CN105161737A - 燃料电池装置 - Google Patents
燃料电池装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105161737A CN105161737A CN201510374729.XA CN201510374729A CN105161737A CN 105161737 A CN105161737 A CN 105161737A CN 201510374729 A CN201510374729 A CN 201510374729A CN 105161737 A CN105161737 A CN 105161737A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cathode
- anode
- fuel
- plate
- catalyst layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title abstract description 48
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 65
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 57
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 13
- 239000000110 cooling liquid Substances 0.000 claims description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 20
- 238000009826 distribution Methods 0.000 abstract description 10
- 238000012827 research and development Methods 0.000 abstract description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 abstract 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 39
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 33
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 25
- 239000003570 air Substances 0.000 description 18
- 238000013461 design Methods 0.000 description 16
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 16
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 16
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 8
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 4
- 230000008676 import Effects 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 102100030346 Antigen peptide transporter 1 Human genes 0.000 description 3
- 102100030343 Antigen peptide transporter 2 Human genes 0.000 description 3
- 101000652570 Homo sapiens Antigen peptide transporter 1 Proteins 0.000 description 3
- 101000652582 Homo sapiens Antigen peptide transporter 2 Proteins 0.000 description 3
- 101001080484 Homo sapiens DNA replication complex GINS protein PSF1 Proteins 0.000 description 3
- 101000736065 Homo sapiens DNA replication complex GINS protein PSF2 Proteins 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000004451 qualitative analysis Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010024769 Local reaction Diseases 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 210000000170 cell membrane Anatomy 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000012809 cooling fluid Substances 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003411 electrode reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- JEGUKCSWCFPDGT-UHFFFAOYSA-N h2o hydrate Chemical compound O.O JEGUKCSWCFPDGT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
- H01M8/04029—Heat exchange using liquids
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/04537—Electric variables
- H01M8/04574—Current
- H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
本发明提供了一种燃料电池装置。包括依次贴合连接的阴极集流板、阴极冷却板、阴极流场板、膜电极组件、阳极流场板、阳极冷却板和阳极导电平板，其中，膜电极组件包括交换膜，多个阴极催化剂层和多个阴极气体扩散层，以及多个阳极催化剂层和多个阳极气体扩散层；阴极集流板包括绝缘基体，多个导电层，每个导电层通过导线与集流端子连接，且每个导电层与集流端子之间的导线上串联有电流传感器；阴极流场板靠近膜电极组件的表面上以及阳极流场板靠近膜电极组件的表面上设置有多条并行的气体流道。本发明提供的燃料电池装置可实时监测电池内部各局部区域的实际反应性能分布及反应条件分布等，从而大幅提高燃料电池研发效率。
Description
技术领域
本发明涉及电池领域，具体而言，涉及一种燃料电池装置。
背景技术
燃料电池是一种环境友好、高效、长寿命的发电装置。以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例，燃料气体从阳极侧进入，氢原子在阳极失去电子变成质子，质子穿过质子交换膜到达阴极，电子同时经由外部回路也到达阴极，而在阴极质子、电子与氧气结合生成水。燃料电池采用非燃烧的方式将化学能转化为电能，由于不受卡诺循环的限制其直接发电效率可高达45％。以电池堆为核心发电装置，燃料电池系统集成了电源管理，热管理等模块，具有热、电、水、气统筹管理的特征。燃料电池系统产品从固定式电站，到移动式电源；从电动汽车，到航天飞船；从军用装备，到民用产品有着广泛的应用空间。
在现有的燃料电池结构中，一般为双极板与膜电极依次叠合，形成多节甚至数十节的电池堆，从而形成功率较高的发电装置。如图1所示，燃料电池结构由双极板B和膜电极MEA叠放而成，其中双极板的上表面为阳极，下表面为阴极，膜电极的上表面为阴极，膜电极的下表面为阳极，在电池堆的两端通过集流板C1与C2实现电池堆整体电流的收集。其中，膜电极为电化学反应发生的场所，由催化剂(一般为Pt/C)和质子交换膜组成。其中，双极板上刻有流道，以均匀分配反应气体。
现有的设计中，一般采用石墨雕刻加工的双极板，如图2所示，B1为阳极板，B2为阴极板，B3为阳极板的流道以供燃料氢气的流通，B4为阴极板的流道以供氧化剂气体(空气或氧气)的流通，B5为阴极板另一侧的流道以供冷却液(去离子水)的流通。图3为燃料电池膜电极截面结构。其中M1为阳极气体扩散层，M2为阳极催化剂层，M3为质子交换膜，M4为阴极催化剂层，M5为阴极气体扩散层。图4为现有燃料电池电堆截面结构，其中，MEA为膜电极，B1为阳极板，B2为阴极板。
对于现有燃料电池堆的设计与操作，燃料电池的性能只能通过电池堆整体的电压来判断或者通过电池堆内每一节电池的电压判断。然而，当电池堆整体性能下降或者某一节电压下降时，却无法判断燃料电池某一节电池在具体哪个部位出现了故障，从而无法针对现有设计进行优化与改进。如图5所示，为现有设计较为常见的燃料电池的双极板的阳极端正面图，其中虚线区域为膜电极反应区，而显然，氢气从氢气进口到氢气出口的过程中经过流道的输运与反应的消耗，氢气的浓度、湿度、温度等反应条件在整个膜电极反应区域是不可能完全一致的；对于空气端也存在相同的问题，空气从空气进口到空气出口的过程中经过流道的输运不可能完全一致；对于冷却水也存在相同的问题，冷却水从冷却水进口到冷却水出口的过程中经过流道的输运不可能完全一致。不一致的局部反应条件与膜电极工作环境，导致膜电极在不同区域的性能以及不同区域的性能衰减分布不均，而限制燃料电池性能与寿命的关键则是性能最低以及性能衰减最快的局部区域。
如图6所示为燃料电池双极板正面图(没有显示流道)，将虚线膜电极反应区域划分为从R1到R16的不同区域，以该图为例进行定性分析，在燃料电池不加湿操作的条件下，进口处R1的相对湿度最低，而出口处R16的相对湿度则最高，因此R1处的质子交换膜最干燥，电池内阻最大，导致该区域的性能最低，衰减也最为迅速；在大电流密度操作条件下，由于生成水的增加，R16区域的相对湿度往往超过100％，造成液态水在流道中的堆积，从而导致气体无法输送至反应电极的表面，加速膜电极的性能衰减。
燃料电池的性能下降与寿命衰减，一般最先发生在某些局部区域(如上述定性分析，不局限于上述分析)，而其他大部分区域则保持良好的性能与使用寿命，然而，这些现象在现有燃料电池装置条件下无法实验定量测出(现有燃料电池只能测出电池在给定电流条件下的整体输出电压)，从而无法通过目的性的改善局部区域的反应条件与性能，而大幅提高燃料电池性能与寿命。
因此，如何实时监测电池内部各局部区域的实际反应性能分布及反应条件分布等，从而有目的性的改善电池的设计与操作参数，优化燃料电池性能与寿命，并大幅提高燃料电池研发效率，成为本领域亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种燃料电池装置，以实时监测电池内部各局部区域的实际反应性能分布及反应条件分布。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池装置，包括依次贴合连接的阴极集流板、阴极冷却板、阴极流场板、膜电极组件、阳极流场板、阳极冷却板和阳极导电平板，其中，膜电极组件包括交换膜，位于交换膜靠近阴极流场板的表面上的多个阴极催化剂层和多个阴极气体扩散层，以及位于交换膜靠近阳极流场板的表面上的多个阳极催化剂层和多个阳极气体扩散层；阴极集流板包括绝缘基体，位于绝缘基体远离阴极冷却板的表面上的多个导电层，每个导电层通过导线与集流端子连接，且每个导电层与集流端子之间的导线上串联有电流传感器；阴极流场板靠近膜电极组件的表面上以及阳极流场板靠近膜电极组件的表面上设置有多条并行的气体流道，阴极冷却板靠近阴极集流板的表面上以及阳极冷却板靠近阳极集流板的表面上分别设置有多个流道覆盖区，每个流道覆盖区包括多条并行的冷却液体流道。
进一步地，各阴极催化剂层和各阳极催化剂层在同一方向上以相同间隔依次排列，且多个阴极催化剂层的位置与各阳极催化剂层的位置一一对应。
进一步地，各阴极催化剂层和各阳极催化剂层具有相同的形状和尺寸。
进一步地，膜电极组件还包括：覆盖于阴极催化剂层和阴极气体扩散层上的阴极密封垫片，以及覆盖于阳极催化剂层和阳极气体扩散层上的阳极密封垫，且阴极密封垫片具有面积和形状与阴极催化剂层相一致的中空区域，阳极密封垫片具有面积和形状与阳极催化剂层相一致的中空区域。
进一步地，各导电层的位置与阴极催化剂层的位置一一对应。
进一步地，各导电层与各阴极催化剂层具有相同的形状和尺寸。
进一步地，相邻流道覆盖区之间设置有沟槽，阴极流场板和阳极流场板中均设置有与气体流道相连。
进一步地，气体流道的均深度小于1mm，沟槽的深度均小于1mm。
进一步地，各流道覆盖区的位置与阴极催化剂层的位置一一对应。
进一步地，沟槽的深度小于1mm，冷却液体流道的深度小于1mm。
进一步地，燃料电池装置还包括依次贴合于阴极集流板上的阴极绝缘板和阴极端板，以及依次贴合于阳极导电平板上的阳极绝缘板和阳极端板，且燃料电池装置的所有部件通过螺栓紧固集成于一体。
本发明通过提供一种新型的燃料电池分区电池装置及其内部性能表征部件设计，可实时监测电池内部各局部区域的实际反应性能分布及反应条件分布等，从而有目的性的改善电池的设计与操作参数，优化燃料电池性能与寿命，并大幅提高燃料电池研发效率。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了现有燃料电池堆的装配结构示意图；
图2示出了现有燃料电池堆中双极板的截面结构示意图；
图3示出了现有燃料电池堆中膜电极的截面结构示意图；
图4示出了现有燃料电池堆的堆叠结构示意图；
图5示出了现有燃料电池堆中双极板的阳极端的正面视图；
图6示出了现有燃料电池堆中双极板的正面视图；
图7示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置的装配结构图；
图8示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置的透视装配结构图；
图9(a)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中膜电极组件的装配图；
图9(b)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中一体化后的膜电极组件的结构图；
图10(a)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极流场板的结构示意图；
图10(b)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极冷却板的结构示意图；
图11(a)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阳极流场板的结构示意图；
图11(b)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阳极冷却板的结构示意图；
图12(a)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极绝缘板的结构示意图；
图12(b)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阳极绝缘板的结构示意图；
图13(a)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极集流板的结构示意图；
图13(b)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阳极集流板的结构示意图；以及
图14示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置的堆叠结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
本发明提供了一种燃料电池装置，包括依次贴合连接的阴极集流板、阴极冷却板、阴极流场板、膜电极组件、阳极流场板、阳极冷却板和阳极导电平板，其中，膜电极组件包括交换膜，位于交换膜靠近阴极流场板的表面上的多个阴极催化剂层和多个阴极气体扩散层，以及位于交换膜靠近阳极流场板的表面上的多个阳极催化剂层和多个阳极气体扩散层；阴极集流板包括绝缘基体，位于绝缘基体远离阴极冷却板的表面上的多个导电层，每个导电层通过导线与集流端子连接，且每个导电层与集流端子之间的导线上串联有电流传感器；阴极流场板靠近膜电极组件的表面上以及阳极流场板靠近膜电极组件的表面上设置有多条并行的气体流道，阴极冷却板靠近阴极集流板的表面上以及阳极冷却板靠近阳极集流板的表面上分别设置有多个流道覆盖区，每个流道覆盖区包括多条并行的冷却液体流道。
本发明通过提供一种新型的燃料电池分区电池装置及其内部性能表征部件设计，可实时监测电池内部各局部区域的实际反应性能分布及反应条件分布等，从而有目的性的改善电池的设计与操作参数，优化燃料电池性能与寿命，并大幅提高燃料电池研发效率。
上述燃料电池装置中，优选地，各阴极催化剂层和各阳极催化剂层在同一方向上以相同间隔依次排列，且多个阴极催化剂层的位置与各阳极催化剂层的位置一一对应。各阴极催化剂层和各阳极催化剂层具有相同的形状和尺寸。
上述膜电极组件还包括：覆盖于阴极催化剂层和阴极气体扩散层上的阴极密封垫片，以及覆盖于阳极催化剂层和阳极气体扩散层上的阳极密封垫，且阴极密封垫片具有面积和形状与阴极催化剂层相一致的中空区域，阳极密封垫片具有面积和形状与阳极催化剂层相一致的中空区域。
优选地，各导电层的位置与阴极催化剂层的位置一一对应。各导电层与各阴极催化剂层具有相同的形状和尺寸。相邻流道覆盖区之间设置有沟槽，阴极流场板和阳极流场板中均设置有与气体流道相连。气体流道的均深度小于1mm，沟槽的深度均小于1mm。各流道覆盖区的位置与阴极催化剂层的位置一一对应。沟槽的深度小于1mm，冷却液体流道的深度小于1mm。
进一步地，燃料电池装置还包括依次贴合于阴极集流板上的阴极绝缘板和阴极端板，以及依次贴合于阳极导电平板上的阳极绝缘板和阳极端板，且燃料电池装置的所有部件通过螺栓紧固集成于一体。
本发明设计的燃料电池装置适用于质子交换膜燃料电池，也可适用于甲醇燃料电池、碱性燃料电池等。下面将以质子交换膜燃料电池(氢氧燃料电池)为例，并结合附图进一步说明本发明实施方式所提供的燃料电池装置。
图7示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置的装配结构图。其中，SS1，SS2分别为阴极端板和阳极端板，通过端部螺栓的紧固将电池的所有部件装配集成于一体；PSF1、PSF2分别为阴极绝缘板和与阳极绝缘板，实现端部的电绝缘功能，同时提供氢气、空气以及冷却水的进出口设计；PCB为阴极集流板，可通过印刷电路板实现；CC为阳极集流板(即阳极导电平板)；CP1与BP1分别为阴极冷却板(供冷却水通过)与阴极流场板(供空气通过)；CP2与BP2分别为阳极冷却板(供冷却水通过)与阳极流场板(供氢气通过)；MEA为膜电极组件，由质子交换膜、阴阳极催化剂层、阴阳极气体扩散层以及阴阳极密封垫片组成。
图8示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置的透视装配结构图。其中，D1标注的箭头方向为空气的流通路径；D2标注的箭头方向为氢气的流通路径；D3标注的虚线箭头方向为冷却水的流通路径。需要注意的是，此处标注的氢气、空气与冷却水的流动方式，只是可行的流动方式的一种实例，并不局限于此种流动方式。氢气、空气与冷却水在电池中的流动方向可以是一致的，也可以是不一致的，如果变动流动方式只需要改变PSF1与PSF2部件的相应进出口位置即可。
图9(a)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中膜电极组件的装配图；图9(b)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中一体化后的膜电极组件(MEA)的结构图。M为交换膜(此处为质子交换膜)，M001为定位孔，M002为通孔以供冷却水穿过。在M的两侧分别涂有阴极催化剂和阳极催化剂，形成面积相等的区域(图中显示了十块区域)，由M003表示，在每个催化剂区域外侧覆盖有与催化剂区域面积相等的气体扩散层(包括阳极气体扩散层和阴极气体扩散层图中没有单独标出)(不同点)。G1与G2分别为阴极密封垫片和阳极密封垫片，其中G001为定位孔，G002为通孔以供冷却水穿过，G003为中空区域，其面积及形状与催化剂涂覆区域M003一致。
图10(a)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极流场板BP1的结构示意图；图10(b)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极冷却板CP1的结构示意图。其中，BP001为定位孔，BP002为通孔以供冷却水穿过，BP003为通孔以供空气进入/流出，BP004为空气导流的沟槽，其深度为0～1mm之间。BP005为多条并行的气体流道，供空气的流通与分布，其深度为0～1mm。需要注意的是，BP005所示的流道可以为并行的直流道，也可以是蛇形流道，或者其他任何形式的流道设计。
阴极冷却板CP1主要构成冷却水流通的腔体，将电池产生的热量通过冷却水带出，并通过调节冷却水体积流速以形成进出口之间可控的温度差，从而测试不同温度差操作条件下电池的性能分布情况。其中，CP001为定位孔，CP002为通孔以供冷却水进入/流出，CP003为通孔以供空气通过，CP004为冷却水导流的沟槽，其深度为0～1mm之间。CP005为多条并行的气体流道(也可以为其他形式的流道设计)，供冷却水的流通与分布，其深度为0～1mm，图中显示的冷却水的气体流道覆盖区域一共有十块，分别与膜电极的十块催化剂区域相对应。CP006为相邻流道覆盖区域之间的沟槽，以供冷却水的流通，同时该沟槽部位不与阴极流场板接触，减少了相邻膜电极分区之间的横向导通电流，提高了电流密度分布的测量精度。
图11(a)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阳极流场板BP2的结构示意图；图11(b)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阳极冷却板CP2的结构示意图。其中，阳极流场板BP2与阴极流场板BP1主要的区别在于气体导流沟槽BP004，两者以中心线为轴互为对称。
图12(a)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极绝缘板PSF1的结构示意图；图12(b)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阳极绝缘板PSF2的结构示意图。其中，PSF101为定位孔，PSF102为空气进口，PSF104为空气出口，PSF103为冷却水出口；PSF201为定位孔，PSF202为冷却水进口，PSF204为氢气进口，PSF203为氢气出口。
图13(a)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阴极集流板PCB的结构示意图；图13(b)示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置中阳极集流板CC的结构示意图。其中，阴极集流板PCB为分区集流装置，能够同时独立地收集不同膜电极反应区域产生的电流，并通过PCB装置上集成的电流传感器，实时监测不同膜电极反应区域的具体电流值。PCB001为定位孔，PCB002与PCB003为通孔以供冷却水穿过，PCB004与PCB005为通孔以供空气穿过。PCB装置的基体为绝缘体，在其上覆盖有一定厚度的导电层(可以为铜导电层)，其中，PCB01为方形的导电层，一共设计有十块，分别对应十块膜电极反应区域的形状与面积；PCB02为导电线路，分别将十块PCB01收集到的电流，导通至集流端子PCB04，供电池整体电流的输出；在每一条导电线路PCB02上，分别设计一个电流传感器PCB03，一般为定值的精密电阻(1～10毫欧)，由于电流的通过将在精密电阻两端产生电压差，并实时采集该电压值，从而将收集的十块分区的电流信号转化为可实时监测读取的电压信号，最终实现燃料电池分区集流与监测功能。
其中，如图13(b)所示，阳极集流板CC为整体集流，为铜、不锈钢等导电金属材料构成的整块导电平板结构。CC001为定位孔，CC002与CC003为通孔以供冷却水穿过，CC004与CC005为通孔以供氢气穿过，CC006为集流区域以供集流导线的连接。
图14示出了本发明实施方式所提供的燃料电池装置的堆叠结构示意图，其中主要显示了阴极流场板BP1、阴极冷却板CP1、阴极集流板、膜电极MEA、阳极流场板BP2、阳极冷却板CP2、阳极集流板CC等部件，在装配时各部位之间的位置对应关系。其中，膜电极的每个分区与PCB集流板的每个分区分别一一对应，以保证电流的准确收集与测量。图中，CP005为多条并行的气体流道(供空气)，BP005为多条并行的气体流道(供氢气)，PCB01为方形的导电层，PCB02为导电线路，PCB03为电流传感器；阴极冷却板CP1和阳极冷却板CP2中设置有冷却水(如图14所示)。
其工作原理为：氢气从阳极侧进入，氢原子在阳极失去电子变成质子，质子穿过质子交换膜到达阴极，电子同时经由外部回路也到达阴极，而在阴极质子、电子与氧气结合生成水。在此过程中，阳极和阴极均通入冷却水。
从以上实施例可以看出，本发明上述的实例实现了如下技术效果：本发明通过提供一种新型的燃料电池分区电池装置及其内部性能表征部件设计，可实时监测电池内部各局部区域的实际反应性能分布及反应条件分布等，从而有目的性的改善电池的设计与操作参数，优化燃料电池性能与寿命，并大幅提高燃料电池研发效率。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种燃料电池装置，其特征在于，包括依次贴合连接的阴极集流板、阴极冷却板、阴极流场板、膜电极组件、阳极流场板、阳极冷却板和阳极导电平板，其中，
所述膜电极组件包括交换膜，位于所述交换膜靠近所述阴极流场板的表面上的多个阴极催化剂层和多个阴极气体扩散层，以及位于所述交换膜靠近所述阳极流场板的表面上的多个阳极催化剂层和多个阳极气体扩散层；
所述阴极集流板包括绝缘基体，位于所述绝缘基体远离所述阴极冷却板的表面上的多个导电层，每个所述导电层通过导线与集流端子连接，且每个所述导电层与所述集流端子之间的导线上串联有电流传感器；
所述阴极流场板靠近所述膜电极组件的表面上以及所述阳极流场板靠近所述膜电极组件的表面上设置有多条并行的气体流道，所述阴极冷却板靠近所述阴极集流板的表面上以及所述阳极冷却板靠近所述阳极集流板的表面上分别设置有多个流道覆盖区，每个所述流道覆盖区包括多条并行的冷却液体流道。
2.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，各所述阴极催化剂层和各所述阳极催化剂层在同一方向上以相同间隔依次排列，且所述多个阴极催化剂层的位置与各所述阳极催化剂层的位置一一对应。
3.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，各所述阴极催化剂层和各所述阳极催化剂层具有相同的形状和尺寸。
4.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述膜电极组件还包括：覆盖于所述阴极催化剂层和所述阴极气体扩散层上的阴极密封垫片，以及覆盖于所述阳极催化剂层和所述阳极气体扩散层上的阳极密封垫，且所述阴极密封垫片具有面积和形状与所述阴极催化剂层相一致的中空区域，所述阳极密封垫片具有面积和形状与所述阳极催化剂层相一致的中空区域。
5.根据权利要求2所述的燃料电池装置，其特征在于，各所述导电层的位置与所述阴极催化剂层的位置一一对应。
6.根据权利要求3所述的燃料电池装置，其特征在于，各所述导电层与各所述阴极催化剂层具有相同的形状和尺寸。
7.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，相邻所述流道覆盖区之间设置有沟槽，所述阴极流场板和所述阳极流场板中均设置有与所述气体流道相连。
8.根据权利要求7所述的燃料电池装置，其特征在于，所述气体流道的均深度小于1mm，所述沟槽的深度均小于1mm。
9.根据权利要求2所述的燃料电池装置，其特征在于，各所述流道覆盖区的位置与所述阴极催化剂层的位置一一对应。
10.根据权利要求7所述的燃料电池装置，其特征在于，所述沟槽的深度小于1mm，所述冷却液体流道的深度小于1mm。
11.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述燃料电池装置还包括依次贴合于所述阴极集流板上的阴极绝缘板和阴极端板，以及依次贴合于所述阳极导电平板上的阳极绝缘板和阳极端板，且所述燃料电池装置的所有部件通过螺栓紧固集成于一体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510374729.XA CN105161737B (zh) | 2015-06-30 | 2015-06-30 | 燃料电池装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510374729.XA CN105161737B (zh) | 2015-06-30 | 2015-06-30 | 燃料电池装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105161737A true CN105161737A (zh) | 2015-12-16 |
| CN105161737B CN105161737B (zh) | 2017-08-01 |
Family
ID=54802542
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510374729.XA Active CN105161737B (zh) | 2015-06-30 | 2015-06-30 | 燃料电池装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105161737B (zh) |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105870477A (zh) * | 2016-06-08 | 2016-08-17 | 江苏耀扬新能源科技有限公司 | 燃料电池双极板 |
| CN107681180A (zh) * | 2017-09-21 | 2018-02-09 | 电子科技大学 | 一种用于燃料电池检测与控制的装置 |
| CN109509892A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-03-22 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 燃料电池分隔件、单体燃料电池和燃料电池电堆 |
| CN109509893A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-03-22 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 燃料电池分隔件、单体燃料电池和燃料电池电堆 |
| CN109509890A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-03-22 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 燃料电池分隔件、单体燃料电池和燃料电池电堆 |
| CN109509894A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-03-22 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 单体燃料电池和燃料电池电堆 |
| CN109524685A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-03-26 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 单体燃料电池和燃料电池电堆 |
| CN109585875A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-04-05 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 燃料电池分隔件、单体燃料电池和燃料电池电堆 |
| CN111540930A (zh) * | 2020-05-09 | 2020-08-14 | 电子科技大学 | 一种具有进出口空气湿度检测的空冷燃料电池电堆 |
| CN111952615A (zh) * | 2020-08-17 | 2020-11-17 | 浙江大学 | 一种增强传质的燃料电池精细流场的排布结构 |
| CN112986489A (zh) * | 2019-12-14 | 2021-06-18 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种阴极开放电堆单池膜电极性能测试装置 |
| CN113793944A (zh) * | 2021-08-03 | 2021-12-14 | 广东电网有限责任公司广州供电局 | 燃料电池夹具及测试装置 |
| CN115616419A (zh) * | 2022-12-21 | 2023-01-17 | 武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司 | 燃料电池反极电压分布测试装置及测试方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000113896A (ja) * | 1998-10-02 | 2000-04-21 | Mitsubishi Electric Corp | 固体高分子型燃料電池およびそのシステム |
| US20050287404A1 (en) * | 2004-06-29 | 2005-12-29 | Nissan Technical Center N.A. Inc. | Fuel cell system and method for removal of impurities from fuel cell electrodes |
| JP2006351525A (ja) * | 2005-06-13 | 2006-12-28 | Samsung Sdi Co Ltd | 直接液体燃料電池スタック |
| JP2008077911A (ja) * | 2006-09-20 | 2008-04-03 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
| CN101496205A (zh) * | 2006-07-28 | 2009-07-29 | 松下电器产业株式会社 | 燃料电池以及具有该燃料电池的燃料电池系统 |
-
2015
- 2015-06-30 CN CN201510374729.XA patent/CN105161737B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000113896A (ja) * | 1998-10-02 | 2000-04-21 | Mitsubishi Electric Corp | 固体高分子型燃料電池およびそのシステム |
| US20050287404A1 (en) * | 2004-06-29 | 2005-12-29 | Nissan Technical Center N.A. Inc. | Fuel cell system and method for removal of impurities from fuel cell electrodes |
| JP2006351525A (ja) * | 2005-06-13 | 2006-12-28 | Samsung Sdi Co Ltd | 直接液体燃料電池スタック |
| CN100418261C (zh) * | 2005-06-13 | 2008-09-10 | 三星Sdi株式会社 | 直接供液燃料电池组 |
| CN101496205A (zh) * | 2006-07-28 | 2009-07-29 | 松下电器产业株式会社 | 燃料电池以及具有该燃料电池的燃料电池系统 |
| JP2008077911A (ja) * | 2006-09-20 | 2008-04-03 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
Cited By (24)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105870477B (zh) * | 2016-06-08 | 2018-06-01 | 江苏耀扬新能源科技有限公司 | 燃料电池双极板 |
| CN105870477A (zh) * | 2016-06-08 | 2016-08-17 | 江苏耀扬新能源科技有限公司 | 燃料电池双极板 |
| CN107681180B (zh) * | 2017-09-21 | 2020-03-24 | 电子科技大学 | 一种用于燃料电池检测与控制的装置 |
| CN107681180A (zh) * | 2017-09-21 | 2018-02-09 | 电子科技大学 | 一种用于燃料电池检测与控制的装置 |
| CN109509892B (zh) * | 2018-12-05 | 2024-02-23 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 燃料电池分隔件、单体燃料电池和燃料电池电堆 |
| CN109585875B (zh) * | 2018-12-05 | 2024-05-07 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 燃料电池分隔件、单体燃料电池和燃料电池电堆 |
| CN109509894A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-03-22 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 单体燃料电池和燃料电池电堆 |
| CN109524685A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-03-26 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 单体燃料电池和燃料电池电堆 |
| CN109585875A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-04-05 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 燃料电池分隔件、单体燃料电池和燃料电池电堆 |
| CN109509893A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-03-22 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 燃料电池分隔件、单体燃料电池和燃料电池电堆 |
| CN109509892A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-03-22 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 燃料电池分隔件、单体燃料电池和燃料电池电堆 |
| CN109524685B (zh) * | 2018-12-05 | 2024-03-12 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 单体燃料电池和燃料电池电堆 |
| CN109509894B (zh) * | 2018-12-05 | 2024-03-12 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 单体燃料电池和燃料电池电堆 |
| CN109509890A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-03-22 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 燃料电池分隔件、单体燃料电池和燃料电池电堆 |
| CN109509893B (zh) * | 2018-12-05 | 2024-03-12 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 燃料电池分隔件、单体燃料电池和燃料电池电堆 |
| CN109509890B (zh) * | 2018-12-05 | 2024-03-12 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 燃料电池分隔件、单体燃料电池和燃料电池电堆 |
| CN112986489B (zh) * | 2019-12-14 | 2022-03-11 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种阴极开放电堆单池膜电极性能测试装置 |
| CN112986489A (zh) * | 2019-12-14 | 2021-06-18 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种阴极开放电堆单池膜电极性能测试装置 |
| CN111540930A (zh) * | 2020-05-09 | 2020-08-14 | 电子科技大学 | 一种具有进出口空气湿度检测的空冷燃料电池电堆 |
| CN111952615B (zh) * | 2020-08-17 | 2021-07-30 | 浙江大学 | 一种增强传质的燃料电池精细流场的排布结构 |
| CN111952615A (zh) * | 2020-08-17 | 2020-11-17 | 浙江大学 | 一种增强传质的燃料电池精细流场的排布结构 |
| CN113793944B (zh) * | 2021-08-03 | 2023-11-14 | 广东电网有限责任公司广州供电局 | 燃料电池夹具及测试装置 |
| CN113793944A (zh) * | 2021-08-03 | 2021-12-14 | 广东电网有限责任公司广州供电局 | 燃料电池夹具及测试装置 |
| CN115616419A (zh) * | 2022-12-21 | 2023-01-17 | 武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司 | 燃料电池反极电压分布测试装置及测试方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105161737B (zh) | 2017-08-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105161737B (zh) | 燃料电池装置 | |
| CN104916855B (zh) | 燃料电池装置 | |
| CN104617324B (zh) | 一种具有测试功能的燃料电池组 | |
| CN111540929B (zh) | 一种具有电流与温度矩阵分布在线检测的空冷燃料电池电堆 | |
| CN105161739B (zh) | 燃料电池装置 | |
| JP6263638B2 (ja) | セルシステムに関する組立方法及び配置 | |
| US20060141326A1 (en) | Integrated current collector and electrical component plate for a fuel cell stack | |
| Bullecks et al. | Development of a cylindrical PEM fuel cell | |
| US9373854B2 (en) | Solid polymer fuel cell | |
| CN111540926B (zh) | 一种具有阳极侧电流分布监测功能的空冷燃料电池电堆 | |
| KR101283022B1 (ko) | 내부온도 측정이 가능한 연료전지의 스택 | |
| US8835072B2 (en) | Solid oxide fuel cell stacks and fuel cell module having the same | |
| CN111864241A (zh) | 小型质子交换膜燃料电池 | |
| CN115084614B (zh) | 一种固体氧化物燃料电池电堆 | |
| WO2008101277A1 (en) | A bipolar plate for an air breathing fuel cell stack | |
| US20110033770A1 (en) | Fuel cell stack having single body support | |
| CN207852818U (zh) | 一种可插拔式固体氧化物燃料电池堆结构 | |
| US8697307B2 (en) | Solid oxide fuel cell stack | |
| JP5245232B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
| JP2006210212A (ja) | 高分子電解質型燃料電池 | |
| CN219122357U (zh) | 一种平板式sofc单电池测试装置 | |
| KR101479681B1 (ko) | 고체 산화물 연료전지 | |
| JP2010113863A (ja) | 燃料電池 | |
| JPWO2018173134A1 (ja) | 電気化学セルスタック | |
| KR101162008B1 (ko) | 분배판을 포함하는 연료 전지 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200821 Address after: 610000 No. 18 West core road, hi tech Zone, Chengdu, Sichuan Patentee after: Dongfang Electric (Chengdu) Hydrogen Fuel Cell Technology Co.,Ltd. Address before: 611731, No. 18, West core road, hi tech West District, Sichuan, Chengdu Patentee before: DONGFANG ELECTRIC Corp. |