9位于燃料电池堆32里面，在燃料电池堆上面装配了冷凝器33，冷凝器具有带有冷却剂空气进入歧管35和冷却剂空气排放歧管36的冷却剂空气气流管34。冷却剂空气从泵39流过进入管道40，歧管36的流出气体流过管道41并排出。来自燃料电池8、9的阴极废气流向上流入到氧化剂废气排放歧管室43中，并且歧管36的流出气体流过管道41并排出。来自燃料电池8、9的阴极废气向上流入到氧化剂废气排放歧管室43中，在这里，排放的空气通过冷却剂空气管34之间的空隙，且由此通过空气排放通道44并排放。阴极排放空气中的水蒸气在管34的表面上冷凝，在室43的底部通过电池内芯吸条带26将它们收集起来。反应物空气通过流体处理机46来提供，其包括其它部件之一，即结合到空气进入通道48的进入歧管47和空气泵49。
为了清楚起见这里没有示出，堆叠体32的顶部最好是密封覆盖的，在邻近电池内芯吸条带26和反应物气流通道12-15顶部的地方有孔，使得燃料电池8、9的顶部没有浸没到水中的情况下让空气向上流动并让湿气进入到芯。可选择地，组合电极组件20、21可以用硅胶或者适合粘在那的其它材料的条带来密封。其它任何适合的方法也可使用。
因为芯吸条带16、26通过室43通风，并不需要提供其它的排放。如果废气排放管道44太高就不能作为水溢出缓冲排放，那么可以在室33中提供一个高度合适的小排放(不可导不能带出大量阴极废气)。因此，在一般情况下，阴极不停地产生水，如果燃料电池使用过程中全负荷，一般就会产生多余的水。
本发明同时也可以在下送风的情况下实现，容器在堆叠体的底部。此实现方式在图1-3视图中显而易见。
如图4所示，芯吸条带16a可以放置在垂直燃料反应物气流通道19a之间的凹槽内。如果想要的话，芯吸条带(图中未显示)可以放置在一些水平燃料反应物气流通道19之间的水平凹槽(图中未显示)内，但电池之间的芯吸条带应该是水平的(在图1之前和之后)以避免阻挡到燃料的流动；那样需要额外的方法来把这些芯吸条带和一个冷凝器连通。
如图5所示，芯吸条带16在槽道53内部，槽道足够深以提供额外的氧化剂反应物气流通道。如果期望的话，所有的通道12-15可以像槽道53那样宽和深，均包括芯吸条带并且在同一槽道内提供了氧化剂气流。
如图6描述了另一个实施例，其中槽道57足够宽使得中间可以放置多个芯吸条带16，同时在每个芯吸条带的任意一边提供反应物气流通道12a、12b、13a、13b、14a、14b。
如图7描述了板17b，其具有有一个平坦的表面60，在里面没有槽道或氧化剂反应物气流现场通道。可选择地，氧化剂反应物气流现场通道12-15等通过相邻的芯吸条带16形成。在这种配置情况下，至少一部分，但最好是所有的芯吸条带16包含传导材料。
Claims (11)
1.一种燃料电池堆(32)，其特征在于：
多个燃料电池(8、9)，所述多个燃料电池包含多个多孔、亲水的导电隔离单板(17)，每个导电隔离单板具有与导电隔离单板的第一表面相邻的多个氧化剂反应物气流场通道(12-15)，和与所述第一表面相对的第二表面相邻的多个燃料反应物气流场通道(19、19a)，每一个所述导电隔离单板通过一个或多个组合电极组件(20)与相邻的一个或多个导电隔离单板隔开，组合电极组件包括带有气体扩散层(GDL)的阴极(22)和带有气体扩散层(GDL)的阳极(23)，每一个气体扩散层(GDL)与PEM隔膜通过催化剂隔开；以及
多个电池内部芯吸条带(16)；
所述反应物气流场通道形成在所述导电隔离单板的至少一个所述表面(60)附近，所述反应物气流场通道由(a)凹槽(11)形成，凹槽从相应的一个所述表面延伸入所述导电隔离单板，并且(i)所述电池内部芯吸条带在所述凹槽之内，或者(ii)所述电池内部芯吸条带在一些所述凹槽之间的槽道之内；或者(b)由所述电池内部芯吸条带形成，所述电池内部芯吸条带被放置成相互隔开，在所述相应平面成平坦地隔开关系，相邻所述电池内部芯吸条带之间的空隙形成所述反应物气流场通道。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆(32)，其中：所述导电隔离单板是基本亲水且多孔的。
3.根据权利要求1所述的燃料电池堆(32)，其中：所述电池内部芯吸条带(16)在槽道内，每个所述槽道与相邻的槽道被N个所述凹槽隔开，其中N是一到若干之间的整数。
4.根据权利要求1所述的燃料电池堆(32)，其中：所述氧化剂反应物气流场通道(12-15)由从所述第一表面延伸入所述导电隔离单板的凹槽形成。
5.根据权利要求4所述的燃料电池堆(32)，其中：所述氧化剂反应物气流场通道是基本垂直的。
6.一种燃料电池电源装置，其特征在于：
根据权利要求5所述燃料电池堆(32)，其进一步特征是：
多个电池内芯吸条带(26，30)与在每个所述导电隔离单板上相应的至少一个所述电池内部芯吸条带(16，16a)成流体连通，在所述电池中的所述电池内部芯吸条带(16，16a)与相应的一个所述电池内芯吸条带(26，30)成流体连通；
与所述燃料电池堆(32)相邻放置的氧化剂废气排放歧管室(43)与所述氧化剂反应物气流场通道(12-15)成流体连通；
带有冷却剂空气管(34)的冷凝器(33)布置在所述氧化剂废气排放歧管室内，通过冷却剂空气管冷却剂空气能够流动，来自所述氧化剂反应物气流场通道的废气通过所述歧管使得所述废气中的水蒸气被所述室中的所述冷却剂空气管冷凝；
被放置在所述燃料电池堆的顶部(26)和/或底部(30)的所述多个电池内芯吸条带(26，30)与来自冷凝器的冷凝物成流体连通，其方向与所述导电隔离单板(17)的平面成基本横向，每个均与相应的所述电池内部芯吸条带(16，16a)的顶部或底部成流体连通；和
提供氧化剂反应物气体通过所述氧化剂反应物气流场通道的流体处理机(46)。
7.根据权利要求6所述的燃料电池电源装置，其中：所述电池内芯吸条带(26，30)被同时放置在所述燃料电池堆的顶部(26)和底部(30)。
8.根据权利要求6所述的燃料电池电源装置，其中：所述氧化剂废气排放歧管室(43)被放置在所述燃料电池堆(32)之上。
9.根据权利要求1所述的燃料电池堆(32)，其进一步特征是：
多个电池内芯吸条带(26，30)，每个均与在每个所述导电隔离单板(17)中相应的一个电池内部芯吸条带(16，16a)成流体连通，基本上，所有所述电池的电池内部芯吸条带(16，16a)与相应的一个所述电池内芯吸条带(26，30)成流体连通。
10.根据权利要求9所述的燃料电池堆(32)，其中：
基本上一半所述电池内芯吸条带(26)在所述燃料电池堆的一面，另一半所述电池内芯吸条带(26)在所述燃料电池堆的另一面。
11.一种燃料电池电源装置，其特征在于：
根据权利要求5所述的燃料电池堆(32)，其进一步特征是：
多个电池内芯吸条带(26，30)，每个电池内芯吸条带均与每个所述导电隔离单板中相应的一个所述电池内部芯吸条带(16，16a)成流体连通，在所有所述电池中的电池内部芯吸条带(16，16a)与相应的一个所述电池内芯吸条带(26，30)成流体连通；
与所述燃料电池堆(32)相邻放置的氧化剂废气排放歧管室(43)与所述氧化剂反应物气流场通道(12-15)成流体连通；
带有冷却剂空气管(34)的冷凝器(33)被放置在氧化剂废气排放歧管室里，其中冷却剂空气通过冷却剂空气管流动，来自所述氧化剂反应物气流场通道的废气通过所述歧管使得所述废气中的水蒸气被所述室中的所述冷却剂空气管冷凝；
被放置在所述燃料电池堆的顶部(26)和/或底部(30)的所述多个电池内芯吸条带(26，30)与来自冷凝器的冷凝物成流体连通，其方向与所述导电隔离单板(17)的平面成基本横向，每个均与相应的所述电池内部芯吸条带(16，16a)的顶部或底部成流体连通；还有
用于氧化剂反应气体垂直流过所述氧化剂反应物气流场通道的流体处理机(46)。
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