CN116259806A - 一种能去除气体杂质的燃料电堆及去除气体杂质的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能去除气体杂质的燃料电堆及去除气体杂质的方法。其中，燃料电堆的结构包括发电电堆和设置在所述发电电堆阳极侧的过滤单池组以及必要地在过滤单池与发电单池之间设置的一个过渡单池组。本发明能有效过滤、吸附燃料电池燃料气体循环回路中的杂质，避免在燃料气体循环回路中杂质的累积造成的燃料电池发电单元燃料气体进气口的堵塞，从而提高了发电单元气体燃料通量，提高燃料电池的工作效率。

Description

一种能去除气体杂质的燃料电堆及去除气体杂质的方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电堆，特别是具有过滤单池的燃料电堆，更具体涉及一种能去除气体杂质的燃料电堆及去除气体杂质的方法。

背景技术

在燃料电池中，通常需要将燃料气体中的杂质充分去除。现有技术中，通常在进入燃料电池电堆之前设置过滤器或过滤装置以去除燃料气体进气端的杂质。

现有技术中可以去除氢气中的杂质，但是在燃料电池中，为了使燃料气体更充分地利用，通常在燃料电池中设置燃料气体循环回路。以氢燃料电池为例，通过设置氢回路，使未完全反应的氢气重新循环使用。但是在燃料气体循环的过程中，即使燃料气体中含有微量的杂质，也会因循环而导致杂质的累积，引起气体通路的堵塞等情况。此外，燃料电池中化学副反应以及燃料电池气路中各部件产生的碎屑脱落也会将杂质带入燃料气体中，特别是当燃料气体在燃料电池中循环使用时，循环回路往复循环导致杂质累积。而由于现有技术中燃料气体气路杂质过滤器设置于进气口之外，因此对于因在燃料电池内部产生的杂质无法起到过滤的作用。另一方面，在燃料气体，例如氢气，循环回路中累积的杂质会造成燃料电池发电单元燃料气体进/出气口的堵塞，从而降低了发电单元气体燃料通量，降低燃料电池的工作效率。然而现有技术中却忽视了燃料电池中燃料气体因燃料电池循环使用而产生、累积的杂质，也未提供有效的去除方法。

发明内容

在本发明的范畴内，现在提供一种能去除气体杂质的燃料电堆。在此，本发明说明书中对燃料电池模块所说明的特征也适用于本发明的燃料电池的整体，反之亦然，因而就针对各个发明方面的公开内容而言始终可以互相作参考。

本发明的第一方面在于提供一种能去除气体杂质的燃料电堆。

本领域中，常规的燃料电池发电电堆由多个堆叠在一起的发电单池组成。发电单池包括双极板和膜电极组件。在发电单池的膜电极组件中，包括气体扩散层和电解质膜。

本发明中，所述过滤单池包括过滤单池双极板和过滤气体扩散层组件。

本发明中，在可选的实施方式中，过滤气体扩散层组件设置于过滤单池双极板的阳极方向一侧。

所述阳极方向可以理解为：基于燃料电池的发电单池中电解质膜，阳极气体流经的一侧，也可以理解为基于整个燃料电池，阳极集流板所在的一侧。在燃料电池领域中，燃料电池的阳极侧一端也被称为自由端。所述阴极方向为阳极方向的相反方向，可以理解为：基于燃料电池的发电单池中电解质膜其阴极气体流经的一侧。

本发明中，所述过滤单池双极板包括过滤单池阴极半板和过滤单池阳极半板。所述过滤单池阴极半板和过滤单池阳极半板层叠设置。通过层叠设置在过滤单池阴极半板和过滤单池阳极半板之间构成腔体。

在本发明具体的实施方式中，优选地，过滤单池阴极半板和过滤单池阳极半板之间构成的腔体通过连接通道与燃料电池的冷却液歧管相连通，在由过滤单池阴极半板和过滤单池阳极半板之间构成的腔体中流通冷却液。

本发明中，所述过滤气体扩散层组件包括边框、粘结层、气体扩散层；其中，气体扩散层通过粘结层粘结于边框上。对于单独的过滤单池而言，从设置的位置上看，气体扩散层组件设置于过滤单池双极板的阴极半板侧，即从整体上看燃料电池的阳极侧。从结构上看，过滤气体扩散层组件可与发电单池的膜电极组件相对应。具体地，与膜电极组件相比，过滤气体扩散层组件具有气体扩散层且至少缺少电解质膜（或称电解质层）。

本发明中，发明人发现气体扩散层在不与电解质膜配合设置时，气体扩散层能够很好地吸附、过滤阳极气体中的杂质，特别是固体颗粒物，从而实现对阳极气体的净化和除杂的效果。

在本发明具体的实施方式中，包括由多个所述过滤单池堆叠设置的过滤单池组。当过滤单池堆叠设置时，过滤气体扩散层组件位于相邻的过滤单池极板之间。对于靠近阳极端板侧的最后一个过滤单池，该过滤单池的气体扩散层组件与阳极端板侧的阳极接口板（Anode Interface Plate）相连接，具体地与阳极接口板的阳极半板相连。本发明中所述阳极接口板是指在燃料电池中靠近阳极端板侧的最后一对双极板，或也可以理解为在燃料电池中距离阳极最近的一对双极板。当过滤单池堆叠设置时，相邻的过滤单池双极板的阴极/阳极半板夹住过滤气体扩散层组件，并且过滤单池双极板的阴极/阳极半板与过滤气体扩散层组件之间构成腔体。

对于本发明而言，通过改变过滤单池各半板与阴极气体/阳极气体进气/出气歧管的连接通道的开闭可以控制过滤单池各半板与相邻的过滤气体扩散层组件之间构成的腔体中是否流通气体或控制所述腔体中流通气体的种类，例如阳极气体或阴极气体。

对于本发明而言，过滤单池各半板与相邻的过滤气体扩散层组间之间的腔体中流通气体，气体不从过滤气体扩散层中穿过，或气体基本不从过滤气体扩散层中穿过。所述气体基本不从过滤气体扩散层中穿过是指并非出于气体穿过气体扩散层的目的而设置过滤气体扩散层组件。由于气体扩散层并非严密地不允许气体穿过，因此不可避免地存在少量的气体经气体扩散层由其一侧穿过至另一侧。但本发明实现过滤的手段在于通过气体在气体扩散层组件的一侧流动，特别是燃料气体在气体扩散层的一侧流动而实现对气体特别是燃料气体的过滤。

在该种情况下能够满足高通量气体流动的情况下，不因气体穿过过滤层而发生严重的压头损失（因气体经过过滤组件而产生的压力下降），同时在高通量气体的情况下，可以实现对气体杂质的吸附和过滤。在较小压头损失的情况下，保持气体流量特别是燃料气体流量，同时实现燃料电池内气体的过滤，这一点对于燃料电池而言非常重要。

因此，可以理解本发明在气体流路与气体扩散层（或起到过滤气体作用的层，例如多孔材料制备的层）之间的位置关系是：气体流路并不穿过气体扩散层，即气体流路不穿过过滤气体扩散层组件。在该特征上，本发明与以燃料气体或氧化气体以穿过由过滤材料制成的过滤层、过滤膜、过滤组件构成区别。

在上述气体流路与气体扩散层位置关系特征上，对于本专利中涉及的过渡单池而言与过滤单池相同。

本发明中，所述阳极气体为燃料气体，如氢气；阴极气体为氧化气体，如氧气或空气。

作为过滤单池的一种具体的实施方式，本发明提供第一类过滤单池。

所述第一类过滤单池包括第一类过滤单池双极板和过滤气体扩散层组件。过滤气体扩散层组件与膜电极组件相比至少不包括电解质膜。过滤气体扩散层组件设置于双极板的阳极侧，即近阳极接口板一侧；第一类过滤单池中流通燃料气体和冷却液，不流通氧化气体。

具体地，第一类过滤单池双极板包括阴极半板和阳极半板；第一类过滤单池的阳极半板的阴极方向一侧的腔体中流通燃料气体；第一类过滤单池的阴极半板的阳极方向一侧的腔体封闭，不流通氧化气体；第一类过滤单池阳极半板与阴极半板之间的腔体中流通冷却液。

更具体地，第一类过滤单池阳极半板与相邻过滤气体扩散层组件或电解质膜组件之间形成的腔体中流通燃料气体，阴极极半板与过滤气体扩散层组件之间形成的腔体封闭，该腔体中不流通气体，第一类过滤单池阳极半板与阴极半板之间的腔体中流通冷却液。

更具体地，在第一类过滤单池中，第一类过滤单池中所述过滤气体扩散层组件包括边框、粘结层、气体扩散层，其中，气体扩散层通过设置于其边框四周的粘结层粘结于边框上，特别是两片气体扩散层粘结于边框的两侧。

在本发明的一个具体实施方式中，第一类过滤单池的阳极半板与相邻过滤气体扩散层组件之间形成的腔体中流通氢气，阳极半板与阴极半板之间形成的腔体中流通冷却液，阴极半板与氧化气体歧管阻隔，氧化气体无法进入第一类单池，阴极极半板与过滤气体扩散层组件之间形成的腔体中不流通气体。所述阻隔是通过在阴极半板与氧化气体进气歧管和/或出气歧管的连接通道上，物理地设置有阻隔部件以使阴极气体（氧化气体）无法进入和/或无法流出阴极半板与相邻的气体扩散层组件之间形成的腔体。

所述阻隔部件，可选地，为设置在所述连接气道上的阻隔块，突起等。

本发明中，阻隔部件设置于进气歧管与极板上气体通道的连接处，和/或出气歧管与极板上气体通道的连接处。阻隔部件用于阻隔气体进入或流出极板，特别是，所述阻隔部件用于阻隔气体进入或流出极板上的气体通道。本发明中，当阻隔部件设置于进气歧管与极板上气体通道的连接处时，通过设置阻隔部件实现阻隔气体从进气歧管进入到极板与相邻的极板、极板与相邻的气体扩散层组件或极板与相邻的膜电极组件之间形成的腔体中。当阻隔部件设置于出气歧管与极板上气体通道的连接处时，通过设置阻隔部件实现阻隔气体从极板与相邻的极板、极板与相邻的气体扩散层组件或极板与相邻的膜电极组件之间形成的腔体流出到出气歧管中。

本发明中，阻隔部件并不阻碍气体在燃料电池气体流路总管道或总流路中的流动，过滤单池或过渡单池上的气体入口和气体出口之间构成的气体总流路仍能流通气体。

对于最贴近发电单池端的第一类过滤单池，第一类过滤单池的阳极半板与发电单池的膜电极组件（Active MEFA）相邻设置，且在该过滤单池的阳极半板与发电单池的膜电极组件之间形成腔体流通氢气。

作为过滤单池的另一种具体的实施方式，本发明提供第二类过滤单池。

所述第二类过滤单池包括双极板和过滤气体扩散层组件。过滤气体扩散层组件与膜电极组件相比至少不包括电解质膜。过滤气体扩散层组件设置于双极板的阳极侧，即近阳极接口板一侧；第二类过滤单池中阴极半板、阴极半板与相邻的气体扩散层组件之间形成的腔体中均流通燃料气体，不流通氧化气体。

具体地，第二类过滤单池双极板包括阳极半板、阴极半板，第二类过滤单池的阳极半板的阴极方向一侧的腔体中流通燃料气体；第二类过滤单池的阴极半板的阳极方向一侧的腔体流通燃料气体；第二类过滤单池阳极半板与阴极半板之间的腔体中流通冷却液。

更具体地，在第二类过滤单池中，所述过滤气体扩散层组件包括边框、粘结层、气体扩散层，其中，气体扩散层通过设置于其边框四周的粘结层粘结于边框上，特别是两片气体扩散层粘结于边框的两侧。

在本发明的一个具体实施方式中，阳极半板与相邻过滤气体扩散层组件（即阳极半板朝向电堆阴极端一侧的过滤气体扩散层组件）之间形成的腔体中流通氢气，阳极半板与阴极半板之间形成的腔体中流通冷却液，阴极半板与氧化气体歧管阻隔，氧化气体无法进入第二类单池。在第二类过滤单池中，设置连通阴极半板与气体扩散层组件之间形成的腔体与阳极气体进气歧管和/或出气歧管的连接通道，在阴极半板与相邻的气体扩散层组件之间形成的腔体中流通氢气。

对于最贴近发电单池一端的第二类过滤单池，该过滤单池的阳极半板与发电单池的膜电极组件相邻，且在该过滤单池的阳极半板与发电单池的膜电极组件之间形成腔体中流通燃料气体。

由于第二类过滤单池阳极半板与阴极半板与其相邻的气体扩散层组件之间的腔体中均流通燃料气体，第二类过滤单池的燃料气体通量是第一类过滤单池的两倍。在对需要过滤的燃料气体通量较大时，第二类过滤单池是优选的。

本发明的第二个方面在于提供一种包括不同亲水/疏水性双极板的过渡单池，以及该过渡单池在提高燃料电池电堆性能中的应用。

在发电电堆阳极侧设有过滤单池时，发电单池阳极侧最后一个发电单池的膜电极组件（Active MEFA）其阳极侧方向与过滤单池的过滤单池阳极半板相连，其阴极侧方向与发电单池的阴极半板相连。这样，在最后一个发电单元的膜电极组件的两侧是由过滤电池的阳极半板和发电单池的阴极半板构成。

在实际的生产中，出于排水的考虑，为了防止过多的水汽积累于单池中以及防止水分积累对气体扩散层多孔结构的影响，往往存在对燃料电池的发电单池或过滤单池双极板表面的亲疏水性进行改性的需求。对于不设置过滤单池的燃料电堆而言，电堆中堆叠设置的多个发电单池中双极板表面具有一致的亲疏水性。而当设置有过滤单池时，由于上述排水的需求，以及过滤单池与发电单池对排水的需求的差异，导致过滤单池双极板表面的亲疏水性与发电单池中双极板表面的亲疏水性存在差异。另一个方面，由于过滤单池双极板与发电单池双极板加工方法的差异也会导致过滤单池双极板表面的亲疏水性与发电单池中双极板表面的亲疏水性存在差异。对于本发明而言，当设置有过滤单池时，过滤单池双极板较发电单池双极板表面具有更强的疏水性，表现为过滤单池双极板的水接触角较发电单池的水接触角更大。

本发明的发明人发现，在燃料电池的设计中，发电单池阳极侧最后一个阴极半板与与之相邻的过滤单池（例如，过滤单池）的阴极半板之间设置为膜电极组件，当过滤单池双极板表面的亲疏水性与燃料电池发电单池的亲水水性存在差异时，对于发电单池向过滤单池过渡的最后一个发电单池会因膜电极组件两侧过滤电池的阳极半板和发电单池的阴极半板表面的亲疏水性存在差异而导致电池性能劣化。

对于本发明而言，过滤单池双极板表面的亲疏水性与发电单池双极板表面的亲疏水性不同。为了避免上述因最后一个发电单元的膜电极组件的两侧过滤电池的阳极半板和发电单池的阴极半板表面亲疏水性存在差异而导致的电池性能劣化，本发明提供一种设置于过滤单池与发电单池之间的过渡单池。所述表面的亲疏水性不同表现为表面水接触角存在差异。

具体地，在过滤单池与发电单池之间设置一个过渡单池组，所述过渡单池组至少包括一个过渡单池，过渡单池中包括一对过渡单池双极板，其中，过渡单池组阴极侧靠近发电单池的最后一片过渡单池的阳极半板的表面具有与发电单池双极板表面相同的亲疏水性；过渡单池组阳极侧靠近过滤单池的最后一片阴极半板表面具有与过滤单池双极板表面相同的亲疏水性。

本发明中，所述表面具有相同的亲疏水性也可理解为相同的亲水性或相同的疏水性，是指基于水在表面上所形成的接触角相同或基本相同。所述接触角基本相同是指在相同的环境条件下各个表面经多次测量的平均接触角具有10°以内的差异。所述相同的环境条件是指在主要影响液体表面张力的因素相同的环境下，所述主要影响液体表面张力的因素包括温度、环境湿度。所述多次测量是在各表面上基于位置均匀地选取多个测量点进行测量。所述多次测量是指不少于2次测量。在本发明实际的操作中，在相同的环境下，在两个表面上均匀地各选取5个位置测量其的接触角，并将5个测量结果取平均值。两个表面的平均接触角具有10°以内的差异时认为二者具有相同的表面亲疏水性。

本发明中，所述表面的亲疏水性由极板表面的性质决定。这一方面意味着并非材料相同极板表面的亲疏水性就相同。举例而言，极板表面加工方法会对极板表面亲疏水性产生影响，即使对于相同材料的极板，也会因极板表面的加工方式不同而产生不同，更具体地，举例而言，实际生产中模压制成的极板表面的亲疏水性与机加工制成的极板表面的亲疏水性不同。另一方面意味着并非材料不同，极板表面的亲疏水性就不相同。举例而言，领域中通过对材料表面结构形态的改变能够调节或改变材料表面的亲水性或疏水性，例如基于亲水材料的表面构造疏水性结构可以实现亲水材料表面的疏水性，所述疏水性结构，示例性的可以是荷叶表面结构。对于本发明而言，实现极板表面亲水性或疏水性的调节是本领域技术人员能够借助现有技术实现的。本发明对现有技术的贡献在于发现在设置过滤单池时，对于过滤单池极板表面的亲疏水性与发电单池的亲疏水性存在不同时，燃料电池整体的性能出现明显的下降。本发明对现有技术贡献还在于，在设置过滤单池时，通过进一步设置过渡单池可以改善上述燃料电池整体性能的下降，或克服上述性能的下降。

本发明中，所述过渡单池组阴极侧靠近发电单池的最后一片过渡单池的阳极半板是指过渡单池中最贴近发电单池的那片阳极半板，所述过渡单池组阳极侧靠近过滤单池的最后一片阴极半板是指过渡单池中最贴近过滤单池的那片阴极半板。

具体地，所述过渡单池是第一类过渡单池。

第一类过渡单池包括双极板和过滤气体扩散层组件，过滤气体扩散层组件与膜电极组件相比至少不包括电解质膜，过滤气体扩散层组件设置于双极板的近阳极侧，也即阳极接口板一侧；第一类过渡单池中流通冷却液，流通燃料气体，但不流通氧化气体。在第一类过渡单池中，过滤单池双极板中的阳极半板表面具有与发电单池双极板表面相同的亲疏水性；第一类过渡单池双极板中的阴极半板表面具有与过滤单池双极板表面相同的亲疏水性。

其中，第一类过滤单池或第二类过滤单池双极板表面的亲疏性与发电单池双极板表面的亲疏水性不同。

第一类过渡单池设置于已经设置的过滤单池与发电单池之间，对于本发明而言，第一类过渡单池设置于第一类过滤单池或第二类过滤单池与发电单池之间。

更具体地，第一类过渡单池中所述过滤气体扩散层组件包括边框、粘结层、气体扩散层，其中，气体扩散层通过设置于其边框四周的粘结层粘结于边框的两侧；第一类过渡单池中，所述第一类过渡单池双极板由层叠设置的阳极半板与阴极半板组成，阳极半板与阴极半板之间形成的腔体中流通冷却液，阴极半板分别与氧化气体进气、出气歧管阻隔。当第一类过渡单池与第一类过滤单池配合使用时，阴极半板与过滤气体扩散层组件之间形成的腔体中不流通任何气体；当第一类过渡单池与第二类过滤单池配合使用时，阴极半板与过滤气体扩散层组件之间形成的腔体进一步与燃料气体进气和出气歧管连通，所述腔体中流通燃料气体。

作为第一类过渡单池的一种变体形式，本发明还提供一种过滤单池的组合体，该过滤单池的组合体由第二类过渡单池和第三类过渡单池相邻连接组合而成。

其中第二类过渡单池由双极板和过滤气体扩散层组件组成，过滤气体扩散层组件与膜电极组件相比至少不包括电解质膜，过滤气体扩散层组件设置于双极板的近阳极侧，也即阳极接口板一侧；第二类过渡单池中流通冷却液，不流通燃料气体，也不流通氧化气体。在第二类过渡单池中，过滤单池双极板具有与第一类过滤单池或第二类过滤单池双极板表面相同的亲疏水性。

第三类过渡单池由双极板和过滤气体扩散层组件组成，过滤气体扩散层组件与膜电极组件相比至少不包括电解质膜，过滤气体扩散层组件设置于双极板的近阳极侧，也即阳极接口板一侧；第三类过渡单池中流通冷却液，流通燃料气体，流通氧化气体。在第三类过渡单池中，过渡单池双极板表面具有与发电单池双极板表面相同的亲疏水性。在本发明的某些具体实施方式中，第三类过渡单池的双极板直接使用发电单池的双极板。

本发明中，一个第二类过渡单池与一个第三类过渡单池毗邻组合设置，第二类过渡单池位于第三类过渡单池的阳极侧方向，构成第二类过渡单池和第三类过渡单池的组合体。

本发明中，所述阻隔是通过在阴极半板与氧化气体进气歧管和/或出气歧管的连接气道上，以及在阳极半板与燃料气体进气歧管和/或出气歧管的连接气道上，物理地设置有阻隔部件以使阴极气体（氧化气体）和/或阳极气体（燃料气体）无法进入和/或无法流出阴极半板、阳极半板与相邻的气体扩散层组件之间形成的腔体。所述阻隔部件，可选地，为设置在所述连接气道上的阻隔块，突起等。所述述阻隔部件并不阻隔气体在燃料电池中气体在主流路中的流动，而仅阻隔气体从气体主流路进入过滤单池或过渡单池的腔体或气体流道中，和/或阻隔气体从过滤单池或过渡单池的腔体或气体流道流出至气体主流路中。

此外，过滤单池与发电单池的连接处，如果发电单池阳极侧最后一个阴极半板与与之相邻的过滤单池的阴极半板之间设置为气体扩散层组件，此时发电单池阴极半板与气体扩散层组件之间的腔体中流通阴极气体，而过滤单池的阳极半板与气体扩散层组件之间的腔体中流通阳极气体。由于气体扩散层是具有多孔结构的材料，存在一定的阳极气体和阴极气体经气体扩散层发生相互渗透的风险。上述第一类过渡单池或第二类过渡单池第三类过渡单池的组合因整体上存在阴极气体和阳极气体之间通过极板阻隔，可以避免阴极气体和阳极气体通过气体扩散层的相互渗透或泄漏。

本发明的第三个方面在于提供一种具有良好性能的燃料电池电堆。

本发明的发明人发现因燃料气体回路中杂质造成的堵塞多发生在燃料电池的阳极端一侧的一个或数个发电单池中。所述杂质为颗粒状固体杂质或主要为颗粒状固体杂质。本发明发现，在阳极阳极接口板一侧，特别是靠近燃料气体进气歧管的末端（阳极接口板处），颗粒随燃料气体气流被迫改变方向使其倾向于进入阳极接口板附近第一个能进入的单池进气口中。另一方面，在阳极阳极接口板处，氢气遇到阳极接口板障碍会在氢气流道内产生循环涡流，该涡流可将碎屑输送至阳极端电池上游的其他单池进气口中。

基于本发明的上述发现，本发明提供以下结构的燃料电堆，在于通过在燃料电池阳极侧设置过滤单池，特别是在阳极侧靠近阳极接口板一端设置过滤单池使氢气气路中的杂质优先进入过滤单池中，从而使杂质绕过具有活性的发电单池或尽可能少的进入发电单池。

本发明的燃料电堆包括：

发电电堆，所述发电电堆由彼此堆叠的多个发电单池组成；

以及设置在所述发电电堆阳极侧的过滤单池组；所述过滤单池组由至少一个过滤单池组成；所述过滤单池具有气体扩散层且至少不含有电解质膜。

本发明中，所述阳极方向可以理解为基于燃料电池的发电单池中电解质膜其阳极气体流经的一侧，也可以理解为基于整个燃料电池阳极接口板（Anode Interface Plate）所在的一侧。在燃料电池领域中，燃料电池的阳极侧一端也被称为自由端。

本发明中，所述过滤单池组，包括至少一个第一类过滤单池或第二类过滤单池。

为了获得良好的电池性能，在所述第一类过滤单池或第二类过滤单池与发电单池之间设置第一类过渡单池，或第二类过渡单池和第三类过渡单池的组合体。

在阳极侧设置数量为1~10个过滤单池，优选地，第一类过滤单池和/或第二类过滤单池的数量为1~10个，在某些实施方式中，第一类过滤单池和/或第二类过滤单池的数量为1~7个，在另外的实施方式中，第一类过滤单池和/或第二类过滤单池的数量为1~5个。

本发明中，包括第一类过滤单池、第二类过滤单池、第一类过渡单池、第二类过渡单池、第三类过渡单池在内的过滤单池具有与发电电堆中发电单池相同的外观。五类过滤单池中均存在过滤气体扩散层组件，其中均存在气体扩散层。本发明中，过滤单池的气体扩散层与发电单池中气体扩散层的材料相同。本发明的发明人发现，气体扩散层具有吸附过滤燃料气体杂质的效果。本发明所述的过滤，也可以理解为基于气体扩散层的 多孔结构对燃料气体中杂质的吸附，特别是固体颗粒物的吸附。本发明中，由气体扩散层过滤吸附的燃料气体杂质附着于气体扩散层上。

在燃料电池工作时，燃料气体通过歧管进一步通过连接气体气道导入过滤单池中，燃料气体经过设置于过滤电池中的过滤气体扩散层组件中的气体扩散层，借助于气体扩散层的多孔结构燃料气体进行吸附和过滤，从而实现去除燃料气体中杂质的目的。

本发明的发明人发现，当过滤单池的气体扩散层与发电单池组的发电单池中气体扩散层采用相同的材料时，也可以实现对燃料气体杂质的过滤和吸附。在本发明具体实施例中过滤单池的气体扩散层为碳纸。本发明中，为了更好地吸附过滤燃料气体中的杂质，所述气体扩散层还可以具有多孔结构的层状材料。

本发明中，优选地，所述第一类过滤单池的数量为3~4个，多个第一类过滤单池相互层叠设置于过滤单池组中靠近阳极接口板一侧。当选择第二类过滤单池替换第一类过滤单池时，出于相同氢气通量并体积节省的需求，第二类过滤单池的数量可以较第一类过滤单池少。

进一步地，本发明在阳极侧进一步设置阳极端板。阳极端板设置于阳极接口板远离发电单池的一侧。所述阳极端板为燃料电池中阳极侧气体、冷却液进出进行打孔的电堆端板。所述阳极端板包括弹簧版和压板，在弹簧版和压板之间设置有碟簧。在阳极端板与阳极接口板之间进一步设置有阳极集流板。

本发明中，包括第一类过滤单池、第二类过滤单池、第一类过渡单池、第二类过渡单池、第三类过渡单池在内的过滤单池组，其在使用时，在燃料电池倾斜操作期间，过滤单池起到蓄水池的作用，允许一定体积的水聚集到过滤单元而非活性单元中，增强了倾斜操作时对积水影响的鲁棒性。

本发明中，各种过滤单池均与燃料电池中的发电单元共用燃料其他流道（燃料气体歧道）、氧化气体流道（氧化气体歧道）、冷却液流道（冷却液歧道）。其中燃料电池中的氢气歧道、氧化气体歧道、冷却液歧道自发电电堆延申到过滤单池组内。本发明过滤单池组件是由双极板和一个过滤气体扩散层组件组成的单元。过滤气体扩散层组件与双极板不做粘结。这些组件中的每一个都具有与现有双极板和接口板相似的接口。因此，在装配过程中对硬件组件的影响很小。过滤单池的特点是将流场几何结构与主动双极板相匹配，最大限度地减少了对叠层体承压性能的影响。且在本发明的具体实施方式中，过滤单池具有与发电单池相同的外观。

在本发明的某些实施方式中，燃料电池为氢氧燃料电池，此时对应的燃料气体为氢气，氧化气体为氧气或空气。

本发明中所述在阴极侧或阳极侧或阴极方向或阳极方向的最后一个是指在沿该方向上最末端的一个。

附图说明

图1：实施例1的燃料电堆结构示意图。

图2：本发明的过滤气体扩散层组件结构示意图；

其中1为气体扩散层，2为气体扩散层，3为粘接层，4为粘接层，5为边框。

图3：本发明的阻隔部件示意图。

图4：第一类过滤单池结构示意图；

其中：①为过滤单池双极板，a为阳极半板，b为阴极半板；②为过滤气体扩散层组件；H₂为氢气；Cx为冷却液。

图5：实施例2的燃料电堆结构示意图。

图6：第二类过滤单池结构示意图；

其中：①为过滤单池双极板，a为阳极半板，b为阴极半板；②为过滤气体扩散层组件；H₂为氢气；Cx为冷却液。

具体实施方式

以下详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

实施例1

本实施例提供一种燃料电堆，电堆结构参考附图1所示。具体地，本实施例包括依次设置的发电电堆，设置在所述发电电堆与阳极侧阳极接口板之间的过滤单池组，阳极接口板，阳极集流板，阳极端板。其中，如附图1所示，过滤单池组包括两个第一类过滤单池。两个第一类过滤单池相互层叠设置于过滤单池组中靠近阳极接口板一侧。第一类过滤单池由双极板和过滤气体扩散层组件组成，双极板由层叠设置的阳极半板与阴极半板组成，阳极半板与过滤气体扩散层组件之间形成的腔体中流通氢气，阳极半板与阴极半板之间形成的腔体中流通冷却液，阴极半板与氧化气体歧管通过设置阻隔部件实现阴极半板与氧化气体歧管阻隔，氧气无法进入第一类单池。本实施例中，过滤气体扩散层组件的结构参见附图2，过滤气体扩散层与膜电极组件相比不包括电解质膜，过滤气体扩散层组件设置于双极板的近阳极侧阳极接口板一侧。具体地，从附图2中可以看出，过滤气体扩散层组件由边框、两个粘结层、两片气体扩散层组成，其中，气体扩散层通过设置于其边框四周的粘结层粘结于边框的两侧。

对于第一类过滤单池，如图4所示，冷却液（图中以Cx表示）由冷却液进液歧管进入阴极半板和阳极半板之间形成的腔体中，冷却液从该腔体中流过并流出至冷却液出液歧管中；氢气从氢气进气歧管流进阳极半板中，并进一步经阳极半板流出至氢气出气歧管中。从图4中还可以看出，在第一类过滤单池的阴极半板一侧，阴极半板与气体扩散层组件之间的腔体不流通氧化气体。具体地，从附图3中可以看出，在阴极半板与氧化气体进气歧管的连接处以及阴极半板与氧化气体出气歧管的连接处设置阻隔部件，因此氧化气体无法进入第一类单池的阴极半板中；阻隔部件并不阻碍气体在燃料电池气体流路总管道或总流路中的流动，过滤单池或过渡单池上的气体入口和气体出口之间构成的气体总流路仍能流通气体。

本实施例中，过滤单池组还包括一个第二类过渡单池，第二类过渡单池由双极板和过滤气体扩散层组件组成，不包括电解质膜，过滤气体扩散层组件设置于双极板的近阳极侧阳极接口板一侧。第二类过渡单池中的过滤气体扩散层组件与过滤单池中的过滤气体扩散层组件具有相同的结构，如附图2所示，过滤气体扩散层组件由边框、两个粘结层、两片气体扩散层组成，其中，气体扩散层通过设置于其边框四周的粘结层粘结于边框上；第二类过渡单池双极板由层叠设置的阳极半板与阴极半板组成，第二类过渡单池中流通冷却液，不流通燃料气体，也不流通氧化气体。本实施例的第二类过渡单池中过滤单池双极板具有与第一类过滤单池双极板相同的亲疏水性。本实施例中，所述过滤单池组还包括一个第三类过渡单池，第三类过渡单池由双极板和过滤气体扩散层组件组成，不包括电解质膜，过滤气体扩散层组件设置于双极板的近阳极侧阳极接口板一侧。第三类过渡单池中的过滤气体扩散层组件与过滤单池中的过滤气体扩散层组件具有相同的结构，如附图2所示，过滤气体扩散层组件由边框、两个粘结层、两片气体扩散层组成，其中，气体扩散层通过设置于其边框四周的粘结层粘结于边框的两侧；第三类过渡单池中，所述双极板由层叠设置的阳极半板与阴极半板组成，第三类过渡单池中流通冷却液，流通燃料气体，流通氧化气体。第三类过渡单池中，过渡单池双极板具有与发电单池双极板相同的亲疏水性。第三类过渡单池与第二类过渡单池组合设置，设置位置关系参见附图1中所示，第三类过渡单池设置于过滤单池组中第二类过渡单池远离阳极阳极接口板的一侧。

本实施例中，第一类过滤单池、第二类过渡单池、第三类过渡单池具有与发电电堆中发电单池相同的外观，过滤单池与燃料电池中的发电单元共用氢气流道、氧化气体流道、冷却液流道，燃料电池中的氢气歧管、氧化气体歧管、冷却液歧管自发电电堆延申到过滤单池组内，过滤单池中气体扩散层为碳纸或碳膜。

本实施例中，阳极侧还设置有阳极端板，阳极端板包括弹簧版、压板、碟簧。其中碟簧设置于弹簧版和压板之间。阳极端板设置于阳极接口板远离发电单池的一侧。所述阳极端板为燃料电池中阳极侧气体、冷却液进出进行打孔的电堆端板。阳极集流板设置于在阳极端板近发电电堆一侧。

需要注意的是，图1为本实施例的一个示意图，本发明仅涉及该图中的单池体部分，特别是过滤单池组的种类、结构和位置关系属于本发明对现有技术的贡献点。

实施例2

本实施例提供一种燃料电堆，具体结构参见图5所示。本实施例包括依次设置的发电电堆，设置在所述发电电堆与阳极侧阳极接口板之间的过滤单池组，阳极接口板，阳极集流板，阳极端板。过滤单池组包括两个第二类过滤单池，两个第二类过滤单池相互层叠设置于过滤单池组中靠近阳极接口板一侧。在第二类过滤单池中，所述过滤气体扩散层组件的结构如图2所示，气体扩散层包括边框、两个粘结层、两片气体扩散层，其中，气体扩散层通过设置于其边框四周的粘结层粘结于边框的两侧。第二类过滤单池的结构如图6所示，第二类过滤单池的双极板由层叠设置的阳极半板与阴极半板组成，阳极半板与相邻过滤气体扩散层组件之间形成的腔体中流通氢气，阳极半板与阴极半板之间形成的腔体中流通冷却液，阴极半板与氧化气体歧管阻隔，氧化气体无法进入第二类单池；进一步设置连通阴极半板与气体扩散层组件之间形成的腔体与阳极气体进气歧管和/或出气歧管的连接通道，在阴极半板与相邻的气体扩散层组件之间形成的腔体中流通氢气。本实施例中，过滤单池组包括一个第一类过渡单池，第一类过渡单池中所述过滤气体扩散层组件与过滤单池中的过滤气体扩散层组件结构相同，如图2所示，包括边框、两个粘结层、两片气体扩散层，其中，气体扩散层通过设置于其边框四周的粘结层粘结于边框的两侧。在第一类过渡单池中，所述双极板由层叠设置的阳极半板与阴极半板组成，阳极半板与阴极半板之间形成的腔体中流通冷却液，阴极半板分别与氧化气体歧管阻隔，阴极半板与过滤气体扩散层组件之间形成的腔体进一步与燃料气体进气/出气歧管连通，所述腔体中流通燃料气体。本实施例中第一类过渡单池阳极半板具有与发电单池双极板相同的亲疏水性；阴极半板具有与第二类过滤单池双极板相同的亲疏水性。

本实施例中，第二类过滤单池、第一类过渡单池具有与发电电堆中发电单池相同的外观，过滤单池与燃料电池中的发电单元共用氢气流道、氧化气体流道、冷却液流道，燃料电池中的氢气歧管、氧化气体歧管、冷却液歧管自发电电堆延申到过滤单池组内，过滤单池中气体扩散层为碳纸或碳膜。

本实施例中，阳极侧还设置有阳极端板，阳极端板包括弹簧版、压板、碟簧。其中碟簧设置于弹簧版和压板之间。阳极端板设置于阳极接口板远离发电单池的一侧。所述阳极端板为燃料电池中阳极侧气体、冷却液进出进行打孔的电堆端板。阳极集流板设置于在阳极端板近发电电堆一侧。

需要注意的是，图5为本实施例的一个示意图，本发明仅涉及该图中的单池体部分，特别是过滤单池组的种类、结构和位置关系属于本发明对现有技术的贡献点。

在本发明中，通过对过滤单池中燃料气体由进入燃料气体进气歧管与过滤单池内部的连接通道进入过滤单池内部的通道出口处的气体扩散层观察发现，本发明所述的燃料电堆能够有效减少杂质进入燃料电池发电单元的氢气通路，避免或降低了因杂质造成的发电单池氢气通路堵塞问题。

本发明发现，在阳极阳极接口板一侧构建具有如本发明所述的过滤单池组能够产生类似烟囱效应，阳极气体中的杂质优先通过靠近阳极阳极接口板一侧的过滤单池。本发明能有有效过滤、吸附燃料电池燃料气体循环回路中的杂质。避免在氢气循环回路中杂质的累积造成的燃料电池发电单元氢气进气口的堵塞，从而提高了发电单元气体燃料通量，提高燃料电池的工作效率。

另一方面，本发明的过滤单池组，其在使用时，在燃料电池倾斜操作期间，过滤单池起到蓄水池的作用，允许一定体积的水聚集到过滤单元而非活性单元中，增强了倾斜操作时对积水影响的鲁棒性。

Claims (19)

1.一种能去除气体杂质的燃料电堆，其特征在于，包括：

发电电堆，由发电单池组成；

设置在所述发电电堆阳极侧的过滤单池组；

所述过滤单池组由至少一个过滤单池组成，所述过滤单池包括过滤单池双极板、过滤气体扩散层组件，以及至少不包括电解质膜；

其中，过滤单池双极板表面的亲疏水性与发电单池双极板表面的亲疏水性不同；

在过滤单池与发电单池之间设置一个过渡单池组，所述过渡单池组至少包括一个过渡单池，过渡单池中包括一对过渡单池双极板，其中，过渡单池组阴极侧靠近发电单池的最后一片过渡单池阳极半板表面具有与发电单池双极板表面相同的亲疏水性；过渡单池组阳极侧靠近过滤单池的最后一片阴极半板表面具有与过滤单池双极板表面相同的亲疏水性。

2.根据权利要求1所述的能去除气体杂质的燃料电堆，其特征在于，所述过滤单池组包括第一类过滤单池，所述第一类过滤单池包括第一类过滤单池双极板和过滤气体扩散层组件；第一类过滤单池双极板包括阴极半板和阳极半板；第一类过滤单池的阳极半板的阴极方向一侧的腔体中流通燃料气体；第一类过滤单池的阴极半板的阳极方向一侧的腔体封闭，不流通氧化气体；第一类过滤单池阳极半板与阴极半板之间的腔体中流通冷却液；其中燃料气体流路不穿过过滤气体扩散层组件。

3.根据权利要求2所述的能去除气体杂质的燃料电堆，其特征在于，所述过滤气体扩散层组件包括边框、粘结层、气体扩散层，其中，气体扩散层通过粘结层粘结于边框；所述第一类过滤单池双极板的阴极半板与阳极半板层叠设置；其中，过滤气体扩散层组件设置于第一类过滤单池双极板的阳极方向一侧；第一类过滤单池中阳极半板与相邻过滤气体扩散层组件或膜电极组件之间形成的腔体中流通燃料气体，阴极极半板与过滤气体扩散层组件之间形成的腔体封闭，氧化气体无法进入第一类单池；阳极半板与阴极半板之间形成的腔体中流通冷却液。

4.根据权利要求1所述的能去除气体杂质的燃料电堆，其特征在于，所述过滤单池组包括第二类过滤单池，所述第二类过滤单池包括第二类过滤单池双极板和过滤气体扩散层组件；其中，第二类过滤单池双极板包括阳极半板、阴极半板，第二类过滤单池的阳极半板的阴极方向一侧的腔体中流通燃料气体；第二类过滤单池的阴极半板的阳极方向一侧的腔体流通燃料气体；第二类过滤单池阳极半板与阴极半板之间的腔体中流通冷却液；其中燃料气体流路不穿过过滤气体扩散层组件。

5.根据权利要求4所述的能去除气体杂质的燃料电堆，其特征在于，所述过滤气体扩散层组件包括边框、粘结层、气体扩散层，气体扩散层通过粘结层粘结于边框上；所述第二类过滤单池双极板的阴极半板与阳极半板层叠设置；其中，过滤气体扩散层组件设置于第二类过滤单池双极板的阳极方向一侧；阳极半板与相邻过滤气体扩散层组件或膜电极组件之间形成的腔体中流通燃料气体；阳极半板与阴极半板之间形成的腔体中流通冷却液；阴极半板与氧化气体歧管阻隔，氧化气体无法进入第二类单池；阴极半板与气体扩散层组件之间形成的腔体上设置有连通该腔体与阳极气体进气歧管和/或出气歧管的连接通道，阴极半板与相邻的气体扩散层组件之间形成的腔体中流通燃料气体。

6.根据权利要求1所述的能去除气体杂质的燃料电堆，其特征在于，所述过渡单池组包括一个第一类过渡单池；所述第一类过渡单池双极板的阳极半板表面具有与发电单池双极板表面相同的亲疏水性；第一类过渡单池的阴极半板表面具有与过滤单池双极板表面相同的亲疏水性。

7.根据权利要求6所述的能去除气体杂质的燃料电堆，其特征在于，第一类过渡单池包括第一类过渡单池双极板和过滤气体扩散层组件，且至少不包括电解质膜；其中，第一类过渡单池双极板包括阳极半板、阴极半板；第一类过渡单池的阴极半板的阳极方向一侧的腔体不流通氧化气体；第一类过渡单池阳极半板与阴极半板之间的腔体中流通冷却液。

8.根据权利要求7所述的能去除气体杂质的燃料电堆，其特征在于，当第一类过渡单池与第一类过滤单池配合使用时，阴极半板与过滤气体扩散层组件之间形成的腔体中不流通任何气体；当第一类过渡单池与第二类过滤单池配合使用时，阴极半板与过滤气体扩散层组件之间形成的腔体与燃料气体进气/出气歧管连通，所述腔体中流通燃料气体；燃料气体流路不穿过过滤气体扩散层组件。

9.根据权利要求1所述的能去除气体杂质的燃料电堆，其特征在于，所述过渡单池组包括一个第二类过渡单池和第三类过渡单池的组合体；所述第二类过渡单池的双极板表面具有与过滤单池双极板表面相同的亲疏水性；所述第三类过渡单池的双极板具有与发电单池双极板表面相同的亲疏水性；第二类过渡单池与第三类过渡单池毗邻设置，第二类过渡单池位于第三类过渡单池的阳极侧方向。

10.根据权利要求9所述的能去除气体杂质的燃料电堆，其特征在于，第二类过渡单池由第二类过渡单池双极板和过滤气体扩散层组件组成，不包括电解质膜；过滤气体扩散层组件设置于第二类过渡单池双极板的阳极侧方向；第二类过渡单池的阳极半板的阴极方向一侧的腔体封闭；第二类过渡单池的阴极半板的阳极方向一侧的腔体不流通氧化气体；第二类过渡单池阳极半板与阴极半板之间的腔体中流通冷却液；当第二类过渡单池与第一类过滤单池相配合时，第二类过渡单池双极板表面具有与第一类过滤单池双极板表面相同的亲疏性，第二类过渡单池的阴极半板的阳极方向一侧的腔体封闭；当第二类过渡单池与第二类过滤单池相配合时，第二类过渡单池双极板表面具有与第二类过滤单池双极板表面相同的亲疏性，第二类过渡单池的阴极半板的阳极方向一侧的流通燃料气体；燃料气体流路不穿过过滤气体扩散层组件。

11.根据权利要求9所述的能去除气体杂质的燃料电堆，其特征在于，第三类过渡单池由第三类过渡单池双极板和过滤气体扩散层组件组成，不包括电解质膜；第三类过渡单池中过滤气体扩散层组件设置于第二类过渡单池双极板的阳极侧方向；第三类过渡单池中流通冷却液，流通燃料气体及氧化气体；第三类过渡单池双极板表面具有与发电单池双极板表面相同的亲疏水性。

12.根据权利要求1所述的能去除气体杂质的燃料电堆，其特征在于，所述气体扩散层组件中包括气体扩散层，气体扩散层是具有多孔结构的层状材料、具有多孔结构的片状材料、具有多孔结构的膜材料或碳纸。

13.根据权利要求1所述的能去除气体杂质的燃料电堆，其特征在于，所述燃料电堆为基于氢燃料电池的燃料电堆，其中燃料气体为氢气；氧化气体为氧气或空气。

14.根据权利要求1-13任一项所述的能去除气体杂质的燃料电堆，所述第一类过滤单池和/或第二类过滤单池的数量为1~10个，多个过滤单池相互层叠设置。

15.一种燃料电堆中去除气体杂质的方法，其特征在于，通过在燃料电池电堆的发电电堆阳极侧设置过滤单池组去除燃料气体中的杂质，所述过滤单池组包括至少一个过滤单池，所述过滤单池包括气体扩散层，且至少不包括电解质膜；其中，过滤单池双极板表面的亲疏水性与发电单池双极板表面的亲疏水性不同；在过滤单池与发电单池之间设置一个过渡单池组，所述过渡单池组至少包括一个过渡单池，过渡单池中包括一对过渡单池双极板，其中，过渡单池组中阴极侧最靠近发电单池的过渡单池的阳极半板表面具有与发电单池双极板表面相同的亲疏水性；过渡单池组阳极侧最靠近过滤单池的阴极半板表面具有与过滤单池双极板表面相同的亲疏水性。

16.根据权利要求15所述的燃料电堆中去除气体杂质的方法，其特征在于，所述过滤单池组包括第一类过滤单池，所述第一类过滤单池包括第一类过滤单池双极板和过滤气体扩散层组件；第一类过滤单池的阳极半板的阴极方向一侧的腔体中流通燃料气体；第一类过滤单池的阴极半板的阳极方向一侧的腔体封闭，不流通氧化气体；第一类过滤单池阳极半板与阴极半板之间的腔体中流通冷却液；其中，燃料气体流路不穿过过滤气体扩散层组件。

17.根据权利要求15所述的燃料电堆中去除气体杂质的方法，其特征在于，所述过滤单池组包括第二类过滤单池，所述第二类过滤单池包括双极板和过滤气体扩散层组件；其中，第二类过滤单池双极板包括阳极半板、阴极半板，第二类过滤单池的阳极半板的阴极方向一侧的腔体中流通燃料气体；第二类过滤单池的阴极半板的阳极方向一侧的腔体流通燃料气体；第二类过滤单池阳极半板与阴极半板之间的腔体中流通冷却液；其中，燃料气体流路不穿过过滤气体扩散层组件。

18.根据权利要求15所述的燃料电堆中去除气体杂质的方法，其特征在于，所述过渡单池组包括一个第一类过渡单池；所述第一类过渡单池双极板的阳极半板表面具有与发电单池双极板表面相同的亲疏水性；第一类过渡单池的阴极半板表面具有与过滤单池中过滤电池双极板表面相同的亲疏水性。

19.根据权利要求15所述的燃料电堆中去除气体杂质的方法，其特征在于，所述过渡单池组包括一个第二类过渡单池和第三类过渡单池的组合体；所述第二类过渡单池的双极板表面具有与过滤单池双极板表面相同的亲疏水性；所述第三类过渡单池的双极板具有与发电单池双极板表面相同的亲疏水性；第二类过渡单池与第三类过渡单池毗邻设置，第二类过渡单池位于第三类过渡单池的阳极侧方向。

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