CN100444443C - 一种可以提高燃料电池运行稳定性的导流极板 - Google Patents

一种可以提高燃料电池运行稳定性的导流极板 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可以提高燃料电池运行稳定性的导流极板，包括空气导流极板或氢气导流极板或由空气导流极板与氢气导流极板相背组合一体的导流双极板；所述的空气导流极板设有一对或多对进、出空气的流体孔，该一对或多对流体孔之间设有多条呈平行直条状弯曲空气导流槽；所述的氢气导流极板设有一对或多对进、出氢气的流体孔，该一对或多对流体孔之间设有多条呈平行直条状弯曲导氢气流槽，所述的空气导流极板上还设有一对或多对冷却流体孔，在该一对或多对流体孔之间并在空气导流槽的背面设有冷却流体导流槽。与现有技术相比，本发明具有结构简单、加工方便，安装实施后有利于提高燃料电池运行稳定性等特点。

Description

一种可以提高燃料电池运行稳定性的导流极板
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种可以提高燃料电池运行稳定性的导流极板。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种能够将氢燃料及氧化剂转化为电能的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(MEA)，MEA是由一张质子交换膜、膜两侧夹有两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸之间含有可以引发化学反应的催化剂。膜电极两边用可导电物体将发生电化学反应产生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碳纸，并在催化剂表面发生化学反应，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，含有氧气的气体通过渗透到达催化剂表面通过化学反应得到电子，形成负离子，并与从阳极端迁移过来的正离子反应生成水。
在采用氢气、空气的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用下面的反应式来表达：
阳极反应：H2→2H++2e
阴极反应：1/2O2+2H++2e→H2O
在典型的电池中，一般MEA均放在两块导电的极板中间，每块导电极板与膜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，也可以是石墨材料。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和阴极区。这些导流极板既作为电流集流板，也作为膜两边的机械支撑，导流极板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极与阴极表面的通道，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以通过叠加的方式串联成电池组。在串联的电池组中，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，另一面为另一个相邻膜电极的阴极导流面。
一个典型的电池组通常包括：(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(主要是空气或氧气)均匀地分布到各个阳极、阴极面；(2)冷却流体(如水)进出口与导流通道，将冷却流体均匀的分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池产生的热量吸收并带出燃料电池组进行散热；(3)燃料及氧化剂气体的导流出口和相应的导流通道，燃料气体和氧化剂气体在排出时可携带出燃料电池中生成的气、液态水。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或两个端板上。
为了使质子交换膜燃料电池处于高性能的工作状态，必须保持质子交换膜处于湿润状态。因为当质子穿过质子交换膜时必须是水化质子，并且水化质子穿过膜时要携带许多水分子，如果质子交换膜处于失水状态，则质子穿过质子交换膜时的阻力很大，体现在燃料电池中的工作性能降低，严重时无法输出电流。
为了保持质子交换膜燃料电池中的质子交换膜处于不失水状态或处于湿化状态，目前有以下几种技术：
1.外增湿技术：就是让燃料氢气，氧化剂如氧气、空气先进行增湿，使燃料氢气、氧化剂气体含有一定的水蒸汽(达到一定的相对湿度)，然后再进入燃料电池反应，如：美国专利US.Patent 6,106,964(2000年8月)所述的那样。
2.内增湿技术：内增湿技术的基本原理与外增湿一样，只不过将电池堆分为增湿段与活性段，将二段融合在一个电池堆中，以增强电池的紧凑性与提高能量利用效率。这样燃料氢气与氧化剂空气也是先经过电池堆增湿段进行增湿，后再进入电池堆活性段进行反应。
但是，以上的两种技术都有以下的缺点：
第一种技术额外地增加了燃料电池***的外增湿装置，不但额外增加了燃料电池******的重量与体积，而且浪费了大量材料与人工制造成本。
第二种技术也有类似的缺点，虽然整体紧凑性比第一种技术好，但也增大了整个电池堆的体积与重量，并浪费了大量的制作材料与人工费用。
上海神力科技有限公司申请的专利“一种可使燃料电池中的质子交换膜得到均匀水分布的方法”(专利申请号01113153.5)提出了一种解决办法，它采用在燃料电池导流极板上同一种气体各有两个进口和出口，两路气体在导流极板上按逆向流动，最后合并统一出气。这样的优点是：当第一路气体刚进入电极时处于干燥状态，容易将电极中的质子交换膜里面的水带走，随着化学反应的进行，到达电极中部与下部时有大量的水生成去湿化膜的下半部；而第二路气体正好相反，是从电极下部进入，则进入时也也处于干燥状态，容易将电极中的膜里面的水带走，随着电化学反应的发生，到达电极中部与上部时就有大量的水生成去湿化膜的上半部，这样就使质子交换膜始终保持湿化。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，并且在“一种可使燃料电池中的质子交换膜得到均匀水分布的方法”(专利申请号01113153.5)基础上进一步进行技术改进而提供一种燃料电池导流极板结构，该导流极板可以使膜电极表面的水更均匀分布，使电池运行更稳定，而且比原专利申请技术(专利申请号01113153.5)实施更方便。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种可以提高燃料电池运行稳定性的导流极板，包括空气导流极板或氢气导流极板或由空气导流极板与氢气导流极板相背组合一体的导流双极板，所述的空气导流极板设有一对或多对进、出空气的流体孔，该一对或多对进、出空气的流体孔之间设有多条呈蛇形空气导流槽，所述的氢气导流极板设有一对或多对进、出氢气的流体孔，该一对或多对进、出氢气的流体孔之间设有多条呈蛇形氢气导流槽，所述的空气导流极板上还设有一对或多对进、出冷却流体的流体孔，在该一对或多对进、出冷却流体的流体孔之间并在空气导流槽的背面设有冷却流体导流槽；其特征在于，所述的空气或氢气导流槽每根都在进空气或氢气的流体孔到出空气或氢气的流体孔之间单独形成一个蛇形流道，每根流道只经过部分流场，除一根后部分靠近导流极板边缘的流道外，每一根空气或氢气流道的后部分都与另一根空气或氢气流道的前部分相邻；所述的冷却流体导流槽与空气导流槽交叉或平行取向；所述的冷却流体导流槽包括设置在导流极板中间的两条冷却流体进主流槽，设置在导流极板两边的各一条冷却流体出主流槽，所述的冷却流体进主流槽和冷却流体出主流槽之间通过多条横向平行支流槽连接；冷却流体从两条冷却流体进主流槽进入，通过多条横向平行支流槽流入导流极板两边的冷却流体出主流槽，汇集后从出冷却流体的流体孔端流出。
所述的导流双极板，其一面的空气导流极板的空气导流槽与另一面的氢气导流极板的氢气导流槽交叉排列。
所述的导流双极板，其一面的空气导流极板的空气导流槽与另一面的氢气导流极板的氢气导流槽呈顺向或逆向平行排列。
所述的冷却流体导流槽的深度在0.3mm～2mm之间，宽度在0.5mm～4mm之间。
一般来说，刚进入导流槽的气体处于干态，容易把质子交换膜中的水带走，随着反应的进行产生大量的水，在导流槽的中后部使质子交换膜保持湿润状态。本发明的特点是燃料电池中含水多的流槽与含水少的流槽间隔排列，有利于水从高浓度处向低浓度处扩散，保持整个电极表面的水均匀分布，使电池的运行稳定。而且本发明在现有技术的基础上对燃料电池的流场作了进一步的改进，在燃料电池导流极板上同一种气体各有一个进口和出口就达到了使水在质子交换膜上分布更均匀，使质子交换膜燃料电池的运行更加稳定。
附图说明
图1为本发明空气导流极板的结构示意图；
图2为本发明氢气导流极板的结构示意图；
图3为本发明冷却流体导流极板的结构示意图；
图4为本发明燃料电池堆输出功率与运行时间关系曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
图1给出了一种空气导流极板，包括空气流体进孔(即进空气流体孔，以此类推，下同)1，空气流体出孔2，氢气流体进孔3，氢气流体出孔4，冷却流体进孔5，冷却流体出孔6，空气流槽a。每根空气流槽都从空气流体进孔1到空气流体出孔2之间单独形成一个蛇形的流道，每根空气流槽只经过部分流场。一根空气流槽的后部分总与另一根流槽的前部分相邻，这样可以使水在电极表面均匀分布，有利于电池的稳定运行。图2给出了一种氢气导流极板，包括空气流体进孔1，空气流体出孔2，氢气流体进孔3，氢气流体出孔4，冷却流体进孔5，冷却流体出孔6，空气流槽b，每根氢气流槽都从氢气流体进孔3到氢气流体出孔4之间单独形成一个蛇形的流道，每根空气流槽只经过部分流场。图3给出了冷却流体导流极板，包括空气流体进孔1，空气流体出孔2，氢气流体进孔3，氢气流体出孔4，冷却流体进孔5，冷却流体出孔6，冷却流体流槽c。其一面的空气的流向与另一面的氢气流向为逆向平行。冷却流体流向与空气流向呈90°取向。
以下是一个导流极板组装成燃料电池堆的具体实施例，导流极板长与宽为100mm与50mm，呈长方形状；该燃料电池堆中的燃料氢气与氧化剂空气导流极板呈平行取向关系，并采取逆流运行，冷却流体流场与空气导流极板呈90°取向关系。该燃料电池堆由60片双极板〔含冷却夹板〕组成，总长为40公分，膜电极有效面积为35cm2，空气、氢气完全在常压下运行，额定输出功率为1KW，运行温度为60℃。
该燃料电池堆在采用新的流场设计后，在常压空气下，燃料电池堆的抗失水能力增加，从而增加燃料电池的稳定可靠性。图4给出了电池堆长时间运行曲线，通过该图可以看出电池堆在1KW下连续运行24h性能没有出现下降。

Claims (4)

1.一种可以提高燃料电池运行稳定性的导流极板，包括空气导流极板或氢气导流极板或由空气导流极板与氢气导流极板相背组合一体的导流双极板，所述的空气导流极板设有一对或多对进、出空气的流体孔，该一对或多对进、出空气的流体孔之间设有多条呈蛇形空气导流槽，所述的氢气导流极板设有一对或多对进、出氢气的流体孔，该一对或多对进、出氢气的流体孔之间设有多条呈蛇形氢气导流槽，所述的空气导流极板上还设有一对或多对进、出冷却流体的流体孔，在该一对或多对进、出冷却流体的流体孔之间并在空气导流槽的背面设有冷却流体导流槽；其特征在于，所述的空气或氢气导流槽每根都在进空气或氢气的流体孔到出空气或氢气的流体孔之间单独形成一个蛇形流道，每根流道只经过部分流场，除一根后部分靠近导流极板边缘的流道外，每一根空气或氢气流道的后部分都与另一根空气或氢气流道的前部分相邻；所述的冷却流体导流槽与空气导流槽交叉或平行取向；所述的冷却流体导流槽包括设置在导流极板中间的两条冷却流体进主流槽，设置在导流极板两边的各一条冷却流体出主流槽，所述的冷却流体进主流槽和冷却流体出主流槽之间通过多条横向平行支流槽连接；冷却流体从两条冷却流体进主流槽进入，通过多条横向平行支流槽流入导流极板两边的冷却流体出主流槽，汇集后从出冷却流体的流体孔端流出。
2.根据权利要求1所述的一种可以提高燃料电池运行稳定性的导流极板，其特征在于，所述的导流双极板，其一面的空气导流极板的空气导流槽与另一面的氢气导流极板的氢气导流槽交叉排列。
3.根据权利要求1所述的一种可以提高燃料电池运行稳定性的导流极板，其特征在于，所述的导流双极板，其一面的空气导流极板的空气导流槽与另一面的氢气导流极板的氢气导流槽呈顺向或逆向平行排列。
4.根据权利要求1所述的一种可以提高燃料电池运行稳定性的导流极板，其特征在于，所述的冷却流体导流槽的深度在0.3mm～2mm之间，宽度在0.5mm～4mm之间。
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