CN1917266A - 一种燃料电池堆 - Google Patents
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Abstract
一种燃料电池堆包括端板，电流引流板，多个极板，多个膜电极，密封垫圈，螺栓和螺帽。其中，所述极板包括紧密贴合的阳极流场板和阴极流场板，并且，阴极流场板上的贯通孔的周围分别设置有密封垫圈，阳极流场板上的中心孔周围以及板的外圆周也分别设置有密封垫圈。本发明提供的燃料电池堆不仅实现了螺栓与燃料通道的分离，而且燃料电池阴阳极的反应物质能够分别均匀地扩散至电池阴阳极的任何一个部分，同时阴阳极流场上没有“死区”部分，使得反应生成物和非反应物都能够及时排除。并且本发明还具有构造简单，适应面广，且通过改变其尺寸和形状就可以满足不同设备要求的优点。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池堆。
背景技术
燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，它具有效率高，污染少和噪声低等特点。燃料电池可以只是一个单体燃料电池，也可以是由多个单体燃料电池构成的燃料电池组。
单体燃料电池一般包括质子交换膜1、阳极2、阴极3和导流极板4，如图1所示。
质子交换膜1是一种透水不透气的半透膜，它具有质子传导作用，还可以防止氧化剂和燃料发生混合爆炸。
阳极2是一种气体扩散电极，其支撑材料一般由导电的炭纤维或碳布组成。在阳极2和质子交换膜1之间为催化阳极反应的催化剂。该阳极催化剂一般为铂粉末、含铂的合金粉末、负载在载体上的铂或负载在载体上的含铂的合金粉末。所述含铂的合金含有铂和选自钌、锡、铱、锇、铼中的一种或几种。所述载体为具有较高的比表面且导电的载体，如活性炭。
阴极3也是一种气体扩散电极，其构成与阳极结构相同，差别在于阴极3与质子交换膜1之间的催化剂为催化阴极反应的催化剂。该阴极催化剂一般为铂粉末、负载在载体上的铂粉末。
阳极2和阴极3的外侧为导流极板4，导流极板4可以由石墨材料或金属材料制成。
在燃料电池中，一般用空气或氧气作为氧化剂，氢气或者甲醇、乙醇等用作燃料。例如，以甲醇为燃料，空气作为氧化剂，燃料电池在进行电化学反应时发生如下反应：
阳极 (1)
阴极 ， (2)
阳极和阴极导致如下的总反应发生：
阳极2和阴极3的上述电化学反应使阳极2和阴极3之间产生电位差，阳极2生成的电子通过阳极2外层的导流极板4和外部导电体，最后被阴极3捕获。阳极2生成的质子则透过质子交换膜1直接传递给阴极3，这样就形成了电流。单体燃料电池正常工作时的电压在0.3V～1.0V之间，为了获得更高的电压和功率，在实际应用中经常将上述的单体燃料电池串联起来组成电池堆的形式。
现有的燃料电池堆如专利CN1374714A中所公开的，包括端板5，多个单元电池6，设置在单元电池6中心的燃料分配总管7，穿过所述燃料分配总管7的螺栓8，以及螺母9。其中，所述单元电池6包括电解质膜片10、分别位于所述电解质膜片10两侧的氧电极11和燃料电极12、位于氧电极11外侧的流场板13、以及分别位于所述流场板13和燃料电极12外侧的分隔板14，如图2所示。
该燃料电池堆中的燃料分配总管7附着在螺栓8上，因此当燃料为有机燃料时，长时间的使用会导致螺栓8的腐蚀和燃料的污染，而且对于燃料的密封也有较高的要求。
同时，其阴极流场为封闭流场，在流场内部有“死区”(即“dead-end”部分)，不利于氧化剂的扩散和产物水的排出。如果氧化剂使用空气，则在流场内部的“死区”部分还会造成氮气的富集。并且，其阳极流场同样为封闭流场，在流场内部也会形成“死区”，且燃料的进出管道为同一个管道，没有动力能够使燃料扩散到燃料电池的阳极表面。而且阳极流场的“死区”部分不能及时将从阴极反渗透过来的水排除，从而会造成水的富集。如果燃料使用甲醇等有机燃料，则在阳极生成的产物CO2同样会在流场的“死区”部分富集。这些都会造成电池反应面积的减小和电池性能的降低。
发明内容
本发明针对现有技术的燃料电池堆中的螺栓容易被腐蚀，燃料易受污染，阴阳极流场内有“死区”部分的缺点，提供了一种螺栓不会被腐蚀，燃料不易被污染，阴阳极流场内无“死区”部分，且结构简单，装配紧凑的燃料电池堆。
本发明提供的燃料电池堆包括端板15和16，电流引流板17和18，多个极板19，多个膜电极20，密封垫圈21，螺栓22和螺帽23。其中，所述端板15和16、电流引流板17和18、极板19以及膜电极20上分别形成有中心孔38。所述端板16上有连接口28和29。所述极板19上有与连接口28和29对应的贯通孔26和27。所述电流引流板18和膜电极20上分别有与所述端板16上的连接口28和29以及所述极板19上的贯通孔26和27相对应的孔。所述螺帽23上有开孔30。并且，所述极板19包括紧密贴合的阳极流场板19’和阴极流场板19”，阴极流场板19”上的贯通孔26、27的周围分别设置有密封垫圈21，阳极流场板19’上的中心孔38周围以及板的外圆周也分别设置有密封垫圈21。
本发明提供的燃料电池堆不仅实现了螺栓与燃料通道的分离，使燃料在不接触螺栓的情况下在电池内部密封传递，从而不会腐蚀螺栓、污染燃料。同时将燃料的进出管道分开，使得在电池阳极表面形成燃料扩散的浓度梯度，以利于燃料扩散。而且本发明通过采用具有发散式和跑道式导流槽的流场板，使得燃料电池阴阳极的反应物质能够分别均匀地扩散至电池阴阳极的任何一个部分，由于在阴阳极流场上没有“死区”部分，使得反应生成物和非反应物都能够及时地排除，而不会富集在流场的某个区域中。另外本发明提供的燃料电池堆还具有构造简单灵活易于实现，体积功率密度高，适应面广，价格便宜等优点，且通过改变其尺寸和形状就可以满足不同的设备要求。
附图说明
图1为单体燃料电池电极结构示意图；
图2为专利CN1374714A中所公开的燃料电池堆的结构示意图；
图3为本发明的燃料电池堆的结构示意图；
图4为本发明的阳极流场板的示意图；
图5为本发明的阴极流场板的示意图；
图6为本发明的阴极流场板的示意图；
图7为本发明的阴极流场板的示意图；
图8为本发明的燃料电池堆的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的说明。
如图3所示，本发明提供的燃料电池堆包括端板15和16、电流引流板17和18、多个极板19、多个膜电极20、密封垫圈21、螺栓22和螺帽23，并且所述极板19包括紧密贴合的阳极流场板19’和阴极流场板19”。
其中，所述端板15和16、电流引流板17和18、阳极流场板19’、阴极流场板19”以及膜电极20的形状可以是各种形状，如圆形、椭圆形或多边形，优选为圆形、椭圆形或矩形。这些板的中心分别形成有相互对应的直径大于所述螺栓22直径的中心孔38，所述中心孔38的形状与螺栓22的形状相适应，可以是各种形状，如圆形、椭圆形或多边形，优选为圆形、六边形或方形。
所述端板15和16可以采用铝、不锈钢、钛或工程塑料等材料制成，且所述端板16上有连接口28和29，其中连接口28为燃料的进口，连接口29为燃料的出口。
所述阳极流场板19’和阴极流场板19”可以采用石墨或金属材料，如钛、不锈钢、金、银或铜等导电性能良好的材料制成，且所述阳极流场板19’和阴极流场板19”上有与所述端板16上的连接口28和29相对应的贯通孔26和27。
其中，阴极流场板19”上的贯通孔26和27周围分别设置有密封垫圈21，以防止燃料向氧化气极泄漏。阴极流场板19”的与阳极流场板19’贴合的一面为光滑表面，而另一面形成有以直线或蛇形弯曲形式从中心孔38向四周发散的导流槽，作为氧化气扩散流道面。其中阴极流场板19”上所有导流槽的槽底面积之和与整个阴极流场板的面积之比在1/3-4/5之间，阴极流场板19”上导流槽的深度与阴极流场板的厚度之比在1/5-1/2之间。
阳极流场板19’上的中心孔38周围以及板的外圆周也分别设置有密封垫圈21，用来对燃料进行隔绝，以防止燃料扩散到阴极与氧化气直接反应。阳极流场板19’的与阴极流场板19”贴合的一面为光滑表面，而另一面形成有呈圆形或不规则蛇形跑道形状的导流槽，作为燃料扩散流道面，如图4所示。
密封垫圈21可以采用各种弹性材料，例如，可以选自渗透性熔胶塑料、橡胶、树脂、聚氨酯、聚酯、聚酰亚胺、泡沫材料中的一种或几种。
所述电流引流板17和18可以采用铜、不锈钢、钛、银、金或石墨等材料制成，用于引出电流并向外界输送电能。所述膜电极20由阴极扩散层、阳极扩散层、负载在扩散层上的催化层和质子交换膜构成，其组成、结构和各部件的材料为本领域技术人员所公知。且所述电流引流板18和膜电极20上也分别有与所述端板16上的连接口28和29以及所述阳极流场板19’和阴极流场板19”上的贯通孔26和27相对应的孔，这些互相贯通的孔可以是各种形状，如圆形、椭圆形或多边形，优选为圆形、六边形或方形，它们共同组成了供燃料传递的主通道35和36。
所述螺栓22用于顺序穿过所述端板15和16、电流引流板17和18、阳极流场板19’、阴极流场板19”以及膜电极20上的中心孔38，并利用螺帽23对燃料电池堆进行紧固。所述螺帽23上有开孔30，用来为燃料电池堆提供氧化气体扩散的通道，该开孔30的尺寸与燃料电池堆的结构相适应，其大小至少能够保证足够的氧化气进出。所述螺栓22和螺帽23的尺寸与相应的燃料电池堆的结构相适应，其粗细至少能够保证对电池堆进行紧固。
按照本发明一个具体的实施方式，所述端板15、16，电流引流板17、18，阳极流场板19’，阴极流场板19”以及膜电极20均为圆形。此时，阴极流场板19”的与阳极流场板19’贴合的一面为光滑表面，而另一面形成有以直线或蛇形弯曲形式从中心孔38向四周发散的导流槽，如图5所示。其中，阴极流场板19”上所有导流槽的槽底面积之和与整个阴极流场板的面积之比为1/3，阴极流场板19”上导流槽的深度与阴极流场板的厚度之比为1/4。
按照本发明一个具体的实施方式，所述端板15、16，电流引流板17、18，阳极流场板19’，阴极流场板19”以及膜电极20均为矩形。此时，阴极流场板19”的与阳极流场板19’贴合的一面为光滑表面，而另一面形成有以直线或蛇形弯曲形式从中心孔38向四周发散的导流槽，如图6所示。其中，贯通孔26和27分布在矩形流场板的对角线上，且阴极流场板19”上所有导流槽的槽底面积之和与整个阴极流场板的面积之比为3/5，阴极流场板19”上导流槽的深度与阴极流场板的厚度之比为1/2。
按照本发明一个具体的实施方式，所述端板15、16，电流引流板17、18，阳极流场板19’，阴极流场板19”以及膜电极20均为椭圆形。此时，阴极流场板19”的与阳极流场板19’贴合的一面为光滑表面，而另一面形成有以直线或蛇形弯曲形式从中心孔38向四周发散的导流槽，如图7所示。其中，贯通孔26和27分布在椭圆形流场板的长轴上，且阴极流场板19”上所有导流槽的槽底面积之和与整个阴极流场板的面积之比为1/2，阴极流场板19”上导流槽的深度与阴极流场板的厚度之比为1/3。
作为氧化气体，如空气或氧气可以通过自然对流进入燃料电池的内部，并向阴极流场板19”的表面，即各个单元燃料电池的阴极侧扩散，再经阴极侧以直线或蛇形弯曲形式从中心向四周发散的导流槽扩散到流道面的每一个部分，以与阳极流场板19’的表面，即阳极侧的燃料发生电化学反应。由于所述流道为贯通孔，因此能够使氧化气扩散至任意区域，以及时补充燃料电池反应所需的新鲜氧化气，并将反应的产物以及未反应物带出燃料电池流道，从而不会发生流道堵水以及氮气富集现象。
而燃料由连接口28经主通道35进入燃料电池的内部，由于将燃料的进出管道分开，因此在电池阳极表面形成燃料扩散的浓度梯度，有利于燃料向阳极流场板19’的表面，即各个单元燃料电池的阳极侧扩散，再经阳极侧上圆形或不规则蛇形跑道形状的导流槽扩散到流道面的每一个部分，与阴极侧的氧化剂发生电化学反应，反应后的燃料汇总到主通道36，最后从端板16上的连接口29流出燃料电池堆。在此过程中，由于在流场上没有“死区”部分，因此不会造成反应产物CO2在流道上富集。
本发明所提供的燃料电池的装配可以通过以下过程实现：首先将螺帽23和螺栓22固定，然后将端板15、电流引流板17、若干个阳极流场板19’和阴极流场板19”、若干个膜电极20、电流引流板18以及端板16顺序串联在螺栓22上，其中阳极流场板19’和阴极流场板19”的光滑表面相互贴合。在此过程中，必须注意保证若干个阳极流场板19’和阴极流场板19”、若干个膜电极20以及电流引流板18上的贯通孔分别与端板16上的连接口28和29相对应并且相互贯通。最后拧紧螺帽23，完成装配。
图8为本发明另一实施方式的燃料电池堆的结构示意图。在此实施方式中，氧化剂不采用氧化气对流的形式，而使用风机37供气。风机37安装在一个螺帽23的外侧，同时，与风机37相对的另一个螺帽23上形成或不形成开孔30。本实施方式的其它方面与图3中所示的实施方式相同，因此本发明提供的燃料电池堆还可以包括安装在螺帽23的外侧的风机37。
Claims (8)
1.一种燃料电池堆，其特征在于，该燃料电池堆包括端板(15，16)，电流引流板(17，18)，多个极板(19)，多个膜电极(20)，密封垫圈(21)，螺栓(22)和螺帽(23)，其中，所述端板(15，16)、电流引流板(17，18)、极板(19)以及膜电极(20)上分别有中心孔(38)；所述端板(16)上有连接口(28，29)；所述极板(19)上有与连接口(28，29)相对应的贯通孔(26，27)；所述电流引流板(18)和膜电极(20)上分别有与所述端板(16)上的连接口(28，29)以及所述极板(19)上的贯通孔(26，27)相对应的孔；所述螺帽(23)上有开孔(30)；所述极板(19)包括紧密贴合的阳极流场板(19’)和阴极流场板(19”)，并且，阴极流场板(19”)上的贯通孔(26、27)的周围分别设置有密封垫圈(21)，阳极流场板(19’)上的中心孔(38)周围以及板的外圆周也分别设置有密封垫圈(21)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述端板(15，16)，电流引流板(17，18)，阳极流场板(19’)，阴极流场板(19”)以及膜电极(20)为圆形、矩形或椭圆形。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池堆，其中，所述阳极流场板(19’)的与阴极流场板(19”)贴合的一面为光滑表面，而另一面形成有呈圆形或不规则蛇形跑道形状的导流槽。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池堆，其中，所述阴极流场板(19”)的与阳极流场板(19’)贴合的一面为光滑表面，而另一面形成有以直线或蛇形弯曲形式从中心孔(38)向四周发散的导流槽。
5.根据权利要求4所述的燃料电池堆，其中，所述阴极流场板(19”)上所有导流槽的槽底面积之和与整个阴极流场板的面积之比在1/3-4/5之间。
6.根据权利要求4所述的燃料电池堆，其中，所述阴极流场板(19”)上导流槽的深度与阴极流场板的厚度之比在1/5-1/2之间。
7.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述端板(15，16)、电流引流板(17，18)、阳极流场板(19’)、阴极流场板(19”)以及膜电极(20)上的中心孔(38)的直径大于螺栓(22)的直径。
8.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述燃料电池堆还包括安装在螺帽(23)外侧的风机(37)，与所述风机(37)相对的另一个螺帽(23)上形成或不形成开孔(30)。
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