CN1532979A - 燃料电池的压力损耗防止结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池的压力损耗防止结构，在各设置于隔着电解质膜积层的燃料极和空气极的一个侧面，并在燃料极和空气极的相对面上各设置了燃料通道和空气通道，以使燃料和空气单独循环的燃料电池的隔离板中，将燃气通道设计成从入口侧到出口侧面积逐渐加宽的结构，防止了反应中产生的氢气引起的通道堵塞，减少燃料的压力损耗的同时可以提高燃料电池的性能。而且，无需增加燃料泵的容量也可以提高整个系统的性能，从而可以防止费用和噪音的增加以及系统体积的增加。

Description

燃料电池的压力损耗防止结构
技术领域
本发明涉及利用燃料电池得到电能的能量产生系统，尤其是关于在以硼化合物(BH4)为燃料的燃料电池系统中，可以减少反应当中因产生氢气而引起的压力损耗的燃料电池的压力损耗防止结构。
背景技术
人类使用的大部分能量来自石化燃料。但是，使用石化燃料会导致大气污染及酸雨、地球暖化等问题，对环境造成极其恶劣的影响，并且能量的使用效率也很低。
作为替代这种石化燃料使用的燃料电池与一般的电池(2次电池)不同，通过从外部给阴极(anode)提供燃料(氢气或碳化氢)和给阳极(cathode)提供氧气，使其以水的电解反应的逆反应进行电化学反应，从而产生电流和热量，实质上可以看作是发电装置。
按照电解质的类型对燃料电池进行分类：有在200℃附近工作的磷酸型燃料电池；在60～110℃范围内工作的碱性电解质型燃料电池；在常温～80℃范围内工作的高分子电解质燃料电池；在500～700℃范围的高温中工作的熔融碳酸盐电解质型燃料电池；以及在1000℃以上的高温环境下工作的固体氧化物燃料电池等。
上述的燃料电池如图1所示，包括：配备了燃料极和空气极，以便利用氢气和氧气的电化学反应来产生电能的燃料电池反应堆10；给所述燃料极提供含有氢的水溶液状态的四氢化硼BH4(实质上提供NaBH4)的燃料供应部20；将包含氧气的空气提供给所述空气极的空气供应部30；将燃料电池反应堆10产生的电能供应给负荷的电能输出部40构成。
燃料电池反应堆10如图2所示，是由多个单位原电池11(single cell)叠层形成，各个单位原电池包括：电解质膜12、隔着电解质膜12在两侧叠层形成的燃料极13和空气极14、在燃料极13和空气极14的外侧叠层的使燃料和空气各自与燃料极13和空气极14接触并循环的隔离板15，16、各自在两侧的隔离板15，16的外侧叠层的形成集电极的集电板17，18构成。
电解质膜12是可以通过H+的高分子材料的膜，例如在湿润的状态下具有导电性的高分子离子交换膜。
燃料极13和空气极14由支持体和在支持体的两侧面叠层的催化剂层构成，而其中的支持体由金属镍构成，催化剂层由利于氢气的氧化及氧气的还原反应的含氢合金构成。
隔离板15，16采用具有良好的导电性并耐腐蚀性较强的类似于石墨的导电物质，在燃料极13和空气极14接触的各个内侧面上分别形成了通过燃料的燃料通道Cf和通过空气的空气通道Co。而且，设置在单位原电池11之间的分离板15，16的一侧设置了燃料通道Cf，另一侧设置了空气通道Co而设置在燃料电池反应堆10两侧端部的隔离板15，16只是在内侧面上设置了燃料通道Cf或空气通道Co。并且，隔离板15，16的燃料通道Cf和空气通道Co如图3和图4所示，从其入口到出口由相同的个数和相同的宽度形成来回弯曲的形状。
集电板17，18是最终从燃料电池反应堆10得到电能的电极，通常采用铜材料。
图中15a及16a表示燃料及空气入口，15b及16b表示燃料及空气出口，15c及16c表示燃料侧及空气侧的导向凸起，15d及16d表示燃料侧及空气侧的通道凸起，15e及16e表示燃料侧及空气侧的通道槽，21表示燃料罐，22表示燃料供应管，23表示燃料泵，31表示空气供应管，32表示空气泵。
如上所述的以往的燃料电池反应堆以硼化合物作为燃料产生电能的过程如下：
供应到隔离板15，16的燃料通道Cf和空气通道Co的燃料和空气在通过各个燃料极(阴极，anode)和空气极(阳极，cathode)的过程中，燃料中的氢气和氧气进行电化学反应，在生成水的同时在两个电极之间产生电流。下面对其进行详细说明：在燃料极13发生 的电化学氧化反应，这时电解质膜12传递氧化/还原反应中产生的离子，而在空气极14上产生 的空气(氧气)的电化学还原反应。所以在燃料极13和空气极14之间产生电流，而产生的电流通过设置在多个单位原电池11叠层的燃料电池反应堆10两端的集电板17，18供应到负荷中。
但是，如上所述的以往的燃料电池反应堆中，随着反应的进行，在燃料极侧发生 的副反应，致使燃料(NaBH4水溶液)中产生氢气，所以越接近隔离板15，16的出口，氢气的单位面积的密度就越大，而以往隔离板15，16的燃料通道和空气通道如图2所示，将入口侧的通道和出口侧的通道设计成了具有相同的断面面积和相同个数的结构形式，因此越接近出口氢气引起的的燃料压降越大，需要增大燃料泵23的容量，最终导致生产成本的增加和产品的体积增大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可以防止燃料燃烧过程中产生的氢气引起的燃料通道压力下降和由此引起的压力损耗的燃料电池的压力损耗防止结构。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种燃料电池的压力损耗防止装置，燃料电池的隔离板位于中间隔着电解质膜叠层的燃料极和空气极的外面，并在燃料极和空气极的相对面上分别设置了燃料通道和空气通道，以使燃料和空气单独循环，将燃气通道设计成从入口侧到出口侧面积逐渐加宽的结构。
可以从入口侧到出口侧逐渐增加燃料通道个数。
可以从入口侧到出口侧各个燃料通道的面积都相同。
可以从入口侧到出口侧逐渐增加燃料通道的断面面积。
一种燃料电池的压力损耗防止装置，燃料电池的隔离板位于中间隔着电解质膜叠层的燃料极和空气极的外面，并在与燃料极和空气极的相对面上设置了在平面结构上具备了Z字型结构的垂直通道和水平通道的燃料通道和空气通道，以使燃料和空气相互单独循环，从垂直通道或水平通道的入口处到出口处逐渐增加燃料通道的个数。
从入口到出口，燃料通道的垂直通道或水面通道断面面积相同。
从入口到出口，燃料通道的垂直通道或水面通道断面面积逐渐增加。
将燃料通道的垂直通道和水面通道的断面面积设计成不同大小。
一种燃料电池的压力损耗防止装置，燃料电池的隔离板位于中间隔着高分子电解质膜叠层的燃料极和空气极的外面，在给燃料极提供水溶液状态的四氢化硼BH4的同时给空气极提供空气，并设置了可以使燃料和空气单独循环的燃料通道和空气通道，从燃料通道的入口侧到出口侧面积逐渐加宽的结构。
可以从入口到出口逐渐增加燃料通道的数量。
可以从入口到出口各个燃料通道的断面面积都相同。
可以从入口到出口逐渐增加各个燃料通道的断面面积。
本发明设计的燃料电池的压力损耗防止结构从入口到出口逐渐增加了燃料通道的个数，由此逐渐增加了通道面积，从而预防了在反应进行过程中所产生的氢气引起的通道堵塞，减少了燃料的压力损耗，提高了燃料电池的性能。而且，在不增加燃料泵的容量的情况下提高了整个系统的效率，从而可以减少成本，降低噪音并防止了系统体积的过大。
附图说明
图1是以往的燃料电池的系统图。
图2是以往的燃料电池中燃料电池反应堆的纵断面图。
图3及图4是以往的燃料电池反应堆隔离板的立体图及平面图。
图5及图6是本发明设计的燃料电池反应堆隔离板的立体图及平面图。
图7是本发明设计的燃料电池隔离板另一实例的平面图。
图8是将本发明设计的隔离板的压力降与以往进行比较的曲线图。
图中，100：隔离板；110：板体；120：围框部；121：通道入口；122：通道出口；130：截断部；131：连接通道；140：通道部；141：引导凸起；142：引导槽；150：分配部；Cf：燃料通道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的燃料电池的压力损耗防止结构作进一步的详细说明：
由图5、6所示，本发明设计的燃料电池的隔离板100位于中间隔着高分子离子交换膜叠层的燃料极和空气极的外面，并在与燃料极和空气极相接的面上各设置了燃料通道Cf和空气通道(图中未示)，而接近出口侧燃料通道Cf的数量逐渐增加。
隔离板100的板体110如前所述，最好是使用导电性良好且耐腐蚀性较强的类似于石墨的导电物质。燃料通道Cf和空气通道(图中未示)的入口和出口可以采用各种形式的结构，在本实施例中，燃料通道Cf从入口到出口形成‘Z’字型的结构。
燃料通道Cf凸出于隔离板板体110的外围，包括：具备了入口121和出口122的围框部120、以‘Z’字形连接在围框部120上并在横向上凸出的截断部130、凸出于截断部130之间并形成‘围堤’的通道部140、在通道部140的两端形成互通结构的分配燃料的分配部150。
围框部120的入口121和出口122可以采用各种形状，但大致上设计成相同的断面积。如果考虑到通道内的压力，可以增大出口的断面面积。
截断部130若考虑燃料的泄漏，应将首端面的高度设置成与围框部120首端面相同的高度。而且，当截断部130左侧端连接在围框部120时，其右侧端和围框部120之间相隔连接通道131；同时其前端和后端的形状相反，由此在整体上形成‘Z’字形结构。
如图6所示，为了逐渐增加所述截断部130的通道部140的导向凸起141的个数，应从入口到出口应逐渐增加间距L1，L2。
通道部140与围框部120及截断部130相同，应使用统一首端面，从入口侧到出口侧逐渐增加个数，保证并使各个通道140之间的间距相同。而且，在通道部140之间凹进形成‘沟’的导向槽142采用相同的深度，使整个通道的断面面积都相同。
分配部150在通道部140两端的纵方向上凹进，其断面面积宽于通道部140导向槽的断面面积，且从入口到出口的断面面积都相同。
如上所述的本发明设计的燃料电池的隔离板具有如下的作用：
给燃料极提供包含氢元素的四氢化硼钠(NaBH4)的同时，给空气极提供包含氧气的空气，以使它们与电解质膜反应生成离子。离子进行电化学反应生成水的同时，电离子从燃料极移动至空气极产生电流。
下面，对其进行详细的说明：
在燃料极发生 的电化学氧化反应，这时电解质膜传递氧化/还原反应中产生的离子，而在空气极上产生 的空气(氧气)的电化学还原反应。
所以在燃料极和空气极之间产生电流，而这些电流通过设置在多个单位原电池叠层的燃料电池反应堆两端的集电板供应到负荷中。
随着反应的进行，在燃料极侧发生 的副反应，致使燃料(NaBH4水溶液)中产生氢气，导致燃料通道Cf内越接近出口单位面积密度就越大。而在本发明设计的隔离板从入口侧121到出口侧122逐渐增加了燃料通道Cf的通道部140个数，并在整体上使出口侧的面积大于入口侧，由此可以减小反应中产生的氢气引起的燃料流动阻力，并如图8所示可以较大的降低压力损耗。
本发明的另一个实施例如下：
在前述的实施例中，为了从入口121侧到出口122侧逐渐增加燃料通道Cf的断面面积而逐渐增加了通道部140的个数。根据情况，如图7所示，可以减少通道部240的导向凸起241的个数或在导向凸起241数量不变的情况下，可以逐渐扩大各个通道部240的导向槽242的断面面积。在这里，在减少通道部240的导向凸起241个数时，可以将各个切断部230的间距维持相同的宽度；而在不改变通道部240的导向凸起241个数时各个切断部的间距要逐渐加大。
同时，如图7所示也可以逐渐增加分配部250的间距L4，L5。这时，可以将各个通道部240的导向凸起241的宽度设计成相同的宽度或接近出口逐渐增加宽度，也可以保持各个截断部230的间距或接近出口逐渐扩大间距。
在每一个实施例中都是采用了在整体上相对于入口增加出口侧断面面积的方法，防止了反应中产生的氢气引起的燃料的压力损耗，并由此提高了燃料电池的性能。
本发明不会局限于上述的例子，在本技术指导思想的指导下可以进行各种变化。

Claims (12)

1、一种燃料电池的压力损耗防止装置，燃料电池的隔离板位于中间隔着电解质膜叠层的燃料极和空气极的外面，并在燃料极和空气极的相对面上分别设置了燃料通道和空气通道，以使燃料和空气单独循环，其特征是将燃气通道设计成从入口侧到出口侧面积逐渐加宽的结构。
2、根据权利要求1所述的燃料电池的压力损耗防止装置，其特征是从入口侧到出口侧逐渐增加燃料通道个数。
3、根据权利要求2所述的燃料电池的压力损耗防止装置，其特征是从入口侧到出口侧各个燃料通道的面积都相同。
4、根据权利要求1或2所述的燃料电池的压力损耗防止装置，其特征是从入口侧到出口侧逐渐增加燃料通道的断面面积。
5、一种燃料电池的压力损耗防止装置，燃料电池的隔离板位于中间隔着电解质膜叠层的燃料极和空气极的外面，并在与燃料极和空气极的相对面上设置了在平面结构上具备了Z字型结构的垂直通道和水平通道的燃料通道和空气通道，以使燃料和空气相互单独循环，其特征是从垂直通道或水平通道的入口处到出口处逐渐增加燃料通道的个数。
6、根据权利要求5所述的燃料电池的压力损耗防止装置，其特征是从入口到出口，燃料通道的垂直通道或水面通道断面面积相同。
7、根据权利要求5所述的燃料电池的压力损耗防止装置，其特征是从入口到出口，燃料通道的垂直通道或水面通道断面面积逐渐增加。
8、根据权利要求6或7所述的燃料电池的压力损耗防止装置，其特征是将燃料通道的垂直通道和水面通道的断面面积设计成不同大小。
9、一种燃料电池的压力损耗防止装置，燃料电池的隔离板位于中间隔着高分子电解质膜叠层的燃料极和空气极的外面，在给燃料极提供水溶液状态的四氢化硼BH4的同时给空气极提供空气，并设置了可以使燃料和空气单独循环的燃料通道和空气通道，其特征是从燃料通道的入口侧到出口侧面积逐渐加宽的结构。
10、根据权利要求9所述的燃料电池的压力损耗防止装置，其特征是从入口到出口逐渐增加燃料通道的数量。
11、根据权利要求10所述的燃料电池的压力损耗防止装置，其特征是从入口到出口各个燃料通道的断面面积都相同。
12、根据权利要求10所述的燃料电池的压力损耗防止装置，其特征是从入口到出口逐渐增加各个燃料通道的断面面积。
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