專利名稱：可提高端部單電池性能的空冷型燃料電池的制作方法
專利說明
一、技術(shù)領(lǐng)域本實(shí)用新型涉及一種燃料電池，具體的說是一種可提高端部單電池性能的空冷型燃料電池。
二背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池是一種通過燃料和氧化劑的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的裝置。該裝置的核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，由兩張多孔性的氣體擴(kuò)散層和夾在中間的一片質(zhì)子交換膜組成。在質(zhì)子交換膜與氣體擴(kuò)散層(如碳紙)的界面上附著有電化學(xué)催化劑。膜電極的兩面設(shè)有導(dǎo)流極板，陽極和陰極反應(yīng)分別在極板的兩側(cè)同時發(fā)生的，稱為雙極板；一面緊靠電流集電器的導(dǎo)流極板，只有另一面與膜電極相連，反應(yīng)只在一側(cè)發(fā)生的，稱為單極板。雙極板或單極板上含有可供氣體(如氫氣或空氣)流通的通道和冷卻劑(如空氣或水)流通的通道。燃料電池的單電池內(nèi)只有一片膜電極，單電池在反應(yīng)中可提供的電壓低于1.0V，在燃料電池堆中，多于一片的單電池以串聯(lián)的方式被組裝在一個電堆中，燃料電池堆的輸出電壓是燃料電池堆中所有單電池電壓的總和。當(dāng)氫氣由燃料電池堆的氫氣入口進(jìn)入雙極板或單極板的氫氣導(dǎo)流槽后，透過多孔性的氣體擴(kuò)散層(如碳紙)到達(dá)催化劑的表面。在催化劑的作用下，氫氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，氫原子失去電子成為正離子(質(zhì)子)。電子通過多孔性的氣體擴(kuò)散層(如碳紙)和導(dǎo)電雙極板或單極板到達(dá)用電器，再通過導(dǎo)電雙極板或單極板及多孔性的導(dǎo)電材料(如碳紙)到達(dá)膜電極另一側(cè)的催化劑表面。在催化劑的作用下，電子與透過多孔性的氣體擴(kuò)散層(如碳紙)到達(dá)催化劑表面的氧化劑(如氧氣)和通過質(zhì)子交換膜到達(dá)催化劑表面的質(zhì)子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物(如水)。
燃料電池堆在運(yùn)行過程中，除了輸出電能之外，還產(chǎn)生相當(dāng)?shù)臒崃?。輸出的電流越大，產(chǎn)生的熱量越多。如果這些熱量不能及時排出燃料電池堆，燃料電池堆中的膜電極的溫度會不斷升高。當(dāng)溫度升高到質(zhì)子交換膜的玻璃化溫度時，質(zhì)子交換膜會逐漸變軟，在膜電極兩邊反應(yīng)氣體壓力差的作用下，質(zhì)子交換膜會很容易被擊破，導(dǎo)致燃料和氧化劑混合在一起，引起燃燒或爆炸。通常有兩種冷卻方式將燃料電池堆在反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量排出燃料電池堆空冷型和液態(tài)冷卻劑型。空冷型燃料電池堆利用環(huán)境中的空氣作為冷卻介質(zhì)。溫度低的空氣通過溫度高的雙極板或單極板中的冷卻流道時，通過熱交換將雙極板或單極板中的一部分熱量帶走，從而控制了燃料電池堆的反應(yīng)溫度。
在一般的空冷型燃料電池堆中，燃料電池堆兩端的單極板的冷卻流道與燃料電池堆中間的雙極板的冷卻流道完全一樣。在燃料電池堆運(yùn)行過程中，單極板冷卻流道中通過的冷卻空氣流量與雙極板冷卻流道中通過的冷卻空氣流量一樣。由于單極板與金屬電流集電器緊緊靠在一起，因此除了通過單極板冷卻流道中的冷卻空氣以外，(金屬)電流集電器對單極板也有冷卻作用。結(jié)果是，處于燃料電池堆兩端的單電池的溫度低于電堆中間的單電池的溫度，導(dǎo)致燃料電池堆兩端的膜電極的性能由于反應(yīng)溫度低而有所下降。而且，當(dāng)反應(yīng)氣體經(jīng)過溫度低的單極板的導(dǎo)流槽時，其中的水蒸氣會冷凝成液態(tài)水而留在單極板的導(dǎo)流槽中，甚至?xí)氯麑?dǎo)流槽。結(jié)果是，燃料電池堆兩端的單電池的電壓由于反應(yīng)氣體供應(yīng)不足而比燃料電池堆中間的電壓低。當(dāng)導(dǎo)流槽中的氣體通道被完全堵塞時，單電池的電壓會降到0V以下，甚至出現(xiàn)反極現(xiàn)象。
三
發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本實(shí)用新型的目的是提供一種可提高端部單電池性能的空冷型燃料電池。
2、技術(shù)方案本實(shí)用新型所述的一種可提高端部單電池性能的空冷型燃料電池，它包括層疊設(shè)置的一組單電池，在所述一組單電池的兩端分別設(shè)有端部單電池，其中單電池包括膜電極以及設(shè)置在膜電極兩側(cè)的雙極板，端部單電池包括內(nèi)側(cè)的雙極板、中間的膜電極和外側(cè)的單極板，其特征是在雙極板上設(shè)有流通冷卻空氣的雙極板冷卻流道。
為了使端部單電池中膜電極的反應(yīng)溫度與其它部位的膜電極的反應(yīng)溫度一致或接近，以提高端部單電池的性能，在雙極板上設(shè)有流通冷卻空氣的冷卻流道，而端部單電池中的單極板上可以設(shè)置冷卻流道，在完全滿足冷卻要求的基礎(chǔ)上也可以取消冷卻流道，當(dāng)設(shè)置冷卻流道時，則采用冷卻空氣流通量小的冷卻流道以降低端部單電池的冷卻速度，使之與燃料電池其它部分的溫度相一致，為此有兩種可行的方案，一是減少單極板冷卻流道的數(shù)量，二是縮小單極板冷卻流道的孔徑。
3、有益效果本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)在保證整個燃料電池堆所有雙極板的冷卻孔加工精度與裝配精度一致性的前提下，在端部單電池的單極板上設(shè)置冷卻空氣流通量小的單極板冷卻流道，其有兩種可行的方案，一是減少單極板冷卻流道的數(shù)量，二是縮小單極板冷卻流道的孔徑；此外，在完全滿足冷卻要求的基礎(chǔ)上也可以取消單極板冷卻流道，只在雙極板上設(shè)冷卻流道。通過以上結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使端部單電池中膜電極的反應(yīng)溫度與其它部位的膜電極的反應(yīng)溫度一致或接近，從而提高了端部單電池的性能；(2)當(dāng)反應(yīng)氣體經(jīng)過單極板的導(dǎo)流槽時，不會因?yàn)槎瞬繂坞姵販囟鹊投顾魵饫淠粼趩螛O板的導(dǎo)流槽中，甚至堵塞導(dǎo)流槽的現(xiàn)象，保證了端部單電池的正常工作。
四

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是不設(shè)冷卻流道的單極板；圖3是冷卻流道孔徑縮小的單極板；圖4是冷卻流道數(shù)量減少的單極板。
五具體實(shí)施方式
下面通過附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明如圖1所示，本實(shí)用新型所述的一種可提高端部單電池性能的空冷型燃料電池，它包括層疊設(shè)置的一組單電池，在所述一組單電池的兩端分別設(shè)有端部單電池，其中單電池包括膜電極1以及設(shè)置在膜電極1兩側(cè)的雙極板2，端部單電池包括內(nèi)側(cè)的雙極板2、中間的膜電極1和外側(cè)的單極板3，為了使端部單電池中膜電極1的反應(yīng)溫度與其它部位的膜電極1的反應(yīng)溫度一致或接近，以提高端部單電池的性能，在雙極板2上設(shè)有流通冷卻空氣的雙極板冷卻流道4，而端部單電池中的單極板3在完全滿足冷卻要求的基礎(chǔ)上可以取消冷卻流道，如圖1、圖2，當(dāng)設(shè)置單極板冷卻流道5時，則采用冷卻空氣流通量小的冷卻流道以降低端部單電池的冷卻速度，使之與燃料電池其它部分的溫度相一致，為此有兩種可行的方案，一是減少單極板冷卻流道的數(shù)量，如圖4，二是縮小單極板冷卻流道的孔徑，如圖3。
權(quán)利要求1.一種可提高端部單電池性能的空冷型燃料電池，它包括層疊設(shè)置的一組單電池，在所述一組單電池的兩端分別設(shè)有端部單電池，其中單電池包括膜電極(1)以及設(shè)置在膜電極(1)兩側(cè)的雙極板(2)，端部單電池包括內(nèi)側(cè)的雙極板(2)、中間的膜電極(1)和外側(cè)的單極板(3)，其特征是在雙極板(2)上設(shè)有流通冷卻空氣的雙極板冷卻流道(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可提高端部單電池性能的空冷型燃料電池，其特征是在所述單極板(3)上設(shè)有冷卻空氣流通量小的單極板冷卻流道(5)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種可提高端部單電池性能的空冷型燃料電池，它包括層疊設(shè)置的一組單電池，在所述一組單電池的兩端分別設(shè)有端部單電池，其中單電池包括膜電極以及設(shè)置在膜電極兩側(cè)的雙極板，端部單電池包括內(nèi)側(cè)的雙極板、中間的膜電極和外側(cè)的單極板，在雙極板上設(shè)有流通冷卻空氣的雙極板冷卻流道。為了使端部單電池溫度與其它部位的溫度一致或接近，在雙極板上設(shè)有冷卻流道，而單極板上可以設(shè)置冷卻流道，在完全滿足冷卻要求的基礎(chǔ)上也可以取消冷卻流道，當(dāng)設(shè)置冷卻孔流道，則采用冷卻空氣流通量小的冷卻流道以降低端部單電池的冷卻速度，為此有兩種可行的方案，一是減少單極板冷卻流道的數(shù)量，二是縮小單極板冷卻流道的孔徑。
文檔編號H01M8/04GK2879437SQ200620068779
公開日2007年3月14日 申請日期2006年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月24日
發(fā)明者喬永慶, 沈建躍, 曲平, 康新 申請人:南京博能燃料電池有限責(zé)任公司