專利名稱：一種可以提高燃料電池運(yùn)行穩(wěn)定性的導(dǎo)流極板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及一種可以提高燃料電池運(yùn)行穩(wěn)定性的導(dǎo)流極板。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池是一種能夠?qū)淙剂霞把趸瘎┺D(zhuǎn)化為電能的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(MEA)，MEA是由一張質(zhì)子交換膜、膜兩側(cè)夾有兩張多孔性的可導(dǎo)電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙之間含有可以引發(fā)化學(xué)反應(yīng)的催化劑。膜電極兩邊用可導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電子通過外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過碳紙，并在催化劑表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質(zhì)子交換膜，到達(dá)膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧氣的氣體通過滲透到達(dá)催化劑表面通過化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離子，并與從陽極端遷移過來的正離子反應(yīng)生成水。
在采用氫氣、空氣的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用下面的反應(yīng)式來表達(dá)陽極反應(yīng)陰極反應(yīng)在典型的電池中，一般MEA均放在兩塊導(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)電極板與膜接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機(jī)械銑刻，形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)電極板可以是金屬材料，也可以是石墨材料。這些導(dǎo)電極板上的導(dǎo)流孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽極區(qū)和陰極區(qū)。這些導(dǎo)流極板既作為電流集流板，也作為膜兩邊的機(jī)械支撐，導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽極與陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運(yùn)行過程中生成的水的通道。
為增大整個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個(gè)或兩個(gè)以上的單電池通常可以通過疊加的方式串聯(lián)成電池組。在串聯(lián)的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個(gè)膜電極的陽極導(dǎo)流面，另一面為另一個(gè)相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面。
一個(gè)典型的電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是空氣或氧氣)均勻地分布到各個(gè)陽極、陰極面；(2)冷卻流體(如水)進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻的分布到各個(gè)電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池產(chǎn)生的熱量吸收并帶出燃料電池組進(jìn)行散熱；(3)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流出口和相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體和氧化劑氣體在排出時(shí)可攜帶出燃料電池中生成的氣、液態(tài)水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開在燃料電池組的一個(gè)端板或兩個(gè)端板上。
為了使質(zhì)子交換膜燃料電池處于高性能的工作狀態(tài)，必須保持質(zhì)子交換膜處于濕潤狀態(tài)。因?yàn)楫?dāng)質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜時(shí)必須是水化質(zhì)子，并且水化質(zhì)子穿過膜時(shí)要攜帶許多水分子，如果質(zhì)子交換膜處于失水狀態(tài)，則質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜時(shí)的阻力很大，體現(xiàn)在燃料電池中的工作性能降低，嚴(yán)重時(shí)無法輸出電流。
為了保持質(zhì)子交換膜燃料電池中的質(zhì)子交換膜處于不失水狀態(tài)或處于濕化狀態(tài)，目前有以下幾種技術(shù)1.外增濕技術(shù)就是讓燃料氫氣，氧化劑如氧氣、空氣先進(jìn)行增濕，使燃料氫氣、氧化劑氣體含有一定的水蒸汽(達(dá)到一定的相對濕度)，然后再進(jìn)入燃料電池反應(yīng)，如美國專利US.Patent 6,106,964(2000年8月)所述的那樣。
2.內(nèi)增濕技術(shù)內(nèi)增濕技術(shù)的基本原理與外增濕一樣，只不過將電池堆分為增濕段與活性段，將二段融合在一個(gè)電池堆中，以增強(qiáng)電池的緊湊性與提高能量利用效率。這樣燃料氫氣與氧化劑空氣也是先經(jīng)過電池堆增濕段進(jìn)行增濕，后再進(jìn)入電池堆活性段進(jìn)行反應(yīng)。
但是，以上的兩種技術(shù)都有以下的缺點(diǎn)
第一種技術(shù)額外地增加了燃料電池系統(tǒng)的外增濕裝置，不但額外增加了燃料電池外圍系統(tǒng)的重量與體積，而且浪費(fèi)了大量材料與人工制造成本。
第二種技術(shù)也有類似的缺點(diǎn)，雖然整體緊湊性比第一種技術(shù)好，但也增大了整個(gè)電池堆的體積與重量，并浪費(fèi)了大量的制作材料與人工費(fèi)用。
上海神力科技有限公司申請的專利“一種可使燃料電池中的質(zhì)子交換膜得到均勻水分布的方法”(專利申請?zhí)?1113153.5)提出了一種解決辦法，它采用在燃料電池導(dǎo)流極板上同一種氣體各有兩個(gè)進(jìn)口和出口，兩路氣體在導(dǎo)流極板上按逆向流動(dòng)，最后合并統(tǒng)一出氣。這樣的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)?shù)谝宦窔怏w剛進(jìn)入電極時(shí)處于干燥狀態(tài)，容易將電極中的質(zhì)子交換膜里面的水帶走，隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，到達(dá)電極中部與下部時(shí)有大量的水生成去濕化膜的下半部；而第二路氣體正好相反，是從電極下部進(jìn)入，則進(jìn)入時(shí)也也處于干燥狀態(tài)，容易將電極中的膜里面的水帶走，隨著電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，到達(dá)電極中部與上部時(shí)就有大量的水生成去濕化膜的上半部，這樣就使質(zhì)子交換膜始終保持濕化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，并且在“一種可使燃料電池中的質(zhì)子交換膜得到均勻水分布的方法”(專利申請?zhí)?1113153.5)基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)而提供一種燃料電池導(dǎo)流極板結(jié)構(gòu)，該導(dǎo)流極板可以使膜電極表面的水更均勻分布，使電池運(yùn)行更穩(wěn)定，而且比原專利申請技術(shù)(專利申請?zhí)?1113153.5)實(shí)施更方便。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種可以提高燃料電池運(yùn)行穩(wěn)定性的導(dǎo)流極板，包括空氣導(dǎo)流極板或氫氣導(dǎo)流極板或由空氣導(dǎo)流極板與氫氣導(dǎo)流極板相背組合一體的導(dǎo)流雙極板，所述的空氣導(dǎo)流極板設(shè)有一對或多對進(jìn)、出空氣的流體孔，該一對或多對流體孔之間設(shè)有多條呈平行直條狀彎曲空氣導(dǎo)流槽，所述的氫氣導(dǎo)流極板設(shè)有一對或多對進(jìn)、出氫氣的流體孔，該一對或多對流體孔之間設(shè)有多條呈平行直條狀彎曲導(dǎo)氫氣流槽，所述的空氣導(dǎo)流極板上還設(shè)有一對或多對冷卻流體孔，在該一對或多對流體孔之間并在空氣導(dǎo)流槽的背面設(shè)有冷卻流體導(dǎo)流槽；所述的空氣或氫氣導(dǎo)流槽每根都在空氣或氫氣流體進(jìn)孔到空氣或氫氣流體出孔之間單獨(dú)形成一個(gè)蛇行流道，每根流道只經(jīng)過部分流場，其中一根空氣或氫氣流道的后部分總與另一跟空氣或氫氣流道的前部分相鄰。
所述的導(dǎo)流雙極板，其一面的空氣導(dǎo)流極板的空氣導(dǎo)流槽與另一面的氫氣導(dǎo)流極板的氫氣導(dǎo)流槽呈90°或交叉排列。
所述的導(dǎo)流雙極板，其一面的空氣導(dǎo)流極板的空氣導(dǎo)流槽與另一面的氫氣導(dǎo)流極板的氫氣導(dǎo)流槽呈順向或逆向平行排列。
所述的冷卻流體導(dǎo)流槽與空氣導(dǎo)流槽呈90°或交叉或平行取向。
所述的空氣導(dǎo)流槽的深度在0.1mm～1mm之間，寬度在0.1mm～3mm之間。
所述的氫氣導(dǎo)流槽的深度在0.3mm～1mm之間，寬度在0.8mm～3mm之間。
所述的氫氣導(dǎo)流槽深度最好在0.4mm～0.7mm之間，寬度最好在1mm～1.5mm。
所述的冷卻流體導(dǎo)流槽的深度在0.3mm～2mm之間，寬度在0.5mm～4mm之間。所述的冷卻流體導(dǎo)流槽的深度最好在0.5mm～1.5mm之間，寬度最好在1mm～3mm之間。
一般來說，剛進(jìn)入導(dǎo)流槽的氣體處于干態(tài)，容易把質(zhì)子交換膜中的水帶走，隨著反應(yīng)的進(jìn)行產(chǎn)生大量的水，在導(dǎo)流槽的中后部使質(zhì)子交換膜保持濕潤狀態(tài)。本發(fā)明的特點(diǎn)是燃料電池中含水多的流槽與含水少的流槽間隔排列，有利于水從高濃度處向低濃度處擴(kuò)散，保持整個(gè)電極表面的水均勻分布，使電池的運(yùn)行穩(wěn)定。而且本發(fā)明在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上對燃料電池的流場作了進(jìn)一步的改進(jìn)，在燃料電池導(dǎo)流極板上同一種氣體各有一個(gè)進(jìn)口和出口就達(dá)到了使水在質(zhì)子交換膜上分布更均勻，使質(zhì)子交換膜燃料電池的運(yùn)行更加穩(wěn)定。


圖1為本發(fā)明空氣導(dǎo)流極板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明氫氣導(dǎo)流極板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明冷卻流體導(dǎo)流極板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明燃料電池堆輸出功率與運(yùn)行時(shí)間關(guān)系曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1給出了一種空氣導(dǎo)流極板，包括空氣流體進(jìn)孔(即進(jìn)空氣流體孔，以此類推，下同)1，空氣流體出孔2，氫氣流體進(jìn)孔3，氫氣流體出孔4，冷卻流體進(jìn)孔5，冷卻流體出孔6，空氣流槽a。每根空氣流槽都從空氣流體進(jìn)孔1到空氣流體出孔2之間單獨(dú)形成一個(gè)蛇行的流道，每根空氣流槽只經(jīng)過部分流場。一根空氣流槽的后部分總與另一跟流槽的前部分相鄰，這樣可以使水在電極表面均勻分布，有利于電池的穩(wěn)定運(yùn)行。圖2給出了一種氫氣導(dǎo)流極板，包括空氣流體進(jìn)孔1，空氣流體出孔2，氫氣流體進(jìn)孔3，氫氣流體出孔4，冷卻流體進(jìn)孔5，冷卻流體出孔6，空氣流槽b，每根氫氣流槽都從氫氣流體進(jìn)孔3到氫氣流體出孔4之間單獨(dú)形成一個(gè)蛇行的流道，每根空氣流槽只經(jīng)過部分流場。圖3給出了冷卻流體導(dǎo)流極板，包括空氣流體進(jìn)孔1，空氣流體出孔2，氫氣流體進(jìn)孔3，氫氣流體出孔4，冷卻流體進(jìn)孔5，冷卻流體出孔6，冷卻流體流槽c。其一面的空氣的流向與另一面的氫氣流向?yàn)槟嫦蚱叫?。冷卻流體流向與空氣流向呈90°取向。
以下是一個(gè)導(dǎo)流極板組裝成燃料電池堆的具體實(shí)施例，導(dǎo)流極板長與寬為100mm與50mm，呈長方形狀；該燃料電池堆中的燃料氫氣與氧化劑空氣導(dǎo)流極板呈平行取向關(guān)系，并采取逆流運(yùn)行，冷卻流體流場與空氣導(dǎo)流極板呈90°取向關(guān)系。該燃料電池堆由60片雙極板〔含冷卻夾板〕組成，總長為40公分，膜電極有效面積為35cm2，空氣、氫氣完全在常壓下運(yùn)行，額定輸出功率為1KW，運(yùn)行溫度為60℃。
該燃料電池堆在采用新的流場設(shè)計(jì)后，在常壓空氣下，燃料電池堆的抗失水能力增加，從而增加燃料電池的穩(wěn)定可靠性。圖4給出了電池堆長時(shí)間運(yùn)行曲線，通過該圖可以看出電池堆在1KW下連續(xù)運(yùn)行24h性能沒有出現(xiàn)下降。
權(quán)利要求
1.一種可以提高燃料電池運(yùn)行穩(wěn)定性的導(dǎo)流極板，包括空氣導(dǎo)流極板或氫氣導(dǎo)流極板或由空氣導(dǎo)流極板與氫氣導(dǎo)流極板相背組合一體的導(dǎo)流雙極板，所述的空氣導(dǎo)流極板設(shè)有一對或多對進(jìn)、出空氣的流體孔，該一對或多對流體孔之間設(shè)有多條呈平行直條狀彎曲空氣導(dǎo)流槽，所述的氫氣導(dǎo)流極板設(shè)有一對或多對進(jìn)、出氫氣的流體孔，該一對或多對流體孔之間設(shè)有多條呈平行直條狀彎曲導(dǎo)氫氣流槽，所述的空氣導(dǎo)流極板上還設(shè)有一對或多對冷卻流體孔，在該一對或多對流體孔之間并在空氣導(dǎo)流槽的背面設(shè)有冷卻流體導(dǎo)流槽；其特征在于，所述的空氣或氫氣導(dǎo)流槽每根都在空氣或氫氣流體進(jìn)孔到空氣或氫氣流體出孔之間單獨(dú)形成一個(gè)蛇行流道，每根流道只經(jīng)過部分流場，其中一根空氣或氫氣流道的后部分總與另一跟空氣或氫氣流道的前部分相鄰。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可以提高燃料電池運(yùn)行穩(wěn)定性的導(dǎo)流極板，其特征在于，所述的導(dǎo)流雙極板，其一面的空氣導(dǎo)流極板的空氣導(dǎo)流槽與另一面的氫氣導(dǎo)流極板的氫氣導(dǎo)流槽呈90°或交叉排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可以提高燃料電池運(yùn)行穩(wěn)定性的導(dǎo)流極板，其特征在于，所述的導(dǎo)流雙極板，其一面的空氣導(dǎo)流極板的空氣導(dǎo)流槽與另一面的氫氣導(dǎo)流極板的氫氣導(dǎo)流槽呈順向或逆向平行排列。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可以提高燃料電池運(yùn)行穩(wěn)定性的導(dǎo)流極板，其特征在于，所述的冷卻流體導(dǎo)流槽與空氣導(dǎo)流槽呈90°或交叉或平行取向。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可以提高燃料電池運(yùn)行穩(wěn)定性的導(dǎo)流極板，其特征在于，所述的空氣導(dǎo)流槽的深度在0.1mm～1mm之間，寬度在0.1mm～3mm之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可以提高燃料電池運(yùn)行穩(wěn)定性的導(dǎo)流極板，其特征在于，所述的氫氣導(dǎo)流槽的深度在0.3mm～1mm之間，寬度在0.8mm～3mm之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可以提高燃料電池運(yùn)行穩(wěn)定性的導(dǎo)流極板，其特征在于，所述的冷卻流體導(dǎo)流槽的深度在0.3mm～2mm之間，寬度在0.5mm～4mm之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可以提高燃料電池運(yùn)行穩(wěn)定性的導(dǎo)流極板，包括空氣導(dǎo)流極板或氫氣導(dǎo)流極板或由空氣導(dǎo)流極板與氫氣導(dǎo)流極板相背組合一體的導(dǎo)流雙極板；所述的空氣導(dǎo)流極板設(shè)有一對或多對進(jìn)、出空氣的流體孔，該一對或多對流體孔之間設(shè)有多條呈平行直條狀彎曲空氣導(dǎo)流槽；所述的氫氣導(dǎo)流極板設(shè)有一對或多對進(jìn)、出氫氣的流體孔，該一對或多對流體孔之間設(shè)有多條呈平行直條狀彎曲導(dǎo)氫氣流槽，所述的空氣導(dǎo)流極板上還設(shè)有一對或多對冷卻流體孔，在該一對或多對流體孔之間并在空氣導(dǎo)流槽的背面設(shè)有冷卻流體導(dǎo)流槽。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便，安裝實(shí)施后有利于提高燃料電池運(yùn)行穩(wěn)定性等特點(diǎn)。
文檔編號H01M8/02GK1681147SQ20041001757
公開日2005年10月12日 申請日期2004年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月9日
發(fā)明者董輝, 胡里清 申請人:上海神力科技有限公司