CN102810688B - 一种可低温启动高温运行的燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可低温启动高温运行的燃料电池堆，包括导流板、电极、前端板、后端板，所述的导流板包括间隔设置的带导冷却流体槽的导流双极板和普通双极板，所述的带导冷却流体槽的导流双极板两端延伸出一凸块，该凸块与导流双极板一体成型，导流双极板的冷却流体进出孔设置在延伸出导流双极板两端的凸块上，相邻带导冷却流体槽的导流双极板的冷却流体进出孔之间通过密封圈连接，密封圈和凸块在燃料电池堆上下端构成外置的冷却流体通道，冷却流体通过外置的冷却流体通道进出燃料电池堆进行冷却散热。与现有技术相比，本发明冷却流体不易渗漏、可同时适合高温燃料电池和低温燃料电池。

Description

一种可低温启动高温运行的燃料电池堆

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种可低温启动高温运行的燃料电池堆。

背景技术

质子交换膜燃料电池技术是21世纪人类利用氢能的最主要的关键技术。很多国家对质子交换膜燃料电池技术产业化都给予了高度的重视与大力的支持，并取得了许多实质性的进展。可以预见，该技术的全面产业化将对未来世界能源供应和格局产生重大影响。在现代社会生活和经济建设中，电力供应和保障的重要性越来越重要，同时对提高电力生产和使用效率及环境友好的要求程度不断提高。分布式发电的接近用户，减少电力远距离输送，根据用电需求灵活调整的优势越来越受到各国的重视。

根据质子交换膜的运行温度，质子交换膜燃料电池(PEMFC)可分为低温和高温两种类型。低温质子交换膜燃料电池(LT-PEMFC)的运行温度一般不高于90℃，具有启动快、功率密度高、重量轻、体积小的优点，它对作为燃料的氢气纯度要求很高，适合与太阳能等可再生能源衔接，利用电解水制取的高纯度氢气将不稳定的可再生能源转化为稳定的电能；高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)的运行温度在120℃到180℃，虽然相比低温质子交换膜燃料电池(工作温度＜90℃)的启动速度略慢(需要预热)、功率密度稍低，但是高温质子交换膜燃料电池(工作温度120-180℃)有很强的抗CO中毒能力，非常适合由天然气、管道煤气、甲醇、丙烷、甚至是垃圾填埋气以及生物能等多种方式重整制得的氢气，大大降低了燃料电池发电技术的使用门槛，而且由于高温燃料电池运行与120℃以上的高温，电堆生成水全部汽化，不会造成燃料电池堆内流道堵水，燃料电池的稳定可靠性大大提高，运行寿命比低温燃料电池高出10倍以上。此外，高温质子交换膜燃料电池(工作温度120-180℃)运行产生的高温更容易被回收利用，整合成热电联供***(CHP)进一步提高其能量利用率。高温质子交换膜燃料电池具有运行稳定性高、***简单、寿命长等优点，其应用领域非常广，从小型居民家用终端热电联供，到楼宇、小区的分布式发电、大型的中心发电站。

高温质子交换膜燃料电池(工作温度120-180℃)技术作为燃料电池中使用固态质子交换膜作为电解质的一种，其电解质的重要特性、膜电极(membraneelectrode assembly MEA)的基本结构和燃料电池的工作方式与低温质子交换膜燃料电池(工作温度＜90℃)类似：电解质同样是质子的导体、电子的绝缘体，并有非常低的气体渗透性；膜电极MEA同样是其核心部件，膜电极与其两侧的双极板组成了燃料电池的基本单元-燃料电池单电池；膜电极的基本结构也是中间质子交换膜，膜两侧分别是阴极和阳极电催化剂，阴阳极电催化剂外附气体扩散层；工作过程，氢气透过有孔的气体扩散层至催化剂层，燃料电池的氢气一侧为阳极，催化剂使氢气分离为质子和电子，质子通过电解质达到阴极(即氧气一侧)，电子流过一个外部电路到达阴极，在阴极质子、电子和氧气反应生成水。

高温质子交换膜燃料电池(工作温度120-180℃)使用的高温质子交换膜的质子传导机理与低温质子交换膜燃料电池(工作温度＜90℃)使用的质子交换膜质子传导机理完全不同。低温质子交换膜燃料电池运行过程中，质子穿过膜时必须携带水分子(最多时一个质子需携带14个水分子)，在水分子的帮助下才能穿过膜，在干透或湿度不够情况下质子将不能或少量可以穿过膜，从而增大膜的电阻，导致迅速降低性能、减少寿命。高温质子交换膜的传导机理是：聚苯并咪唑(PBI)磷酸浸渍形成晶格，相当于形成磷酸二氢盐，在150℃-200℃温度范围内质子通过磷酸二氢盐的氢键网格相当于接力一样传递，完成质子穿过膜的过程，该过程中不需要携带水分子，但随着温度的降低，膜的电导率也将降低。故高温质子交换膜燃料电池的运行条件完全不同于低温质子交换膜燃料电池。

一个典型电池组通常包括：(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(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组后进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。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上或两个端板上。

目前低温燃料电池，一般采用水作为冷却散热流体，但它易遭遇冷启动问题，如在-20℃下，水结成了冰，无法启动。高温燃料电池，运行温度为120-180℃，水汽化了，也无法使用。因此，需要一种既能抗冷抗低温结冻，也能耐高温、不会汽化的冷却散热流体，目前一般采用含氟油，或其他的合成油作为冷却散热流体，但是这些流体一旦渗透到电极板上，就马上污染电极，使整个燃料电池报废。现有的导流极板冷却流体容易渗漏，污染电极，因此，无法使用。

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而提供一种冷却流体不易渗漏、可同时适合高温燃料电池和低温燃料电池的可低温启动高温运行的燃料电池堆。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种可低温启动高温运行的燃料电池堆，包括导流板、电极、前端板、后端板，其特征在于，所述的导流板包括间隔设置的带导冷却流体槽的导流双极板和普通双极板，所述的带导冷却流体槽的导流双极板由正面导空气流槽板、反面导氢气流槽板、中间导冷却流体夹层组成，所述的普通双极板由正面导空气流槽板和反面导氢气流槽板组成，普通双极板中间没有设到冷却流体夹层；所述的带导冷却流体槽的导流双极板两端延伸出一凸块，该凸块与导流双极板一体成型，导流双极板的冷却流体进出孔设置在延伸出导流双极板两端的凸块上，相邻带导冷却流体槽的导流双极板的冷却流体进出孔之间通过密封圈连接，密封圈和凸块在燃料电池堆上下端构成外置的冷却流体通道，冷却流体通过外置的冷却流体通道进出燃料电池堆进行冷却散热。

相邻两块带导冷却流体槽的导流双极板之间设有1块、2块或3块普通双极板。

所述的密封圈包括阴面和阳面，所述的带导冷却流体槽的导流双极板两端凸块上冷却流体进出孔周边设有与阴面和阳面相匹配的密封槽，密封圈两端分别卡设在相邻两块导流双极板上冷却流体进出孔的密封槽内，密封圈的长度与燃料电池堆紧固压缩后相邻带导冷却流体槽的导流双极板间的距离相匹配，密封圈和凸块在燃料电池堆上下端构成外置的冷却流体通道。

所述的带导冷却流体槽的导流双极板的伸出段凸块周边设有连接孔，各连接孔通过紧固螺杆连接紧固。

根据权利要求1所述的一种可低温启动高温运行的燃料电池堆，其特征在于，所述的凸块设置在导流双极板两端的两侧或靠中间位置。

所述的带导冷却流体槽的导流双极板和普通双极板为金属板或石墨板。

所述的密封圈的材料为氟橡胶或合成橡胶。

与现有技术相比，本发明的特点是：

1、目前一般采用含氟油，或其他的合成油作为既能抗冷抗低温结冻，也能耐高温、不会汽化的冷却散热流体，这种冷却散热流体易污染电极，因此，本发明将带导冷却流体槽的导流双极板两端延伸出一凸块，使其两端比普通双极板多出一块，尺寸比较大，将冷却流体通道引到导流双极板两端延伸出的凸块上，燃料电池堆装配后，冷却流体从燃料电池外进出燃料电池堆，彻底防止冷却流体渗透到电极污染电极；

2、冷却散热流体放到电堆外面可确保不漏油；

3、带导冷却流体槽的导流双极板两端凸块上冷却散热流体孔周边设有与密封圈对应的密封槽，密封圈采用阴阳面设计，卡接在凸块上，而且密封圈的长度等于燃料电池堆紧固压缩后相邻凸块的距离，确保不漏油；需要拆卸维修时，将燃料电池堆竖起来，冷却流体可沿着两端的冷却流体通道流出，不会泄漏到电极内；

4、另外设置了紧固螺杆，通过紧固螺杆将引接块拉紧，进一步密封。

附图说明

图1为本发明带导冷却流体槽的导流双极板的导氢气流槽板的结构示意图；

图2为图1中导氢气流槽板的背面结构示意图；

图3为本发明带导冷却流体槽的导流双极板的导空气流槽板的结构示意图；

图4为图3中导空气流槽板的背面结构示意图；

图5为本发明粘合导氢气流槽板和导空气流槽板后的带导冷却流体槽的导流双极板的结构示意图；

图6本发明普通双极板的结构示意图；

图7为本发明燃料电池堆组装前的结构示意图；

图8为本发明密封圈的结构示意图；

图9为本发明燃料电池堆组装后的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1～9所示，一种可低温启动高温运行的燃料电池堆，包括导流板、电极、前端板、后端板，所述的导流板包括间隔设置的带导冷却流体槽的导流双极板，其尺寸长×宽×厚是400mm×100mm×2.5mm(如图5所示)和普通双极板，其尺寸长×宽×厚是400mm×100mm×1.2mm(如图6所示)，所述的带导冷却流体槽的导流双极板1包括正面导空气流槽板11(如图3-4所示)、反面导氢气流槽板12(如图1-2所示)、将导空气流槽板11和导氢气流槽板12粘合后中间形成导冷却流体夹层，导空气流槽板11上设有空气进出流体孔3、氢气进出流体孔4，以及连接空气进出流体孔的导流槽，导空气流槽板11两端中间向外延伸出一凸块111，凸块111与导空气流槽板11一体成型，凸块111上设有冷却流体进出孔5，该冷却流体进出孔5通过引流槽6连接到冷却流体槽7，导氢气流槽板12上也相应设有空气进出流体孔3、氢气进出流体孔4、冷却流体进出孔5，将导空气流槽板11和导氢气流槽板12粘合后，如图2和图4所示的冷却流体进出孔5、引流槽6、冷却流体槽7形成完整的冷却流体通道。

所述的普通双极板由正面导空气流槽板和反面导氢气流槽板组成(如图6所示)，其中加不含到冷却流体夹层；普通双极板2上也设有可供进出空气、进出氢气的流体孔(空气进出流体孔3、氢气进出流体孔4)，以及连接于进、出流体孔之间的导流槽。

冷却流体从伸出导流双极板1外的冷却流体进出孔5进入，沿着引流槽6流到冷却流体槽7，对导流双极板1进行冷却。

电堆的组装为多个1对1间隔设置的带导冷却流体槽的导流双极板1和普通双极板2夹电极8，依次叠加，并在电堆前后分别设置前端板(图未示)和后端板(图未示)组成，具体如图7和图9所示：一块带导冷却流体槽的导流双极板1、一张电极8和一块普通双极板2、一张电极8，依次叠加，相邻带导冷却流体槽的导流双极板1的冷却流体进出孔5之间通过密封圈9连接，所述的密封圈9一端为阴面(设有内凹的环形槽)，另一端为阳面(设有外凸的环形圈)，所述的凸块111上冷却流体进出孔5周边设有与密封圈9阴面和阳面相匹配的密封槽(即连接密封圈9阴面的一侧设有外凸连接块，恰好卡进阴面的环形槽内，连接密封圈9阳面的一侧设有内凹的连接槽，恰好卡接阳面的环形圈)，密封圈9的长度与燃料电池堆紧固压缩后相邻凸块间的距离相匹配，即密封圈9两端分别卡设在相邻两块导流双极板上冷却流体进出孔5的密封槽内即可进行密封，密封圈9和凸块111在导流板上下端构成外置的冷却流体通道。

凸块111的伸出段周边设有四个连接孔112，各凸块111的连接孔112通过紧固螺杆113连接紧固，进一步对外置的冷却流体通道进行紧固密封。

燃料电池堆组装后，冷却流体从外置的冷却流体通道流入，并通过各带导冷却流体槽的导流双极板上的冷气流体进出孔、引流槽引流到导流双极板的导冷却流体夹层内，从而实现对燃料电堆的冷却散热。

这种带延伸块的燃料电池导流极板的导冷却流体可以是水或油，导冷却流体是油时，也不会渗漏，因为油从导流极板外的冷却流体进出孔引入导流极板，整个流体通道粘结密封，而易于漏油的进出口又设置在导流极板外，反应完毕，或检修时，可以将整个燃料电池堆竖起来，冷却流体就会从冷气流体通道中倒出，因此不会出现漏油污染电极的情况。所以上述导流极板可以用于高温燃料电池，也可以用于低温燃料电池。

实施例2

参见图1～6，带导冷却流体槽的导流双极板和普通双极板也可以是其他形状尺寸的，所述的带导冷却流体槽的导流双极板可以中间延伸出一凸块，也可以两端延伸出凸块，设置冷却流体进出孔。相邻两块带导冷却流体槽的导流双极板之间可以设置2块或3块普通双极板。

Claims (7)

1.一种可低温启动高温运行的燃料电池堆，包括导流板、电极、前端板、后端板，其特征在于，所述的导流板包括间隔设置的带导冷却流体槽的导流双极板和普通双极板，所述的带导冷却流体槽的导流双极板由正面导空气流槽板、反面导氢气流槽板、中间导冷却流体夹层组成，所述的普通双极板由正面导空气流槽板和反面导氢气流槽板组成；所述的带导冷却流体槽的导流双极板两端延伸出一凸块，该凸块与导流双极板一体成型，导流双极板的冷却流体进出孔设置在延伸出导流双极板两端的凸块上，相邻带导冷却流体槽的导流双极板的冷却流体进出孔之间通过密封圈连接，密封圈和凸块在燃料电池堆上下端构成外置的冷却流体通道，冷却流体通过外置的冷却流体通道进出燃料电池堆进行冷却散热。

2.根据权利要求1所述的一种可低温启动高温运行的燃料电池堆，其特征在于，相邻两块带导冷却流体槽的导流双极板之间设有1块、2块或3块普通双极板。

3.根据权利要求1所述的一种可低温启动高温运行的燃料电池堆，其特征在于，所述的密封圈包括阴面和阳面，所述的带导冷却流体槽的导流双极板两端凸块上冷却流体进出孔周边设有与阴面和阳面相匹配的密封槽，密封圈两端分别卡设在相邻两块导流双极板上冷却流体进出孔的密封槽内，密封圈的长度与燃料电池堆紧固压缩后相邻带导冷却流体槽的导流双极板间的距离相匹配，密封圈和凸块在燃料电池堆上下端构成外置的冷却流体通道。

4.根据权利要求3所述的一种可低温启动高温运行的燃料电池堆，其特征在于，所述的带导冷却流体槽的导流双极板的伸出段凸块周边设有连接孔，各连接孔通过紧固螺杆连接紧固。

5.根据权利要求1所述的一种可低温启动高温运行的燃料电池堆，其特征在于，所述的凸块设置在导流双极板两端的两侧或靠中间位置。

6.根据权利要求1所述的一种可低温启动高温运行的燃料电池堆，其特征在于，所述的带导冷却流体槽的导流双极板和普通双极板为金属板或石墨板。

7.根据权利要求1所述的一种可低温启动高温运行的燃料电池堆，其特征在于，所述的密封圈的材料为氟橡胶或合成橡胶。

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