CN1385917A - 一种改进型燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改进型燃料电池,包括至少一膜电极、至少二导流极板、至少一外设流体通道、至少一支管、至少一连接杆、一冷却单元、一监控单元,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,并接入冷却单元和监控单元即构成燃料电池。与现有技术相比,本发明极板和膜电极的有效面积大、流体传输阻力小、制造成本低、安装方便。

Description

一种改进型燃料电池

本发明涉及电化学燃料电池，尤其涉及一种改进型燃料电池。

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。

在阳极区的正氢离子迁移穿过质子交换膜，通常需要携带大量的水分子一起通过，所以膜的两边表面必须保持水分子存在，才能使正氢离子的迁移电导不受影响。因此，燃料与氧化剂气体在进入燃料电池活性区进行反应之前，必须进行湿化，以便保证膜电极中的膜处于水湿化饱和状态。

目前，质子交换膜然料电池在各流体通道的设计上通常采用牺牲极板的有效利用面积，在各膜电极与极板的相同位置开设流体孔，并将各块膜电极与极板经叠合组成各流体通道。也就是说，每块膜电极与极板上均设有燃料进、燃料出、氧化剂进、氧化剂出、冷却流体进、冷却流体出的孔，这些模电极与极板经一定方式叠合后就组成燃料电池组内部的燃料进出、氧化剂进出、冷却流体进出的各流体通道，并将这些流体通道集合在燃料电池组前后端板上组成燃料进口、燃料出口、氧化剂进口、氧化剂出口、冷却流进口、冷却流体出口。到目前为止，几乎所有的质子交换膜燃料电池组都采用上述这种结构。上述这种通用结构存在以下诸多缺陷：

1.各个流体通道占据了极板或膜电极的非常大的面积，使燃料电池中极板或膜电极的有效面积大大降低，一般只利用了不到70％的面积。

2.极板材料和膜电极材料一般都很贵，在加工上必须冲出许多各个流体道孔，浪费了大量的原材料。

3.燃料电池组的部分流体通道，由于加工精度及不同材料热胀冷缩原因，表面非常不平滑，因此给各流体传输增加了阻力，浪费了传输能量。

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极板和膜电极的有效面积大、流体传输阻力小、成本较低的改进型燃料电池。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种改进型燃料电池，包括至少一膜电极、至少二导流极板、至少一连接杆、一冷却单元、一监控单元，所述的各膜电极为质子交换膜两侧附着催化剂及多孔性碳纸构成，所述的各导流极板设有导流槽，其特点是，还包括至少一外设流体通道、至少一支管，所述的各导流极板一端面设有进流孔，该进流孔的一端通过支管与外设流体通道连通，另一端与导流槽相通，所述的各导流极板的另一端面设有出流孔，该出流孔与导流槽相通；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，并接入冷却单元和监控单元即构成燃料电池。

所述的外设流体通道包括外设进流体通道。

所述的外设流体通道还包括外设出流体通道，该外设出流体通道通过支管与出流孔连通。

所述的外设流体通道包括外设燃料氢气通道。

所述的外设流体通道还包括外设氧化剂通道。

所述的外设流体通道还包括外设冷却水通道。

所述的外设流体通道采用工程塑料或不锈钢管材。

本发明由于采用了以上技术方案，即各种流体分别走燃料电池外通道的结构，任何一种流体进或出均采用一根统一的外通道管，这根通道管可以采用表面很光滑的工程塑料管或不锈钢管，从这根统一外通道管中分支出许多支管与每一块极板相连，流体可以由通道管流经极板的进流孔而流至导流槽中，也可以由导流槽流经极板的出流孔而流至通道管中。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.大大增加了极板与膜电极的有效面积，从而提高了燃料电池的工作效率。

2.流体统一走外设通道，该通道管可以采用较便宜的工程塑料管制造，表面可以做到很光滑，因此可以大大减少流体的流动阻力，节约了能源，降低了成本。

3.极板和膜电极加工简单，电池装配方便。

下面结合附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。

图1为本发明一块导流氧化剂的导流极板的结构示意图；

图2为本发明一块导流燃料氢的导流极板的结构示意图；

图3为本发明一实施例的结构示意图。

实施例1

如图1、图2、图3所示，一种改进型燃料电池，包括六片膜电极1、七块导流极板2、四根外设流体通道3、四根连接杆(图未示)、一套冷却单元(图未示)、一套监控单元(图未示)，所述的各膜电极1为质子交换膜两侧附着催化剂及多孔性碳纸构成，所述的各导流极板2设有导流槽21，所述的外设流体通道3包括二根外设进流体通道31、二根外设出流体通道32，所述的各导流极板2一端面设有进流孔22，该进流孔的一端通过支管23与外设进流体通道31连通，另一端与导流槽21相通，所述的各导流极板2的另一端面设有出流孔24，该出流孔的一端通过支管23与外设出流体通道32连通，另一端与导流槽21相通；将两块导流极板2夹住一块膜电极1即构成一电池单元，将各电池单元通过连接杆串接在一起，并接入冷却单元和监控单元即构成燃料电池。在本实施例中，所述的二根外设进流体通道31分别为外设进燃料氢气通道和外设进氧化剂空气通道；所述的二根外设出流体通道32分别为外设出燃料氢气通道和外设出氧化剂空气通道；所述的外设流体通道采用工程塑料管材。本实施例的冷却水通道设在电池内部(图未示)。

实施例2

请参考图1、图2、图3，一种改进型燃料电池，包括六片膜电极1、七块导流极板2、六根外设流体通道3(有两根图未示)、四根连接杆(图未示)、一套冷却单元(图未示)、一套监控单元(图未示)，所述的各膜电极1为质子交换膜两侧附着催化剂及多孔性碳纸构成，所述的各导流极板2设有导流槽21，所述的外设流体通道3包括三根外设进流体通道31、三根外设出流体通道32，所述的各导流极板2一端面设有进流孔22，该进流孔的一端通过支管23与外设进流体通道31连通，另一端与导流槽21相通，所述的各导流极板2的另一端面设有出流孔24，该出流孔的一端通过支管23与外设出流体通道32连通，另一端与导流槽21相通；将两块导流极板2夹住一块膜电极1即构成一电池单元，将各电池单元通过连接杆串接在一起，并接入冷却单元和监控单元即构成燃料电池。在本实施例中，所述的三根外设进流体通道31分别为外设进燃料氢气通道、外设进氧化剂空气通道和外设进冷却水通道；所述的三根外设出流体通道32分别为外设出燃料氢气通道、外设出氧化剂空气通道和外设出冷却水通道；所述的外设流体通道采用不锈钢管材。

实施例3

请参考图1、图2、图3，一种改进型燃料电池，包括一片膜电极1、两块导流极板2、六根外设流体通道3(有两根图未示)、两根连接杆(图未示)、一套冷却单元(图未示)、一套监控单元(图未示)，所述的各膜电极1为质子交换膜两侧附着催化剂及多孔性碳纸构成，所述的各导流极板2设有导流槽21，所述的外设流体通道3包括三根外设进流体通道31、三根外设出流体通道32，所述的各导流极板2一端面设有进流孔22，该进流孔的一端通过支管23与外设进流体通道31连通，另一端与导流槽21相通，所述的各导流极板2的另一端面设有出流孔24，该出流孔的一端通过支管23与外设出流体通道32连通，另一端与导流槽21相通；将两块导流极板2夹住一块膜电极1并通过连接杆串接在一起，再接入冷却单元和监控单元即构成燃料电池。在本实施例中，所述的三根外设进流体通道31分别为外设进燃料氢气通道、外设进氧化剂空气通道和外设进冷却水通道；所述的三根外设出流体通道32分别为外设出燃料氢气通道、外设出氧化剂空气通道和外设出冷却水通道；所述的外设流体通道采用工程塑料管材。

实施例4

请参考图1、图2、图3，一种改进型燃料电池，包括六片膜电极1、七块导流极板2、一根外设流体通道3、四根连接杆(图未示)、一套冷却单元(图未示)、一套监控单元(图未示)，所述的各膜电极1为质子交换膜两侧附着催化剂及多孔性碳纸构成，所述的各导流极板2设有导流槽21，所述的一根外设流体通道3为外设进氧化剂通道31，该外设进氧化剂通道采用不锈钢管材，所述的各导流极板2一端面设有进流孔22，该进流孔的一端通过支管23与外设进氧化剂通道31连通，另一端与导流槽21相通，所述的各导流极板2的另一端面设有出流孔24，该出流孔的一端与导流槽21相通，另一端通过支管23与大气相通；将两块导流极板2夹住一块膜电极1即构成一电池单元，将各电池单元通过连接杆串接在一起，并接入冷却单元和监控单元即构成燃料电池。在本实施例中，燃料氢气通道、冷却水通道均设在电池内部。

Claims (7)

1.一种改进型燃料电池，包括至少一膜电极、至少二导流极板、至少一连接杆、一冷却单元、一监控单元，所述的各膜电极为质子交换膜两侧附着催化剂及多孔性碳纸构成，所述的各导流极板设有导流槽，其特征在于，还包括至少一外设流体通道、至少一支管，所述的各导流极板一端面设有进流孔，该进流孔的一端通过支管与外设流体通道连通，另一端与导流槽相通，所述的各导流极板的另一端面设有出流孔，该出流孔与导流槽相通；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，并接入冷却单元和监控单元即构成燃料电池。

2.根据权利要求1所述的一种改进型燃料电池，其特征在于，所述的外设流体通道包括外设进流体通道。

3.根据权利要求1所述的一种改进型燃料电池，其特征在于，所述的外设流体通道还包括外设出流体通道，该外设出流体通道通过支管与出流孔连通。

4.根据权利要求1所述的一种改进型燃料电池，其特征在于，所述的外设流体通道包括外设燃料氢气通道。

5.根据权利要求1或4所述的一种改进型燃料电池，其特征在于，所述的外设流体通道还包括外设氧化剂通道。

6.根据权利要求5所述的一种改进型燃料电池，其特征在于，所述的外设流体通道还包括外设冷却水通道。

7.根据权利要求1所述的一种改进型燃料电池，其特征在于，所述的外设流体通道采用工程塑料或不锈钢管材。

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