CN111564644A - 一种小功率的高温质子交换膜燃料电池电堆 - Google Patents

一种小功率的高温质子交换膜燃料电池电堆 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小功率的高温质子交换膜燃料电池电堆。本发明的技术方案是：包括阳极端板和阴极端板，所述阳极端板和阴极端板之间设置有若干个集流板、双极板、MEA以及陶瓷绝缘板，所述双极板的一侧设置有阴极进气口和阳极进气口，另一侧设置有阴极出气口和阳极出气口，双极板中间设置有阴极气体流道以及MEA活性区域，所述阴极进气口的宽度大于阳极进气口的宽度，所述MEA活性区域的相邻两边长的比例大于1，所述阴极进气口和阳极进气口设置在MEA活性区域中长度较小的边的两侧，所述阴极流道为分形流道，所述电堆上不包含阴极进气口或阳极进气口的两个面为加热面。本发明提供的方案体积小巧，质量轻，加热迅速及寄生功耗低。

Description

一种小功率的高温质子交换膜燃料电池电堆
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种小功率的高温质子交换膜燃料电池电堆。
背景技术
质子交换膜燃料电池直接将化学能转换为电能，具有安静、高效、清洁特点，被认为是下一代的发电技术，是汽柴油发电机理想的替代产品。今天质子交换膜燃料电池也取得了长足的发展，是目前新能源领域中重要的发展方向之一。然而传统的低温质子交换膜燃料电池工作温度小于90℃，数十ppm的CO即可使Pt催化剂中毒，造成电堆无法工作。所以低温质子交换膜燃料电池对于燃料的要求非常苛刻，通常要求其H2的含量达到99.99%以上，并需要严格控制其中杂质的水平。
由于氢气来源受限，***限范围非常大，单位体积携带能量较低等特点，人们尝试采用甲醇、甲烷、柴油等含碳燃料进行水蒸气重整反应获得富氢重整气，在由氢气进入燃料电池内发电，从而获得更高能效的发电设备。但是由于重整气中通常含有百分之几的CO，造成如果采用低温质子交换膜燃料电池，就必须对重整气进行提纯，不仅增加了***复杂程度，同时降低了***能效，不利于***轻量化。
高温质子交换膜燃料电池工作温度达到160~180℃，其对CO的耐受度达到了2.5~3%，可以直接采用重整气发电，使与重整器的结合更为简洁，使小型化的重整发电***成为可能。对于功率小于200W发电***而言，其要求燃料电池电堆具有体积小、重量轻、加热迅速，使电堆尽快到达工作温度；对于小功率***而言，其寄生功耗要求高，需要优化设计双极板流场，特别是阴极流场，从而降低风机传质阻力，降低***能耗。
常规的高温质子膜燃料电池电堆功率大于300W，阴极进气口与阳极进气口相互垂直，需要在阴极进出口添加整流罩，造成电堆体积过大；且由于阴极进气占据双极板两侧，造成电堆加热面只有一面，需要大功率加热设备，且加热不均匀而造成电堆膨胀差异，长时使用后存在电堆双极板错位现象。而采用高温堆传统的蛇形流场不利于降低风阻，造成较大的进气压力。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的主要目的在于提供一种体积小巧，质量轻，加热迅速及寄生功耗低的小功率的高温质子交换膜燃料电池电堆。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种小功率的高温质子交换膜燃料电池电堆，包括阳极端板和阴极端板，所述阳极端板和阴极端板之间设置有若干个集流板、双极板、MEA以及陶瓷绝缘板，所述双极板的一侧设置有阴极进气口和阳极进气口，另一侧设置有阴极出气口和阳极出气口，双极板中间设置有阴极气体流道以及MEA活性区域，所述阴极进气口的宽度大于阳极进气口的宽度，所述MEA活性区域的相邻两边长的比例大于1，所述阴极进气口和阳极进气口设置在MEA活性区域中长度较小的边的两侧，所述阴极流道为分形流道，所述阴极进气口与阳极进气口并列设置在双极板的同一侧，所述电堆上不包含阴极进气口或阳极进气口的两个面为加热面。
优选的，所述阴极进口宽度与阳极进气口宽度的比例为1~5。
优选的，所述MEA活性区域中较长的边和较短的边的长度比为1~3。
优选的，所述阴极流道的深度与宽度的比例为0.8~1。
优选的，所述阴极流道的深度为0.8~1.6mm，宽度1~1.6mm。
优选的，所述双极板与MEA相互叠加设置并通过氟胶密封圈密封。
优选的，所述阳极端板和阴极端板之间设置有紧固螺杆，所述紧固螺杆上设置有紧固弹簧。
本发明相对于现有技术具有如下优点，本发明针对小功率高温质子交换膜燃料电池电堆在使用中需要体积小巧，质量轻，加热迅速及寄生功耗低的要求，提供了一种改进以上使用需求的发明方案。为降低电堆使用时的寄生功耗，电堆中阳极与阴极进出口均为开放设计，电堆内气体压力为常压水平。为实现电堆体积小，电堆散热采用空气冷却，为进一步缩减体积，将散热流道与阴极流道合并，从而降低双极板厚度，简化加工组装工艺。为保证加热迅速，将阴阳极气体进出口放在MEA中的同一侧，为使电堆加热更为均匀，其MEA的长宽比应大于1，介于1~3之间，阴阳极气体进出口应在MEA活性区域中边长较小的两侧。
附图说明
图1为本发明的一种小功率的高温质子交换膜燃料电池电堆的结构示意图；
图2为本发明的一种小功率的高温质子交换膜燃料电池电堆的***图；
图3为双极板的结构示意图。
图中：1、阳极端板；2、阴极端板；3、集流板；4、双极板；5、MEA；6、阴极进气口；7、阳极进气口；8、阴极出气口；9、阳极出气口；10、阴极气体流道；11、MEA活性区域；12、加热面；13、紧固螺杆；14、紧固弹簧。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种小功率的高温质子交换膜燃料电池电堆，包括阳极端板1和阴极端板2，所述阳极端板1和阴极端板2之间设置有若干个集流板3、双极板4、MEA5以及陶瓷绝缘板，所述双极板4的一侧设置有阴极进气口6和阳极进气口7，另一侧设置有阴极出气口8和阳极出气口9，双极板4中间设置有阴极气体流道10以及MEA活性区域11，所述阴极进气口6的宽度大于阳极进气口7的宽度，所述MEA活性区域11的相邻两边长的比例大于1，所述阴极进气口6和阳极进气口7设置在MEA活性区域11中长度较小的边的两侧，所述阴极流道为分形流道，所述阴极进气口6与阳极进气口7并列设置在双极板4的同一侧，所述电堆上不包含阴极进气口6或阳极进气口7的两个面为加热面12。
优选的，所述阴极进口宽度与阳极进气口7宽度的比例为1~5。
优选的，所述MEA活性区域11中较长的边和较短的边的长度比为1~3。
优选的，所述阴极流道的深度与宽度的比例为0.8~1。
优选的，所述双极板4与MEA5相互叠加设置并通过氟胶密封圈密封。
优选的，所述阳极端板1和阴极端板2之间设置有紧固螺杆13，所述紧固螺杆13上设置有紧固弹簧14。
本发明针对小功率高温质子交换膜燃料电池电堆在使用中需要体积小巧，质量轻，加热迅速及寄生功耗低的要求，提供了一种改进以上使用需求的发明方案。为降低电堆使用时的寄生功耗，电堆中阳极与阴极进出口均为开放设计，电堆内气体压力为常压水平。为实现电堆体积小，电堆散热采用空气冷却，为进一步缩减体积，将散热流道与阴极流道合并，从而降低双极板4厚度，简化加工组装工艺。为保证加热迅速，将阴阳极气体进出口放在MEA5中的同一侧，为使电堆加热更为均匀，其MEA5的长宽比应大于1，介于1~3之间，阴阳极气体进出口应在MEA活性区域11中边长较小的两侧。
将双极板4中阴极进气口6与阳极进气口7并列放置在双极板4同一侧，其中阴极进气口6宽度应大于阳极进口宽度，阴极进口宽度与阳极进气口7宽度的比例为5~1之间。为保证阴极流道具有较小风阻，采用分形流道，将进风口处的流道从1条分至2-3条，为了进一步减小风阻，将阴极流道横截面适当加宽，其中阴极流道深度为0.8~1.6mm，宽度1~1.6mm。
电堆组装后，双极板4上不含气体进出口的两侧形成了两个加热面12，电堆启动时同时加热两面，从而使电堆均匀快速加热。电堆所用膜电极为高温质子交换膜而形成的MEA5，以磷酸掺杂的PBI膜制备的MEA5作为首选。电堆正负极之间的绝缘采用在极板与端板间添加绝缘板或者在紧固螺杆13处添加绝缘垫片来保证，为方便***集成，消除端板带电对控制***的影响，优选采用在极板与端板间添加绝缘板的方式，绝缘板的材质为无机材料、耐高温高分子等。电堆采用双极板4与相应的MEA5相互叠加组装，根据目标要求可以形成10~200W不同功率大小的电堆，只需增减单体电池片数即可。
为保证电堆经过高低温循环后仍然处于紧配状态，在紧固拉杆的末端或中间添加压缩弹簧或弹垫，使电堆始终处于紧固状态。
为消除风阻，将从入口处引入的流道在双极板4中分成2个流道。进一步的，MEA活性区域11长度为宽度的1.5~1.7倍，阴阳极气体进出口位于宽边的两侧。将加工好的双极板4与MEA5相互叠加，其中通过氟胶密封圈密封。如图2所示，将带有进气口的阴极端板2、绝缘陶瓷板、集流板3、双极板4、MEA5等依次摆放，然后通过紧固螺杆13紧固，并在紧固螺杆13上方添加压缩弹簧，调节弹簧至适当压缩量，从而保证电堆始终处于压紧状态。
经过测试，组装18片单体电池的电堆发电功率可达100W以上，在配备30W以上的加热片下可以实现15min内达到起始发电温度；整个电堆重量不超过1.5kg，阴极进气风压小于700Pa，一般低功耗风机即可满足使用要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种小功率的高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：包括阳极端板和阴极端板，所述阳极端板和阴极端板之间设置有若干个集流板、双极板、MEA以及陶瓷绝缘板，所述双极板的一侧设置有阴极进气口和阳极进气口，另一侧设置有阴极出气口和阳极出气口，双极板中间设置有阴极气体流道以及MEA活性区域，所述阴极进气口的宽度大于阳极进气口的宽度，所述MEA活性区域的相邻两边长的比例大于1，所述阴极进气口和阳极进气口设置在MEA活性区域中长度较小的边的两侧，所述阴极流道为分形流道，所述阴极进气口与阳极进气口并列设置在双极板的同一侧，所述电堆上不包含阴极进气口或阳极进气口的两个面为加热面。
2.根据权利要求1所述的一种小功率的高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述阴极进口宽度与阳极进气口宽度的比例为1~5。
3.根据权利要求1所述的一种小功率的高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述MEA活性区域中较长的边和较短的边的长度比为1~3。
4.根据权利要求1所述的一种小功率的高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述阴极流道的深度与宽度的比例为0.8~1。
5.根据权利要求1所述的一种小功率的高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述阴极流道的深度为0.8~1.6mm，宽度1~1.6mm。
6.根据权利要求1所述的一种小功率的高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述双极板与MEA相互叠加设置并通过氟胶密封圈密封。
7.根据权利要求1所述的一种小功率的高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述阳极端板和阴极端板之间设置有紧固螺杆，所述紧固螺杆上设置有紧固弹簧。
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