CN101425589B

CN101425589B - 一种集成式的内增湿燃料电池

Info

Publication number: CN101425589B
Application number: CN2007100475725A
Authority: CN
Inventors: 胡里清; 王泽民; 章波
Original assignee: Shanghai Shen Li High Tech Co Ltd
Current assignee: State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd; Shanghai Shenli Technology Co Ltd
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2027-10-30
Also published as: CN101425589A

Abstract

本发明涉及一种集成式的内增湿燃料电池，该燃料电池包括至少一对增湿堆和发电堆、中央集流板，所述的增湿堆和发电堆对称设置在中央集流板两侧，所述的中央集流板上靠近增湿堆一侧设有总氢气进口、总空气进口、总冷却流体出口，所述的中央集流板上靠近发电堆一侧设有总氢气出口、总空气出口、总冷却流体进口，所述的总氢气进口、总空气进口、总冷却流体出口与总氢气出口、总空气出口、总冷却流体进口对称不相通设置于中央集流板上，所述的增湿堆的氢气出口、空气出口、冷却流体进口分别与发电堆的氢气进口、空气进口、冷却流体出口相通。与现有技术相比，本发明具有结构简单、管道少等优点。

Description

一种集成式的内增湿燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种具有内增湿装置的质子交换膜燃料电池的集成方法。

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，又可用作手提式、移动式、固定式的发电装置。质子交换膜燃料电池中核心部件是膜电极，而质子交换膜又是膜电极中的核心部件。

目前质子交换膜燃料电池膜电极中所用的质子交换膜，在电池运行过程中需要有水分子存在保湿。因为只有水化的质子才可以自由地穿过质子交换膜，从电极阳极端到达电极阴极端参加电化学反应，否则，当大量干燥的燃料氢气或空气从膜电极两侧流过时，容易将质子交换膜中的水分子带跑，此时质子交换膜处于较干燥状态，质子无法穿过质子交换膜，导致电极内阻急剧增加，电池性能急剧下降。所以，向燃料电池供应的燃料氢气或空气一般来说需要经过增湿，使进入燃料电池的燃料氢气或空气相对湿度提高，以免使质子交换膜失水。

目前应用于质子交换膜燃料电池增湿的方式主要有二类：

(1)外增湿：湿化装置与燃料电池组分开，并在燃料电池组外部独立存在的湿化装置。主要通过燃料氢气体或空气气体直接在这种外增湿装置中与水分子通过充分混合碰撞促使气体吸收汽化的水分子。

(2)内增湿：内增湿装置是燃料电池组组成的一部分。燃料电池组分为二个部分，一个部分叫内增湿段，另一个部分叫电池活性工作段。内增湿段由增湿导流板与增湿电极构成，而电池活性工作段由导流板与膜电极构成。增湿电极往往由一种可以进行水分子自由交换的膜组成，例如杜邦公司牌号叫Nafion_的离子交换膜，这种膜可以让去离子水在膜的一边流动，而让燃料气体或氧化剂气体，如空气在膜的另一边流动，膜可以将燃料气体或空气与液态水分子分隔开，但水分子又可以自由穿过膜进入燃料气体或空气中去，而达到湿化目的。

在考虑到燃料电池的整体紧凑性与尽量节约燃料电池系统的体积时，往往采用内增湿的方式比外增湿有较大的优势。目前内增湿的技术有以下二种工程设计与制造方法，并已经在US Patent5,382,478中报道。

方法一：将内增湿段放在燃料电池组的后端，如图1a、图1b、图1c所示，设有空气进气口1、空气出气口2、氢气进气口3、氢气出气口4、冷却水进口5、冷却水出口6、燃料电池发电段7、燃料电池增湿段8、增湿空气进口段9、增湿氢气进口段10、冷却水进口段11。

方法二：将内增湿段放在燃料电池组的前端，如图2a、图2b、图2c所示，该设计方法的原理就是先将燃料氢气及氧化剂空气或纯氧先经过电池组的增湿段，使燃料氢气、氧化剂空气或纯氧达到一定的相对湿度，然后再进入电池段反应，而冷却去离子水先进入电池段将电池段反应热带出，再在电池组增湿段与燃料氢气、氧化剂空气或纯氧进行水、热交换，达到能量效率提高的目的。

上述设计方法虽然可以达到增湿目的，但存在以下缺陷：

①燃料电池发电段的导流板与电极上面一般有六只导流孔，分别是燃料氢气进与出，氧化剂空气进与出，冷却水进与出。这样，不管上述设计的增湿段放在整个电池组后面或前面，增湿导流板与增湿膜隔片上面的导流孔必须大大多于六只。例如当燃料电池组增湿段放在燃料电池组发电段前面时，不管发电段的导流板与电极上面的六只导流孔位置如何，在增湿段的增湿导流板与增湿膜隔片上必须增加三个导流孔，分别是燃料氢气进，氧化剂空气进以及冷却水出。

如图2a、图2b、图2c所示，燃料电池组发电段(后段)的六只导流孔位置分别是：空气出口1、增湿空气进口段9、增湿氢气进口段10、氢气出口4、冷却水进口5、冷却水出口11。而燃料电池组增湿段(前段)的增湿导流板与增湿膜隔片上可以与发电段上的导流板与电极上的导流孔处于同一位置的导流孔分别有：空气出口1、增湿空气进口段9、增湿氢气出口段10、氢气进口4、冷却水进口5、冷却水出口11。而增湿导流板与增湿膜隔片上还必须有空气进口2、氢气进口3、冷却水出口6，上述三个导流孔的位置无论如何无法与发电段上的导流板与电极上的导流孔位置一样。

当燃料电池组增湿段放在燃料电池组发电段后面时，情况更严重。后面发电段的导流板与电极上面除了六只导流孔外，还增加了额外的三个导流孔，这些导流孔分别是：空气进1、进增湿段后的空气进9、氢气进4、进增湿段后的氢气进10、冷却水进5、空气出2、氢气出3、冷却水出11进增湿段，以及冷却水出6从增湿段出来，上述导流孔共有九个，如图2d。

所以增湿段放在整个电池组后面或前面，增湿板(导流板)与增湿膜隔片或者是发电段的导流极板与电极都会导致额外地增加了许多导流孔。这些导流孔的存在大大占用了增湿导流板及增湿隔膜片或发电段的导流极板及电极的有效工作面积。从而使整个增湿段长度或发电段长度增长，从而使整个电池组的功率密度降低。

②这些额外的不规则的导流孔存在使电池组增湿段导流板及增湿隔膜片或发电段的导流极板及电极的加工必须特殊设计与考虑，由于增湿段的导流板及增湿隔膜片与电池段的导流板及电极形状上完全不一样，许多材料如密封圈等无法统一制作使用，从而浪费了许多材料。

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结构简单、管道少的集成式的内增湿燃料电池。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种集成式的内增湿燃料电池，其特征在于，该燃料电池包括至少一对增湿堆和发电堆、中央集流板，所述的增湿堆和发电堆对称设置在中央集流板两侧，所述的中央集流板上靠近增湿堆一侧设有总氢气进口、总空气进口、总冷却流体出口，所述的中央集流板上靠近发电堆一侧设有总氢气出口、总空气出口、总冷却流体进口，所述的总氢气进口、总空气进口、总冷却流体出口与总氢气出口、总空气出口、总冷却流体进口对称不相通设置于中央集流板上，各个增湿堆的氢气出口、空气出口、冷却流体进口分别与各个对称设置的发电堆的氢气进口、空气进口、冷却流体出口相通，氢气、空气分别从总氢气进口、总空气进口进入增湿堆，经过各个增湿堆增湿后从各个增湿堆的氢气出口、空气出口进入与其相通的对称设置在中央集流板两侧的各个发电堆氢气进口、空气进口进入各个发电堆，发生电化学反应后从中央集流板上靠近各个发电堆一侧的总氢气出口、总空气出口流出，冷却流体从总冷却流体进口进入各个发电堆，经过各个发电堆后，从各个发电堆的冷却流体出口进入与其相通的各个增湿堆的冷却流体入口，经过增湿堆后从中央集流板上靠近增湿堆一侧的总冷却流体出口流出。

所述的总氢气进口、总空气进口、总冷却流体出口有1～5个，设置在中央集流板上靠近增湿堆一侧的前端、后端或下端，所述的总氢气出口、总空气出口、总冷却流体进口有1～5个，设置在中央集流板上靠近发电堆一侧的前端、后端或下端。

所述的燃料电池包括两个增湿堆，前后设置于中央集流板一侧，所述的燃料电池包括两个发电堆，前后设置于中央集流板另一侧，并与增湿堆对称。

所述的燃料电池包括两个增湿堆，上下设置于中央集流板一侧，所述的燃料电池包括两个发电堆，上下设置于中央集流板另一侧，并与增湿堆对称。

所述的燃料电池包括四个增湿堆，前后设置于中央集流板一侧，所述的燃料电池包括四个发电堆，前后设置于中央集流板另一侧，并与增湿堆对称。

所述的燃料电池包括四个增湿堆，上下设置于中央集流板一侧，所述的燃料电池包括四个发电堆，上下设置于中央集流板另一侧，并与增湿堆对称。

所述的述的燃料电池包括四个增湿堆，前后上下设置于中央集流板一侧，所述的燃料电池包括四个发电堆，前后上下设置于中央集流板另一侧，并与增湿堆对称。

所述的增湿堆的导流板与发电堆的导流板大小相同，导流板上设有设计、加工完全一致的空气进出孔、氢气进出孔、冷却水进出孔。

所述的增湿堆的导流板材料包括金属不锈钢、聚碳酸酯塑料、环氧板；增湿堆的增湿膜片由透水但不透气的离子交换膜构成。

所述的冷却流体为去离子水。

与现有技术相比，本发明将燃料电池的流体进出口集中到中央集流板上，增湿导流板及增湿隔膜片上的导流孔大小、数量、位置，与电池堆中的导流板及增湿隔膜片上的导流孔大小、数量、位置完全一样，从而既提高了增湿段导流板及增湿膜片的有效工作面积，又可以在设计上与电池段上的导流板及电极保持一致，使某些材料(如密封圈等)可以通用。本发明具有结构简单、管道少等特点。

附图说明

图1a为现有后内增湿燃料电池空气流向示意图；

图1b为现有后内增湿燃料电池氢气流向示意图；

图1c为现有后内增湿燃料电池冷却水流向示意图；

图2a为现有前内增湿燃料电池空气流向示意图；

图2b为现有前内增湿燃料电池氢气流向示意图；

图2c为现有前内增湿燃料电池冷却水流向示意图；

图2d为现有后内增湿燃料电池发电段导流板与电极结构示意图；

图3a为本发明集成式的内增湿燃料电池空气流向示意图；

图3b为本发明集成式的内增湿燃料电池氢气流向示意图；

图3c为本发明集成式的内增湿燃料电池冷却水流向示意图；

图4为本发明实施例1集成式的内增湿燃料电池电极与增湿膜片的结构示意图；

图5为本发明实施例1集成式的内增湿燃料电池；

图6为本发明实施例2集成式的内增湿燃料电池电极与增湿膜片的结构示意图；

图7为本发明实施例2集成式的内增湿燃料电池；

图8为本发明实施例3集成式的内增湿燃料电池；

图9为本发明实施例4集成式的内增湿燃料电池。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1

如图3a、3b、3c、5所示，一种集成式的内增湿燃料电池，其增湿堆的导流板与增湿膜片尺寸相同为206mm×206mm，长500mm，燃料电池包括增湿堆A1和发电堆A2、中央集流板12，所述的增湿堆A1和发电堆A2对称设置在中央集流板12两侧，所述的中央集流板12上靠近增湿堆A1一侧设有总氢气进口3、总空气进口1、总冷却流体出口6，所述的中央集流板12上靠近发电堆A2一侧设有总氢气出口4、总空气出口2、总冷却流体进口5，所述的总氢气进口3、总空气进口2、总冷却流体出口6与总氢气出口4、总空气出口2、总冷却流体进口5对称不相通设置于中央集流板12前端，所述的增湿堆A1的氢气出口4’、空气出口2’、冷却流体进口5’分别与发电堆A2的氢气进口3’、空气进口1’、冷却流体出口6’相通，氢气、空气分别从总氢气进口3、总空气进口1进入增湿堆A1，经过增湿堆A1增湿后从增湿堆A1的氢气出口4’、空气出口2’进入与其相通的发电堆A2氢气进口3’、空气进口1’进入发电堆A2，发生电化学反应后从中央集流板12上靠近发电堆A2一侧的总氢气出口4、总空气出口2流出，冷却流体从总冷却流体进口5进入发电堆A2，经过发电堆A2后，从发电堆A2的冷却流体出口6’进入与其相通的增湿堆A1的冷却流体入口5’，经过增湿堆A1后从中央集流板12上靠近增湿堆A1一侧的总冷却流体出口6流出。

其中，电极与增湿膜片如图4所示，其“三进三出”流体口设置在四角处，空气进口1、空气出口2、氢气进口3、氢气出口4、冷却水进口5、冷却水出口6。

所述的增湿堆的导流板与发电堆的导流板大小相同，尺寸为206mm×206mm，导流板上设有设计、加工完全一致的空气进出孔、氢气进出孔、冷却水进出孔；所述的增湿堆的导流板材料为环氧板；增湿堆的电极由透水但不透气的离子交换膜构成；所述的冷却流体为去离子水。

实施例2

如图7所示，一种集成式的内增湿燃料电池，该集成式燃料电池堆包括两对燃料电池增湿堆A1、B1和发电堆A2、B2，电极与增湿膜片如图6所示，与导流板尺寸大小一样为100mm×200mm，中央集流板12上设有一个总空气进口1、一个总空气出口2、两个总氢气进口3、两个总氢气出口4、两个总冷却流体进口5、两个总冷却流体出口6，所述的增湿堆A1、B1前后设置于中央集流板12一侧，所述的发电堆A2、B2前后设置于中央集流板另一侧，并与增湿堆对称，所述的总氢气进口3、总空气进口1、总冷却流体出口6与总氢气出口4、总空气出口2、总冷却流体进口5对称不相通设置于中央集流板前端和/或下端；所述的增湿堆的导流板材料为金属不锈钢。其余同实施例1。

实施例3

如图8所示，一种集成式的内增湿燃料电池，其导流板与电极增湿膜片尺寸同上，该集成式燃料电池堆包括四对燃料电池增湿堆A1、B1、C1、D1和发电堆A2、B2、C2、D2，所述的增湿堆A1、B1、C1、D1前后上下设置于中央集流板12一侧，所述的发电堆A2、B2、C2、D2前后上下设置于中央集流板另一侧，并与增湿堆对称，所述的总氢气进口3、总空气进口1、总冷却流体出口6与总氢气出口4、总空气出口2、总冷却流体进口5对称不相通设置于中央集流板前端；所述的增湿堆的导流板材料为聚碳酸酯塑料。其余同实施例1。

实施例4

如图9所示，一种集成式的内增湿燃料电池，其导流板与电极增湿膜片尺寸同上，该集成式燃料电池堆包括四对燃料电池增湿堆A1、B1、C1、D1和发电堆A2、B2、C2、D2，所述的增湿堆A1、B1、C1、D1前后上下设置于中央集流板12一侧，所述的发电堆A2、B2、C2、D2前后上下设置于中央集流板另一侧，并与增湿堆对称，上下设置的增湿堆A1、B1和与其同侧前后设置的C1、D1之间留有缝隙，将总氢气进口3、总空气进口1、总冷却流体出口6设置于上述缝隙处中央集流板12的左端，总氢气出口4、总空气出口2、总冷却流体进口5对称不相通设置于发电堆A2、B2和C2、D2之间缝隙处的中央集流板12的右端；所述的增湿堆的导流板材料为聚碳酸酯塑料。其余同实施例1。

所述的总氢气进口、总空气进口、总冷却流体出口可设置1～5个，设置在中央集流板上靠近增湿堆一侧的前端、后端或下端，所述的总氢气出口、总空气出口、总冷却流体进口可设置1～5个，设置在中央集流板上靠近发电堆一侧的前端、后端或下端。

所述的燃料电池还可包括两个增湿堆，上下设置于中央集流板一侧，所述的燃料电池包括两个发电堆，上下设置于中央集流板另一侧，并与增湿堆对称。

所述的燃料电池还可包括四个增湿堆，前后设置于中央集流板一侧，所述的燃料电池包括四个发电堆，前后设置于中央集流板另一侧，并与增湿堆对称。

所述的燃料电池还可包括四个增湿堆，上下设置于中央集流板一侧，所述的燃料电池包括四个发电堆，上下设置于中央集流板另一侧，并与增湿堆对称。

Claims

1.一种集成式的内增湿燃料电池，其特征在于，该燃料电池包括至少一对增湿堆和发电堆、中央集流板，所述的增湿堆和发电堆对称设置在中央集流板两侧，所述的中央集流板上靠近增湿堆一侧设有总氢气进口、总空气进口、总冷却流体出口，所述的中央集流板上靠近发电堆一侧设有总氢气出口、总空气出口、总冷却流体进口，所述的总氢气进口、总空气进口、总冷却流体出口与总氢气出口、总空气出口、总冷却流体进口对称不相通设置于中央集流板上，各个增湿堆的氢气出口、空气出口、冷却流体进口分别与各个对称设置的发电堆的氢气进口、空气进口、冷却流体出口相通，氢气、空气分别从总氢气进口、总空气进口进入增湿堆，经过各个增湿堆增湿后从各个增湿堆的氢气出口、空气出口进入与其相通的对称设置在中央集流板两侧的各个发电堆氢气进口、空气进口进入各个发电堆，发生电化学反应后从中央集流板上靠近各个发电堆一侧的总氢气出口、总空气出口流出，冷却流体从总冷却流体进口进入各个发电堆，经过各个发电堆后，从各个发电堆的冷却流体出口进入与其相通的各个增湿堆的冷却流体入口，经过增湿堆后从中央集流板上靠近增湿堆一侧的总冷却流体出口流出。

2.根据权利要求1所述的一种集成式的内增湿燃料电池，其特征在于，所述的总氢气进口、总空气进口、总冷却流体出口设置在中央集流板上靠近增湿堆一侧的前端、后端、左端、右端或下端，所述的总氢气出口、总空气出口、总冷却流体进口设置在中央集流板上靠近发电堆一侧的前端、后端或下端。

3.根据权利要求1所述的一种集成式的内增湿燃料电池，其特征在于，所述的燃料电池包括两个增湿堆，前后设置于中央集流板一侧，所述的燃料电池包括两个发电堆，前后设置于中央集流板另一侧，并与增湿堆对称。

4.根据权利要求1所述的一种集成式的内增湿燃料电池，其特征在于，所述的燃料电池包括两个增湿堆，上下设置于中央集流板一侧，所述的燃料电池包括两个发电堆，上下设置于中央集流板另一侧，并与增湿堆对称。

5.根据权利要求1所述的一种集成式的内增湿燃料电池，其特征在于，所述的燃料电池包括四个增湿堆，前后设置于中央集流板一侧，所述的燃料电池包括四个发电堆，前后设置于中央集流板另一侧，并与增湿堆对称。

6.根据权利要求1所述的一种集成式的内增湿燃料电池，其特征在于，所述的燃料电池包括四个增湿堆，上下设置于中央集流板一侧，所述的燃料电池包括四个发电堆，上下设置于中央集流板另一侧，并与增湿堆对称。

7.根据权利要求1所述的一种集成式的内增湿燃料电池，其特征在于，所述的述的燃料电池包括四个增湿堆，前后上下设置于中央集流板一侧，所述的燃料电池包括四个发电堆，前后上下设置于中央集流板另一侧，并与增湿堆对称。

8.根据权利要求1所述的一种集成式的内增湿燃料电池，其特征在于，所述的增湿堆的导流板与发电堆的导流板大小相同，导流板上设有设计、加工完全一致的空气进出孔、氢气进出孔、冷却水进出孔。

9.根据权利要求1所述的一种集成式的内增湿燃料电池，其特征在于，所述的增湿堆的导流板材料包括不锈钢、聚碳酸酯塑料、环氧板；增湿堆的增湿膜片由透水但不透气的离子交换膜构成。

10.根据权利要求1所述的一种集成式的内增湿燃料电池，其特征在于，所述的冷却流体为去离子水。