CN106935883A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统，包括燃料电池堆，以及均与燃料电池堆连接的燃料系统、氧化剂系统、冷却系统和排放系统，燃料电池堆由压板压紧固定多个叠加的单电池而成，单电池由阴极板和阳极板夹设MEA组成，阴极板和阳极板上均设有用于流体通过的通孔，且MEA紧贴阴极板和阳极板上的通孔设置，排放系统连接抽气装置。与现有技术相比，本发明中的阴极板和阳极板各自的一面设置流体进入通道，另一面设置流体排出通道，而极板两侧的通道是通过极板上设置的多个微小通孔连通，反应物流体到达MEA界面并发生反应，未反应的部分以及生成物流体则从通孔进入流体排出通道，进而经出口流出，流体更大比例地接触催化层，提高了反应效率，同时排水性能极佳，对流体传输层的要求低。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种燃料电池系统。
背景技术
燃料电池，尤其是氢燃料电池，是一种清洁能源，对环境友好。燃料电池作为一种高效、环境友好的发电装置，近年来成为各国研究开发的热点，其含有的重要部件扩散层，扩散层由导电的多孔材料组成，起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出水等多重作用，实现了反应气体和产物水在流场和催化层之间的再分配，是影响电极性能的关键部件之一。但是现有的燃料电池系统中导流板与扩散层不能很好地配合。
例如中国专利CN 204720508 U公开了一种导流板及含有该导流板的燃料电池堆，采用多孔材料作导流板的流体通道，导流板包括阴极板和阳极板，所述的阴极板和阳极板的结构相同或不同，均由两种不同孔径的材料制成的板，其中，阴极板由两种不同孔径的材料制成的板夹设至少一层膜材料构成，第一多孔板作为氧化剂流场，第二多孔板作为冷却流体流场，通过控制该膜材料两侧的压力或湿度来控制水在膜材料两侧流通，使水进入第一多孔板增湿氧化剂，或者将反应生成水通过第二多孔板排出。上述导流板可以起到增湿、散热、排水的功能，然而导流板和扩散层之间存有缝隙，反应气体在扩散层和催化层表面发生反应，利用率不高，催化效率低，进而导致燃料电池系统的使用成本高。
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可提高电化学反应效率及排水效率的燃料电池系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池系统，包括燃料电池电堆，由一个单电池或多于一个单电池组成，以及燃料电池堆连接的燃料系统、氧化剂系统、冷却系统和排放系统，所述燃料电池堆由压板压紧固定多个叠加的单电池而成，单电池由阴极板和阳极板夹设MEA组成，所述阴极板和阳极板各自的一面为进口端设置了流体进入通道，另一面为出口端设置了流体排出通道，而极板两面的通道是通过极板上设置的多个微小通孔连通，孔的多少和通过面积根据需要调整，且MEA紧贴阴极板和阳极板上的通孔设置；反应物流体分别从阴极板和阳极板的流体进入通道进入，在流经反应界面反应后，未反应的部分以及生成物流体经通孔至流体排出通道，从排放系统排出。
所述燃料电池系统还包括抽气装置，该抽气装置连接排放系统，使阴极板或阳极板的出口侧为负压。
所述抽气装置为真空泵，该真空泵通过排放系统连接燃料电池堆的氧化剂出口，使阴极板的出口侧为负压，以便将反应后的流体排出。
所述阴极板和阳极板与MEA之间均设有用于起密闭作用的密封材料层。
所述阴极板和阳极板之间设有隔板，并与隔板组成双极板。
所述该隔板为导电不透气板或内设有冷却流体通道的不透气板。
所述氧化剂系统连接空压机，该空压机通过氧化剂系统连接燃料电池堆的氧化剂进口，使阴极板的进口侧为正压。
所述燃料电池堆的燃料出口通过排放系统连接真空泵，使阳极板的出口侧为负压，以便将反应后的流体排出。
所述阴极板和阳极板还可以为设有通孔的平板。
上述方案为实现本发明目的方案之一，主要是将阴极板和阳极板各自的两侧分别设有流体进入通道和流体排出通道，这两个通道并不直接连通，而是通过极板上设置的多个微小通孔连通。反应物流体从流体进入通道流入后，到达MEA界面并发生反应，未反应的部分以及生成物流体则从通孔进入流体排出通道，进而经出口流出。此外，阴极板和阳极板上通孔的数量和大小均可以根据需求进行调节，进而实现流体流量的可调。
上述MEA可为常规的MEA，即为质子交换膜、质子交换膜两侧的催化层以及催外层外侧设置的流体扩散层，为了使反应效果更好，本发明还可以采用以下进一步的优选方案：用流体传输层替换传统的流体扩散层，该流体传输层为多层多孔材料，各层多孔材料的孔隙率不同，主要用于流体的流通及扩散。
优选方案如下:燃料电池系统，包括燃料电池堆，以及燃料电池堆连接的燃料系统、氧化剂系统、冷却系统和排放系统，所述燃料电池堆由压板压紧固定多个叠加的单电池而成，单电池由阴极板和阳极板夹设MEA组成，所述MEA包括质子交换膜、质子交换膜两侧的催化层以及催外层外侧设置的流体传输层，所述阴极板和阳极板各自的一面为进口端设置了流体进入通道，另一面为出口端设置了流体排出通道，而极板两面的通道是通过极板上设置的多个微小通孔连通，所述流体传输层为多层多孔材料，各层多孔材料的孔隙率不同，且流体传输层紧贴阴极板和阳极板上的通孔设置；反应物流体从阴极板和阳极板的流体进入通道进入，通过流体传输层流通及扩散并参与反应，未反应的部分以及生成物流体经通孔进入流体排出通道，经出口端从排放系统排出。
所述阴极板、阳极板和流体传输层均由导电材料制成。
为了进一步提高排除反应生成物效率，反应物和生成物流体除了靠传统的压力推动以外，本发明提出采用以下优选方案：即在排放系统侧连接抽气装置，使阴极板或阳极板的出口侧为负压，以便将反应后的流体高效排出。
进一步的优选方案如下:燃料电池系统，包括燃料电池堆，以及均与燃料电池堆连接的燃料系统、氧化剂系统、冷却系统和排放系统，所述燃料电池堆由压板压紧固定多个叠加的单电池而成，单电池由阴极板和阳极板夹设MEA组成，所述MEA包括质子交换膜、质子交换膜两侧的催化层以及催外层外侧设置的流体传输层，所述阴极板和阳极板各自的一面为进口端设置了流体进入通道，另一面为出口端设置了流体排出通道，而极板两面的通道是通过极板上设置的多个微小通孔连通，所述流体传输层为多层多孔材料，各层多孔材料的孔隙率不同，可适当疏水性处理，根据不同使用场景，也可以不需疏水性处理，或者仅对贴近催化层的一层材料进行疏水性处理，且流体传输层紧贴阴极板和阳极板上的通孔设置，所述排放系统连接抽气装置；反应物流体从阴极板和阳极板的流体进入通道进入，通过流体传输层流通及扩散并参与反应，未反应的部分以及生成物流体经通孔进入流体排出通道，经出口端通过抽气装置抽出。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)阴极板和阳极板各自的两侧分别设有流体进入通道和流体排出通道，这两个通道并不直接连通，而是通过极板上设置的多个微小通孔连通，由于从阴极板或阳极板的流体进入通道至流体排出通道只有通过通孔，且通孔又紧贴流体传输层设置，迫使气体必须经过流体传输层才能从阴极板或阳极板的进入通道流至排出通道，反应物流体从流体进入通道流入后，到达MEA界面并发生反应，未反应的部分以及生成物流体则从通孔进入流体排出通道，进而经出口流出，相比现有方案中气体在扩散层和催化层表面发生反应的方式，催化层的利用率更高，排水效果更好。
2)采用真空泵使出气侧负压，提高了排水排气性能，将反应生成的水以及空气中混杂的水分被抽离至电堆外，有效避免了流体传输层中的堵水现象，同时在气压差的作用下，迫使反应气体按照唯一路径流通，同时加快了气体流速，通过气压差提高了排水性能，防止流体传输层堵水，降低了对极板和多孔材料的疏水性要求。
3)隔板为不透气板或内设有冷却流体通道的不透气板，将燃料气体和氧化剂分隔在隔板两边，避免窜流，同时该隔板可适应于风冷和水冷两种情况，适用范围广。
4)配置的空压机使板的进气侧为正压，提高了燃料电池系统的供气性能，同时在气压差的作用下，迫使反应气体按照唯一路径流通，同时加快了气体流速，通过气压差提高了排水性能，方式流体传输层堵水，降低了对极板和多孔材料的疏水性要求。
5)流体传输层为多层多孔材料，且各层多孔材料的孔隙率不同，可以方便流体通过，同时起到保护催化层的作用。
附图说明
图1为本发明实施例1燃料电池系统的原理示意框图；
图2为本发明实施例1燃料电池堆的结构示意图；
图3为本发明实施例1单电池中的MEA和阴极板、阳极板装夹示意图；
图4为本发明单电池中流体流动通道及流向示意图；
图5为阴极板正面的结构示意图；
图6为阴极板背面的结构示意图；
图7为本发明实施例2单电池中MEA和阴极板、阳极板装夹示意图；
图8为本发明实施例2中燃料电池堆的结构示意图；
图9为本发明极板上通孔另一种分布情况的平面示意图；
图10为本发明极板上通孔再一种分布情况的平面示意图；
图11为本发明实施例4中阴极板、隔板及阳极板的结构示意图；
其中：1、质子交换膜，2、催化层，3、流体传输层，4、阴极板，5、隔板，6、阳极板，7、空压机，8、真空泵，9、冷却流体压缩机，11、氧化剂系统，12、燃料系统，13、冷却系统，14、氧化剂出管道，15、燃料出管道，16、冷却流体出管道，17、控制系统，19、DC/DC转换器，41、通孔，42、氧化剂进口，43、氧化剂出口，44、燃料进口，45、燃料出口，46、冷却流体进口，47、冷却流体出口，51、冷却流体通道，101、阀，102、阀，103、阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
一种燃料电池系统，如图1和图2所示，包括燃料电池堆，以及均与燃料电池堆连接的燃料系统12、氧化剂系统11、冷却系统13和排放系统，上述的氧化剂系统11由空压机7通过管道连接至燃料电池堆的氧化剂进口42，并在该管道上设置有阀101，燃料电池堆的氧化剂出口43连接氧化剂出管道14；燃料系统12由燃料储罐通过管道连接至燃料电池堆的燃料进口44，并在该管道上设置有阀102，燃料电池堆的燃料出口45连接燃料出管道15，该燃料出管道15上设有阀103；上述的冷却系统13由冷却流体压缩机9通过管道连接至燃料电池堆的冷却流体进口46，燃料电池对的冷却流体出口47连接冷却流体出管道16；上述的排放系统包括上述的氧化剂出管道14、燃料出管道15和冷却流体出管道16，燃料电池系统还包括控制系统17，该控制系统17控制各流体进出，同时控制燃料电池堆的DC/DC转换器19。
如图2所示，燃料电池堆由压板压紧固定多个叠加的单电池而成，如图3所示，单电池由阴极板4和阳极板6夹设MEA组成，MEA包括质子交换膜1、质子交换膜1两侧设置的催化层2(如图4所示)以及催化层2外侧设置的流体传输层3，其中的阴极板4和阳极板6之间设于隔板5，隔板5为内设有冷却流体通道51的不透气板，阴极板4和阳极板6各自的一面为进口端设置了流体进入通道，另一面为出口端设置了流体排出通道，而极板两侧的通道是通过极板上设置的多个微小通孔41连通，将阴极板4和阳极板6设置为孔板，流体传输层3紧贴阴极板4和阳极板6上的通孔41设置。反应物流体从阴极板4和阳极板6的流体进入通道进入(如图3中的点表示流体流入)，在流经反应界面反应后，未反应的部分以及生成物流体经通孔至流体出口侧流出(叉表示流体流出)，最终经出口端从排放系统排出。孔板的具体结构如图5-6所示，其中阴极板4的正面示意图如图5所示，氧化剂进口42设有与其连通的流体进入通道，该通道不与氧化剂出口43连接，氧化剂从氧化剂进口42流入，在反应界面参与反应后，未反应的部分以及生成物流体只能被迫从孔板上的通孔41流至流体排出通道，如图6所示，并通过与该流体排出通道连接的氧化剂出口43排出，同理阳极板6上流体流动通道及流向类似，燃料也是从阳极板6一侧进入参与反应后，从另一侧流出。
流体流动通道及流向如图4所示，其中的箭头方向为气体的流动方向，由于从阴极板4的进气侧至出气侧只有通过通孔41，且通孔41又紧贴流体传输层3设置，迫使气体必须经过流体传输层3才能从阴极板4的进气侧流至出气侧，进而使反应气体渗入整个流体传输层3和催化层2，使催化层2的利用率更高。反应后的流体以及包含的水分和反应生成的产物通过阴极板4上的通孔41流至阴极板4与隔板5之间，最终从氧化剂出口43排出，同理，燃料气体从燃料进口44进入流体传输层3，并通过阳极板6上的通孔41流至阳极板6与隔板5之间，从燃料出口45排出。由于气体更大比例且更深入地接触催化层2，而催化层2才有最有利于电化学反应的，因此大大提高了反应效率。
此外，阴极板4和阳极板6与MEA之间均设有用于起密闭作用的密封材料层。
流体传输层3可以为常规的流体扩散层，为了提高反应效率以及高效流体传输，用多层多孔材料作为流体传输层3GTL(Gas Transport Layer，includingconvection and diffusion)，如图4所示，流体传输层3可以由流体扩散层(GDL)和流体流通层(GCL)叠加组成，具体的，流体传输层3包括至少一层流体扩散层至少一层流体流通层。流体扩散层和流体流通层均由多孔材料制成，各层多孔材料的孔隙率不同，优选为，流体流通层的孔隙率大于流体扩散层的孔隙率，且各层流体流通层由自近流体扩散层一侧起，孔隙率依次增大。
为了提高反应效率和排水效率，上述排放系统连接抽气装置，抽气装置可以选选用真空泵8，该真空泵8通过氧化剂排放系统14连接燃料电池堆的氧化剂出口43，使阴极板4的出口侧为负压，以便将反应后的流体排出。这样的方式提高了燃料电池系统的供气、排气和排水性能，反应生成的水以及空气中混杂的水分可以被抽离至电堆外，有效避免了流体扩散层的堵水现象。
此外，为了更有效地促进流体流动，氧化剂系统11还可以选择连接空压机7，该空压机7通过氧化剂系统11连接燃料电池堆的氧化剂进口42，使阴极板4的进口侧为正压。
同理，对于阳极板6一侧，燃料电池堆的燃料出口也可以通过燃料排放系统15连接真空泵，使阳极板6的出口侧为负压，以便将反应后的流体排出。具体的，燃料排放系统15可以与氧化剂排放系统14共用同一个真空泵8，也可以连接至另一个真空泵上，只需要做到阳极板6和阴极板4出口侧是负压即可。
此外阴极板4、阳极板6和流体传输层3均由导电材料制成。
实施例2：
本实施例提出了燃料电池系统，该燃料电池系统中的燃料电池堆的结构如图8所示，燃料电池堆上有氧化剂进口42、氧化剂出口43、燃料进口44和燃料出口45，单电池中MEA和阴极板4、阳极板6装夹如图7所示，单电池由阴极板4和阳极板6夹设MEA组成，MEA包括质子交换膜1、质子交换膜1两侧设置的催化层2(如图4所示)以及催化层2外侧设置的流体传输层3，其中的阴极板4和阳极板6之间设于隔板5，隔板5为不透气板，优选为实心板，阴极板4和阳极板6各自的一面为进口端设置了流体进入通道，另一面为出口端设置了流体排出通道，而极板两侧的通道是通过极板上设置的多个微小通孔41连通，将阴极板4和阳极板6设置为孔板，流体传输层3紧贴阴极板4和阳极板6上的通孔41设置。反应物流体从阴极板4和阳极板6的流体进入通道进入(如图7的点表示流体流入)，在流经反应界面反应后，未反应的部分以及生成物流体经通孔至流体出口侧流出(如图7中叉表示流体流出)，最终经出口端从排放系统排出。其余同实施例一。
实施例3：
本实施例中与实施例1中的相同之处不再叙述，仅叙述不同之处。
本实施例与实施例1相比的显著不同之处在于，本实施例中燃料电池系统不包含抽气装置，氧化剂系统11由空压机7(如图1所示)通过管道连接至燃料电池堆的氧化剂进口，形成阴极板4进口侧的正压(相对于一个大气压而言，即指大于1个大气压)，与阴极板4出口侧形成压差，同理，燃料系统12由燃料储罐通过管道连接至燃料电池堆的燃料进口44，形成阳极板6进口侧的正压(相对于一个大气压而言，即指大于1个大气压)，与阳极板6出口侧形成压差，流体可以自然流动。
实施例4：
本实施例中与实施1中的相同之处不再叙述，仅叙述不同之处。
本实施例与实施例1相比的显著不同之处在于，本实施例中阴极板4和阳极板6上两侧的通道可以通过冲压、压铸或铣出，因阴极板4和阳极板6均为设有通孔41的平板，其上设有通孔41的面为网孔面，该网孔面一面紧贴流体传输层3设置，另一面为隔板5，隔板5为波纹板(如图11)所示，使其与阴极板4和阳极板6之间形成流体通道，流体从阴极板4和阳极板6与流体传输层3紧贴的一面流入，经流体传输层3传输并扩散参与反应，然后通过通孔41流至阴极板4和阳极板6的另一面，通过阴极板4和阳极板6与隔板5之间的通道排出，网孔面的形状也可以不局限于长条形，也可以为块状，其中的块状可以是椭圆形块，也可以是圆形块，或者其他规则或不规则块，以实际需要为准，但最好边缘呈流线型，以减小对气体流动的阻碍。如图9和图10分别给出了通孔41分布为圆形和椭圆形情况的示意图。需要指出的是，阴极板4和阳极板6的结构相同或不同，例如，即阴极板4上的凸起形状和阳极板6上的通孔41的分布形状可以相同或不同，分布位置可以相同或不同。

Claims (12)

1.一种燃料电池系统，包括燃料电池堆，以及均与燃料电池堆连接的燃料系统、氧化剂系统、冷却系统和排放系统，所述燃料电池堆由压板压紧固定多个叠加的单电池而成，单电池由阴极板和阳极板夹设MEA组成，其特征在于，所述阴极板和阳极板各自的一面为进口端设置了流体进入通道，另一面为出口端设置了流体排出通道，而极板两面的通道是通过极板上设置的多个通孔连通，且MEA紧贴阴极板和阳极板上的通孔设置；反应物流体从阴极板和阳极板的流体进入通道进入，在流经反应界面反应后，未反应的部分以及生成物流体经通孔至流体排出通道，从排放系统排出。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括抽气装置，该抽气装置连接排放系统，使阴极板或阳极板的出口侧为负压。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述抽气装置为真空泵，该真空泵通过排放系统连接燃料电池堆的氧化剂出口，使阴极板的出口侧为负压，以便将反应后的流体排出。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极板和阳极板与MEA之间均设有用于起密闭作用的密封材料层。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极板和阳极板之间设有隔板，并与隔板组成双极板。
6.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述该隔板为不透气板或内设有冷却流体通道的不透气板。
7.根据权利要求1-6中任一条所述的燃料电池系统，其特征在于，所述氧化剂系统连接空压机，该空压机通过氧化剂系统连接燃料电池堆的氧化剂进口，使阴极板的进口侧为正压。
8.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池堆的燃料出口通过排放系统连接真空泵，使阳极板的出口侧为负压，以便将反应后的流体排出。
9.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极板和阳极板还可以为设有通孔的平板。
10.一种燃料电池系统，包括燃料电池堆，以及均与燃料电池堆连接的燃料系统、氧化剂系统、冷却系统和排放系统，所述燃料电池堆由压板压紧固定多个叠加的单电池而成，单电池由阴极板和阳极板夹设MEA组成，所述MEA包括质子交换膜、质子交换膜两侧的催化层以及催外层外侧设置的流体传输层，其特征在于，所述阴极板和阳极板各自的一面为进口端设置了流体进入通道，另一面为出口端设置了流体排出通道，而极板两面的通道是通过极板上设置的多个通孔连通，所述流体传输层为多层多孔材料，各层多孔材料的孔隙率不同，且流体传输层紧贴阴极板和阳极板上的通孔设置；反应物流体从阴极板和阳极板各自的进口端流体进入通道流入，通过流体传输层流通及扩散并参与反应，未反应的部分以及生成物流体经通孔进入流体排出通道，经出口端从排放系统排出。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极板、阳极板和流体传输层均由导电材料制成。
12.一种燃料电池系统，包括燃料电池堆，以及均与燃料电池堆连接的燃料系统、氧化剂系统、冷却系统和排放系统，所述燃料电池堆由压板压紧固定多个叠加的单电池而成，单电池由阴极板和阳极板夹设MEA组成，所述MEA包括质子交换膜、质子交换膜两侧的催化层以及催外层外侧设置的流体传输层，其特征在于，所述阴极板和阳极板各自的一面为进口端设置了流体进入通道，另一面为出口端设置了流体排出通道，而极板两侧的通道是通过极板上设置的多个通孔连通，所述流体传输层为多层多孔材料，各层多孔材料的孔隙率不同，且流体传输层紧贴阴极板和阳极板上的通孔设置，所述排放系统连接抽气装置；反应物流体从阴极板和阳极板各自的进口端流体进入通道流入，通过流体传输层流通及扩散并参与反应，未反应的部分以及生成物流体经通孔进入流体排出通道，经出口端通过抽气装置抽出。
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