專(zhuān)利名稱(chēng)：燃料電池的空氣供應(yīng)裝置及相關(guān)的集合管結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是有關(guān)利用燃料電池產(chǎn)生電能的系統(tǒng)，特別涉及的是能夠向各單一電池均勻供應(yīng)空氣的燃料電池的空氣供應(yīng)裝置。
背景技術(shù)：
在人類(lèi)使用的能源中大部分是從化石燃料中取得的。但是，這些化石燃料的使用的給環(huán)境造成非常嚴(yán)重的負(fù)面影響，如污染大氣、形成酸性雨及地球溫室效應(yīng)等，同時(shí)也存在能源效率低等問(wèn)題點(diǎn)。
用燃料電池代替上述化石燃料所提出的方案，與通常的電池(2極電池)不同，它是從外部向陽(yáng)極供應(yīng)燃料(氫氣體或炭化氫)、向陰極供應(yīng)氧氣后，進(jìn)行水的電分解逆反應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的電和熱的電池系列，實(shí)際上可以視為發(fā)電裝置。
燃料電池引起的發(fā)電方法是不經(jīng)過(guò)燃料的燃燒(氧化)反應(yīng)，而是經(jīng)過(guò)氫氣與氧氣的電化學(xué)反應(yīng)，把反應(yīng)前后的能量差直接轉(zhuǎn)換成電能的方法。
燃料電池按電解質(zhì)的類(lèi)型分類(lèi)有在200℃附近啟動(dòng)的磷酸型燃料電池，在60℃～110℃時(shí)啟動(dòng)的鉀電解質(zhì)型燃料電池，在常溫～80℃時(shí)啟動(dòng)的高分子電解質(zhì)燃料電池，在約500～700℃的高溫下啟動(dòng)的熔融炭酸鹽電解質(zhì)型燃料電池，另外在1000℃以上高溫下啟動(dòng)的固體氧化物燃料電池等。
這些燃料電池如圖1所示包括為了使氫氣與氧氣進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生電能而具有燃料極和空氣極的燃料電池堆10；把含氫氣的水溶液狀態(tài)的氫化硼(BH4)，實(shí)際上把氫化硼鈉(NaBH4)供應(yīng)給燃料極的燃料供應(yīng)部20；把含氧的空氣供應(yīng)給空氣極的空氣供應(yīng)部30；把燃料電池堆10中生成的電能供應(yīng)給負(fù)荷的電能輸出部40。
燃料電池堆10是如圖2及圖3所示由多個(gè)單一電池11疊加形成，并用各自的集合管12/13固定上下兩側(cè)。
各單一電池11包括電解質(zhì)膜11a；在此電解質(zhì)膜11a兩側(cè)疊加的燃料極11b和空氣極11c；另外，疊加在燃料極11b和空氣極11c的外側(cè)，起到使燃料和空氣分別接觸燃料極11b與空氣極11c并能夠循環(huán)的分離板11d/11e。
電解質(zhì)膜11a傳達(dá)H+的高分子材質(zhì)的膜，例如使用在濕潤(rùn)的狀態(tài)下帶導(dǎo)電性的高分子離子交換膜。
燃料極11b和空氣極11c由支持體(未圖示)和疊加在此支持體兩側(cè)的催化劑層(未圖示)構(gòu)成，支持體是用金屬鎳制成模板，催化劑層是由適合氫氣的氧化及氧氣的還原反應(yīng)的含氫儲(chǔ)藏合金形成。
分離板11d/11e采用了導(dǎo)電性能好、耐腐蝕性強(qiáng)的如同石墨的金屬制成，與燃料極11b和空氣極11c接觸的內(nèi)側(cè)面形成了燃料通過(guò)的燃料通道Cf和空氣通過(guò)的空氣通道Co。
另外，設(shè)置在單一電池11之間的分離板11d/11e是一側(cè)形成燃料通道Cf、另一側(cè)形成空氣通道Co，只有設(shè)置在燃料電池堆10的兩側(cè)端部的分離板11d/11e內(nèi)側(cè)面上形成了燃料通道Cf或者空氣通道Co。
集合管12/13在與各單一電池11接觸的內(nèi)側(cè)面上形成連通燃料供應(yīng)部20的燃料供應(yīng)管22與各單一電池11的燃料通Cf一并連通的燃料通道12a/13a；連通空氣供應(yīng)部30的空氣供應(yīng)管31與各單一電池11的空氣通道一并連通的空氣通道12b/13b。
圖中未說(shuō)明的符號(hào)21是燃料箱，23是燃料泵，32是空氣泵。
上述已有的燃料電池的工作過(guò)程如下即，當(dāng)燃料由燃料泵23從燃料箱21向燃料極11b供應(yīng)時(shí)，空氣同時(shí)由空氣泵32從大氣中向空氣極11c供應(yīng)，在經(jīng)過(guò)各自的分離板11b/11e的燃料流路Cf和空氣流路Co過(guò)程中，燃料中的氫氣與空氣中的氧氣進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)并生成水的同時(shí)兩個(gè)電極之間產(chǎn)生電流。
更詳細(xì)地說(shuō)，首先燃料泵23使燃料通過(guò)燃料供應(yīng)管22從燃料箱21流入到入口側(cè)集合管12的燃料通道12a，從燃料通道12a向各單一電池11的燃料側(cè)分離板11d中的燃料流路Cf均勻分配，在通過(guò)各燃料流路Cf時(shí)進(jìn)行電化學(xué)氧化反應(yīng)(例如)。
相反，在空氣泵32作用下空氣通過(guò)空氣供應(yīng)管31從大氣中經(jīng)過(guò)空氣過(guò)濾器(未圖示)流入到入口側(cè)集合管12的空氣通道12b，從空氣通道12b向各單一電池11的空氣側(cè)分離板11e中的空氣流路Co均勻分配，在通過(guò)各空氣流路Co時(shí)進(jìn)行電化學(xué)性還原反應(yīng)(例如)。
在此過(guò)程中，燃料極11b和空氣極11c之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，此電動(dòng)勢(shì)通過(guò)多數(shù)個(gè)單一電池11疊加的燃料電池堆10的兩端上設(shè)置的集電板(未圖示)輸出電流后供應(yīng)給負(fù)荷。
但是，上述的已有燃料電池堆，空氣極11c產(chǎn)生的水或氫氧化鈉(NaOH)等阻斷了空氣流路Co，一個(gè)空氣通道Co里的空氣分配到多個(gè)空氣流路Co必然會(huì)引起空氣的慣性降低，近而出現(xiàn)燃料電池性能下降的問(wèn)題。而且，把空氣以并列形式供應(yīng)，引起空氣的流速降低，為了補(bǔ)充上述需要，必須使用大容量的空氣泵32，這就增加不必要的電力消耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)的不足，提供一種能夠向各單一電池的空氣流路均勻分配空氣的燃料電池的空氣供應(yīng)裝置及相關(guān)的集合管結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是使用小容量的空氣泵能夠提供提高空氣的流速，降低不必要的電力消耗的燃料電池的空氣供應(yīng)裝置及相關(guān)的集合管結(jié)構(gòu)。
解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種燃料電池的空氣供應(yīng)裝置及相關(guān)的集合管結(jié)構(gòu)，包括有電解質(zhì)膜；在電解質(zhì)膜兩側(cè)疊加燃料極和空氣極；與各電極接觸的面上各自形成燃料流路和空氣流路，使燃料和空氣在相互獨(dú)立循環(huán)各自流路時(shí)產(chǎn)生離子的分離板；把分離板與各電極的一側(cè)面接觸形成的多個(gè)單一電池連續(xù)疊加組成的燃料電池中，每單一電池的空氣流路以直列形式連接。
一種燃料電池的空氣供應(yīng)裝置及相關(guān)的集合管結(jié)構(gòu)，包括有電解質(zhì)膜；在電解質(zhì)膜兩側(cè)疊加燃料極和空氣極；與各電極接觸的面上各自形成燃料流路和空氣流路，使燃料和空氣在相互獨(dú)立循環(huán)各自流路時(shí)產(chǎn)生離子的分離板；把分離板與各電極的一側(cè)面接觸形成的多個(gè)單一電池連續(xù)疊加組成的燃料電池中，在各單一電池的燃料流路和空氣流路的出入口一并接觸結(jié)合有多個(gè)單一電池，在其內(nèi)部有使各單一電池的空氣流路直列式連接按一定間隔形成的多個(gè)空氣通道。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的燃料電池的空氣供應(yīng)裝置及相關(guān)集合管結(jié)構(gòu)是，把空氣直列供應(yīng)到空氣流路的結(jié)構(gòu)，能夠向各單一電池的空氣流路均勻供應(yīng)空氣，不但大幅度提高燃料電池的性能，而且提高空氣的流速，使用小容量空氣泵也能夠順利供應(yīng)空氣，降低不必要的電力消耗。


圖1是已有燃料電池結(jié)構(gòu)系統(tǒng)示意圖；圖2是已有燃料電池的燃料電池堆部分剖視立體圖；圖3是已有燃料電池的燃料電池堆的剖視圖；圖4是本發(fā)明燃料電池結(jié)構(gòu)系統(tǒng)示意圖；圖5是本發(fā)明燃料電池的燃料電池堆部分剖視立體圖；圖6是本發(fā)明燃料電池的燃料電池堆的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供一種燃料電池的空氣供應(yīng)裝置及相關(guān)的集合管結(jié)構(gòu)，包括有電解質(zhì)膜；在電解質(zhì)膜兩側(cè)疊加燃料極和空氣極；與各電極接觸的面上各自形成燃料流路和空氣流路，使燃料和空氣在相互獨(dú)立循環(huán)各自流路時(shí)產(chǎn)生離子的分離板；把分離板與各電極的一側(cè)面接觸形成的多個(gè)單一電池連續(xù)疊加組成的燃料電池中，每單一電池110的空氣流路Co以直列形式連接。
所述單一電池110的空氣流路Co是與一并結(jié)合的集合管120/130上形成多個(gè)按順序排列的空氣通道122/132連通。
一種燃料電池的空氣供應(yīng)裝置及相關(guān)的集合管結(jié)構(gòu)，包括有電解質(zhì)膜；在電解質(zhì)膜兩側(cè)疊加燃料極和空氣極；與各電極接觸的面上各自形成燃料流路和空氣流路，使燃料和空氣在相互獨(dú)立循環(huán)各自流路時(shí)產(chǎn)生離子的分離板；把分離板與各電極的一側(cè)面接觸形成的多個(gè)單一電池連續(xù)疊加組成的燃料電池中，在各單一電池110的燃料流路Cf和空氣流路Co的出入口一并接觸結(jié)合有多個(gè)單一電池110，在其內(nèi)部有使各單一電池110的空氣流路Co直列式連接按一定間隔形成的多個(gè)空氣通道122/132。
在空氣通道122/132的側(cè)面有與各單一電池110的燃料流路Cf并列連接的燃料通道121/131。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明從圖4~6所示，本發(fā)明的燃料電池中具有氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)生成電能的燃料極和空氣極的燃料電池堆是由多個(gè)單一電池110疊加并與入口側(cè)集合管120及出口側(cè)集合管130結(jié)合，各集合管120/130是與單一電池110的燃料流路Cf并列連接的，與空氣流路Co直列形式連接構(gòu)成。
單一電池110包括電解質(zhì)膜111；在中間電解質(zhì)膜111兩側(cè)疊加的燃料極112和空氣極113；疊加在此燃料極112和空氣極113的外側(cè)起到使燃料和空氣分別流到燃料極112與空氣極113并能循環(huán)的分離板114/115。
電解質(zhì)膜111是傳達(dá)H+的高分子材質(zhì)的膜，最好使用在濕潤(rùn)的狀態(tài)下有導(dǎo)電性的高分子離子交換膜。
燃料極112和空氣極113由支持體(未圖示)和疊加在支持體兩側(cè)面的催化劑層(未圖示)構(gòu)成，支持體用金屬鎳制成的模板，催化劑層是由適合氫氣的氧化及氧氣的還原反應(yīng)的含氫儲(chǔ)藏合金制成。
分離板114/115采用導(dǎo)電性能好、耐腐蝕性強(qiáng)的如同石墨的金屬制成，與燃料極112和空氣極113接觸的內(nèi)側(cè)面形成了燃料通過(guò)的燃料通道Cf和空氣通過(guò)的空氣通道Co。
另外，設(shè)置在單一電池110之間的分離板114/115是一側(cè)形成燃料通道Cf、另一側(cè)形成空氣通道Co，只有設(shè)置在燃料電池堆100的兩側(cè)端部的分離板114/115內(nèi)側(cè)面上形成了燃料通道Cf或者空氣通道Co。
入口側(cè)集合管120和出口側(cè)集合管130是如圖5及圖6中圖示，能夠容納所有單一電池110寬度的板體形成，兩板體相互對(duì)的內(nèi)側(cè)面各自形成了一個(gè)燃料通道121/131和多個(gè)空氣通孔122/132。
燃料通道121/131是為了能夠與所有單一電池110的燃料流路Cf以并接形式連通，最好形成具有所定深度和幅并延長(zhǎng)形成。
空氣通道122/132是為了把各單一電池110的空氣流路Co以中間形成Z字形狀直列式連通，入口側(cè)集合管120和出口側(cè)集合管130之間有一定的相位差。為了各空氣通道122/132使相鄰單一電池110的空氣流路Co能夠相互獨(dú)立連接，在集合管120/130的內(nèi)側(cè)面露出兩端形成“U”字形狀。另外，為了加工上的便利，可以按所定深度和幅的凹入形成(圖中未示)。
圖面中與原先相同的部分賦予相同的符號(hào)。
圖中未說(shuō)明的符號(hào)20是燃料供應(yīng)部，21是燃料箱，22是燃料供應(yīng)管，23是燃料泵，30是空氣供應(yīng)部，31是空氣供應(yīng)管，32是空氣泵，40是電能輸出部。
本發(fā)明的燃料電池的工作過(guò)程如下即，供應(yīng)給分離板114/115的燃料通道Cf和空氣通道Co的燃料和空氣是各自通過(guò)燃料極(陽(yáng)極)112和空氣極(陰極)113，此過(guò)程中，燃料中的氫氣與空氣中的氧氣進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)后在生成水的同時(shí)，兩個(gè)電極之間產(chǎn)生電流。
更詳細(xì)地說(shuō)，首先燃料泵23使燃料通過(guò)燃料供應(yīng)管22從燃料箱21流入到入口側(cè)集合管120的燃料通道121，從燃料通道121向各單一電池110的燃料側(cè)分離板114中的燃料流路Cf均勻分配，在通過(guò)各燃料流路Cf時(shí)進(jìn)行電化學(xué)氧化反應(yīng)(例如)。
相反，在空氣泵32作用下空氣是從大氣中通過(guò)空氣供應(yīng)管31流入到入口側(cè)集合管120的最初空氣通道122，在經(jīng)過(guò)最外殼單一電池110的空氣流路Co流入到出口側(cè)集合管130的最初空氣通道132后，再次經(jīng)過(guò)第2個(gè)單一電池110的空氣流路Co流入到入口側(cè)集合管120的第2個(gè)單一電池110的空氣通道122，在反復(fù)進(jìn)行上述一系列過(guò)程中進(jìn)行電化學(xué)還原反應(yīng)(例如)。
集合管120/130是由一個(gè)燃料通道121/131和多個(gè)空氣通道122/132形成，其中各自的空氣通孔122/132與各單一電池110的空氣流路Co連續(xù)連接，使空氣沿著空氣通孔122/132和各單一電池110的空氣流路Co順次供應(yīng)，各單一電池110的空氣流路Co能連續(xù)而均勻的獲取空氣供應(yīng)，使燃料電池的性能得以提高。
而且，燃料電池的反應(yīng)在空氣流路Co上產(chǎn)生了水和氫氧化鈉，使空氣連續(xù)通過(guò)空氣通道122/132和空氣流路Co，提高空氣的流速，就是使用小容量空氣泵32時(shí)也能順利供應(yīng)空氣，因此降低了電力消耗。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池的空氣供應(yīng)裝置及相關(guān)的集合管結(jié)構(gòu)，包括有電解質(zhì)膜；在電解質(zhì)膜兩側(cè)疊加燃料極和空氣極；與各電極接觸的面上各自形成燃料流路和空氣流路，使燃料和空氣在相互獨(dú)立循環(huán)各自流路時(shí)產(chǎn)生離子的分離板；把分離板與各電極的一側(cè)面接觸形成的多個(gè)單一電池連續(xù)疊加組成的燃料電池中，其特征是每單一電池(110)的空氣流路(Co)以直列形式連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的燃料電池的空氣供應(yīng)裝置及相關(guān)的集合管結(jié)構(gòu)，其特征是所述單一電池(110)的空氣流路(Co)是與一并結(jié)合的集合管(120/130)上形成多個(gè)按順序排列的空氣通道(122/132)連通。
3.一種燃料電池的空氣供應(yīng)裝置及相關(guān)的集合管結(jié)構(gòu)，包括有電解質(zhì)膜；在電解質(zhì)膜兩側(cè)疊加燃料極和空氣極；與各電極接觸的面上各自形成燃料流路和空氣流路，使燃料和空氣在相互獨(dú)立循環(huán)各自流路時(shí)產(chǎn)生離子的分離板；把分離板與各電極的一側(cè)面接觸形成的多個(gè)單一電池連續(xù)疊加組成的燃料電池中，其特征是在各單一電池(110)的燃料流路(Cf)和空氣流路(Co)的出入口一并接觸結(jié)合有多個(gè)單一電池(110)，在其內(nèi)部有使各單一電池(110)的空氣流路(Co)直列式連接按一定間隔形成的多個(gè)空氣通道(122/132)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的燃料電池的空氣供應(yīng)裝置及相關(guān)的集合管結(jié)構(gòu)，其特征是在空氣通道(122/132)的側(cè)面有與各單一電池(110)的燃料流路(Cf)并列連接的燃料通道(121/131)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種燃料電池的空氣供應(yīng)裝置及相關(guān)的集合管結(jié)構(gòu)，包括有電解質(zhì)膜；在電解質(zhì)膜兩側(cè)疊加燃料極和空氣極；與各電極接觸的面上各自形成燃料流路和空氣流路，使燃料和空氣在相互獨(dú)立循環(huán)各自流路時(shí)產(chǎn)生離子的分離板；把分離板與各電極的一側(cè)面接觸形成的多個(gè)單一電池連續(xù)疊加組成的燃料電池中，每單一電池的空氣流路以直列形式連接。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的燃料電池的空氣供應(yīng)裝置及相關(guān)集合管結(jié)構(gòu)是，把空氣直列供應(yīng)到空氣流路的結(jié)構(gòu)，能夠向各單一電池的空氣流路均勻供應(yīng)空氣，不但大幅度提高燃料電池的性能，而且提高空氣的流速，使用小容量空氣泵也能夠順利供應(yīng)空氣，降低不必要的電力消耗。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1612394SQ20031010675
公開(kāi)日2005年5月4日 申請(qǐng)日期2003年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月30日
發(fā)明者趙太熙, 金奎正, 黃勇準(zhǔn), 崔鴻, 金鐵煥, 樸明碩, 李明浩, 高承泰, 許成根 申請(qǐng)人:樂(lè)金電子(天津)電器有限公司