CN112909312B - 一种质子交换膜燃料电堆 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电堆 Download PDF

Info

Publication number
CN112909312B
CN112909312B CN202110082554.0A CN202110082554A CN112909312B CN 112909312 B CN112909312 B CN 112909312B CN 202110082554 A CN202110082554 A CN 202110082554A CN 112909312 B CN112909312 B CN 112909312B
Authority
CN
China
Prior art keywords
cathode
membrane electrode
strong
flow field
battery unit
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.)
Active
Application number
CN202110082554.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112909312A (zh
Inventor
陈广明
甘全全
李丽
戴威
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Shenli Technology Co Ltd
Original Assignee
Shanghai Shenli Technology Co Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Shenli Technology Co Ltd filed Critical Shanghai Shenli Technology Co Ltd
Priority to CN202110082554.0A priority Critical patent/CN112909312B/zh
Publication of CN112909312A publication Critical patent/CN112909312A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112909312B publication Critical patent/CN112909312B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

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
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • 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
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • 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

本发明涉及一种质子交换膜燃料电堆，该电堆包括设于两端的阴极端板和阳极端板，以及阵列分布的电池单元A和强电池单元B。电池单元A包括膜电极M1和冷却液流场Q1，强电池单元B包括膜电极M2和冷却液流场Q2，膜电极M1和膜电极M2的阴极载量满足：M1＝(0.3‑1.0)M2，冷却液流场Q1和冷却液流场Q2的容量满足Q2＝(0.2‑0.8)Q1。与现有技术相比，本发明解决因产水多、温度偏低引起的电池性能低、稳定性差的问题；同时改善冷启动过程中，电堆端板两端单电池电压偏低的现象，提高电堆的输出性能、冷启动性能和耐久性。

Description

一种质子交换膜燃料电堆
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电堆。
背景技术
燃料电池是能够将燃料的化学能通过电化学反应直接转换成电能的一种装置，其能量转换效率不受卡诺热机循环理论效率的限制，转换效率较高(45-60％)，同时生成物只有水，对环境没有污染，因而在众多领域具有广阔的发展前景。其中质子交换膜燃料电池具有功率密度高、启动快、对负载变化响应快等特点，成为交通运输能源领域重要发展方向。
然而在实际运用中，燃料电池还面临诸多问题，水淹是引起单低的一个主要原因。单低的根本原因是部分位置的电池的温度低、水量大。其中靠近歧管位置和端板位置更容易出现这种情况，进而对电池的性能和寿命造成影响。
现有的技术整体上是从两个方面对电堆局部温度低、产水多进行优化和改善。一个方面是：直接在温度低的位置实施加热处理，加热的方式分为自加热和被动加热两种。另一方面是通过假单片电池的设计，将产生的水引入到没有膜电极的电池中，避免产生水淹。专利CN201911065235.8在极板与集流板之间增加柔性电阻板，可以在电流经过该柔性电阻板时产生热量，对极板进行加热，保证极板的温度与电堆内部单电池的温度相同，或者稍微超过内部单电池的温度，从而延长电堆的寿命。专利CN201480053101.3在燃料电池堆端板处设置伪电池，有利于排除电堆中多余的液态水，在一定程度上可以改善电堆端板两端电压较低的现象。专利CN201911065235.8在端板处设置伪电池，并且在伪电池和端板之间插入加热器，可以在冷启动时，降低端板处与电堆中间部分的温差，提高电堆的冷启动性。
通过产热的方式仅能改变端板相邻处电池的性能，对于非端板位置的电池不能改善；加热的控制会随着运行状态的变化而变化，如果被动加热则需要是一个跟随的响应，增加控制和稳定的成本；如果是主动加热则需要考虑在不同运行工况下的补偿情况。假单片只能在一定程度上改善，并不能够完全避免，因此在长期运行后出现端板及特殊位置的衰减加速、一致性差的问题无法解决。
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解决因产水多、温度偏低引起的电池性能低、稳定性差的问题；同时改善冷启动过程中，电堆端板两端单电池电压偏低的现象，提高电堆的输出性能、冷启动性能和耐久性的质子交换膜燃料电堆。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明通过调整燃料电池结构单元的设计，使用新的有效的降低温度的扩散、提高水的排出、在燃料电池堆两端或者特殊位置安放强电堆，作为反应气体和冷却水的传输通道，有利于排出电堆运行过程中产生的多余的液态水，同时改善电堆端板两端单电池电压偏低的现象，提高电堆的输出性能、冷启动性能和耐久性，具体方案如下：
一种质子交换膜燃料电堆，该电堆包括设于两端的阴极端板和阳极端板，以及阵列分布的电池单元A和强电池单元B。
进一步地，所述的电池单元A比强电池单元B厚0.2-0.4mm。
进一步地，所述的电池单元A包括阴极板、膜电极M1、阳极板和密封件。
进一步地，所述的强电池单元B包括阴极板、膜电极M2、阳极板和密封件，膜电极M1和膜电极M2的阴极载量满足：M1＝(0.3-1.0)M2。阴极载量就是指催化层的Pt含量，单位是mg/cm2；载量越高，有利于提高性能和稳定性。
进一步地，所述的电池单元A内还包括冷却液流场Q1。
进一步地，所述的强电池单元B内还包括冷却液流场Q2，冷却液流场Q1和冷却液流场Q2的容量满足Q2＝(0.2-0.8)Q1。
进一步地，所述的冷却液流场中的冷却液为去离子水，或乙二醇与水组成的防冻液。
进一步地，所述的乙二醇与水的质量比为1:1。
进一步地，所述的强电池单元B的数量为所有子单元总数的3-6％。
进一步地，最外侧的两个强电池单元B分别与阴极端板和阳极端板接触。
本发明的工作原理是：在燃料电池的正常工作温度(60-80℃)下，靠近水汽进出口位置由于气体流速快、产生热量极易通过传到辐射到外面，造成该电堆内的水排出困难，会进一步影响气体的传输和分配。因此，需要通过降低集流板带走的热量，保证膜电极能够维持足够的热量，改善电堆的一致性。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明通过引入强电池单元B，进而引入高稳定性的膜电极M2，提高载量，能够保证性能的稳定，长期运行后仍能保持性能的维持；
(2)本发明又减少了强电池单元B中的冷却流场容量Q2，进而提高了温度，有利于缓解和改善容易水淹的位置，如电池两端、散热大的地方；
(3)此外，局部位置，气体分配不好，不易将水带走，也通过降低冷却液，升温的途径改善，使温度升高，水容易以蒸汽形式存在，更容易被气体带走。
(4)综上，本发明改善了燃料电池堆的单片一致性问题，提高了燃料电池堆的稳定性，提供运行寿命。
附图说明
图1为本发明质子交换膜燃料电堆结构示意图；
图2为实施例1中电堆电压输出示意图；
图3为实施例2中电堆电压输出示意图；
图4为实施例3中电堆电压输出示意图；
图5为对比例1中电堆电压输出示意图；
图6为对比例1中质子交换膜燃料电堆结构示意图。
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。
以下实施例中，冷却液流场中的冷却液为50wt％乙二醇水溶液或去离子水，将双极板或者特殊板的冷却流场的深度减少，整体的冷却液的流量就会相应的降低，再与不同载量的MEA通过密封连接组合成，组成电池单元A和强电池单元B，共进行以下几种验证，具体如下：
实施例1
一种质子交换膜燃料电堆，参考图1，该电堆包括设于两端的阴极端板和阳极端板，以及交替阵列分布的电池单元A和强电池单元B。强电池单元B的数量为20组，占所有子单元总数的3-6％。最外侧的两个强电池单元B分别与阴极端板和阳极端板接触，其电压输出图如图2所示。
电池单元A厚2.2mm，强电池单元B厚2.0mm。
电池单元A由阴极板、膜电极M1和阳极板通过密封件组合而成。强电池单元B由阴极板、膜电极M2和阳极板通过密封件组合而成，M1＝0.4mg/cm2，M2＝0.6mg/cm2。电池单元A和电池单元B之间为膜电极M1。
电池单元A内还包括冷却液流场Q1。强电池单元B内还包括冷却液流场Q2，Q2＝0.2ml，Q1＝0.4ml。
实施例2
一种质子交换膜燃料电堆，参考图1，该电堆包括设于两端的阴极端板和阳极端板，以及交替阵列分布的电池单元A和强电池单元B。强电池单元B的数量为20组，占所有子单元总数的3-6％。最外侧的两个强电池单元B分别与阴极端板和阳极端板接触，其电压输出图如图3所示。
电池单元A厚1.8mm，强电池单元B厚1.4mm。
电池单元A由阴极板、膜电极M1和阳极板通过密封件组合而成。强电池单元B由阴极板、膜电极M2和阳极板通过密封件组合而成，M1＝0.4mg/cm2，M2＝0.8mg/cm2。电池单元A和电池单元B之间为膜电极M1。
电池单元A内还包括冷却液流场Q1。强电池单元B内还包括冷却液流场Q2，Q2＝0.3ml，Q1＝0.45ml。
实施例3
一种质子交换膜燃料电堆，参考图1，该电堆包括设于两端的阴极端板和阳极端板，以及交替阵列分布的电池单元A和强电池单元B。强电池单元B的数量为20组，占所有子单元总数的3-6％。最外侧的两个强电池单元B分别与阴极端板和阳极端板接触，其电压输出图如图4所示。
电池单元A厚1.2mm，强电池单元B厚1.0mm。
电池单元A由阴极板、膜电极M1和阳极板通过密封件组合而成。强电池单元B由阴极板、膜电极M2和阳极板通过密封件组合而成，M1＝0.35mg/cm2，M2＝0.7mg/cm2。电池单元A和电池单元B之间为膜电极M1。
电池单元A内还包括冷却液流场Q1。强电池单元B内还包括冷却液流场Q2，Q2＝0.28ml，Q1＝0.38ml。
对比例1
一种质子交换膜燃料电堆，参考图6，该电堆包括设于两端的阴极端板和阳极端板，以及阵列分布的电池单元A。其电压输出图如图5所示。
电池单元A厚2.2mm。电池单元A由阴极板、膜电极M1和阳极板通过密封件组合而成。M1＝0.4mg/cm2。电池单元A内还包括冷却液流场Q1。Q1＝0.6ml。
将图2-4与图5对比，发现实施例1-3中电压平均值很接近0.6V，且电压输出更加平均，可以判断电堆受水淹影响较小，而对比例1中，某些电池单元的输出竟然不足0.5V，显得电压输出极不稳定，可以认定电堆受水淹影响较大。由此可见，本发明增大电极的阴极载量以及减少冷却液流场容量大小，并满足一定的数值关系，并不是常规选择。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种质子交换膜燃料电堆，其特征在于，该电堆包括设于两端的阴极端板和阳极端板，以及交替阵列分布的电池单元A和强电池单元B；强电池单元B的数量为20组，占所有子单元总数的3-6%；最外侧的两个强电池单元B分别与阴极端板和阳极端板接触；
电池单元A厚2.2 mm，强电池单元B厚2.0 mm；
电池单元A由阴极板、膜电极M1和阳极板通过密封件组合而成；强电池单元B由阴极板、膜电极M2和阳极板通过密封件组合而成，膜电极M1的阴极载量，即催化层的Pt含量为0.4mg/cm2，膜电极M2的阴极载量，即催化层的Pt含量为0.6 mg/cm2，电池单元A和电池单元B之间为膜电极M1；
电池单元A内还包括冷却液流场Q1，强电池单元B内还包括冷却液流场Q2，冷却液流场Q2的容量为0.2 ml，冷却液流场Q1的容量为0.4 ml。
2.一种质子交换膜燃料电堆，其特征在于，该电堆包括设于两端的阴极端板和阳极端板，以及交替阵列分布的电池单元A和强电池单元B，强电池单元B的数量为20组，占所有子单元总数的3-6%；最外侧的两个强电池单元B分别与阴极端板和阳极端板接触；
电池单元A厚1.8 mm，强电池单元B厚1.4 mm；
电池单元A由阴极板、膜电极M1和阳极板通过密封件组合而成，强电池单元B由阴极板、膜电极M2和阳极板通过密封件组合而成，膜电极M1的阴极载量，即催化层的Pt含量为0.4mg/cm2，膜电极M2的阴极载量，即催化层的Pt含量为0.8 mg/cm2，电池单元A和电池单元B之间为膜电极M1；
电池单元A内还包括冷却液流场Q1，强电池单元B内还包括冷却液流场Q2，冷却液流场Q2的容量为0.3 ml，冷却液流场Q1的容量为0.45 ml。
3.一种质子交换膜燃料电堆，其特征在于，该电堆包括设于两端的阴极端板和阳极端板，以及交替阵列分布的电池单元A和强电池单元B；强电池单元B的数量为20组，占所有子单元总数的3-6%，最外侧的两个强电池单元B分别与阴极端板和阳极端板接触；
电池单元A厚1.2 mm，强电池单元B厚1.0 mm；
电池单元A由阴极板、膜电极M1和阳极板通过密封件组合而成；强电池单元B由阴极板、膜电极M2和阳极板通过密封件组合而成，膜电极M1的阴极载量，即催化层的Pt含量为0.35mg/cm2，膜电极M2的阴极载量，即催化层的Pt含量为0.7 mg/cm2，电池单元A和电池单元B之间为膜电极M1；
电池单元A内还包括冷却液流场Q1，强电池单元B内还包括冷却液流场Q2，冷却液流场Q2的容量为0.28 ml，冷却液流场Q1的容量为0.38 ml。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种质子交换膜燃料电堆，其特征在于，所述的冷却液流场中的冷却液为去离子水，或乙二醇与水组成的防冻液。
5.根据权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电堆，其特征在于，所述的乙二醇与水的质量比为1: 1。
CN202110082554.0A 2021-01-21 2021-01-21 一种质子交换膜燃料电堆 Active CN112909312B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110082554.0A CN112909312B (zh) 2021-01-21 2021-01-21 一种质子交换膜燃料电堆

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110082554.0A CN112909312B (zh) 2021-01-21 2021-01-21 一种质子交换膜燃料电堆

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112909312A CN112909312A (zh) 2021-06-04
CN112909312B true CN112909312B (zh) 2023-01-31

Family

ID=76118053

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110082554.0A Active CN112909312B (zh) 2021-01-21 2021-01-21 一种质子交换膜燃料电堆

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112909312B (zh)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5124900B2 (ja) * 2003-11-06 2013-01-23 トヨタ自動車株式会社 スタック構造を有する燃料電池
US7745063B2 (en) * 2004-04-27 2010-06-29 Panasonic Corporation Fuel cell stack
KR20060087100A (ko) * 2005-01-28 2006-08-02 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지용 스택과 이를 갖는 연료 전지 시스템
KR100745738B1 (ko) * 2006-07-10 2007-08-02 삼성에스디아이 주식회사 유로가 개선된 냉각판

Also Published As

Publication number Publication date
CN112909312A (zh) 2021-06-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101828938B1 (ko) 연료전지 기반 고효율 삼중열병합 발전 시스템
CN102306815A (zh) 液流电池系统
CN111564644A (zh) 一种小功率的高温质子交换膜燃料电池电堆
CN101210750A (zh) 一种利用燃料电池废热驱动空调的方法
CN201238067Y (zh) 一种燃料电池电堆活化系统
CN114361505B (zh) 三流道固体氧化物燃料电池单元结构及电池堆
CN101447583A (zh) 一种燃料电池一体化单元模块及其电堆
CN111987332A (zh) 一种散热预热结合式燃料电池电堆
CN107482237B (zh) 一种燃料电池电堆
CN112909312B (zh) 一种质子交换膜燃料电堆
CN113451601A (zh) 一种阴极开放式空冷燃料电池双极板及其电池电堆
CN210866383U (zh) 一种燃料电池
KR101936438B1 (ko) 발열 더미셀을 갖는 연료전지 스택
CN111916788A (zh) 一种燃料电池热平衡电堆
CN113346101B (zh) 一种无双极板的多孔流场燃料电池单体及串并联电堆结构
CN113258093B (zh) 一种阴极单板、阳极单板、导流极板及含其的燃料电池
CN115332559A (zh) 一种高效单流道燃料电池堆
CN211208581U (zh) 具有冷却水循环装置的燃料电池系统
CN115295852A (zh) 一种sofc电堆模组及其运行方法
CN103956512A (zh) 一种被动排热燃料电池堆
CN112768739A (zh) 一种改善燃料电池堆端板弱片的结构
CN114069005B (zh) 全钒液流电池的换热方法
CN111628189A (zh) 一种甲醇重整制氢高温燃料电池电堆的结构
KR20200134524A (ko) 연료전지 스택
CN218548484U (zh) 燃料电池电堆

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant