CN2879439Y - 空冷型燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种空冷型燃料电池堆，在由一组电池单体层叠组成的单体电池组两侧依次设置电流集电器、气体集流板和压紧端板，电池单体内的双极板表面上设有空气导流槽，其内部设有冷却流道，在一侧的压紧端板上部设有与双极板上的空气导流槽相通的空气入口，在另一侧的压紧端板下部设有空气出口。通过将双极板的空气入口设置在出口的上方，使空气流向与液态水流向相同而更易将水带出燃料电池堆；此外，将冷却流道的入口设在双极板的上端，出口设在双极板的下端，并在单体电池组的上端或下端设有使气流自上而下流动的冷却风机或冷却风扇，既能保证质子交换膜的湿度，又能保证产生的冷凝水不会堵塞空气导流槽。

Description

空冷型燃料电池堆

一、技术领域

本实用新型涉及一种燃料电池，具体的说是一种空冷型燃料电池堆。

二、背景技术

燃料电池堆是一种通过氢燃料和氧化剂的电化学反应产生电能的装置。该装置的核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，由两张多孔性的气体扩散层和夹在中间的一片质子交换膜组成。在质子交换膜与气体扩散层(如碳纸)的界面上附着有电化学催化剂。

燃料电池堆的另一重要部件是双极板。双极板的两侧表面都至少含有一条气体导流槽，其中一侧是燃料气体(氢气)导流槽，另一侧是氧化剂气体(空气)导流槽，两者为参加电极反应的气体提供了到达膜电极的通道，在反应中产生的反应产物(如水)通过气体导流槽排出电堆。双极板的内部至少含有一条冷却流道，冷却介质(如空气或水)流经双极板中的冷却流道，将反应中产生的热量带出电堆。双极板由导电材料经过模压、冲压或机械雕刻而成，为电子的流动提供了通道。双极板具有一定的强度，为膜电极提供支撑，并具有一定的气密性，通过双极板、膜电极以及双极板与膜电极之间的密封材料把参加反应的燃料和氧化剂分开。

当氢气由燃料电池堆的氢气入口进入双极板的氢气导流槽后，透过多孔性的气体扩散层到达催化剂的表面。在催化剂的作用下，氢气发生电化学反应，氢原子失去电子成为正离子(质子)。电子通过多孔性的气体扩散层和双极板到达用电器，再通过双极板及多孔性的气体扩散层到达膜电极另一侧的催化剂表面。在催化剂的作用下，电子与透过多孔性的气体扩散层到达催化剂表面的氧化剂和通过质子交换膜到达催化剂表面的质子发生电化学反应，生成反应产物(如水)。在氢燃料电池中发生的电化学反应可用以下的反应方程式来表示：

阳极反应：

阴极反应：

反应产物—水在阴极一侧的催化剂表面生成后，与空气中没有参加反应的氮气和部分没有参加反应的氧气形成高湿高温水汽混合物，高湿高温水汽混合物透过气体扩散层后进入气体导流槽。接触到温度较低的双极板后，高温高湿水汽混合物中的部分水汽冷凝成为液态水。如果大量的液态水滞留在某个双极板的气体导流槽中，会堵塞气体导流槽，导致参加反应的空气流量减少，甚至完全没有空气流量。其结果是该双极板对应的单电池的电压要低于燃料电池堆中其它单电池的电压，严重时还会出现反极现象。

对于双极板的空气入口不高于空气出口的燃料电池堆，反应中产生的水分很容易聚集在空气导流槽中，且很难被反应气体-空气带出燃料电池堆，造成空气导流槽堵塞，影响膜电极的反应性能。

空冷型燃料电池堆的冷却方式对燃料电池堆的平稳运行也至关重要。为了保证膜电极中的质子交换膜具有最佳的质子传递能力，空气在进入燃料电池堆前要被湿化。为了提高燃料电池的整体效率，对空气湿化器的温度要求不能太高，否则会消耗大量能量。一般情况下，进入燃料电池堆的空气温度稍低于燃料电池堆的温度。对于空气入口高于空气出口的空冷型燃料电池堆来说，如果冷却空气在双极板冷却流道中的流动方向是自下而上，那么燃料电池堆的上部温度则高于下部温度。在燃料电池堆的上部，温度较低的湿化空气遇到温度较高的膜电极后，温度升高，相对湿度则降低。相对湿度低的空气会带走质子交换膜中的水分，导致质子交换膜的质子传递能力降低。空气在双极板空气导流槽的流动过程中，不断吸附反应中产生的水分。当空气中的水分达到饱和状态后，液态水开始形成，并与饱和空气形成水汽混合物。温度较高的水汽混合物到达温度较低的燃料电池堆的下部后，空气温度降低，冷凝水增加，大量的冷凝水很容易堵塞空气导流槽。

三、发明内容

1、发明目的：本实用新型的目的是提供一种既能保证质子交换膜的湿度，又能保证产生的冷凝水不会堵塞空气导流槽的空冷型燃料电池堆。

2、技术方案：本实用新型所述的一种空冷型燃料电池堆，它包括由一组电池单体层叠组成的单体电池组、电流集电器、气体集流板及压紧端板，在单体电池组两侧依次设有电流集电器、气体集流板和压紧端板，所述电池单体包括膜电极以及设置在膜电极两侧的双极板，在双极板表面上设有空气导流槽，在其内部设有冷却流道，在一侧的压紧端板上设有与双极板上的空气导流槽相通的空气入口，在另一侧的压紧端板上设有空气出口，其特征是：空气入口设在压紧端板的上部，空气出口设在压紧端板的下部。

将空气入口设置在出口的上方，这样空气由高处的入口流入双极板表面的空气导流槽并由低处的出口流出，其流向与反应中产生的水分在自重影响下流动的方向相同，从而很容易地将水份带出燃料电池堆，保证了燃料电池堆的平稳运行。

将冷却流道的入口设在双极板的上端，出口设在双极板的下端，在单体电池组的上端设有使气流自上而下流动的冷却风机或冷却风扇。这样冷却空气自上而下通过双极板的冷却流道，使得燃料电池堆上部的温度低于下部的温度。在燃料电池堆的上部，湿化空气温度与燃料电池堆上部的温度相近，湿化空气的湿度可保证质子交换膜具有良好的质子传递能力。空气在双极板空气导流槽中的流动过程中，温度不断上升，其吸附水分的能力不断增强，正好可以吸附反应中产生的水分。这样，从氧化剂—空气进入燃料电池堆到离开燃料电池堆，既能保证质子交换膜的湿度，又能保证产生的冷凝水不会堵塞空气导流槽，从而保证了燃料电池堆的平稳运行。

3、有益效果：本实用新型具有以下优点：1)通过将双极板的空气入口设置在出口的上方，使空气导流槽中的液态水在自身重力的作用下被空气气流带出燃料电池堆，从而保证燃料电池堆的平稳运行；2)冷却流道的入口在双极板的上端，出口在双极板的下端，在单体电池组的上端设有使气流自上而下流动的冷却风机或冷却风扇。这样冷却空气自上而下通过双极板的冷却流道，使得燃料电池堆上部的温度低于下部的温度，既能保证质子交换膜的湿度，又能保证产生的冷凝水不会堵塞空气导流槽。

四、附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是双极板上具有空气导流槽的一侧；

图3是双极板上冷却空气流道截面图。

五、具体实施方式

下面通过附图对本实用新型作进一步说明：

如图1所示，本实用新型所述的一种空冷型燃料电池堆，它包括由一组电池单体层叠组成的单体电池组1、电流集电器2、气体集流板3及压紧端板4，5，在单体电池组1两侧依次设有电流集电器2、气体集流板3和压紧端板4，5；所述电池单体包括膜电极6以及设置在膜电极6两侧的双极板7，如图2在双极板7表面上设有空气导流槽8，如图3在双极板7内部设有冷却流道9，在一侧的压紧端板4上设有与双极板7上的空气导流槽8相通的空气入口10，在另一侧的压紧端板5上设有空气出口11，其中空气入口10设在压紧端板4的上部，空气出口11设在压紧端板5的下部。冷却流道9的入口12在双极板7的上端，出口13在双极板7的下端，在单体电池组1的下端设有使气流自上而下流动的冷却风机14。

Claims (3)

1、一种空冷型燃料电池堆，它包括由一组电池单体层叠组成的单体电池组(1)、电流集电器(2)、气体集流板(3)及压紧端板(4，5)，在单体电池组(1)两侧依次设有电流集电器(2)、气体集流板(3)和压紧端板(4，5)；所述电池单体包括膜电极(6)以及设置在膜电极(6)两侧的双极板(7)，在双极板(7)表面上设有空气导流槽(8)，其内部设有冷却流道(9)，在一侧的压紧端板(4)上设有与双极板(7)上的空气导流槽(8)相通的空气入口(10)，在另一侧的压紧端板(5)上设有空气出口(11)，其特征是，空气入口(10)设在压紧端板(4)的上部，空气出口(11)设在压紧端板(5)的下部。

2、根据权利要求1所述的一种空冷型燃料电池堆，其特征是：冷却流道(9)的入口(12)设在双极板(7)的上端，出口(13)设在双极板(7)的下端。

3、根据权利要求1所述的一种空冷型燃料电池堆，其特征是：在单体电池组(1)的上端或下端设有使气流自上而下流动的冷却风机或冷却风扇(14)。

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