CN1303716C - 一种可实现输出电压数倍增加的燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可实现输出电压数倍增加的燃料电池，包括至少一膜电极，至少二导流极板、二集流母板、一前端板、一后端板、至少一连接杆，所述的膜电极的导电部分被绝缘体分隔成至少两个等导电区域，所述的导流极板的导电部分被绝缘体分隔成至少两个与膜电极相应的等导电区域，将至少两等导电区域的集流母板进行串联连接，即构成可实现输出电压数倍增加的燃料电池。与现有技术相比，本发明在具有较大的燃料电池导流极板、膜电极有效工作面积时，同样可以实现数倍减少电流输出，而数倍增加电压输出，达到既节省电池材料，又提高其能量转换效率的目的。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种可实现输出电压数倍增加的燃料电池。
背景技术
电化学燃料电池是一种能够将氢燃料及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学反应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。
在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。
在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：
阳极反应：
阴极反应：
在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导膜电极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导膜电极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导膜电极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流极板与阴极氧化剂的导流极板。这些导流极板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流极板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。
为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。
一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或由甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组后进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。
质子交换膜燃料电池可用作车、船等运载工具的动力系统，又可用作手提式、移动式、固定式的发电装置。
质子交换膜燃料电池输出电流的大小与燃料电池中膜电极工作的有效面积有关，例如燃料电池在0.5安培/(每平方厘米膜电极)电流密度工作时，采用200平方厘米的有效膜电极即可输出100安培。质子交换膜燃料电池输出电压的大小与燃料电池中工作单电池个数有关，每个工作单电池的输出电压大约在1.0～0.5伏之间，而将若干个工作单电池以串联方式串成燃料电池堆，那么燃料电池堆可以实现较高的电压输出。
如图1、图2、图3所示，分别表示燃料电池的导流极板、膜电极以及燃料电池堆。
根据质子交换膜燃料电池在不同功率范围的应用要求，在质子交换膜燃料电池工程设计上必须考虑膜电极有效面积，导流极板大小、形状以及整个质子交换膜燃料电池堆中的单电池个数。因为导流极板，膜电极有效面积大小决定了燃料电池堆的宽度与高度，以及燃料电池输出电流的大小，而燃料电池堆中的单电池个数决定了燃料电池堆的长度与输出电压的大小。
所以，目前国际上著名Ballard Power System公司生产的质子交换膜燃料电池堆，当用作大功率的动力或发电装置时，其Mark 5型工程设计上体现出燃料电池堆的宽和高较大(大约有20公分)，长有40多公分，但用作手提式小功率发电装置时，其另一种小型燃料电池工程设计上体现出燃料电池堆的宽和高较小(不超过5公分左右)，但为了增加输出电压，增加工作单电池个数其长度较长，也有几十公分长。
这种燃料电池工程设计原则上是根据质子交换膜燃料电池在不同功率范围的应用要求，得到适合应用要求的输出电流与电压。
但是按上述目前普遍推行的燃料电池工程设计方法而成的燃料电池堆有其不可克服的缺陷：
(1)在燃料电池堆大功率输出应用要求时，一般加大燃料电池输出电流与电压，由于燃料电池堆装配等原因对其长度有一定限制，即对燃料电池单电池个数的增加有一定限制，结果不得不加大燃料电池输出电流，即增加燃料电池的宽与高度，使输出电流高达几百安培，结果在大电流输出时产生了许多电能损失，主要损失在电池内阻与线路及接头上，变成了无法利用的热能，导致燃料电池能量效率降低。
(2)在燃料电池堆中、小功率，特别要求高电压输出应用要求时，一般必须尽量减少燃料电池堆的电流输出，而相应加大燃料电池的电压输出，这样势必造成燃料电池堆的宽、高度很小，而单电池个数很多，长度很长，不但造成装配难度，而且造成了燃料电池制造材料的数量增加，成本也大大增加。
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在不加大体积的基础上可实现输出电压数倍增加的燃料电池。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种可实现输出电压数倍增加的燃料电池，包括至少一膜电极，至少二导流极板、二集流母板、一前端板、一后端板、至少一连接杆，所述的膜电极为质子交换膜两侧附着催化剂及多孔性碳纸构成，所述的导流极板设有导流槽，将两块导流极板夹住一块膜电极即构成一电池单元，将各电池单元通过连接杆串接在一起，并在两端设置集流母板及前、后端板，即构成燃料电池，其特征在于，所述的膜电极的导电部分被绝缘体分隔成至少两个等导电区域，所述的导流极板的导电部分被绝缘体分隔成至少两个与膜电极相应的等导电区域，将膜电极，导流极板串联装配成燃料电池时，至少两个等导电区域分别用至少四块不串流的集流母板设在燃料电池的阴、阳极两端，再将至少两等导电区域的集流母板进行串联连接，即构成可实现输出电压数倍增加的燃料电池。
所述的绝缘体包括塑料树脂或橡胶。
本发明由于采用了以上技术方案，即采用新的质子交换膜燃料电池工程设计，由此而制成的燃料电池堆在具有较大的燃料电池导流极板、膜电极有效工作面积时，同样可以实现数倍地减少电池电流输出，而数倍地增加电池电压输出，达到既节省燃料电池材料，又提高燃料电池能量转换效率的目的。
附图说明
图1为现有的导流极板的结构示意图；
图2为现有的膜电极的结构示意图；
图3为燃料电池的结构示意图；
图4为本发明导流极板的结构示意图；
图5为本发明膜电极的结构示意图；
图6为本发明实施例1的内部结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。
一种可实现输出电压数倍增加的燃料电池，包括至少一膜电极，至少二导流极板、二集流母板、一前端板、一后端板、至少一连接杆，所述的膜电极为质子交换膜两侧附着催化剂及多孔性碳纸构成，所述的导流极板设有导流槽，将两块导流极板夹住一块膜电极即构成一电池单元，将各电池单元通过连接杆串接在一起，并在两端设置集流母板及前、后端板，即构成燃料电池；所述的膜电极的导电部分被绝缘体分隔成至少两个等导电区域，所述的导流极板的导电部分被绝缘体分隔成至少两个与膜电极相应的等导电区域，将膜电极，导流极板串联装配成燃料电池时，至少两个等导电区域分别用至少四块不串流的集流母板设在燃料电池的阴、阳极两端，再将至少两等导电区域的集流母板进行串联连接，即构成可实现输出电压数倍增加的燃料电池。
图1中的导流极板虚线内是导电区域，而虚线外是绝缘区域，将虚线内的导电区域分割成A、B二个等导电区域，如图4所示，虚线代表绝缘体分隔，但A、B二个等区域构成的导流极板及上面的导流场(导流槽)与图1中的大活性面积的导流极板中的导流场及导流槽一样。
图2中的膜电极虚线内是导电区域，而虚线外是绝缘区域，将虚线内的膜电极导电区域分隔成相应的A′、B′二个等导电区域，如图5所示，虚线代表绝缘体分隔，但A′、B′二个区域一样平整，形状与图2中的大活性面积的膜电极一样，绝缘体分割(虚线)可以用各种粘接剂，如塑料树脂，橡胶进行绝缘连体。
将上述导流极板、膜电极串联装配成燃料电池堆时，如图3所示，A、B二个等区域分别用四块不串流的集流母板放在燃料电池堆的阴、阳极二端，再将A、B二个等区域的集流母板集流后进行串联连接达到燃料电池堆输出电流减少一倍，而电压增加一倍。
当然，如果将上述导流极板及膜电极、集流母板活性工作区域按同样原理分割成互相绝缘的四个部分，由于各个部分的工作性能不一样，不一定是均等四个部分，但必须分割成工作电流一样的四个部分，这样燃料电池总电流输出将减少四倍，电压增加四倍。其余分割成八部分，甚至更多的部分原理相同。
实施例1
如图6所示，按目前技术装配的质子交换膜燃料电池堆，共有双极板a(带冷却板a1的导流极板)20块，膜电极b20张，二块集流母板c，一块前端板d，一块后端板e。
在采用氢气为燃料，空气为氧化剂，每张膜电极有效面积为280平方厘米，双极板加水冷夹板的尺寸是高206厘米，宽206厘米，厚5厘米，工作压力(氢气，空气)是0.5～2个大气压，温度是76℃。共有20个工作单电池。
当每个工作单电池输出0.6伏时，膜电极工作电流密度为0.8A/平方厘米，整个燃料电池堆输出总电压是12伏，总电流为224安培。
本发明将双极板加水冷夹板活性工作部分分割成二个对称工作区域，非工作活性部分是绝缘材料，将集流母板分割成二个对等对称部分，相当于二个燃料电池堆进行串联连接，结果，燃料电池总输出电压增加一倍，达到24伏，而电流减少一倍达到112安培，总功率不变。
实施例2
按实例1中各双极板(含水冷夹板的导流极板)，膜电极，集流母板活性工作部分都分割成四个区域(四个区域由于各个区域的工作性能差异，不一定对等)，使燃料电池总输出达到48伏56安培。
Claims (2)
1.一种可实现输出电压数倍增加的燃料电池，包括至少一膜电极，至少二导流极板、二集流母板、一前端板、一后端板、至少一连接杆，所述的膜电极为质子交换膜两侧附着催化剂及多孔性碳纸构成，所述的导流极板设有导流槽，将两块导流极板夹住一块膜电极即构成一电池单元，将各电池单元通过连接杆串接在一起，并在两端设置集流母板及前、后端板，即构成燃料电池，其特征在于，所述的膜电极的导电部分被绝缘体分隔成至少两个等导电区域，所述的导流极板的导电部分被绝缘体分隔成至少两个与膜电极相应的等导电区域，将膜电极，导流极板串联装配成燃料电池时，至少两个等导电区域分别用至少四块不串流的集流母板设在燃料电池的阴、阳极两端，再将至少两等导电区域的集流母板进行串联连接，即构成可实现输出电压数倍增加的燃料电池。
2.根据权利要求1所述的一种可实现输出电压数倍增加的燃料电池，其特征在于，所述的绝缘体包括塑料树脂或橡胶。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Shanghai Jia Tu solar energy Science and Technology Co., Ltd. Assignor: Shanghai Shen-Li High Tech Co., Ltd. Contract record no.: 2011310000076 Denomination of invention: Fuel cell with high output voltage Granted publication date: 20070307 License type: Exclusive License Open date: 20031105 Record date: 20110607 |
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SHANGHAI SHEN-LI HIGH TECH. CO., LTD. STATE GRID C Effective date: 20121214 Owner name: SHANGHAI MUNICIPAL ELECTRIC POWER COMPANY Free format text: FORMER OWNER: SHANGHAI SHEN-LI HIGH TECH. CO., LTD. Effective date: 20121214 |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 201400 FENGXIAN, SHANGHAI TO: 200122 PUDONG NEW AREA, SHANGHAI |
|
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20121214 Address after: 200122 Shanghai City, Pudong New Area source deep road, No. 1122 Patentee after: Shanghai Electric Power Corporation Patentee after: Shanghai Shen-Li High Tech Co., Ltd. Patentee after: State Grid Corporation of China Address before: 201400, Shanghai Industrial Development Zone, Pu Pu Avenue, No. 10, building 111 Patentee before: Shanghai Shen-Li High Tech Co., Ltd. |
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| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20070307 |
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| CX01 | Expiry of patent term |