CN1093694C

CN1093694C - 含有气体导流板的燃料电池

Info

Publication number: CN1093694C
Application number: CN98108958A
Authority: CN
Inventors: 魏金柱; 张玉萍; 沈建跃
Original assignee: SHIJI FUYUAN FUEL CELL CO Ltd BEIJING
Current assignee: Shiji Fuyuan Fuel Cell Co., Ltd., Beijing
Priority date: 1998-05-22
Filing date: 1998-05-22
Publication date: 2002-10-30
Anticipated expiration: 2018-05-22
Also published as: CN1237004A

Abstract

一种含有气体导流板的燃料电池，包括至少两个基本平行的气体导流板1和1a，其间依次设置碳纸、催化剂、电解质、催化剂和碳纸。其中，所述气体导流板上的气体导流槽由一段或多段组成，其各段的总横截面积沿从气体入口向气体出口的方向逐渐减小。利用如此设计的气体导流板的燃料电池，可以使气体导流槽中流动的空气中的氧气向催化剂和电解质界面的扩散得以加强，从而维持燃料电池的发电性能稳定。

Description

含有气体导流板的燃料电池

技术领域

本发明涉及一种含有气体导流板的燃料电池。

背景技术

燃料电池是一个能将化学能直接转换成电能的发电装置。燃料电池尤其是质子交换膜燃料电池除了在发电时无污染，噪音低外，还具有无腐蚀，启动快，制备容易，维修简单，功率密度大，发电效率高，使用寿命长等许多优点，因此在交通工具，发电设备，军事，潜艇，航天和航空等各个领域中均有着广阔的应用前景。

气体导流板是燃料电池的一个重要组成部分，它在燃料电池中的作用主要有以下三个方面：

1)导流氢气、氧气和空气使之与电极中的催化剂反应并将反应后生成的水导流出燃料电池；

2)作为刚性支撑体，支撑着电极以便气-固电化学反应的顺利进行；

3)作为采取电流的电极板。

以美国GE公司为受让人的美国专利第3,134,697号公开了一种质子交换膜燃料电池，其采用凹型槽气体导流板(以下简称GE板，参见图1)。该气体导流板是在整块的耐腐蚀金属板上刻出一个凹型槽而形成的。质子交换膜燃料电池的膜电极集合体被夹在两块带有凹型槽的气体导流板之间(一块是阴极板，另一块是阳极板)，而带有一定压力的氢气和氧气或空气则分别被填充在凹型槽内。此设计的优点是加工工艺简单，在膜电极集合体的表面能保持有一定的气体压力。但是，此设计的缺点是气体不能在导流板上快速地流动，反应后生成的水不能及时地排除，从而使膜电极遭到水淹。因此，燃料电池的发电性能随着反应时间的推移而迅速地下降。此外，当利用空气作为氧化气体来发电时，凹型槽内空气中氧气的含量很快地降低(在反应刚开始时，氧气的含量在21％左右，随着反应时间的增加，由于不参与反应的氮气不能及时地排出，从而造成氮气含量上升，氧气含量下降)也是致使电池发电性能迅速下降的主要因素之一。

以美国Allis-Chalmers公司为受让人的美国专利第3,575,719号公开了一种燃料电池的气体导流板(以下简称AC板，参见图2)。AC板是在耐腐蚀的金属板上或在高密度、不透气的石墨板上刻有多条平行的气体导流槽而制成的。此板的特点是气体可以在气体导流槽里快速地流动且阻力小，反应后生成的水或不参与反应的氮气能很快地被排出。但是，当把AC板用于大功率的质子交换膜燃料电池并用空气发电时，燃料电池发电不稳定，电压的波动很大。

以巴拉德公司为受让人的美国专利第5,108,849号公开了一种用于燃料电池的气体导流板(以下简称BD板，参见图3)。此BD板的设计是将一条或多条气体导流槽从气体的入口连续地刻到气体的出口处，使得气体导流槽在整个板面上呈盘蛇状。实验证明，采用BD板作为气体导流板的质子交换膜燃料电池用空气作为氧化气体时，其发电性能确实稳定。然而，由于使用BD板大大增加了空气和作为副产物的生成水在气体导流板上流动的距离和阻力，这不仅增加了膜电极集合体受损、受淹的可能性而且使得气体导流槽中流动的空气中氧气的含量有一个很大的梯度(即在空气入口处，氧气的含量占21％左右，而在空气出口处，氧气的含量要远低于20％)。因而损失了一些发电性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种含有气体导流板的燃料电池，能降低其气体导流板上的气体导流槽中氧气含量的梯度，使发电性能稳定、膜电极集合体受损和受淹的可能性减小，从而提高其发电性能。

为此，本发明提供一种含有气体导流板的燃料电池，包括：

至少两个基本平行的气体导流板，在两个相邻的气体导流板上以相对方式开有气体导流槽，其中分别充有氧气/空气和氢气，在该气体导流板之间依次设置碳纸、催化剂、电解质、催化剂和碳纸，其它各相邻导流板也按类似结构布置，其间也依次设置碳纸、催化剂、电解质、催化剂和碳纸。

其中，气体导流板上的气体导流槽由一段或多段组成，气体导流槽的总横截面积沿从气体入口向气体出口的方向逐渐减小。

根据本发明的进一步的特征，本发明燃料电池的气体导流板的每一段气体导流槽可由一根或多根导流槽单元组成。

由于本发明的燃料电池采用了上述气体导流板，使气体导流槽中的空气的流速沿从气体入口向气体出口的方向逐渐提高，从而使气体导流槽中流动的空气中的氧气向催化剂和电解质界面上的扩散得以加强。因此，根据本发明，缩短了空气和作为副产物的生成水在气体导流槽中的流程，减少了空气和生成水流动的阻力，减少了膜电极集合体受损和受淹的可能性，降低了气体导流槽中氧气含量的梯度，从而保证了燃料电池高效、稳定地发电。

附图说明

下面结合附图详细介绍本发明的实施例。

图1是现有技术中的一种气体导流板的示意图；

图2是现有技术中的另一种气体导流板的示意图；

图3是现有技术中的又一种气体导流板的示意图；

图4是本发明的含有气体导流板的燃料电池的结构图；

图5详细示出了本发明的燃料电池所采用的气体导流板。

具体实施方式

经试验后，本发明人发现，采用AC板作为气体导流板并用空气发电的燃料电池的发电性能并不是随着时间的增加才逐渐降低的，而是从一开始就不稳定。但是，无论何时，一旦用氧气代替空气，燃料电池的发电便会非常稳定。由此可见，水珠凝聚导致某些气体导流槽的阻力升高显然不是采用AC板作为气体导流板的燃料电池在用空气发电时其性能不稳定的真正因素，其真正原因是空气在气体导流槽中的流速太慢。

在流量一定的条件下，空气在AC板上气体导流槽中的流速比在BD板上气体导流槽中的流速要慢的多，这是因为通常情况下AC板上气体导流槽的数目比BD板上气体导流槽的数目一般要多出10倍以上，使得AC板上气体导流槽的总横截面积比BD板上导流槽的总横截面积要大得多，而在流量一定的条件下，空气在气体导流槽中的流速和气体导流槽的总横截面积成反比。其中，气体导流槽的总横截面积指的是在某一流速下，组成某段气体导流槽的各导流槽单元的横截面积之和。

图4示出了本发明的含有气体导流板的燃料电池的一部分，该燃料电池包括：至少两个基本平行的导流板1和1a，在该导流板1和1a上以相对方式开有气体导流槽2和2a，其中分别充有氧气/空气和氢气。在该导流板1和1a之间依次设置碳纸5、催化剂4、电解质3、催化剂4a和碳纸5a。其它各相邻导流板也按类似结构布置，其间也依次设置碳纸、催化剂、电解质、催化剂和碳纸。

图5详细表示了根据本发明的燃料电池所采用的气体导流板的一个实施例。如图5所示，气体导流板1上设有盘蛇状的气体导流槽，其由三段组成。在靠近气体入口20处，设有第一段导流槽D₁；在气体导流板1的中部，设有与所述第一段导流槽D₁连通的第二段导流槽D₂；在靠近气体出口22处，设有与所述第二段导流槽D₂连通的第三段导流槽D₃。所述第一段导流槽D₁、第二段导流槽D₂和第三段导流槽D₃的槽数按下述原则来确定，即使第一段导流槽D₁的总横截面积大于第二段导流槽D₂的总横截面积，而第二段导流槽D₂的总横截面积大于第三段导流槽D₃的总横截面积。这样，如果气体在第一段导流槽D₁、第二段导流槽D₂和第三段导流槽D₃中的流速分别用V₁、V₂和V₃表示，则三者之间的关系可表示为V₁＜V₂＜V₃。

本领域技术人员知道，如果气体导流槽中流动的气体是空气，则空气中的氧气浓度在气体入口20处最高。随着空气向气体出口22处的流动，空气中的氧气浓度逐渐降低。然而，根据本发明的燃料电池，由于其气体导流板的气体导流槽中的空气的流速的变化，可以补偿由于空气中的氧气浓度降低而造成的空气中的氧气向催化剂和电解质界面的扩散速度的降低。这样，利用根据本发明的燃料电池，即缩短了空气和作为副产物的生成水在气体导流槽中的流程，减少了空气和生成水流动的阻力，即减少了膜电极集合体受损和受淹的可能性，降低了气体导流槽中氧气含量的梯度，又保证了燃料电池高效、稳定的发电。表1列出了根据本发明的含有气体导流板的燃料电池的发电性能与采用AC板或BD板作为气体导流板的单膜燃料电池的发电性能的对比情况(氢气/空气)。

表1

输出电流输出电压输出功率发电性能用AC板 68A 0.55V 37W 不稳定用BD板 86A 0.64V 55W 稳定本发明 102A 0.65V 66W 稳定

由表1的数据可以清楚地看出，在其他条件等同的情况下，采用本发明的气体导流板的燃料电池不仅发电稳定，而且输出功率比用AC板作为气体导流板的燃料电池高出78％，比用BD板作为气体导流板的燃料电池高出20％。

本发明人发现，只要根据气体导流槽中流动的空气中的氧气梯度，通过适当地设计第一段导流槽D₁、第二段导流槽D₂和第三段导流槽D₃的槽数及其长度，就能很好地控制各段导流槽中的空气流动速度，从而保持燃料电池发电性能的稳定。

当然，根据本发明的燃料电池所用的气体导流板上的气体导流槽并不限于本发明实施例中所述的三段，各段导流槽的槽数也可根据情况来选定。每段导流槽可由平行的、截面积相同的一根或多根导流槽单元组成，也可由其它形式的导流槽单元组成。只要其总截面积随着远离气体入口处而逐渐变小即可。

根据本发明的燃料电池中的电解质可以是质子交换膜，也可以是熔融碳酸盐，固体氧化物，磷酸，氢氧化钾或氢氧化钠。

根据本发明的燃料电池所用的气体导流板的材料可以是各种耐腐蚀的金属板或合金板，如不锈钢板，镍板，钛板或表面涂有或贴有防腐蚀材料的金属铝板；也可以是石墨碳板，如在石墨碳板中混有各种金属材料或各种高分子材料。

本领域技术人员应该知道，上述说明是实例性而非限定性的。在不偏离本发明精神的情况下，所有改变后的方案均落入所附权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种含有气体导流板的燃料电池，包括：

至少两个基本平行的气体导流板(1，1a)，在两个相邻的气体导流板(1，1a)上以相对方式开有气体导流槽(2，2a)，其中分别充有氧气/空气和氢气，在该气体导流板(1，1a)之间依次设置碳纸(5)、催化剂(4)、电解质(3)、催化剂(4a)和碳纸(5a)，其它各相邻导流板也按类似结构布置，其间也依次设置碳纸、催化剂、电解质、催化剂和碳纸，

其特征在于，所述气体导流板(1，1a)上的所述气体导流槽(2，2a)由一段或多段组成，其总横截面积沿从气体入口向气体出口的方向逐渐减小。

2.如权利要求1所述的含有气体导流板的燃料电池，其特征在于，各段气体导流槽由一根或多根平行的导流槽单元构成。

3.如权利要求1或2所述的含有气体导流板的燃料电池，其特征在于，所述气体导流槽(2，2a)由三段组成。

4.如权利要求3所述的含有气体导流板的燃料电池，其特征在于，所述各导流槽单元的截面积相同。

5.如权利要求1或2所述的含有气体导流板的燃料电池，其特征在于，所述电解质(3)由质子交换膜组成。

6.如权利要求1或2所述的含有气体导流板的燃料电池，其特征在于，所述电解质(3)由熔融碳酸盐组成。

7.如权利要求1或2所述的含有气体导流板的燃料电池，其特征在于，所述气体导流板(1，1a)由耐腐蚀的金属板制成。

8.如权利要求1或2所述的含有气体导流板的燃料电池，其特征在于，所述气体导流板(1，1a)由石墨碳板制成。