CN100392909C - 串联供气的质子交换膜燃料电池组及其供气方法 - Google Patents

串联供气的质子交换膜燃料电池组及其供气方法 Download PDF

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Abstract

串联供气的质子交换膜燃料电池组及其供气方法，它涉及燃料电池组。解决了并联供气电流密度和水的分布不均匀、易造成水阻塞和发电效率低的问题。它由气体流通管路和至少两个单体电池组成，相邻两个单体电池之间呈阶梯状串联连接，流通管路分别连通在相邻的两个单体电池的阳极与阳极，阴极与阴极之间，相邻两个单体电池的阳极与阴极由双极板实现串联电联接。方法：一、从气源输出的气体分别经阳极、阴极进气阀至单体电池；二、阴极、阳极反应气体分别经单体电池和气体流通管路逐级串联供气；三、再分别由终端的单体电池的阳极和阴极末端出气管排出。本发明的气体串联供气电流密度和水的分布均匀，气体被生成的水加湿带走一部分，不会发生水阻塞，发电效率高。

Description

串联供气的质子交换膜燃料电池组及其供气方法
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池组。
背景技术
燃料电池将是本世纪最理想的能量转换装置之一，它是一种将燃料的化学能直接转换成电能的电化学转换装置，燃料电池除了在发电时无污染、无噪音、无腐蚀的优点外，尤其是它还具有发电效率高、使用寿命长等优点，因此在航天、交通工具、移动电源等各领域均具有广泛的应用前景。现有质子交换膜燃料电池采用并联供气结构，并联供气结构使电极表面的电流密度不均匀，从而导致水的分布不均匀，易造成单体电池水阻塞和散热效果差，导致电池堆的发电效率降低。
发明内容
本发明为了解决现有质子交换膜燃料电池并联供气结构存在的电极表面电流密度不均匀而导致水的分布不均匀、易造成水阻塞和散热效果差，导致电池堆发电效率降低的问题，提供了一种串联供气的质子交换膜燃料电池组及其供气方法，解决上述问题的具体技术方案如下：
本发明包含电池堆、双极板、阳极进气阀、阴极进气阀、阳极阀旁路管、阴极阀旁路管、阳极输气管路、阴极输气管路、阳极出气管路和阴极出气管路，它还包含有阳极反应气体流通管路和阴极反应气体流通管路，电池堆由至少两个单体电池组成，每两个相邻单体电池串联连接，相邻两个单体电池之间左右呈阶梯状、互相平行排列，所有单体电池的阳极、阴极都同向排列，每个阳极反应气体流通管路分别连通在相邻的两个单体电池的阳极与阳极之间，每个阴极反应气体流通管路分别连通在相邻的两个单体电池的阴极与阴极之间，相邻两个单体电池的阳极与阴极之间由双极板实现串联电联接，阳极进气阀经阳极阀旁路管与气源连通，阳极输气管路的一端与阳极进气阀的出气端连通，阳极输气管路的另一端与电池堆串联回路中首端的单体电池阳极的始端连通，阴极进气阀经阴极阀旁路管与气源连通，阴极输气管路时一端与阴极进气阀的出气端连通，阴极输气管路的另一端与电池堆串联回路中首端的单体电池阴极的始端连通，阳极出气管路的一端与电池堆串联回路中终端的单体电池的阳极末端连通，阴极出气管路的一端与电池堆串联回路中终端的单体电池的阴极末端连通。
本发明的供气方法：
一、从气源阳极旁路管输出的气体经阳极进气阀输入阳极输气管路的一端，然后输入到电池堆串联回路中首端的单体电池的阳极始端；从气源阴极旁路管输出的气体经阴极进气阀输入阴极输气管路的一端，然后输入到电池堆串联回路中首端的单体电池的阴极始端；
二、进入电池堆串联回路中首端单体电池的阳极反应气体从电池堆串联回路中首端单体电池阳极的末端输出，经阳极反应气体流通管路输入给电池堆串联回路中下一级单体电池阳极的始端，阳极反应气体经本级单体电池阳极的末端进入下一级阳极反应气体流通管路，按此方式经若干个单体电池和若干个阳极反应气体流通管路后气体进入电池堆串联回路中终端的单体电池阳极的始端，反应气体再经电池堆串联回路中终端的单体电池阳极的末端由阳极出气管路输出；进入电池堆串联回路中首端单体电池的阴极反应气体从电池堆串联回路中首端单体电池阴极的末端输出，进入阴极反应气体流通管路输入给串联回路中下一级单体电池阴极的始端，阴极反应气体经串联回路中本级单体电池阴极的末端进入串联回路中下一级阴极反应气体流通管路，按此方式阴极反应气体经若干个单体电池和若干个阴极反应气体流通管路后气体进入串联回路中终端的单体电池阴极的始端，气体再经串联回路中终端的单体电池阴极的末端由阴极出气管路输出；
本发明适用于航天、交通工具、移动电源等领域，质子交换膜燃料电池采用气体串联供气结构，一部分反应气在阴极催化剂表面与质子化合生成水，使燃料气体被生成的水加湿，增大了电池组的散热效果；气体串联供气在电极表面的电流密度均匀，使水的分布均匀，燃料气体被生成的水加湿后能被带走一部分，所以不会出现水阻塞的情况，提高了电池堆的发电效率。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图，图2是阴极、阳极采用相互逆向供气的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1描述本实施方式。本实施方式它由电池堆、双极板2、阳极进气阀10、阴极进气阀11、阳极阀旁路管15、阴极阀旁路管14、阳极输气管路6、阴极输气管路7、阳极出气管路8、阴极出气管路9、阳极反应气体流通管路4和阴极反应气体流通管路5组成，电池堆由至少两个单体电池3组成，每两个相邻单体电池3串联连接，相邻两个单体电池3之间左右呈阶梯状、互相平行排列，所有单体电池3的阳极、阴极都同向排列，每个阳极反应气体流通管路4分别连通在相邻的两个单体电池3的阳极与阳极之间，每个阴极反应气体流通管路5分别连通在相邻的两个单体电池的阴极与阴极之间，相邻两个单体电池3的阳极与阴极之间由双极板2实现串联电联接，阳极进气阀10经阳极阀旁路管15与气源连通，阳极输气管路6的一端与阳极进气阀10的出气端连通，阳极输气管路6的另一端与电池堆串联回路中首端的单体电池3阳极的始端连通；阴极进气阀11经阴极阀旁路管14与气源连通，阴极输气管路7的一端与阴极进气阀11的出气端连通，阴极输气管路7的另一端与电池堆串联回路中首端的单体电池3阴极的始端连通，阳极出气管路8的一端与电池堆串联回路中终端的单体电池3的阳极末端连通，阴极出气管路9的一端与电池堆串联回路中终端的单体电池3的阴极末端连通。
单体电池3的阳极在上、阴极在下。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于它还包含有阳极反应气体循环管路12、阴极反应气体循环管路13，阳极反应气体循环管路12的一端与阳极进气阀10的进气端连通，阳极反应气体循环管路12的另一端与阳极出气管路8的另一端连通，阴极反应气体循环管路13的一端与阴极进气阀11的进气端连通，阴极反应气体循环管路13的另一端与阴极出气管路9的另一端连通。
具体实施方式三：本实施方式的供气方法的步骤如下：
一、从气源阳极阀旁路管15输出的气体经阳极进气阀10输入阳极输气管路6的一端，然后输入到电池堆串联回路中首端的单体电池3的阳极始端；从气源阴极阀旁路管14输出的气体经阴极进气阀11输入阴极输气管路7的一端，然后输入到电池堆串联回路中首端的单体电池3的阴极始端；
二、进入电池堆串联回路中首端单体电池3的阳极反应气体从电池堆串联回路中首端单体电池3阳极的末端输出，经阳极反应气体流通管路4输入给电池堆串联回路中下一级单体电池3阳极的始端，阳极反应气体经本级单体电池3阳极的末端进入下一级阳极反应气体流通管路4，按此方式经若干个单体电池3和若干个阳极反应气体流通管路4后气体进入电池堆串联回路中终端的单体电池3阳极的始端，反应气体再经电池堆串联回路中终端的单体电池3阳极的末端由阳极出气管路8输出；进入电池堆串联回路中首端单体电池3的阴极反应气体从电池堆串联回路中首端单体电池3阴极的末端输出，然后进入阴极反应气体流通管路5输入给串联回路中下一级单体电池3阴极的始端，阴极反应气体经串联回路中本级单体电池3阴极的末端进入串联回路中下一级阴极反应气体流通管路5，按此方式阴极反应气体经若干个单体电池3和若干个阴极反应气体流通管路5后气体进入串联回路中终端的单体电池3阴极的始端，气体再经串联回路中终端的单体电池3阴极的末端由阴极出气管路9输出。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三的不同点在于它还包含有经串联回路中终端的单体电池3阳极末端相连的阳极出气管路8输出的阳极反应气体通过阳极反应气体循环管路12输入到阳极进气阀10，实现阳极气体的循环供气；经串联回路中终端的单体电池3阴极的末端相连的阴极出气管路9输出的阴极反应气体通过阴极反应气体循环管路13输入到阴极进气阀11，实现阴极气体的循环供气。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三的不同点在于步骤一的阴极反应气体采用大气作气源。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三的不同点在于步骤一、步骤二的阴极、阳极采用互相逆向的气体供给方式(如图2)。
具体实施方式七：本实施方式的阳极反应气体采用氢气，阴极反应气体采用氧气。
工作过程：
气体由阳极输气管路6进入首端的单体电池3的阳极始端，一部分反应气体在首端的单体电池3的阳极催化剂表面失去电子形成质子，剩余的反应气体经阳极反应气体流通管路4进入下一级单体电池3的阳极始端，一部分阳极反应气体在本级单体电池3的阳极催剂表面失去电子形成质子，余下反应气体通过阳极反应气体流通管路4逐级进入终端的单体电池3的阳极始端，一部分阳极反应气在终端的单体电池3的阳极催化剂表面失去电子形成质子，余下的反应气体从终端的单体电池3阳极末端的阳极出气管路8排出电池组***，或经阳极反应气体循环管路12返回阳极进气阀10的进气端循环使用。
气体由阴极输气管路7进入首端的单体电池3的阴极始端，一部分反应气体在首端的单体电池3的阴极催化剂表面与质子化合生成水，剩余的反应气体经阴极反应气体流通管路5进入下一级单体电池3的阴极，一部分阴极反应气体在本级单体电池3的阴极催化剂表面与质子化合生成水，余下反应气通过阴极反应气体流通管路5逐级进入终端的单体电池3的阴极始端，一部分阴极反应气在终端的单体电池3的阴极催化剂表面与质子化合生成水，余下的反应气体从终端的单体电池3阴极的末端输送至阴极出气管路9排出电池组***，或经阴极反应气体循环管路13返回阴极进气阀11的进气端循环使用。
反应气体串联供给结构使电极表面的电流密度均匀，从而使水的分布均匀，由于反应气体串行供给，反应气体运行通畅，而且反应气体被加湿后能带走部分水，因此解决了反应气体并联供给造成的电极表面的电流密度不均匀，使水的分布不均匀，会发生水阻塞和发电效率低的问题。

Claims (9)

1.串联供气的质子交换膜燃料电池组，它包含电池堆、双极板(2)、阳极进气阀(10)、阴极进气阀(11)、阳极阀旁路管(15)、阴极阀旁路管(14)、阳极输气管路(6)、阴极输气管路(7)、阳极出气管路(8)和阴极出气管路(9)，其特征在于它还包含有阳极反应气体流通管路(4)和阴极反应气体流通管路(5)，电池堆由至少两个单体电池(3)组成，每两个相邻单体电池(3)串联连接，相邻两个单体电池(3)之间左右呈阶梯状、互相平行排列，所有单体电池(3)的阳极、阴极都同向排列，每个阳极反应气体流通管路(4)分别连通在相邻的两个单体电池(3)的阳极与阳极之间，每个阴极反应气体流通管路(5)分别连通在相邻的两个单体电池(3)的阴极与阴极之间，相邻两个单体电池(3)的阳极与阴极之间由双极板(2)实现串联电联接，阳极进气阀(10)经阳极阀旁路管(15)与气源连通，阳极输气管路(6)的一端与阳极进气阀(10)的出气端连通，阳极输气管路(6)的另一端与电池堆串联回路中首端的单体电池(3)阳极的始端连通，阴极进气阀(11)经阴极阀旁路管(14)与气源连通，阴极输气管路(7)的一端与阴极进气阀(11)的出气端连通，阴极输气管路(7)的另一端与电池堆串联回路中首端的单体电池(3)阴极的始端连通，阳极出气管路(8)的一端与电池堆串联回路中终端的单体电池(3)的阳极末端连通，阴极出气管路(9)的一端与电池堆串联回路中终端的单体电池(3)的阴极末端连通。
2.根据权利要求1所述的串联供气的质子交换膜燃料电池组，其特征在于它还包含有阳极反应气循环管路(12)、阴极反应气循环管路(13)，阳极反应气体循环管路(12)的一端与阳极进气阀(10)的进气端连通，阳极反应气体循环管路(12)的另一端与阳极出气管路(8)的另一端连通，阴极反应气体循环管路(13)的一端与阴极进气阀(11)的进气端连通，阴极反应气体循环管路(13)的另一端与阴极出气管路(9)的另一端连通。
3.串联供气的质子交换膜燃料电池组的供气方法，其特征在于该方法的步骤如下：
步骤一、从气源阳极阀旁路管(15)输出的气体经阳极进气阀(10)输入阳极输气管路(6)的一端，然后输入到电池堆串联回路中首端的单体电池(3)的阳极始端；从气源阴极阀旁路管(14)输出的气体经阴极进气阀(11)输入阴极输气管路(7)的一端，然后输入到电池堆串联回路中首端的单体电池(3)的阴极始端；
步骤二、进入电池堆串联回路中首端单体电池(3)的阳极反应气体从电池堆串联回路中首端单体电池(3)阳极的末端输出，经阳极反应气体流通管路(4)输入给电池堆串联回路中下一级单体电池(3)阳极的始端，阳极反应气体经本级单体电池(3)阳极的末端进入下一级阳极反应气体流通管路(4)，按此方式经若干个单体电池(3)和若干个阳极反应气体流通管路(4)后气体进入电池堆串联回路中终端的单体电池(3)阳极的始端，反应气体再经电池堆串联回路中终端的单体电池(3)阳极的末端由阳极出气管路(8)输出；进入电池堆串联回路中首端单体电池(3)的阴极反应气体从电池堆串联回路中首端单体电池(3)阴极的末端输出，然后进入阴极反应气体流通管路(5)输入给串联回路中下一级单体电池(3)阴极的始端，阴极反应气体经串联回路中本级单体电池(3)阴极的末端进入串联回路中下一级阴极反应气体流通管路(5)，按此方式阴极反应气体经若干个单体电池(3)和若干个阴极反应气体流通管路(5)后气体进入串联回路中终端的单体电池(3)阴极的始端，气体再经串联回路中终端的单体电池(3)阴极的末端由阴极出气管路(9)输出。
4.根据权利要求3所述的串联供气的质子交换膜燃料电池组的供气方法，其特征在于它还包含有经串联回路中终端的单体电池(3)阳极末端相连的阳极出气管路(8)输出的阳极反应气体通过阳极反应气体循环管路(12)，输入到阳极进气阀(10)，实现阳极气体的循环供气。
5.根据权利要求3所述的串联供气的质子交换膜燃料电池组的供气方法，其特征在于它还包含有经串联回路中终端的单体电池(3)阴极的末端相连的阴极出气管路(9)输出的阴极反应气体通过阴极反应气体循环管路(13)输入到阴极进气阀(11)，实现阴极气体的循环供气。
6.根据权利要求3所述的串联供气的质子交换膜燃料电池组的供气方法，其特征在于步骤一的阴极反应气体采用大气作气源。
7.根据权利要求3所述的串联供气的质子交换膜燃料电池组的供气方法，其特征在于步骤一、步骤二的阴极、阳极采用互相逆向的气体供给方式。
8.根据权利要求3所述的串联供气的质子交换膜燃料电池组的供气方法，其特征在于阳极反应气体采用氢气。
9.根据权利要求3所述的串联供气的质子交换膜燃料电池组的供气方法，其特征在于阴极反应气体采用氧气。
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