CN1381917A - 一种具有较高输出功率的燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有较高输出功率的燃料电池,包括由至少两张单独的极板并联构成的膜电极和导流极板、前端板、后端板、拉杆、冷却单元、监控单元,用两块导流极板将一张膜电极夹在中间构成一单电池,多个单电池串接在一起构成一燃料电池;与现有技术相比,本发明的膜电极有效面积得以成倍增加,因此其功率也得到了成倍的提高,同时,燃料气体、氧化剂气体分配均匀,电池运行稳定。

Description

一种具有较高输出功率的燃料电池

本发明涉及电池，尤其涉及电化学燃料电池。

电化学燃料电池是一种能够将氢燃料及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学反应过程中生成的电子，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多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，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，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。

在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。

在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：

阳极反应：

阴极反应：

在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在二块导电的极板中间，每块导电极板与膜电极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的极板，也可以是石墨材料的极板。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与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、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。

为了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通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，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，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。

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。

在阳极区的正氢离子迁移穿过质子交换膜，通常需要携带大量的水分子一起通过，所以膜的两边表面必须保持水分子存在，才能使正氢离子的迁移电导不受影响。因此，燃料与氧化剂气体在进入燃料电池活性区进行反应之前，必须进行湿化，以便保证膜电极中的膜处于水湿化饱和状态。

根据质子交换膜燃料电池的不同用途，其总体上的设计有很大不同。目前用作大功率可移动的动力电源的质子交换膜燃料电池设计上，主要采取以下手段来提高功率密度。

(1)增加膜电极的有效面积，以增加输出电流；

(2)减薄导流极板厚度及减轻其重量，使整个电池组重量减少，体积减少；

(3)采取强化运行的燃料气体，氧化剂的压力、浓度、温度等条件下运行，以求输出更大的功率。

第一种方法来增加电池组输出功率，往往存在很大的局限性，主要原因是燃料气体、氧化剂气体随着面积增大到一定程度，很难分配均匀，而且有效面积各个部分的电化学反应速度不一样，导致电流密度不一样，还导致各个部分的产生的产物水的速率不一样，这样增加了这种大面积的燃料电池水、热管理与控制的难度，往往导致局部温度过高，增加膜电极烧孔的危险性，或导致局部发电效率很低与预想的功率相差很远。

第二种方法来增加电池组输出功率密度，也有很大的局限性，因为导流板薄到一定程度，易产生机械强度不够，若用石墨材料的话，还易导致燃料气体、氧化剂气体泄漏的危险，并极易碎裂。

第三种方法增加电池组输出功率也有很大的局限性，比如增加燃料电池运行空气压力，必须增加***辅助***空气压缩机的消耗功率，并会导致空压机的体积、重量增加，另外，质子交换膜燃料电池的运行温度有限制，一般不能超出水的沸点温度。

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能使功率成倍提高、运行稳定的具有较高输出功率的燃料电池。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种具有较高输出功率的燃料电池，包括可传导质子的膜电极、可分别导入燃料与氧化剂的导流极板、前端板、后端板、拉杆、冷却单元、监控单元，所述的膜电极两侧附着有催化剂及多孔性碳纸，所述的导流极板设有导流槽，用两块导流极板将一张膜电极夹在中间构成一单电池，所述的前端板、后端板将多个单电池夹紧并通过拉杆串接在一起构成一燃料电池，所述的冷却单元对过程产生的热量进行冷却，所述的监控单元对过程的数据进行监控，其特点是，所述的膜电极由至少两张单独的极片并联构成，所述的导流极板亦由至少两块单独的极板并联构成，所述的前端板、后端板以及各膜电极、导流极板的相对应位置设有共同进气通道与共同排气通道。

所述的膜电极由两张单独的极片并联构成。

所述的导流极板由两块单独的极板并联构成。

所述的膜电极为整片一体成型。

所述的导流极板为整块一体成型。

所述的膜电极的有效面积为200～400cm²×2。

所述的导流极板的面积为20cm×20cm×2。

所述的催化剂为金属铂催化剂。

本发明由于采用了以上技术方案，其膜电极的有效面积得以成倍增加，因此其功率也得到了成倍的提高，同时，燃料气体、氧化剂气体分配均匀，膜电极有效面积的各部分电化学反应速度一样，膜电极的电流密度均匀，电池运行稳定。目前，对功率在5至10千瓦之间或10千瓦以上的大中型燃料电池组，单电池的膜电极有效面积大约在200～400cm²之间，而导流极板的面积大约在20cm×20cm左右，若将导流极板与模电极进行并联设计，其功率可以增加一倍或数倍，电池组在运行上可以达到同样成熟稳定。若将导流板与模电极分别进行整块一体化设计，燃料电池组的功率密度比两台放在一起平行运行的功率密度要大得多。此外，本发明还将燃料氢气、氧化剂空气，冷却流体(去离子水)的进口与出口通道进行联合共同进气与共同排气，从而使本发明燃料电池结构紧凑，还可降低产品成本。

图1为本发明一实施例的外观结构示意图；

图2为本发明一实施例的膜电极的主视图；

图3为本发明一实施例的导流极板的主视图；

图4为本发明一实施例的导流通道的结构示意图。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

如图所示，为本发明一种具有较高功率的燃料电池的实施例，它包括由两张单独的极片并联且一体成型构成的可传导质子的膜电极1、由两块单独的极板并联且一体成型构成的导流极板2、冷却水夹板3、前端板4、后端板5、拉杆6以及辅助监控装置；所述的膜电极1两侧附着有催化剂7，该催化剂的外侧设有多孔性碳纸8，所述的导流极板2设有可分别导入燃料与氧化剂的导流槽9，用两块导流极板2将膜电极1夹在中间构成一单电池，多个单电池串连在一起并在各单电池之间设置一冷却水夹板3，前后各设置前端板4、后端板5并用拉杆6紧固在一起构成一燃料电池。该燃料电池的前、后端板以及各膜电极、导流极板的相应位置均开有供燃料、氧化剂、冷却水进去的共同进燃料通道10J、共同进氧化剂通道11J、共同进冷却水通道12J，以及供燃料、氧化剂、冷却水出去的共同出燃料通道10C、共同出氧化剂通道11C、共同出冷却水通道12C。本实施例的单电池膜电极的有效面积为600cm²，导流极板的面积为800cm²，燃料电池的功率为20千瓦，比现有的单极板直叠式电池的功率增加了一倍。

当然，如果将三片、四片甚至更多片的单膜电极片并联且一体成型构成膜电极，同时将三块、四块甚至更多块的单极板并联且一体成型构成导流极板，那么本发明电池的功率将比现有的单极板直叠式电池提高三倍、四倍甚至更多倍。

Claims (8)

1.一种具有较高输出功率的燃料电池，包括可传导质子的膜电极、可分别导入燃料与氧化剂的导流极板、前端板、后端板、拉杆、冷却单元、监控单元，所述的膜电极两侧附着有催化剂及多孔性碳纸，所述的导流极板设有导流槽，用两块导流极板将一张膜电极夹在中间构成一单电池，所述的前端板、后端板将多个单电池夹紧并通过拉杆串接在一起构成一燃料电池，所述的冷却单元对过程产生的热量进行冷却，所述的监控单元对过程的数据进行监控，其特征在于，所述的膜电极由至少两张单独的极片并联构成，所述的导流极板亦由至少两块单独的极板并联构成，所述的前端板、后端板以及各膜电极、导流极板的相对应位置设有共同进气通道与共同排气通道。

2.根据权利要求1所述的具有较高输出功率的燃料电池，其特征在于，所述的膜电极由两张单独的极片并联构成。

3.根据权利要求1所述的具有较高输出功率的燃料电池，其特征在于，所述的导流极板由两块单独的极板并联构成。

4.根据权利要求2所述的具有较高输出功率的燃料电池，其特征在于，所述的膜电极为整片一体成型。

5.根据权利要求3所述的具有较高输出功率的燃料电池，其特征在于，所述的导流极板为整块一体成型。

6.根据权利要求4所述的具有较高输出功率的燃料电池，其特征在于，所述的膜电极的有效面积为200～400cm²×2。

7.根据权利要求5所述的具有较高输出功率的燃料电池，其特征在于，所述的导流极板的面积为20cm×20cm×2。

8.根据权利要求1所述的具有较高输出功率的燃料电池，其特征在于，所述的催化剂为金属铂催化剂。

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