CN108417857B - 一种燃料电池导流极板及燃料电池堆和系统 - Google Patents

一种燃料电池导流极板及燃料电池堆和系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池导流极板及燃料电池堆和发电系统，该导流极板上设有双氧化剂进口和双氧化剂流道，两个氧化剂流道分别连接两个氧化剂进口，通过两个氧化剂进口向各氧化剂流道内输送氧化剂，燃料电池堆采用的导流极板为前述导流极板，燃料电池发电系统还包括两个独立的氧化剂供给系统，包括两个独立压缩机，并调节两路氧化剂流道内的流体流量和压力。与现有技术相比，本发明的导流极板使流道中和透气层中的流体传输与排水更加流畅，效率更高，不易发生堵水现象。

Description

一种燃料电池导流极板及燃料电池堆和系统
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体地说是提出了一种新的燃料电池导流极板及燃料电池堆和系统。
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。
“双极板”的结构一般为设置在极板两端的流体进出口，以及连接流体进出口的流道，每种流体从流体进口流进，一般需要沿着多于一条的导流槽弯弯曲曲绕遍整个导流场，各条导流槽合并后从流体出口流出。由于多于一条的导流槽弯曲性很大，而且导流槽长度较长，燃料电池生成的产物水很容易在电极阴极侧出现而将空气导流槽堵塞，而且燃料电池生成的产物水也很容易通过反渗透在电极阳极侧出现，将氢气导流槽堵塞。特别是燃料电池作为车、船动力系统或可移式发电装置应用时，由于动力系统的工况变化很大，燃料电池的输出功率也变化很大，这样燃料电池生成的水更容易将空气、氢气导流槽堵塞。中国专利CN200610027547.6公开了一种不易堵水的燃料电池导流极板，该导流极板为导流双极板，所述的导流双极板由正面导空气流槽板、反面导氢气流槽板、中间导冷却流体夹层组成，所述的进出空气或进出氢气的流体孔为单孔进、双孔或多孔出，该进出空气或氢气流体孔之间的设有导流槽及连接导流槽的连接槽，导流槽和连接槽均设计成直流槽或近直流槽；所述的进出冷却流体的流体孔为单孔或双孔或多孔进、双孔或多孔出，该进出冷却流体的流体孔之间的设有导流槽及连接导流槽的连接槽，导流槽和连接槽均设计成直流槽或近直流槽。
这种设计是通过多设置几个流体进出口，将导流槽尽可能设计成直流槽或近直流槽，相比于传统的蛇形流道，的确降低了堵水的情况，但是，由于导流极板的大小的限制，这种直流道的设计使氢气和空气来不及反应就被排出了电堆，大量的空气被浪费或过量的氢气被循环输送，必然造成输送空气或循环氢气的机械功耗增加，从而降低了燃料电池系统效率。
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传输与排水更加流畅的燃料电池导流极板及燃料电池堆和系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池导流极板，其特征在于，该导流极板上设有双路各自独立的氧化剂进口和双路各自独立的氧化剂流道，两个氧化剂流道分别连接两个氧化剂进口，通过两个氧化剂进口向各氧化剂流道内输送氧化剂，而且两个氧化剂流道内的流体的流量和压力独立调节。
独立双路氧化剂进口，包括氧化剂主进口和氧化剂辅助进口，双路氧化剂流道包括氧化剂主流道和氧化剂辅助流道，氧化剂主流道是供流体的主体通过的导流极板氧化剂流道，氧化剂辅助流道设置在所述的氧化剂主流道两侧的流道壁内部，并连通氧化剂辅助进口；通过氧化剂辅助进口向氧化剂辅助流道内输入氧化剂，使氧化剂辅助流道内的流体压力通常高于所述氧化剂主流道中流体压力，推动流体穿过导流极板下端多孔材料流体扩散层，从氧化剂辅助流道进入氧化剂主流道。
所述的氧化剂辅助流道包括插入氧化剂主流道两侧流道壁内部的微槽和将各微槽连通至氧化剂辅助进口的引流槽，各微槽没有直接联通所述氧化剂主流道，而是通过控制氧化剂主流道与氧化剂辅助流道内氧化剂的压差，将氧化剂流体挤入多孔材料流体扩散层，并在多孔材料流体扩散层中形成流动，既能改善氧化剂分布，又能有效将扩散层中生成的水推挤到主流道中，从而排出。
所述的氧化剂辅助流道包括插入氧化剂主流道两侧流道壁内部的微槽和将各微槽连通至氧化剂辅助进口的引流槽，氧化剂主流道两侧流道壁上还设有多个毛细孔或毛细槽，进入氧化剂辅助进口的氧化剂通过微槽和各毛细孔或毛细槽进入所述氧化剂主流道。
所述的微槽的宽度为所述氧化剂主流道的宽度的1/20～1/2。
所述的毛细孔或毛细槽的宽度为所述氧化剂主流道的宽度的1/30～1/3。
所述的导流极板的另一面还可以设置双燃料进口和双燃料流道。
一种燃料电池电堆，包括一组多片上述导流极板，其特征在于：多片导流极板构成的燃料电池堆的氧化剂流体进口连接了独立的氧化剂主压缩供给装置，所述的氧化剂辅助进口连接了独立的氧化剂辅压缩供给装置。
一种燃料电池系统，包括燃料电池堆，燃料供给装置、冷却流体泵，其特征在于：还包括两个独立的氧化剂压缩供给装置，所述的燃料电池堆采用的导流极板为权利要求1～8中任一所述的导流极板，两个独立的氧化剂压缩机分别连接导流极板上两个氧化剂进口，并通过调节两个氧化剂压缩机的输出压力，调节两个氧化剂流道内的流体压力。
所述的两个独立的氧化剂压缩机分别为氧化剂主压缩机和氧化剂辅压缩机，所述的氧化剂主压缩机为常规燃料电池空压机，所述的氧化剂辅压缩机的输出压力为氧化剂主压缩机的2-5倍。
与现有技术相比，本发明优点在于：
1.本发明在燃料电池导流极板上设置了两个独立的双氧化剂流道，双氧化剂流道分别连接两个独立的氧化剂压缩机，通过调节各氧化剂压缩机的输出压力大小，调节双氧化剂流道内的压力，根据需要使两个氧化剂流道内的压力相同或其中一个压力高于另一个压力，目的使其更好地排水，节能。
2.本发明的双氧化剂流道，一个为常规氧化剂主流道，另一个相当于在燃料电池导流极板上导空气的一面增设了一个氧化剂辅助进口和氧化剂辅助流道，其中氧化剂辅助进口连接一个小流量高压力压缩机，通过氧化剂辅助流道向导流极板内输入高压空气，由于导流极板是与GDL层(扩散层)相贴合的，而GDL层材料一般为多孔材料，便于流体通过GDL层扩散至催化剂膜层参与反应，因此，本发明在常规的导流极板上增加了一路高压空气，该高压空气进入GDL层一方面使参与反应的空气流体传输更加通畅，另一方面由于其压力更高，很容易将反应生成的水带出燃料电池堆。
3.传统燃料电池导流极板一般由正面导空气流槽板、反面导氢气流槽板、中间导冷却流体夹层组成，所述的导流极板上设有可供空气进出、氢气进出、冷却流体进出的流体进出口，以及连接于各流体进出口之间的导流槽，其中正面设有氧化剂主流道，本发明氧化剂辅助流道设置在形成传统氧化剂主流道的脊背内，不影响传统导流极板上各流体流动，同时由于氧化剂辅助流道不与其他流道连通，因此输入其中的氧化剂只能超与其贴合GDL层流动，通过GDL层流至氧化剂主流道的主流道，最终从氧化剂流体出口流出，其高压力迫使GDL层中的水排出，同时，很容易在GDL层中扩散，使扩散至催化剂层的氧化剂更多，更容易参与反应。
4.本发明还有一个优选方案就在各条传统氧化剂主流道的脊背侧面设置毛细孔或毛细槽，各毛细孔或毛细槽连通所述氧化剂辅助流道与氧化剂主流道，由于毛细孔或毛细槽的宽度非常小，因此不会使氧化剂辅助流道内的高压空气与传统氧化剂主流道内的空气压力相同，能保持一个压力差，同时，使高压氧气带着生成水更容易通过传统氧化剂主流道和氧化剂流体出口排出。
5.本发明导流极板上的各传统导流槽可以为所有公开的导流槽结构，包括蛇形槽、直行槽或其他形式的导流槽，使用范围广。
6.本发明还可以在导流极板上导氢气的一面增设燃料辅助流道和燃料辅助进口，燃料辅助进口设置在导流极板一端，燃料辅助流道设置在传统燃料导流槽的脊背内，通过燃料辅助进口向其中输入高压燃料，将反渗透到导氢气一面的水从GDL层中排出。
附图说明
图1为本发明导流极板的结构示意图；
图2为本发明燃料电池系统结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1所示，燃料电池导流极板，该导流极板为常规的燃料电池导流极板，包括正面导空气流槽板、反面导氢气流槽板、中间导冷却流体夹层组成，其中正面导空气流槽板上设有氧化剂流体进口1和氧化剂流体出口2，所述的氧化剂流体进口1和氧化剂流体出口2通过氧化剂主流道3连接，燃料进口6，燃料出口7，冷却流体进口8，冷却流体出口9，其中反面导氢气流槽板上设有连接燃料进口6和燃料出口7的燃料导流槽，中间导冷却流体夹层设有连接冷却流体进口8和冷却流体出口9的冷却流体导流槽。
在上述常规燃料电池导流极板的正面导空气流槽板上增设氧化剂辅助进口4和氧化剂辅助流道5，该氧化剂辅助流道5设置在所述的氧化剂主流道3的各槽两侧的脊背内，并连通氧化剂辅助进口4。所述的导氧化剂辅助进口4设置在导流极板的一端。
所述的氧化剂辅助流道5包括引流槽51和插入氧化剂主流道脊背31的微槽52，各微槽52与引流槽51连通，引流槽51连接到氧化剂辅助进口4。在本实施例中，所述的氧化剂主流道脊背31上还设有多个毛细槽53，各毛细槽53连通所述氧化剂辅助流道的各微槽52与氧化剂主流道3。
其中，所述的微槽52的宽度为所述氧化剂主流道3的宽度的1/3。所述的毛细槽53的宽度为所述氧化剂主流道3的宽度的1/10。
如图2所示，采用上述导流极板与MEA叠加形成单电池，多张单电池叠加后形成燃料电池堆10，燃料电池堆10的氧化剂流体进口连接氧化剂主压缩机11，燃料进口连接燃料压缩机12，冷却流体进口连接冷却泵13，并增设氧化剂辅压缩机14，该氧化剂辅压缩机14连接燃料电池堆10的氧化剂辅助进口，形成燃料电池系统。
其中，所述的氧化剂主压缩机11为常规燃料电池空压机，输送的空气的压力为常规燃料电池需要的压力，所述的氧化剂辅压缩机14的输出压力为氧化剂主压缩机11的3倍。
实施例2
所述的微槽52的宽度为所述氧化剂主流道3的宽度的1/2。所述的毛细槽53的宽度为所述氧化剂主流道3的宽度的1/3。所述的氧化剂辅压缩机14的输出压力为氧化剂主压缩机11的5倍。其余同实施例1。
实施例3
所述的微槽52的宽度为所述氧化剂主流道3的宽度的1/10。所述的毛细槽53的宽度为所述氧化剂主流道3的宽度的1/20。所述的氧化剂辅压缩机14的输出压力为氧化剂主压缩机11的2倍。其余同实施例1。
实施例4
所述的导流极板的正面设有氧化剂主流道，反面设有燃料流道，所述的氧化剂辅助流道设置在正面，反面也可以设置燃料辅助流道和燃料辅助进口，其结构与正面的相同。其余同实施例1。
实施例5
所述的氧化剂辅助流道包括插入氧化剂主流道脊背的微槽，各微槽没有直接联通所述氧化剂主流道的流道，而是通过控制氧化剂主流道与氧化剂辅助流道内氧化剂的压差，将氧化剂流体挤入多孔材料透气层，并在多孔材料透气层中形成流动，既能改善氧化剂分布，又能有效挤排出生成水。其余同实施例1。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，但不限于此。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，无需经过创造性劳动就能够联想到的技术特征，还可以做出若干变型和改进，这些变化显然都应视为等同特征，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃料电池导流极板，其特征在于，该导流极板上设有双路各自独立的氧化剂进口和双路各自独立的氧化剂流道，两个氧化剂流道分别连接两个氧化剂进口，通过两个氧化剂进口向各氧化剂流道内输送氧化剂，而且两个氧化剂流道内的流体的流量和压力独立调节；
独立双路氧化剂进口，包括氧化剂主进口和氧化剂辅助进口，双路氧化剂流道包括氧化剂主流道和氧化剂辅助流道，氧化剂主流道是供流体的主体通过的导流极板氧化剂流道，氧化剂辅助流道设置在所述的氧化剂主流道两侧的流道壁内部，并连通氧化剂辅助进口；通过氧化剂辅助进口向氧化剂辅助流道内输入氧化剂，使氧化剂辅助流道内的流体压力通常高于所述氧化剂主流道中流体压力，推动流体穿过导流极板下端多孔材料流体扩散层，从氧化剂辅助流道进入氧化剂主流道。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池导流极板，其特征在于：所述的氧化剂辅助流道包括插入氧化剂主流道两侧流道壁内部的微槽和将各微槽连通至氧化剂辅助进口的引流槽，各微槽没有直接联通所述氧化剂主流道，而是通过控制氧化剂主流道与氧化剂辅助流道内氧化剂的压差，将氧化剂流体挤入多孔材料流体扩散层，并在多孔材料流体扩散层中形成流动，既能改善氧化剂分布，又能有效将扩散层中生成的水推挤到主流道中，从而排出。
3.如权利要求1所述的一种燃料电池导流极板，其特征在于：所述的氧化剂辅助流道包括插入氧化剂主流道两侧流道壁内部的微槽和将各微槽连通至氧化剂辅助进口的引流槽，氧化剂主流道两侧流道壁上还设有多个毛细孔或毛细槽，进入氧化剂辅助进口的氧化剂通过微槽和各毛细孔或毛细槽进入所述氧化剂主流道。
4.如权利要求2或3所述的一种燃料电池导流极板，其特征在于：所述的微槽的宽度为所述氧化剂主流道的宽度的1/20～1/2。
5.如权利要求3所述的一种燃料电池导流极板，其特征在于：所述的毛细孔或毛细槽的宽度为所述氧化剂主流道的宽度的1/30～1/3。
6.如权利要求1所述的一种燃料电池导流极板，其特征在于：所述的导流极板的另一面还可以设置双燃料进口和双燃料流道。
7.一种燃料电池电堆，包括至少一组多片如权利要求1～6中任一所述的导流极板，其特征在于：多片导流极板构成的燃料电池堆的氧化剂流体进口连接了独立的氧化剂主压缩供给装置，所述的氧化剂辅助进口连接了独立的氧化剂辅压缩供给装置。
8.一种燃料电池系统，包括燃料电池堆，燃料供给装置、冷却流体泵，其特征在于：还包括两个独立的氧化剂压缩供给装置，所述的燃料电池堆采用的导流极板为权利要求1～6中任一所述的导流极板，两个独立的氧化剂压缩机分别连接导流极板上两个氧化剂进口，并通过调节两个氧化剂压缩机的输出压力，调节两个氧化剂流道内的流体压力。
9.如权利要求8所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述的两个独立的氧化剂压缩机分别为氧化剂主压缩机和氧化剂辅压缩机，所述的氧化剂主压缩机为常规燃料电池空压机，所述的氧化剂辅压缩机的输出压力为氧化剂主压缩机的2-5倍。
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