CN103956511A - 一种具有自加湿功能的燃料电池结构 - Google Patents

一种具有自加湿功能的燃料电池结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有自加湿功能的燃料电池结构，该燃料电池结构包含若干燃料电池单元，其中，每个燃料电池单元包括：设置在燃料电池单元两端的密封圈；设置在燃料电池单元中间的膜电极；及，分别设置在膜电极两侧的氧极板、氢极板；其中，该氢极板、氧极板至少一个具有自加湿结构，该自加湿结构选择微孔极板，或，多孔极板与膜的组合，具有阻气透水功能。本发明的燃料电池结构可以通过中间冷却水板中的水透过透水阻气膜或微孔加湿极板，对燃料电池的膜电极进行加湿，避免使用外部增湿装置，减少系统组件，减轻系统重量，同时降低了加湿装置带来的系统能耗。

Description

一种具有自加湿功能的燃料电池结构
技术领域
本发明涉及燃料电池制备领域，具体涉及一种具有自加湿功能的燃料电池结构。
背景技术
在燃料电池系统航天器应用中，纯氢、纯氧系统中存在的电驱动运动部件不但增加系统寄生能耗、额外重量和复杂性，还大大降低了系统可靠性，甚至会带来灾难性事故；系统中的主动式循环液冷散热等辅助系统重量大，也同样带来较高的寄生能耗、可靠性低等问题。简化系统结构、降低系统辅助能耗，是燃料电池发展的主要方向之一。
目前，简化燃料电池系统主要方向是简化增湿系统。PEMFC反应气体的增湿方式可分为外增湿和内增湿。外增湿是指在反应气体进入系统前通过外部装置进行加湿。通常采用升温增湿、喷淋增湿、循环增湿和注射增湿等增湿方式，但这些增湿方式均需要外部增湿装置并对其进行加热。为减小系统重量和体积，简化系统增湿，内增湿逐渐应用到燃料电池系统中。内增湿是指采用渗透膜对反应气体进行加湿，主要依靠膜的阻气透水功能实现干气的加湿。其实质是在电池外部增加一个假电池，用电池本身生成的热来加热水，并使之加湿干气，无需外部单独的加湿装置，减少了系统的外部辅助设备。但无论外加湿还是内加湿都增大了燃料电池的尺寸和重量。
具有自加湿功能燃料电池结构可以在不需要增加外部加湿器和循环泵的条件下实现燃料电池加湿，对于降低系统的能耗、减少系统组件和降低成本都有很大的作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有自加湿功能的燃料电池结构，该结构可以实现燃料电池不需要外部加湿设备和假电池加湿器等就可实现燃料电池内部加湿；同时，该结构可根据需要对单侧气体介质加湿。
为达到上述目的，本发明提供了一种具有自加湿功能的燃料电池结构，该燃料电池结构包含若干燃料电池单元，其中，每个燃料电池单元包括：
设置在燃料电池单元两端的密封圈；
设置在燃料电池单元中间的膜电极；及
分别设置在膜电极两侧的氧极板、氢极板；
其中，所述的氢极板、氧极板至少一个具有自加湿结构，该自加湿结构选择微孔极板，或，多孔极板与膜的组合，具有阻气透水功能。
上述的具有自加湿功能的燃料电池结构，其中，所述的氧极板为微孔水氧加湿极板，所述的氢极板为微孔单氢加湿极板，所述微孔水氧加湿极板、微孔单氢加湿极板的微孔的孔径控制在0.1um~1um之间。该电池结构能实现氢侧和氧侧自加湿功能。
上述的具有自加湿功能的燃料电池结构，其中，所述的微孔水氧加湿极板、微孔单氢加湿极板具有阻气透水功能，其材料为具有良好导电性能的石墨板或碳板。
上述的具有自加湿功能的燃料电池结构，其中，所述的氢极板为常规的单氢板，所述的氧极板为多孔单氧加湿极板与膜的组合，其中，多孔单氧加湿极板位于膜电极与膜之间；该电池结构中，按照单氢板、膜电极、多孔单氧加湿极板及膜的顺序依次重复排列组成，该电池结构能实现氧侧自加湿功能。
上述的具有自加湿功能的燃料电池结构，其中，所述的氧极板为常规的水氧板，所述的氢极板为多孔单氢加湿极板与膜的组合，其中，多孔单氢加湿极板位于膜电极与膜之间；该电池结构中，按照水氧板、膜电极、多孔单氢加湿极板及膜的顺序依次重复排列组成，该电池结构能实现氢侧自加湿功能。 
上述的具有自加湿功能的燃料电池结构，其中，所述的多孔单氧加湿极板及多孔单氢加湿极板选择表面具有加工的细孔的导电性能良好的石墨板、不锈钢或钛板，其中，所述细孔的孔径为0.2mm~1mm，所述膜的孔径为0.1um~1um。
上述的具有自加湿功能的燃料电池结构，其中，所述的氧极板为多孔单氧加湿极板与膜的组合；所述的氢极板为多孔单氢加湿极板与膜的组合；在该电池结构中，按照膜、多孔单氧加湿极板、膜电极、多孔单氢加湿极板及膜的顺序依次重复排列组成，该电池结构能实现氢侧和氧侧自加湿功能。
上述的具有自加湿功能的燃料电池结构，其中，在两个燃料电池单元之间还设置有多孔冷却水板；在该电池结构中，按照膜、多孔单氧加湿极板、膜电极、多孔单氢加湿极板、膜，及，多孔冷却水板的顺序依次重复排列组成，该电池结构能实现氢侧和氧侧自加湿功能。
上述的具有自加湿功能的燃料电池结构，其中，所述的多孔单氧加湿极板、多孔单氢加湿极板及多孔冷却水板的表面具有加工的细孔，其材料选择导电性能良好的石墨板、不锈钢或钛板。
上述的具有自加湿功能的燃料电池结构，其中，所述的多孔单氧加湿极板、多孔单氢加湿极板及多孔冷却水板的表面的细孔的孔径为0.2mm~1mm，所述膜的孔径为0.1um~1um。 
本发明相比较于外置加湿器或 “假电池”式加湿器，结构更加简化，重量减轻30%以上，且无须外部另外提供加热。为保证每个电池的均匀加湿，该结构针对每个电池单元均有相应的加湿。该结构主要的原理是燃料电池运行过程中，冷却水流场内的水通过加湿孔或微孔进入氧侧和氢侧活性区域，由于膜、微孔水氧加湿极板和微孔单氢加湿极板可以透水但对气体具有阻碍作用，所以反应气体介质不会通过加湿板进入冷却水板侧。
附图说明
图1 为需要外部加湿的常规燃料电池结构。
图2 为本发明的具有氢侧和氧侧自加湿功能的微孔极板燃料电池结构。
图3 为本发明的具有氧侧自加湿功能的多孔极板燃料电池结构。
图4 为本发明的具有氢侧和氧侧自加湿功能的多孔极板燃料电池结构。
图5 为本发明的具有自加湿功能的燃料电池结构的多孔单氧加湿极板的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种具有自加湿功能的燃料电池结构，该燃料电池结构包含若干燃料电池单元，其中，每个燃料电池单元包括：
设置在燃料电池单元两端的密封圈；
设置在燃料电池单元中间的膜电极；及
分别设置在膜电极两侧的氧极板、氢极板；
其中，所述的氢极板、氧极板至少一个具有自加湿结构，该自加湿结构选择微孔极板，或，多孔极板与膜的组合，具有阻气透水功能。
以下结合实施例与附图对本发明的技术方案作进一步地说明。
实施例1
常规的一个完整单体燃料电池包括密封圈10、水氧板20、膜电极30和单氢板40，如图1所示。
在本实施例中，如图2所示，提供了一种具有氢侧和氧侧自加湿功能的微孔极板燃料电池结构，该电池结构包含若干串联的燃料电池单元，其中每一个完整单体燃料电池包括：
置在燃料电池单元两端的密封圈10；
设置在燃料电池单元中间的膜电极30；及
    分别设置在膜电极30两侧的微孔水氧加湿极板21、微孔单氢加湿极板41。
燃料电池加湿水来源于具有75℃~80℃的冷却水。加湿水经冷却水流场，通过微孔加湿极板表面和内部的微孔进入气体介质流场，进而对燃料电池膜电极30和气体加湿，实现燃料电池的自加湿功能。
本发明采用的微孔极板（微孔水氧加湿极板、微孔单氢加湿极板）对微孔的大小有严格的要求，必须保证微孔对气体的阻碍作用，同时水能透过；大小控制在0.1um~1um。另外一个要求是极板本身的具有导电性，优选石墨板或碳板。该结构可以最大程度地简化燃料电池的加湿结构。
实施例2
如图3所示，为本发明提供的另一种具有氧侧自加湿功能的多孔极板燃料电池结构，该电池结构包含若干串联的燃料电池单元，其中每一个完整单体燃料电池包括：
置在燃料电池单元两端的密封圈10；
设置在燃料电池单元中间的膜电极30； 
分别设置在膜电极30两侧的氢极板、具有自加湿结构的氧极板。
所述的具有自加湿结构的氧极板为多孔单氧加湿极板22与膜50的组合，多孔单氧加湿极板22位于膜电极30与膜50之间；该电池结构中，按照单氢板40、膜电极30、多孔单氧加湿极板22及膜50的顺序组装单体电池，并结合单电池重复单元100’’组装电堆，该电池结构能实现氧侧自加湿功能。
该结构可实现单侧氧气或空气加湿。燃料电池加湿水来源于具有75℃~80℃的冷却水。加湿水经膜50进入氧气或空气的流场中，进而对燃料电池膜电极30和气体加湿。
本发明采用的膜50是本实施例实施的关键，可根据电堆反应需要的气体流量调节膜50的透水率，在满足加湿需要的同时，避免加湿水的浪费。透水阻气膜的孔径大小控制在0.1um~1um之间。多孔单氧加湿极板的材料可以采用石墨板、不锈钢板和钛板等，极板表面的细孔可根据材料的不同加工的方法也不同。石墨板可以采用机铣的方法加工，不锈钢和钛板可以采用冲压的方法。孔的大小控制在0.2mm~1mm之间。
另一选择，本发明的电池结构也可以按照水氧板20、膜50、多孔单氢加湿极板42和膜电极30的顺序组装单电池，并结合单电池重复单元100’’组装电堆，该电堆结构能实现氢侧自加湿功能。
实施例3
如图4所示，提供了一种具有氢侧和氧侧自加湿功能的多孔极板燃料电池结构，该电池结构包含若干串联的燃料电池单元，在两个所述燃料电池单元之间还设置有多孔冷却水板60；其中每一个完整单体燃料电池包括：
置在燃料电池单元两端的密封圈10；
设置在燃料电池单元中间的膜电极30； 
分别设置在膜电极30两侧的具有自加湿结构的氧极板、具有自加湿结构的氢极板；
其中，所述的氧极板为多孔单氧加湿极板22与膜50的组合；所述的氢极板为多孔单氢加湿极板42与膜50的组合；在该电池结构中，按照膜50、多孔单氧加湿极板22、膜电极30、多孔单氢加湿极板42、膜50，及，多孔冷却水板60的顺序组装单电池，并结合单电池重复单元100’’’组装电堆。该电池结构能实现氢侧和氧侧自加湿功能。
如图5所示为多孔单氧加湿极板22的结构示意图，该多孔单氧加湿极板区别于图2中微孔结构的极板结构，该多孔单氧加湿极板22的两端设置有密封圈10，该多孔单氧加湿极板22内设置有若干加湿孔70，该加湿孔的直径在0.2~1mm之间，结合微孔膜50一起使用；水通过微孔膜50进入到多孔单氧加湿极板22的加湿孔70内，经流场80将加湿水引入到膜电极30反应侧，起到自加湿效果。该极板设置在图4中22的位置，作用就是将加湿水引至电极反应测。
本实施例的燃料电池加湿水来源于具有75℃~80℃的冷却水。加湿水经膜50进入氧气或空气的流场80中，进而对燃料电池膜电极30和气体加湿。
本发明采用的膜50是本案例实施的关键，可根据电堆反应需要的气体流量调节膜50的透水率，在满足加湿需要的同时，避免加湿水的浪费。膜50的孔径大小控制在0.1um~1um之间，可根据加湿需要的水量调节膜50孔径的大小。多孔单氧加湿极板22、多孔单氢加湿极板42和多孔冷却水板60材料可以采用石墨板、不锈钢板和钛板等，极板表面的细孔可根据材料的不同加工的方法也不同。石墨板可以采用机铣的方法加工，不锈钢和钛板可以采用冲压的方法。孔的大小控制在0.2mm~1mm之间。
本发明相比较于外置加湿器或 “假电池”式加湿器，结构更加简化，重量减轻30%以上，且无须外部另外提供加热。为保证每个电池的均匀加湿，该结构针对每个电池单元均有相应的加湿。该结构主要的原理是燃料电池运行过程中，冷却水流场内的水通过加湿孔或微孔进入氧侧和氢侧活性区域，由于膜、微孔水氧加湿极板和微孔单氢加湿极板可以透水但对气体具有阻碍作用，所以反应气体介质不会通过加湿板进入冷却水板侧。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种具有自加湿功能的燃料电池结构，该燃料电池结构包含若干燃料电池单元，其特征在于，每个燃料电池单元包括：
       设置在燃料电池单元两端的密封圈（10）；
设置在燃料电池单元中间的膜电极（30）；及
       分别设置在膜电极（30）两侧的氧极板、氢极板；
其中，所述的氢极板、氧极板至少一个具有自加湿结构，该自加湿结构选择微孔极板，或，多孔极板与膜的组合，具有阻气透水功能。
2.如权利要求1所述的具有自加湿功能的燃料电池结构，其特征在于，所述的氧极板为微孔水氧加湿极板（21），所述的氢极板为微孔单氢加湿极板（41），所述微孔水氧加湿极板（21）、微孔单氢加湿极板（41）的微孔的孔径控制在0.1um~1um之间。
3.如权利要求2所述的具有自加湿功能的燃料电池结构，其特征在于，所述的微孔水氧加湿极板（21）、微孔单氢加湿极板（41）具有阻气透水功能，其材料为具有良好导电性能的石墨板或碳板。
4.如权利要求1所述的具有自加湿功能的燃料电池结构，其特征在于，所述的氢极板为常规的单氢板（40），所述的氧极板为多孔单氧加湿极板（22）与膜（50）的组合，其中，多孔单氧加湿极板（22）位于膜电极（30）与膜（50）之间；该电池结构中，按照单氢板（40）、膜电极（30）、多孔单氧加湿极板（22）及膜（50）的顺序依次重复排列组成。
5.如权利要求1所述的具有自加湿功能的燃料电池结构，其特征在于，所述的氧极板为常规的水氧板（20），所述的氢极板为多孔单氢加湿极板（42）与膜（50）的组合，其中，多孔单氢加湿极板（42）位于膜电极（30）与膜（50）之间；该电池结构中，按照水氧板（20）、膜电极（30）、多孔单氢加湿极板（42）及膜（50）的顺序依次重复排列组成。
6.如权利要求4或5所述的具有自加湿功能的燃料电池结构，其特征在于，所述的多孔单氧加湿极板（22）及多孔单氢加湿极板（42）选择表面具有加工的细孔的导电性能良好的石墨板、不锈钢或钛板，其中，所述细孔的孔径为0.2mm~1mm，所述膜（50）的孔径为0.1um~1um。
7.如权利要求1所述的具有自加湿功能的燃料电池结构，其特征在于，所述的氧极板为多孔单氧加湿极板（22）与膜（50）的组合；所述的氢极板为多孔单氢加湿极板（42）与膜（50）的组合；在该电池结构中，按照膜（50）、多孔单氧加湿极板（22）、膜电极（30）、多孔单氢加湿极板（42）及膜（50）的顺序依次重复排列组成。
8.如权利要求7所述的具有自加湿功能的燃料电池结构，其特征在于，在两个燃料电池单元之间还设置有多孔冷却水板（60）；在该电池结构中，按照膜（50）、多孔单氧加湿极板（22）、膜电极（30）、多孔单氢加湿极板（42）、膜（50），及，多孔冷却水板（60）的顺序依次重复排列组成。
9.如权利要求8所述的具有自加湿功能的燃料电池结构，其特征在于，所述的多孔单氧加湿极板（22）、多孔单氢加湿极板（42）及多孔冷却水板（60）的表面具有加工的细孔，其材料选择导电性能良好的石墨板、不锈钢或钛板。
10.如权利要求9所述的具有自加湿功能的燃料电池结构，其特征在于，所述的多孔单氧加湿极板（22）、多孔单氢加湿极板（42）及多孔冷却水板（60）的表面的细孔的孔径为0.2mm~1mm，所述膜（50）的孔径为0.1um~1um。
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