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Abstract

本发明公开了一种能够自主排水进气的燃料电池堆，该燃料电池堆包含依次紧贴并列的第一端板、第一集流板、单极板组件、第一膜电极组件、若干重复单元、第一水氢双极板、第二集流板以及第二端板；单极板组件包括依次紧贴并列的水流场板、多孔气水分离组件以及氧气流场板；重复单元包括双极板组件和膜电极组件；双极板组件包括依次紧贴并列的水氢双极板、多孔气水分离组件以及氧气流场板。本发明提供的能够自主排水进气的燃料电池堆，可以使系统部件数量减少，显著提高系统的可靠性。

Description

一种能够自主排水进气的燃料电池堆
技术领域
本发明涉及一种用于能量存储的电池结构，具体地，涉及一种能够自主排水进气的燃料电池堆。
背景技术
燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。这种装置的最大特点是由于反应过程中不涉及到燃烧，可以长时间不间断地工作，同时兼具普通化学电源能量转换效率高和常规发电机组连续工作时间长的两种优势。
质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC）是燃料电池中的一种，其电解质由固态聚合物膜制成，所以又叫作固态聚合物电解质燃料电池（SPEFC）或固态聚合物燃料电池（SPFC），具有功率密度高、工作温度低（＜100℃）、寿命长等优点，是目前研究最广泛的燃料电池。
PEM（质子交换膜，proton exchange membrane）燃料电池堆由膜电极组件（MEA）和双极板组件重复堆叠而成，其中双极板组件依次由氧流场板、冷却板、氢流场板组成。目前，通常的做法是在氢、氧流场板上加工出沟槽式流道，用来实现反应介质在阳极和阴极表面的均匀分配，同时燃料电池阴极表面生成的水通过氧气的循环流动使其沿流道排出电池。单靠PEMFC燃料电池本体是无法正常工作，必须配备一套相应的辅助系统，由辅助系统为电池堆提供相应的反应介质和水、热管理，以保证电池堆有效的工作。辅助系统主要包括反应剂供给子系统、排水子系统、排热子系统、性能控制子系统等。燃料电池复杂而庞大的辅助系统极大限制了其在高比功率要求领域中的应用，并且辅助系统带入的寄生能耗在一定程度上削弱了燃料电池系统的能量输出；与此同时，复杂的辅助系统也会影响到整个燃料电池系统的可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种排水进气的PEM燃料电池堆，通过燃料电池电池堆结构的设计，实现了电池堆本身的自主排水进气功能，减少常规燃料电池堆复杂的系统部件，可显著提高系统的可靠性。 
为了达到上述目的，本发明提供了一种能够自主排水进气的燃料电池堆，其中，该燃料电池堆包含依次紧贴并列的第一端板、第一集流板、单极板组件、第一膜电极组件、若干重复单元、第一水氢双极板、第二集流板以及第二端板；所述的单极板组件包括依次紧贴并列的水流场板、多孔气水分离组件以及氧气流场板；所述的重复单元包括双极板组件和膜电极组件；所述的双极板组件包括依次紧贴并列的水氢双极板、多孔气水分离组件以及氧气流场板。
上述的能够自主排水进气的燃料电池堆，其中，所述的氧气流场板，其表面设有若干流道。
上述的能够自主排水进气的燃料电池堆，其中，所述的氧气流场板，其流道深度和宽度的比例为1：1~1：1.5。
上述的能够自主排水进气的燃料电池堆，其中，所述的氧气流场板，分别在其流道内的底部沿流道方向间隔开有若干垂直透过氧气流场板的通孔。
上述的能够自主排水进气的燃料电池堆，其中，所述的通孔为圆形孔或沿流道方向的椭圆形孔。
上述的能够自主排水进气的燃料电池堆，其中，所述的圆形孔的直径或所述的椭圆形孔的短轴径长与流道内的底边宽度的比例为0.1：1~1：1。
上述的能够自主排水进气的燃料电池堆，其中，所述的水氢双极板两侧分别设有水流道和氢流道，其设置位置与氧气流场板的流道分别对应。
上述的能够自主排水进气的燃料电池堆，其中，所述的水流场板朝向氧气流场板的一侧设有水流道，其设置位置与氧气流场板的流道对应。
上述的能够自主排水进气的燃料电池堆，其中，所述的多孔气水分离组件包括多孔介质膜及其支撑结构；所述的多孔介质膜夹置在氧气流场板和水氢双极板或氧气流场板和水流场板之间。
上述的能够自主排水进气的燃料电池堆，其中，所述的多孔介质膜，其孔径范围为0.01~0.5μm。
上述的能够自主排水进气的燃料电池堆，其中，所述的第一膜电极组件或膜电极组件包含依次紧贴并列设置的氧气侧扩散层、膜电极和氢气侧扩散层；所述的膜电极包含依次紧贴并列设置的氧气侧催化层、质子交换膜以及氢气侧催化层。
本发明提供的能够自主排水进气的燃料电池堆具有以下优点：
该燃料电池电池堆通过结构设计，实现了电池堆本身的自主排水进气功能，可省去常规电池堆结构所需的流量控制器、外部气体循环泵和气水分离器，从而使系统部件数量减少，可显著提高系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明的能够自主排水进气的燃料电池堆的结构示意图。
图2为本发明的能够自主排水进气的燃料电池堆的重复单元示意图。 
图3为本发明的能够自主排水进气的燃料电池堆的双极板组件示意图。 
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
如图1所示，本发明提供的能够自主排水进气的燃料电池堆，包含依次紧贴并列设置的第一端板10、第一集流板11、单极板组件8、第一膜电极组件71、若干重复单元9、第一水氢双极板41、第二集流板12、第二端板13。
单极板组件8包括依次紧贴并列设置的水流场板5、多孔气水分离组件3以及氧气流场板2。
若干重复单元9包含第一重复单元9-1、第二重复单元9-2、……、第n重复单元9-n，每个重复单元9分别包括双极板组件1和膜电极组件7，参见图2所示。
双极板组件1包括依次紧贴并列设置的水氢双极板4、多孔气水分离组件3以及氧气流场板2，参见图3所示。
氧气流场板2表面设有若干流道，其流道深度和宽度的比例为1：1~1：1.5。分别在其流道内的底部沿流道方向间隔开有若干垂直透过氧气流场板2的通孔。该通孔为圆形孔或沿流道方向的椭圆形孔。圆形孔的直径或椭圆形孔的短轴径长与流道内的底边宽度的比例为0.1：1~1：1。
水氢双极板4两侧分别设有水流道和氢流道，其设置位置与氧气流场板2的流道分别对应。
水流场板5朝向氧气流场板2的一侧设有水流道，其设置位置与氧气流场板2的流道对应。
多孔气水分离组件包括多孔介质膜及其支撑结构；多孔介质膜夹置在氧气流场板2和水氢双极板4或氧气流场板2和水流场板5之间。多孔介质膜的孔径范围为0.01~0.5μm，优选0.1μm。
第一膜电极组件71或膜电极组件7包含依次紧贴并列设置的氧气侧扩散层、膜电极和氢气侧扩散层；膜电极包含依次紧贴并列设置的氧气侧催化层、质子交换膜以及氢气侧催化层。
本发明提供的能够自主排水进气的燃料电池堆工作过程如下：
氢、氧反应气体分别进入水氢双极板4的氢气侧和氧气流场板2，并通过膜电极组件7的气体扩散层到达阳极和阴极的催化层，在催化层发生电极反应。氢气在阳极发生氧化反应，产生电子和质子，电子通过外电路对负载做功后到达阴极，质子通过聚合物电解质膜达到阴极，在阴极处，氧气与质子和电子结合产生水。
生成的水首先通过膜电极组件7迁移至氧气流场板2的流道内，然后利用氧气和水的压差（氧气压力高于水）依次通过氧气流场板2的流道底部的通孔和多孔气水分离组件3，进入到水氢双极板4的水侧。水氢双极板4的水侧流场中的循环水在带走热量的同时也带走生成的液态水。
另外，保持电池堆氢氧气进口的压力，关闭电池堆相应的气体出口。工作时，电池堆内部气体的消耗引起电池堆内部气体压力的下降，通过利用电池堆氢氧气进口处和电池堆内部气体的压差，可以快速自主地将补充电池堆实际消耗的气体量，一旦两者的压力达到平衡则停止补充。
本发明提供的具有自主排水进气功能燃料电池堆，可省去常规电池堆结构所需的流量控制器、外部气体循环泵和气水分离器，从而使系统部件数量减少，可显著提高系统的可靠性。
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)

1.一种能够自主排水进气的燃料电池堆，其特征在于，该燃料电池堆包含依次紧贴并列的第一端板（10）、第一集流板（11）、单极板组件（8）、第一膜电极组件（71）、若干重复单元（9）、第一水氢双极板（41）、第二集流板（12）以及第二端板（13）；
所述的单极板组件（8）包括依次紧贴并列的水流场板（5）、多孔气水分离组件（3）以及氧气流场板（2）；
所述的重复单元（9）包括双极板组件（1）和膜电极组件（7）；
所述的双极板组件（1）包括依次紧贴并列的水氢双极板（4）、多孔气水分离组件（3）以及氧气流场板（2）。
2. 如权利要求1所述的能够自主排水进气的燃料电池堆，其特征在于，所述的氧气流场板（2），其表面设有若干流道。
3. 如权利要求2所述的能够自主排水进气的燃料电池堆，其特征在于，所述的氧气流场板（2），其流道深度和宽度的比例为1：1~1：1.5。
4. 如权利要求3所述的能够自主排水进气的燃料电池堆，其特征在于，所述的氧气流场板（2），分别在其流道内的底部沿流道方向间隔开有若干垂直透过氧气流场板（2）的通孔。
5. 如权利要求4所述的能够自主排水进气的燃料电池堆，其特征在于，所述的通孔为圆形孔或沿流道方向的椭圆形孔。
6. 如权利要求5所述的能够自主排水进气的燃料电池堆，其特征在于，所述的圆形孔的直径或所述的椭圆形孔的短轴径长与流道内的底边宽度的比例为0.1：1~1：1。
7. 如权利要求1所述的能够自主排水进气的燃料电池堆，其特征在于，所述的水氢双极板（4）两侧分别设有水流道和氢流道，其设置位置与氧气流场板（2）的流道分别对应。
8. 如权利要求1所述的能够自主排水进气的燃料电池堆，其特征在于，所述的水流场板（5）朝向氧气流场板（2）的一侧设有水流道，其设置位置与氧气流场板（2）的流道对应。
9. 如权利要求1所述的能够自主排水进气的燃料电池堆，其特征在于，所述的多孔气水分离组件包括多孔介质膜及其支撑结构；所述的多孔介质膜夹置在氧气流场板（2）和水氢双极板（4）或氧气流场板（2）和水流场板（5）之间。
10. 如权利要求9所述的能够自主排水进气的燃料电池堆，其特征在于，所述的多孔介质膜，其孔径范围为0.01~0.5μm。
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