CN106997956A - 流体流动组件及含有该流体流动组件的燃料电池电堆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流体流动组件及含有该流体流动组件的燃料电池电堆，该流体流动组件用于制氢发电的可逆燃料电池中气体和液体的流动，同样适用于单一功能的发电燃料电池或制氢电解装置。所述的流体流动组件由对流体进行引流的分布导流板和作为流体主流道的多孔流体流动层组合而成。含有所述流体流动组件的燃料电池堆或电解装置，由多个单电池组件叠加组成，每个单电池都包含一个所述流体流动组件作为阴极，另一个所述流体流动组件作为阳极，MEA膜电极中没有传统的透气层，仅包括质子交换膜和催化层。与现有技术相比，本发明具有能有效快速地排出生成物流体、流体分布更均匀和引流槽分级设置使燃料电池发电性能稳定等优点。

Description

流体流动组件及含有该流体流动组件的燃料电池电堆

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其是涉及流体流动组件及含有该流体流动组件的燃料电池电堆。

背景技术

燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。燃料电池通常由多个电池单元构成，每个电池单元包括两个电极(阳极和阴极)，该两个电极被电解质元件隔开，并且彼此串联地组装，形成燃料电池堆。通过给每个电极供给适当的反应物，即给一个电极供给燃料而另一个供给氧化剂，实现电化学反应，从而在电极之间形成电位差，并且因此产生电能。

为了给每个电极供给反应物，使用通常称为“双极板”并且设置在每个单个电池的两侧的特定界面元件。这些双极板通常是邻近阳极或阴极支撑体放置的单个元件的形式。双极板是燃料电池组的重要元件。燃料电池堆在运行过程中，双极板执行如下功能以维持燃料电池堆的最佳工作状态以及使用寿命：(1)电池导电体，极板两侧分别形成阴极阳极，将一个个电池单元串联以组成燃料电池堆；(2)通过流道向电极提供反应气(传质)；(3)协调水与热的管理，防止冷却介质及反应气体外漏；(4)向膜电极组件(MEA)提供结构强度支持。

传统质子交换膜电解制氢装置由带有液体流道极板和含气体扩散层的MEA膜电极组成，电解时，水从氧气入口进入电极板槽道后，渗入气体扩散层到达反应区域，而电解反应生成的氧气难以有效及时的从灌满了水的扩散层排出；传统质子交换膜燃料电池发电时，氧气从氧气入口进入电极板槽道，而发电生成的水常常会积滞在扩散层中不易排放，导致电堆无法持续工作。通入的氧气无法将气体流动层内的积滞水带出，使氧气的流通通道堵塞。

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流体流动组件及含有该流体流动组件的燃料电池电堆。本发明中的的流体流动组件由对流体进行引流的分布导流板和作为流体主流道的多孔流体流动层组合而成，而燃料电池电堆的MEA膜电极中没有传统的透气层，仅包括质子交换膜和催化层，传统的透气层即气体扩散层由本发明中的多孔流体流动层取代。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种流体流动组件，该流体流动组件用于供制氢发电的可逆燃料电池中气体和液体的流动，对于单一功能的发电燃料电池或制氢电解装置均同样适用，所述的流体流动组件由对流体进行引流的分布导流板和作为流体主流道的多孔流体流动层组合而成。

所述的分布导流板的一侧设置有流体分配槽和多级引流槽，各级引流槽两侧分别固定连接两排流体分配槽，相邻两级引流槽之间的流体分配槽相对且交错排列。

所述的多级引流槽平行设置，并与流体流动方向垂直，所述的流体经由流体分配槽导出后，渗入多孔流体流动层，再经过固连在下一级引流槽一侧的流体分配槽导流后汇集至下一级引流槽，由下一级引流槽另一侧的流体分配槽继续导出。

所述的流体分配槽呈与引流槽垂直的直线状或弯钩状或与引流槽倾斜设置的直线状。

所述的分布导流板与多孔流体流动层结合的一侧为设有流体分配槽和引流槽的一侧。

所述的燃料电池的阴极板为所述流体流动组件，所述的燃料电池的阳极板为所述流体流动组件或为现有的极板结构。

冷却水槽设置在所述的阳极板与阴极板的连接面上。

所述的多孔流体流动层分层设置，调节多孔流体流动层层数控制多孔流体流动层孔隙率，多孔流体流动层孔隙率范围为30～80％。

一种含有上述任一种流体流动组件的可逆燃料电池堆，由多个单电池叠加组成，所述的单电池由阴极板和阳极板夹设MEA膜电极构成，所述的燃料电池的阴极板为所述流体流动组件，所述的燃料电池的阳极板为所述流体流动组件或为现有的极板结构，所述的MEA膜电极由质子交换膜和催化层组成。

所述的阳极板上设有还原剂进出口，所述的阴极板上设有氧化剂进出口，所述的阳极板或阴极板上设有冷却流体进出口，所述的燃料电池的阳极板为所述流体流动组件；

电解水制氢时，电解反应水从阴极板的氧化剂进口流入可逆燃料电池电堆，在阴极板的流体分配槽的引流作用下，渗入多孔流体流动层流动，到达质子交换膜发生电解反应；氢气发电前，电解反应的积滞水在流体分配槽和引流槽的共同作用下，完成积滞水的排出过程；

发电时，氢气和氧气分别从阳极板和阴极板的还原剂进口和氧化剂进口流入可逆燃料电池电堆，在流体分配槽的引流作用下，氢气和氧气分别进入阳极和阴极的流体流动层流动，到达质子交换膜发生反应生成水，生成的水、未反应的氢气和氧气在流体分配槽和引流槽的共同作用下排出，所述的冷却水从冷却流体进口流入可逆燃料电池电堆，在冷却水槽内流动。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)排水迅速，避免堵塞：所述的流体流动组件利用分布导流板进行导流，利用流体流动层作为主流道，将燃料电池中原来膜电极中的气体扩散层变为流体流动层，作为水和气体的主流道，使水能够通过分布导流板上的流体分布槽和引流槽迅速排出，可以避免发电时气体无法将电解时的水带出而造成堵塞情况的发生。

2)流道分级设置，发电性能稳定：分布导流板上的流道分级设置，降低了流体的梯度，使流体的流动过程顺畅平稳，流体流动组件均匀输送反应物，燃料电池发电性能稳定；

3)引流槽加速排水：累积的水还可通过分级设置的引流槽槽两端排出，更好地避免水在流体流动组件中的堵塞情况；

附图说明

图1为本发明一种流体流动组件的流体分配槽结构一示意图；

图2为本发明一种流体流动组件的流体分配槽结构二示意图；

图3为本发明一种流体流动组件的立体结构示意图；

图4为含有本发明流体流动组件的燃料电池剖面流体流动示意图；

图5为多块双极板和MEA膜电极组装成电堆的示意图；

图6为本发明一种流体流动组件的俯视图(其中流体流动层部分剖开)；

图7为流体在流体分配槽与流体流动层内流动方向示意图；

流体流动组件与膜电极结合的简易示意图；

其中，1、质子交换膜；2、催化层；3、流体流动层；4、阴极板分布导流板；5、阳极板分布导流板；6、流体分配槽；6A、流体(氢)分配槽；6B、流体(氧)分配槽；7、冷却水槽；8、中线；9、引流槽；10、双极板；11、膜电极；12、流体流动组件；13、还原剂入口；14、还原剂出口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

所述的流体流动组件包括对流体进行引流的分布导流板和作为流体主流道的流体流动层，所述分布导流板与流体流动层固定连接构成流体流动组件。所述的分布导流板上设置有流体分配槽和引流槽，本实施例中的流体流动组件将流体流动层作为流体的主流道，配合分布导流板上的流体分配槽6和引流槽9，便于积滞流体的排出。该流体流动组件12适用于单一功能的燃料电池或电解装置或可逆燃料电池。流体流动组件12与膜电极11结合的简易示意图如图5所示，流体经由分布导流板上进出口进入和导出。膜电极由催化层2和质子交换膜1构成。

流体流动组件详细设置为：

如图1和图2所示为流体流动组件的流体分配槽6的两种结构的示意图，所述的引流槽9为多级引流槽，各级引流槽之间相互平行，并与流体流动方向垂直，所述的流体分配槽6设置在引流槽9的两侧，相邻两级引流槽9之间的流体分配槽6相对设置且交错排列，流体分配槽的结构形式多样，可以为与引流槽垂直的直线状(如图1)，也可以为弯钩状(如图2)，还可以是与引流槽倾斜的直线状，亦或其他形状。

流体流动组件的立体结构示意图如图3所示，所述的流体分配槽6与引流槽9固连，流体经由分布导流板上的入口进入极板，经由流体分配槽6的导流作用后，渗入流体流动层3，经下一级引流槽9一侧的流体分配槽导流，汇集至下一级引流槽9，再经下一级引流槽9另一侧的流体分配槽导出。本发明流体流动组件的俯视图如图6所示，其中流体流动层部分剖开。流体在流体分配槽与流体流动层内流动方向示意图如图7所示，流体首先由流体分配槽流入流体流动层，后再由流体流动层流入下一级流体分配槽。

含有所述的流体流动组件的燃料电池电堆，燃料电池电堆由多个单电池叠加组成，单电池由阴极板和阳极板夹设MEA膜构成。本实施例中所述的阴极板采用上述流体流动组件中的流体流动组件结构，所述的阳极板可以采用上述的流体流动组件结构，也可以采用一般的极板结构。冷却水槽设在阳极板或阴极板上远离膜电极一侧。

含有本发明流体流动组件的燃料电池剖面流体流动示意图如图4所示，图中显示了两个膜电极之间的双极板中的流体流动方向，图中可见，中线8外侧还设有若干单电池的双极板等重复组件，所述的阴极板采用上述流体流动组件结构，所述的阴极板由阴极板分布导流板4和流体流动层3组成，所述的阴极板4一侧设有流体(氧)分配槽6B和引流槽9。膜电极由催化层2和质子交换膜1构成。所述的阳极板也采用上述流体流动组件结构，所述的阳极板由阳极板分布导流板5和流体流动层3组成，阳极板分布导流板一侧设有流体(氢)分配槽6A和引流槽9，另一侧设有冷却水槽7，阴极板上设有氧化剂进出口，所述的阳极板上设有还原剂进出口和冷却流体进出口。

所述的流体流动层3为多孔材料，所述的流体流动层分层设置，调节流体流动层层数控制多孔流体流动层孔隙率，多孔材料流体流动层孔隙率为30～80％。

多块双极板10和MEA膜电极11组装成电堆图如图5所示，燃料电池电堆由双极板10和膜电极11组合构成。

工作原理：

电解水制氢时，电解反应水从阴极板的氧化剂进口流入可逆燃料电池电堆，在阳极板的流体分配槽的引流作用下，渗入流体流动层流动，到达MEA膜发生电解反应；氢气发电前，电解反应的积滞水在流体分配槽和引流槽的共同作用下，完成积滞水的排出过程；

发电时，氢气和氧气分别从阳极板和阴极板的还原剂进口13和氧化剂进口流入可逆燃料电池电堆，在流体分配槽的引流作用下，氢气和氧气分别进入阳极和阴极的流体流动层流动，到达质子交换膜发生反应生成水，生成的水、未反应的氢气和氧气在分配槽和引流槽的共同作用下排出，所述的冷却水从阳极板的冷却流体进口流入可逆燃料电池电堆，在阳极板的冷却水槽内流动，剩余氢气和氧气分别从还原剂出口14和氧化剂出口流出。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种流体流动组件，该流体流动组件用于供制氢发电的可逆燃料电池中气体和液体的流动，对于单一功能的发电燃料电池或制氢电解装置均同样适用，其特征在于，所述的流体流动组件由对流体进行引流的分布导流板和作为流体主流道的多孔流体流动层组合而成。

2.根据权利要求1所述的一种流体流动组件，其特征在于，所述的分布导流板的一侧设置有流体分配槽和多级引流槽，各级引流槽两侧分别固定连接两排流体分配槽，相邻两级引流槽之间的流体分配槽相对且交错排列。

3.根据权利要求2所述的一种流体流动组件，其特征在于，所述的多级引流槽平行设置，并与流体流动方向垂直，所述的流体经由流体分配槽导出后，渗入多孔流体流动层，再经过固连在下一级引流槽一侧的流体分配槽导流后汇集至下一级引流槽，由下一级引流槽另一侧的流体分配槽继续导出。

4.根据权利要求2所述的一种流体流动组件，其特征在于，所述的流体分配槽呈与引流槽垂直的直线状或弯钩状或与引流槽倾斜设置的直线状。

5.根据权利要求2所述的一种流体流动组件，其特征在于，所述的分布导流板与多孔流体流动层结合的一侧为设有流体分配槽和引流槽的一侧。

6.根据权利要求1所述的一种流体流动组件，其特征在于，所述的燃料电池的阴极板为所述流体流动组件，所述的燃料电池的阳极板为所述流体流动组件或为现有的极板结构。

7.根据权利要求6所述的一种流体流动组件，其特征在于，冷却水槽设置在所述的阳极板与阴极板的连接面上。

8.根据权利要求1所述的一种流体流动组件，其特征在于，所述的多孔流体流动层分层设置，调节多孔流体流动层层数控制多孔流体流动层孔隙率，多孔流体流动层孔隙率范围为30～80％。

9.一种含有如权利要求1～8任一所述流体流动组件的可逆燃料电池堆，由多个单电池叠加组成，所述的单电池由阴极板和阳极板夹设MEA膜电极构成，其特征在于，所述的燃料电池的阴极板为所述流体流动组件，所述的燃料电池的阳极板为所述流体流动组件或为现有的极板结构，所述的MEA膜电极由质子交换膜和催化层组成。

10.根据权利要求9所述的可逆燃料电池电堆，其特征在于，所述的阳极板上设有还原剂进出口，所述的阴极板上设有氧化剂进出口，所述的阳极板或阴极板上设有冷却流体进出口，所述的燃料电池的阳极板为所述流体流动组件；

电解水制氢时，电解反应水从阴极板的氧化剂进口流入可逆燃料电池电堆，在阴极板的流体分配槽的引流作用下，渗入多孔流体流动层流动，到达质子交换膜发生电解反应；氢气发电前，电解反应的积滞水在流体分配槽和引流槽的共同作用下，完成积滞水的排出过程；

发电时，氢气和氧气分别从阳极板和阴极板的还原剂进口和氧化剂进口流入可逆燃料电池电堆，在流体分配槽的引流作用下，氢气和氧气分别进入阳极和阴极的流体流动层流动，到达质子交换膜发生反应生成水，生成的水、未反应的氢气和氧气在流体分配槽和引流槽的共同作用下排出，所述的冷却水从冷却流体进口流入可逆燃料电池电堆，在冷却水槽内流动。