CN1288787C - 一种质子交换膜燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池堆，其至少包括有两种反应物质供应仓、膜电极，该两种反应物质供应仓间隔设置，于每两个反应物质供应仓之间设有膜电极，每两个相邻的膜电极与夹设于其间的任意一种反应物质供应仓形成的反应物质流场构成共用关系；该每个膜电极两侧设有集流板，通过集流板的电连接，将各个膜电极产生的电动势串联起来。本发明采用非双极板的共用反应物质反应仓结构，降低了燃料电池的成本，提高了其体积比功率，并易于加工，使用方便。另外，本发明的每个膜电极产生的电压在电池外部实现串联，避免了因单片电池的性能不佳而影响整个电池堆的性能。

Description

一种质子交换膜燃料电池堆

所属领域

本发明涉及一种燃料电池，具体地讲是一种质子交换膜燃料电池堆。

背景技术

燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的装置。近年来，由于质子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动快、高功率密度和高能量密度、对环境无污染、无噪音等优点，受到人们的广泛关注。现有的质子交换膜燃料电池系统一般是由燃料供应体系、氧化剂供应体系、电池组和水热管理体系组成。如图1所示，电池组的一般是由膜电极3′、和带有导气通道的双极板10′构成，而膜电极3′又由质子交换膜24′、催化层25′和其两侧的气体扩散层26′组成。其工作方式如下：氢气和氧气分别通过双极板10′上的导气通道到达膜电极3′的阳极和阴极，反应气体通过电极上的扩散层26′到达质子交换膜24′，在膜的阳极一侧，氢气在阳极催化剂的作用下解离为氢离子(质子)和带负电的电子，氢离子在质子交换膜24′上迁移到阴极，实现质子导电。质子的转移导致阳极出现带负电的电子积累，从而变成带负电的端子(负极)；同时，阴极的氧分子与催化剂激发产生的电子反应，使阴极变成带正电的端子(正极)，从而在负极和正极之间形成电压，当通过外界电路将两极连接时，电子从负极流向正极，产生电能。同时，氢离子和氧离子反应生成水。

从上述现有的质子交换膜燃料电池工作方式中可以看出，双极板不但具有隔开氢气通道和氧气通道，并具有导电集流作用，兼做阴极和阳极，同时将电池组的正负极串联起来。为达到上述功能，双极板必须符合以下技术要求：1、分隔氧化剂和还原剂，双极板必须具有阻气功能，不能用多孔透气材料；2、具有集流作用，因此必须是电的良导体；3、由于现有的燃料电池的电解质为酸或碱，并且双极板在工作电位下，有氧化介质或还原介质存在时，因此必须具有抗腐蚀能力；4、在双极板两侧须加工或置有使反映气体均匀分布的流道，以确保反映气在整个电极各处能均匀分布；5、应是热的良导体，以确保电池组的温度均匀分布和派热方案的实施。

基于对双极板的上述特殊技术要求，使双极板的加工工艺难度大、时间长、成本高，不利于大规模批量生产。现有双极板一般采用碳板作为基体，在两侧刻导气通道，但为防止气体渗透，它必须具有一定厚度分隔层，而且由于电池堆工作时需要一定的压力以减小界面接触电阻，双极板必须承受一定的压力，而碳板易脆，抗压强度不高，因此双极板必然有一定的厚度和重量，从而造成整个电池堆的体积比功率和重量比功率下降。另外，由于双极板结构的电池堆是靠双极板来串联相邻的电池单体的，如果电池堆中有一片电池单体因某种原因而性能不好，就会导致整个电池堆的性能下降，从而使整个电池的使用寿命受到影响。

因此，有必要提供一种新型的质子交换膜燃料电池堆，以克服上述双极板的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种质子交换膜燃料电池堆，采用非双极板结构，降低燃料电池的成本，提高其体积比功率，并易于加工，使用方便。

本发明的再一目的在于，提供一种质子交换膜燃料电池堆，每个膜电极产生的电压在电池外部实现串联，避免因单片电池的性能不佳而影响整个电池堆的性能。

本发明的目的是采用如下技术方案来实现的，一种质子交换膜燃料电池堆，至少包括有膜电极和两种供应仓，该两种供应仓为反应物质供应仓，该两种供应仓间隔设置，于每两个反应物质供应仓之间设有膜电极，每两个相邻的膜电膜电极，每两个相邻的膜电极与夹设于其间的任意一种反应物质供应仓形成的反应物质流场构成共用关系；该每个膜电极两侧设有集流板，通过集流板的电连接，将各个膜电极产生的电动势串联起来。

本发明的两种反应物质供应仓的其中一种可由N个双仓构成；另一种由N-1个双仓和位于两侧的2个单仓构成，其中N可为自然数。

本发明的两种反应物质供应仓也可均有由N个双仓以及位于一侧的一个单仓构成；其中N为大于零的自然数。

本发明的上述的两种反应物质供应仓最佳可分别为空气仓和氢气仓。

上述设于两相邻膜电极之间的双仓可为同时向两侧提供的反应物质的双空气仓或双氢气仓；设于燃料电池两端的单仓可均为仅向一侧提供反应物质的单氢气仓或单空气仓，或者分别为单氢气仓和单空气仓。

本发明的集流板可由导电金属片或金属网构成。该构成集流板的导电金属片或金属网可经抗酸抗腐蚀表面处理。

本发明的集流板可设有复数个进气孔道，应有足够的开孔率，保证足够的进气量。于该集流板的进气孔道上可设有向一侧张开的导流板，以增加进气量。

本发明的两种反应物质供应仓可由高强度、耐高温、耐腐蚀的绝缘塑料制成。

本发明的单空气仓和双空气仓的侧边可设有与空气连通的透气孔。该空气仓内可分布有足以保证该空气仓仓体强度的支撑筋。

本发明的燃料电池堆设有与单氢气仓或双氢气仓连通的进气通道，通过进气通道将电池所需的氢气提供给单氢气仓或双氢气仓。

进一步，本发明的燃料电池堆设有与单氢气仓或双氢气仓连通的排气通道。该排气通道可处于常闭状态，在通过进气通道向氢气仓或双氢气仓通入氢气之前，可先打开该排气通道，通过该排气通道，将单氢气仓或双氢气仓内空气排尽，以保证单氢气仓或双氢气仓内氢气的纯度。

本发明的单氢气仓或双氢气仓内可设有复数个导流隔板，反应物质可形成不同的流场并起支撑作用。

本发明的膜电极可由质子交换膜和其两侧的催化层构成。

本发明的膜电极两侧可设有使反应物质均匀扩散到质子交换膜上的气体扩散层。

本发明的膜电极的周边可设有密封结构，防止其两侧的反应物质泄露或互混。

本发明的不同膜电极的集流板可通过外部的导线电连接，将各膜电极产生的电动势串联。

本发明的单氢气仓或单空气仓的周边设有连接部，通过该连接部将燃料电池连接成一体。该设于单氢气仓或单空气仓上的连接部可为连接孔，螺栓穿过该连接孔，通过螺母将其牢固连接成一体

本发明的效果在于，其一，由于本发明的相邻膜电极之间采用共用的反应物质供应仓，在具有相同膜电极的燃料电池中，反应物质供应仓的数量几乎减少一半，从而大大减少了整个电池的体积和电池的制造成本，提高了电池体积的比功率。其二，由于本发明相邻的膜电极采用共用的空气仓或氢气仓，空气仓与氢气仓之间不必采用碳板隔开，膜电极上产生的电流可直接通过集流板导出，从而避免了采用成本高、工艺复杂的双极板结构，降低了燃料电池的加工工艺难度和成本，为燃料电池的大规模批量生产提供了有利条件。本发明的反应物质供应仓可直接用塑料注塑成型，加工工艺简单，成本低，极大地降低了整个电池的成本。其三，本发明的是通过集流板的电连接，来实现膜电极产生的电压的串联的，可以随时通过调整外部电路的连接来跳过性能不好的电池单体，从而避免因单片电池性能不好而影响整个电池组性能的现象发生，延长了整个电池的使用寿命。

进一步，空气仓的侧面可设有与空气连通的透气孔，空气仓内部可设有足以保证仓体强度的支撑筋，构成格栅结构。这种结构不但重量轻，进风量大，并有利于保湿保温，提高电池的工作稳定性。

进一步于阴极集流板的进气孔道上可设有向一侧掀起的导流板，形成类似于张开的天窗结构，这样，在有送风装置的情况下，可以在空气仓内形成气体的湍流，增加进风量，提高空气的利用率，从而减少空气仓的厚度，进一步降低整个电池体积。并且，这种结构还有利于空气侧的保持水分，防止水分较快的散失到空气中，改善电池的工作环境。

附图说明

图1现有双极板质子交换膜燃料电池结构示意图；

图2本发明膜电极结构示意图；

图3本发明双空气仓和集流板分解图；

图4本发明单空气仓和集流网结构分解图；

图5本发明双氢气仓与集流板分解图；

图6本发明氢气仓与集流板的分解图；

图7本发明燃料电池的气体通道示意图；

图8本发明的电流回路图；

图9本发明集一种流板正面结构示意图；

图10本发明集一种流板背面结构示意图；

图11本发明双空气仓结构示意图；

图12本发明双氢气仓结构示意图；

图13本发明实施例1中两端均为单氢气仓的两片电池的各部件立体分解图；

图14本发明实施例1中两端均为单氢气仓的多片电池的各部件立体分解图；

图15本发明实施例1中两端均为单空气仓的两片电池的各部件立体分解图；

图16本发明实施例1中两端均为单空气仓的多片电池的各部件立体分解图；

图17本发明实施例2中两端分别为单氢气仓和单空气仓的两片电池的各部件立体分解图；

图18本发明实施例2中两端分别为单氢气仓和单空气仓的多片电池的各部件立体分解图；

图19本发明整体结构示意图。

具体实施方式

如图8、图13～18所示，本发明的质子交换膜燃料电池堆至少包括有两种反应物质供应仓和膜电极3，该两种反应物质供应仓间隔设置，于每两个反应物质供应仓之间设有膜电极，每两个相邻的膜电极3与夹设于其间的任意一种反应物质供应仓形成的反应物质流场构成共用关系；该每个膜电极3两侧设有集流板7、9，通过集流板7、9的电连接，将各个膜电极3产生的电动势串联起来。

由于本发明的相邻膜电极3之间采用共用的反应物质供应仓，与现有的双极板结构的燃料电池相比，在具有相同膜电极的情况下，反应物质供应仓的数量几乎减少了一半，从而大大减少了整个电池的体积，降低了电池的制造成本，提高了电池体积的比功率。另外，由于本发明膜电极3两侧设有与反应物质供应仓相对独立的集流板6，各个膜电极3产生的电动势可通过集流板6串联起来，从而避免了采用成本高、工艺复杂的双极板结构，降低了燃料电池的加工工艺难度和成本，为燃料电池的大规模批量生产提供了有利条件。

如图8所示，本发明是通过集流板7、9的电连接，来实现膜电极3产生的电压的串联的，可以随时通过调整外部电路的连接来跳过性能不好的电池单体，从而避免因单片电池性能不好而影响整个电池性能的现象发生，延长了整个电池的使用寿命。

实施例1

如图13至图16所示，在本发明中，所述两种反应物质供应仓的其中一种可由N个双仓构成；另一种由N-1个双仓和位于两侧的2个单仓构成。该2N+1个间隔设置的两种反应物质供应仓间夹设有2N个膜电极3和其两侧的集流板7、9，构成整个燃料电池。其中，N为自然数。当N为零时，即构成本发明最简单的结构形式，即两个一种反应物质供应仓的单仓间夹设有另一种反应物质供应仓的双仓，该双仓两侧的两片膜电极3共用一个反应物质供应仓双仓，该两片膜电极3产生的电压通过集流板7、9的连接实现串联。

本发明的两种反应物质可分为氧化物质和燃料物质，氧化物质可以是空气、纯氧气等，燃料物质可以是纯氢气、甲醇、乙醇等等。基于电池性能、工作条件及反应物质性质等方面的考虑，在本发明中采用氢气和空气作为反应物质，该两种反应物质供应仓最佳分别为氢气仓和空气仓。

在本发明中，设于两相邻膜电极3之间的双仓可为同时向两侧提供的反应物质的双空气仓4或双氢气仓5；设于燃料电池两端的单仓可为仅向一侧提供反应物质的单氢气仓1和/或单空气仓21。

具体到本实施例中，本发明的燃料电池可如图13、图14所示，由N个双空气仓4、N-1个双氢气仓5和位于电池两侧的2个单氢气仓1，以及该2N+1个间隔设置的两种反应物质供应仓间夹设的2N个膜电极3和其两侧的集流板7、9构成；或者如图15、图16所示，由N个双氢气仓5、N-1个双空气仓4和位于电池两侧的2个单空气仓21，以及该2N+1个间隔设置的两种反应物质供应仓间夹设的2N个膜电极3和其两侧的集流板7、9构成。

当N等于零时为本实施例燃料电池的最简单的构成形式，如图13所示，为两个单氢气仓1间设有一个双空气仓4，该单氢气仓1与双空气仓4间夹设的两片膜电极3共用一个双空气仓4，通过两片膜电极3两侧的集流板7、9的电连接，实现两片膜电极3产生的电压的串联。如图15所示，为两个单空气仓21间设有一个双氢气仓5，单空气仓21与双氢气仓5间夹设的两片膜电极3共用一个双氢气仓5，通过两片膜电极3两侧的集流板7、9的电连接，实现两片膜电极3产生的电压的串联。

进一步，本发明的集流板7、9可由如图3、图5、图6所示的导电金属片构成，或由如图4、图15所示的金属网构成。由于集流板7、9此时仅用于集流导电，而金属本身即为电的良导体，因此，该集流板7、9的成本较低，制造的工艺也较为简单，从而降低了整个电池的成本。为保证集流板7、9在电池工作时的酸性、湿润环境中能正常工作，并有较长的使用寿命，所述构成集流板7、9的导电金属片或金属网可经抗酸抗腐蚀表面处理。

如图3、图6所示，所述的集流板7、9可设有复数个进气孔道15，以使单氢气仓1、单空气仓21、双空气仓5或双氢气仓4内的气体能够扩散到膜电极3上。该集流板7、9应有足够的开孔率，以保证足够的进气量，使燃料电池正常工作。

进一步，如图5、图9、图10所示，于所述单空气仓21或双空气仓4与膜电极3之间的集流板7的进气孔道15上可设有向一侧张开的导流板13，形成类似于张开的天窗结构，以增加进气量。这样，在有送风装置的情况下，可以在仓体内形成气体的湍流，增加进气量，提高空气的利用率，从而减少空气仓的厚度，进一步降低整个电池体积。并且，这种结构还有利于膜电极3空气侧的保持水分，防止水分较快的散失到空气中，改善电池的工作环境。

在本发明中，由于膜电极3产生的电动势可通过金属集流板7、9进行串联，所述的反应物质供应仓，即单空气仓21、双空气仓4或单氢气仓1、双氢气仓5，不再如现有的双极板那样具有集流导电作用，因此，可由高强度、耐高温、耐腐蚀的绝缘塑料制成。由于相同体积的塑料的重量远小于碳板的重量，并且易于成型制造，因此，本发明不但简化了加工工艺，降低了成本，并且极大提高了燃料电池的重量比功率。

如图4、图11所示，为使足够的氧气进入空气仓中，保证膜电极3的氧气需求量，所述单空气仓21和双空气仓4的侧边设有与空气连通的孔道17。空气中通过该孔道17进入单空气仓21或双空气仓4中，并扩散到达膜电极3。

进一步，如图4、图11所示，所述的双空气仓4和单空气仓21内可设有足以保证该空气仓仓体强度的支撑筋18构成格栅结构。这种结构不但重量轻，进风量大，并有利于保湿保温，确保电池的工作稳定性。

如图3、图6、图7、图12所示，所述的燃料电池可设有与氢气仓连通的进气通道19，通过该进气通道19将氢气提供给氢气仓。进一步，本发明的燃料电池堆还可设有与氢气仓连通的排气通道20。该排气通道20可处于常闭状态，在通过进气通道19向氢气仓通入氢气之前，可先打开该排气通道20，通过该排气通道20将氢气仓内空气排尽，以保证氢气仓内氢气的纯度。该进气通道19和排气通道20，可贯穿整个燃料电池的各组件，通过氢气仓内的连通口22与氢气仓连通。

进一步，如图3、图6、图12所示，所述的单氢气仓1或双氢气仓5内可设有复数个导流隔板23，使进入氢气仓的气体均匀扩散到膜电极3上。

如图2所示，本发明的膜电极3可由质子交换膜24和其两侧的催化层25构成。为保证反应物质均匀扩散到质子交换膜24上与催化层25反应，于催化层25两侧可设有气体扩散层26。该气体扩散层还可同时起疏水导电作用。进一步，该膜电极3的周边还可设有密封结构27，防止其两侧的反应物质泄露或互混。

如图8所示，在本实施例中，所述的不同膜电极3的集流板7、9可通过外部的导线8电连接，将各膜电极3产生的电动势串联。

在本发明中，所述反应物质供应仓单仓上周边设有连接部，通过该连接部将燃料电池连接成一体，该连接部可为卡接结构、粘接结构、螺接结构等常规的机械连接结构。具体到本实施例中，如图19所示，所述设于反应物质供应仓单仓上的连接部可为连接孔，螺栓11穿过电池堆两侧的反应物质供应仓单仓，通过螺母12将其牢固连接成一体。

在本实施例中，可采用目前常用的氢气和氧气作为电池的反应气体，氧气的供应可直接通过透气孔17进入单空气仓21或双空气仓4的空气来获得，氢气可由电池外部氢源通过进气通道19和连通口22进入单氢气仓1或双氢气仓5，从而提供给膜电极3。当电池堆工作时，进入氢气仓的氢气通过集流板7、9上的进气孔15或金属网上的网眼到达与其临近的膜电极3。该氢气通过扩散层26扩散后到质子交换膜24的催化层25，并在催化层25的作用下，氢气解离为氢离子(质子)和带负电的电子，氢离子在质子交换膜25上迁移到阴极，实现质子导电。质子的转移导致阳极出现带负电的电子积累，从而变成带负电的端子(负极)。同时，单空气仓21或双空气仓4的氧气到达与其相邻的膜电极3的另一侧，阴极的氧分子与催化剂激发产生的电子反应，使阴极变成带正电的端子(正极)，从而在负极和正极之间形成电压。各个膜电极3产生的电压通过集流网2、集流板7、9的电连接实现串联。当通过外界电路将两极连接时，电子从负极流向正极，产生电能；同时，氢离子和氧离子反应生成水。由以上本发明的燃料电池的工作方式可知，可以通过不断提供氢气和氧气来维持燃料电池两端电压的存在，从而保证燃料电池的使用。

实施例2

本实施例与实施例1的基本结构相同，在此不再赘述。

本实施例与实施例1的区别在于，在本实施例中，所述两种反应物质供应仓可均有由N个双仓以及位于一侧的一个单仓构成，N为大于零的自然数。

如图17、图18所示，在本实施例中，该两种反应物质供应仓可分别为空气仓和氢气仓。燃料电池由一个单氢气仓1、间隔设置的N个双空气仓4和双氢气仓5、单空气仓21及其夹设于空气仓和氢气仓之间的2N+1个膜电极3及其两侧的集流板7、9构成。每两相邻的膜电极3共用一个双氢气仓5或双空气仓4，每个膜电极3产生的电压通过集流板7、9的电连接串联起来。

如图17所示，为N＝1时本实施例燃料电池的一种构成方式，燃料电池由一个单氢气仓1、双空气仓4、双氢气仓5、单空气仓21及其夹设于氢气仓和空气仓之间的3片膜电极3和两侧的集流板7、9构成。每个膜电极3产生的电压通过集流板7、9的电连接串联起来。

本实施例的组成部件如空气仓、氢气仓、膜电极、集流板等的具体结构可与实施例1相同。

由于实施例的基本结构与实施例1相同，因此，本实施例也同样具有实施例1所述的有益效果，在此不再详述。

上述实施例为本发明的几种实施方式，仅用于详细说明本发明，而非用于限制本发明。

Claims (22)

1、一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，至少包括有膜电极和两种供应仓，该两种供应仓为反应物质供应仓，该两种供应仓间隔设置，于每两个反应物质供应仓之间设有膜电极，每两个相邻的膜电极与夹设于其间的任意一种反应物质供应仓形成的反应物质流场构成共用关系；该每个膜电极两侧设有集流板，通过集流板的电连接，将各个膜电极产生的电动势串联起来。

2、如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，所述两种供应仓的其中一种由N个双仓构成；另一种由N-1个双仓和位于两侧的2个单仓构成；其中N为自然数。

3、如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，所述两种供应仓可由N个双仓以及位于一侧的一个单仓构成；其中N为大于零的自然数。

4、如权利要求2或3所述的一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，所述的两种供应仓分别为空气仓和氢气仓。

5、如权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，所述设于两相邻膜电极之间的双仓为同时向两侧提供反应物质的双空气仓或双氢气仓；设于燃料电池两端的单仓均为仅向一侧提供反应物质的单氢气仓或单空气仓，或者分别为单氢气仓和单空气仓。

6、如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，所述的集流板由导电金属片或金属网构成。

7、如权利要求6所述的一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，所述构成集流板的导电金属片或金属网经抗酸抗腐蚀表面处理。

8、如权利要求1或6所述的一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，所述的集流板设有复数个进气孔道，应有足够的开孔率，保证足够的进气量。

9、如权利要求8所述的一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，于所述集流板的进气孔道上设有向一侧张开的导流板，增加进气量。

10、如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，所述的两种供应仓由高强度、耐高温、耐腐蚀的绝缘塑料制成。

11、如权利要求5所述的一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，所述单空气仓和双空气仓的侧边设有与空气连通的透气孔。

12、如权利要求11所述的一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，所述的空气仓内分布有足以保证该空气仓仓体强度的支撑筋。

13、如权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，所述的燃料电池堆设有与氢气仓连通的进气通道，该进气通道通过连通口与氢气仓连通。

14、如权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，所述的燃料电池堆设有与氢气仓连通的排气通道，该排气通道通过连通口与氢气仓连通。

15、如权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，所述的氢气仓内设有复数个导流隔板，该导流隔板形成不同的流场并起支撑作用。

16、如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，所述的膜电极由质子交换膜和其两侧的催化层构成。

17、如权利要求16所述的一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，所述的膜电极两侧设有使反应物质均匀扩散到质子交换膜上的气体扩散层。

18、如权利要求1或16或17所述的一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，所述的膜电极的周边设有密封结构，防止其两侧的反应物质泄露或互混。

19、如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，所述的不同膜电极的集流板通过外部的导线电连接，将各膜电极产生的电动势串联。

20、如权利要求2或3所述的一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，所述燃料电池两侧的反应物质供应仓单仓的周边设有连接部，通过该连接部将燃料电池连接成一体。

21、如权利要求20所述的一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，所述设于反应物质供应仓单仓的连接部为连接孔，螺栓穿过该连接孔，通过螺母将其牢固连接成一体。

22、如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，所述的两种供应仓分别为空气仓和氢气仓。

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