專利名稱：串聯(lián)供氣的質(zhì)子交換膜燃料電池組及其供氣方法
技術領域：
本發(fā)明涉及質(zhì)子交換膜燃料電池組。
背景技術：
燃料電池將是本世紀最理想的能量轉(zhuǎn)換裝置之一，它是一種將燃料的化學能直接轉(zhuǎn)換成電能的電化學轉(zhuǎn)換裝置，燃料電池除了在發(fā)電時無污染、無噪音、無腐蝕的優(yōu)點外，尤其是它還具有發(fā)電效率高、使用壽命長等優(yōu)點，因此在航天、交通工具、移動電源等各領域均具有廣泛的應用前景?，F(xiàn)有質(zhì)子交換膜燃料電池采用并聯(lián)供氣結(jié)構，并聯(lián)供氣結(jié)構使電極表面的電流密度不均勻，從而導致水的分布不均勻，易造成單體電池水阻塞和散熱效果差，導致電池堆的發(fā)電效率降低。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有質(zhì)子交換膜燃料電池并聯(lián)供氣結(jié)構存在的電極表面電流密度不均勻而導致水的分布不均勻、易造成水阻塞和散熱效果差，導致電池堆發(fā)電效率降低的問題，提供了一種串聯(lián)供氣的質(zhì)子交換膜燃料電池組及其供氣方法，解決上述問題的具體技術方案如下本發(fā)明包含電池堆、雙極板、陽極進氣閥、陰極進氣閥、陽極閥旁路管、陰極閥旁路管、陽極輸氣管路、陰極輸氣管路、陽極出氣管路和陰極出氣管路，它還包含有陽極反應氣體流通管路和陰極反應氣體流通管路，電池堆由至少兩個單體電池組成，每兩個相鄰單體電池串聯(lián)連接，相鄰兩個單體電池之間左右呈階梯狀、互相平行排列，所有單體電池的陽極、陰極都同向排列，每個陽極反應氣體流通管路分別連通在相鄰的兩個單體電池的陽極與陽極之間，每個陰極反應氣體流通管路分別連通在相鄰的兩個單體電池的陰極與陰極之間，相鄰兩個單體電池的陽極與陰極之間由雙極板實現(xiàn)串聯(lián)電聯(lián)接，陽極進氣閥經(jīng)陽極閥旁路管與氣源連通，陽極輸氣管路的一端與陽極進氣閥的出氣端連通，陽極輸氣管路的另一端與電池堆串聯(lián)回路中首端的單體電池陽極的始端連通，陰極進氣閥經(jīng)陰極閥旁路管與氣源連通，陰極輸氣管路的一端與陰極進氣閥的出氣端連通，陰極輸氣管路的另一端與電池堆串聯(lián)回路中首端的單體電池陰極的始端連通，陽極出氣管路的一端與電池堆串聯(lián)回路中終端的單體電池的陽極末端連通，陰極出氣管路的一端與電池堆串聯(lián)回路中終端的單體電池的陰極末端連通。
本發(fā)明的供氣方法一、從氣源陽極旁路管輸出的氣體經(jīng)陽極進氣閥輸入陽極輸氣管路的一端，然后輸入到電池堆串聯(lián)回路中首端的單體電池的陽極始端；從氣源陰極旁路管輸出的氣體經(jīng)陰極進氣閥輸入陰極輸氣管路的一端，然后輸入到電池堆串聯(lián)回路中首端的單體電池的陰極始端；二、進入電池堆串聯(lián)回路中首端單體電池的陽極反應氣體從電池堆串聯(lián)回路中首端單體電池陽極的末端輸出，經(jīng)陽極反應氣體流通管路輸入給電池堆串聯(lián)回路中下一級單體電池陽極的始端，陽極反應氣體經(jīng)本級單體電池陽極的末端進入下一級陽極反應氣體流通管路，按此方式經(jīng)若干個單體電池和若干個陽極反應氣體流通管路后氣體進入電池堆串聯(lián)回路中終端的單體電池陽極的始端，反應氣體再經(jīng)電池堆串聯(lián)回路中終端的單體電池陽極的末端由陽極出氣管路輸出；進入電池堆串聯(lián)回路中首端單體電池的陰極反應氣體從電池堆串聯(lián)回路中首端單體電池陰極的末端輸出，進入陰極反應氣體流通管路輸入給串聯(lián)回路中下一級單體電池陰極的始端，陰極反應氣體經(jīng)串聯(lián)回路中本級單體電池陰極的末端進入串聯(lián)回路中下一級陰極反應氣體流通管路，按此方式陰極反應氣體經(jīng)若干個單體電池和若干個陰極反應氣體流通管路后氣體進入串聯(lián)回路中終端的單體電池陰極的始端，氣體再經(jīng)串聯(lián)回路中終端的單體電池陰極的末端由陰極出氣管路輸出；本發(fā)明適用于航天、交通工具、移動電源等領域，質(zhì)子交換膜燃料電池采用氣體串聯(lián)供氣結(jié)構，一部分反應氣在陰極催化劑表面與質(zhì)子化合生成水，使燃料氣體被生成的水加濕，增大了電池組的散熱效果；氣體串聯(lián)供氣在電極表面的電流密度均勻，使水的分布均勻，燃料氣體被生成的水加濕后能被帶走一部分，所以不會出現(xiàn)水阻塞的情況，提高了電池堆的發(fā)電效率。
圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構示意圖，圖2是陰極、陽極采用相互逆向供氣的結(jié)構示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一結(jié)合圖1描述本實施方式。本實施方式它由電池堆、雙極板2、陽極進氣閥10、陰極進氣閥11、陽極閥旁路管15、陰極閥旁路管14、陽極輸氣管路6、陰極輸氣管路7、陽極出氣管路8、陰極出氣管路9、陽極反應氣體流通管路4和陰極反應氣體流通管路5組成，電池堆由至少兩個單體電池3組成，每兩個相鄰單體電池3串聯(lián)連接，相鄰兩個單體電池3之間左右呈階梯狀、互相平行排列，所有單體電池3的陽極、陰極都同向排列，每個陽極反應氣體流通管路4分別連通在相鄰的兩個單體電池3的陽極與陽極之間，每個陰極反應氣體流通管路5分別連通在相鄰的兩個單體電池的陰極與陰極之間，相鄰兩個單體電池3的陽極與陰極之間由雙極板2實現(xiàn)串聯(lián)電聯(lián)接，陽極進氣閥10經(jīng)陽極閥旁路管15與氣源連通，陽極輸氣管路6的一端與陽極進氣閥10的出氣端連通，陽極輸氣管路6的另一端與電池堆串聯(lián)回路中首端的單體電池3陽極的始端連通；陰極進氣閥11經(jīng)陰極閥旁路管14與氣源連通，陰極輸氣管路7的一端與陰極進氣閥11的出氣端連通，陰極輸氣管路7的另一端與電池堆串聯(lián)回路中首端的單體電池3陰極的始端連通，陽極出氣管路8的一端與電池堆串聯(lián)回路中終端的單體電池3的陽極末端連通，陰極出氣管路9的一端與電池堆串聯(lián)回路中終端的單體電池3的陰極末端連通。
單體電池3的陽極在上、陰極在下。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一的不同點在于它還包含有陽極反應氣體循環(huán)管路12、陰極反應氣體循環(huán)管路13，陽極反應氣體循環(huán)管路12的一端與陽極進氣閥10的進氣端連通，陽極反應氣體循環(huán)管路12的另一端與陽極出氣管路8的另一端連通，陰極反應氣體循環(huán)管路13的一端與陰極進氣閥11的進氣端連通，陰極反應氣體循環(huán)管路13的另一端與陰極出氣管路9的另一端連通。
具體實施方式
三本實施方式的供氣方法的步驟如下一、從氣源陽極閥旁路管15輸出的氣體經(jīng)陽極進氣閥10輸入陽極輸氣管路6的一端，然后輸入到電池堆串聯(lián)回路中首端的單體電池3的陽極始端；從氣源陰極閥旁路管14輸出的氣體經(jīng)陰極進氣閥11輸入陰極輸氣管路7的一端，然后輸入到電池堆串聯(lián)回路中首端的單體電池3的陰極始端；
二、進入電池堆串聯(lián)回路中首端單體電池3的陽極反應氣體從電池堆串聯(lián)回路中首端單體電池3陽極的末端輸出，經(jīng)陽極反應氣體流通管路4輸入給電池堆串聯(lián)回路中下一級單體電池3陽極的始端，陽極反應氣體經(jīng)本級單體電池3陽極的末端進入下一級陽極反應氣體流通管路4，按此方式經(jīng)若干個單體電池3和若干個陽極反應氣體流通管路4后氣體進入電池堆串聯(lián)回路中終端的單體電池3陽極的始端，反應氣體再經(jīng)電池堆串聯(lián)回路中終端的單體電池3陽極的末端由陽極出氣管路8輸出；進入電池堆串聯(lián)回路中首端單體電池3的陰極反應氣體從電池堆串聯(lián)回路中首端單體電池3陰極的末端輸出，然后進入陰極反應氣體流通管路5輸入給串聯(lián)回路中下一級單體電池3陰極的始端，陰極反應氣體經(jīng)串聯(lián)回路中本級單體電池3陰極的末端進入串聯(lián)回路中下一級陰極反應氣體流通管路5，按此方式陰極反應氣體經(jīng)若干個單體電池3和若干個陰極反應氣體流通管路5后氣體進入串聯(lián)回路中終端的單體電池3陰極的始端，氣體再經(jīng)串聯(lián)回路中終端的單體電池3陰極的末端由陰極出氣管路9輸出。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
三的不同點在于它還包含有經(jīng)串聯(lián)回路中終端的單體電池3陽極末端相連的陽極出氣管路8輸出的陽極反應氣體通過陽極反應氣體循環(huán)管路12輸入到陽極進氣閥10，實現(xiàn)陽極氣體的循環(huán)供氣；經(jīng)串聯(lián)回路中終端的單體電池3陰極的末端相連的陰極出氣管路9輸出的陰極反應氣體通過陰極反應氣體循環(huán)管路13輸入到陰極進氣閥11，實現(xiàn)陰極氣體的循環(huán)供氣。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
三的不同點在于步驟一的陰極反應氣體采用大氣作氣源。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
三的不同點在于步驟一、步驟二的陰極、陽極采用互相逆向的氣體供給方式(如圖2)。
具體實施方式
七本實施方式的陽極反應氣體采用氫氣，陰極反應氣體采用氧氣。
工作過程氣體由陽極輸氣管路6進入首端的單體電池3的陽極始端，一部分反應氣體在首端的單體電池3的陽極催化劑表面失去電子形成質(zhì)子，剩余的反應氣體經(jīng)陽極反應氣體流通管路4進入下一級單體電池3的陽極始端，一部分陽極反應氣體在本級單體電池3的陽極催劑表面失去電子形成質(zhì)子，余下反應氣體通過陽極反應氣體流通管路4逐級進入終端的單體電池3的陽極始端，一部分陽極反應氣在終端的單體電池3的陽極催化劑表面失去電子形成質(zhì)子，余下的反應氣體從終端的單體電池3陽極末端的陽極出氣管路8排出電池組系統(tǒng)，或經(jīng)陽極反應氣體循環(huán)管路12返回陽極進氣閥10的進氣端循環(huán)使用。
氣體由陰極輸氣管路7進入首端的單體電池3的陰極始端，一部分反應氣體在首端的單體電池3的陰極催化劑表面與質(zhì)子化合生成水，剩余的反應氣體經(jīng)陰極反應氣體流通管路5進入下一級單體電池3的陰極，一部分陰極反應氣體在本級單體電池3的陰極催化劑表面與質(zhì)子化合生成水，余下反應氣通過陰極反應氣體流通管路5逐級進入終端的單體電池3的陰極始端，一部分陰極反應氣在終端的單體電池3的陰極催化劑表面與質(zhì)子化合生成水，余下的反應氣體從終端的單體電池3陰極的末端輸送至陰極出氣管路9排出電池組系統(tǒng)，或經(jīng)陰極反應氣體循環(huán)管路13返回陰極進氣閥11的進氣端循環(huán)使用。
反應氣體串聯(lián)供給結(jié)構使電極表面的電流密度均勻，從而使水的分布均勻，由于反應氣體串行供給，反應氣體運行通暢，而且反應氣體被加濕后能帶走部分水，因此解決了反應氣體并聯(lián)供給造成的電極表面的電流密度不均勻，使水的分布不均勻，會發(fā)生水阻塞和發(fā)電效率低的問題。
權利要求
1.串聯(lián)供氣的質(zhì)子交換膜燃料電池組，它包含電池堆、雙極板(2)、陽極進氣閥(10)、陰極進氣閥(11)、陽極閥旁路管(15)、陰極閥旁路管(14)、陽極輸氣管路(6)、陰極輸氣管路(7)、陽極出氣管路(8)和陰極出氣管路(9)，其特征在于它還包含有陽極反應氣體流通管路(4)和陰極反應氣體流通管路(5)，電池堆由至少兩個單體電池(3)組成，每兩個相鄰單體電池(3)串聯(lián)連接，相鄰兩個單體電池(3)之間左右呈階梯狀、互相平行排列，所有單體電池(3)的陽極、陰極都同向排列，每個陽極反應氣體流通管路(4)分別連通在相鄰的兩個單體電池(3)的陽極與陽極之間，每個陰極反應氣體流通管路(5)分別連通在相鄰的兩個單體電池(3)的陰極與陰極之間，相鄰兩個單體電池(3)的陽極與陰極之間由雙極板(2)實現(xiàn)串聯(lián)電聯(lián)接，陽極進氣閥(10)經(jīng)陽極閥旁路管(15)與氣源連通，陽極輸氣管路(6)的一端與陽極進氣閥(10)的出氣端連通，陽極輸氣管路(6)的另一端與電池堆串聯(lián)回路中首端的單體電池(3)陽極的始端連通，陰極進氣閥(11)經(jīng)陰極閥旁路管(14)與氣源連通，陰極輸氣管路(7)的一端與陰極進氣閥(11)的出氣端連通，陰極輸氣管路(7)的另一端與電池堆串聯(lián)回路中首端的單體電池(3)陰極的始端連通，陽極出氣管路(8)的一端與電池堆串聯(lián)回路中終端的單體電池(3)的陽極末端連通，陰極出氣管路(9)的一端與電池堆串聯(lián)回路中終端的單體電池(3)的陰極末端連通。
2.根據(jù)權利要求1所述的串聯(lián)供氣的質(zhì)子交換膜燃料電池組，其特征在于它還包含有陽極反應氣循環(huán)管路(12)、陰極反應氣循環(huán)管路(13)，陽極反應氣體循環(huán)管路(12)的一端與陽極進氣閥(10)的進氣端連通，陽極反應氣體循環(huán)管路(12)的另一端與陽極出氣管路(8)的另一端連通，陰極反應氣體循環(huán)管路(13)的一端與陰極進氣閥(11)的進氣端連通，陰極反應氣體循環(huán)管路(13)的另一端與陰極出氣管路(9)的另一端連通。
3.串聯(lián)供氣的質(zhì)子交換膜燃料電池組的供氣方法，其特征在于該方法的步驟如下一、從氣源陽極閥旁路管(15)輸出的氣體經(jīng)陽極進氣閥(10)輸入陽極輸氣管路(6)的一端，然后輸入到電池堆串聯(lián)回路中首端的單體電池(3)的陽極始端；從氣源陰極閥旁路管(14)輸出的氣體經(jīng)陰極進氣閥(11)輸入陰極輸氣管路(7)的一端，然后輸入到電池堆串聯(lián)回路中首端的單體電池(3)的陰極始端；二、進入電池堆串聯(lián)回路中首端單體電池(3)的陽極反應氣體從電池堆串聯(lián)回路中首端單體電池(3)陽極的末端輸出，經(jīng)陽極反應氣體流通管路(4)輸入給電池堆串聯(lián)回路中下一級單體電池(3)陽極的始端，陽極反應氣體經(jīng)本級單體電池(3)陽極的末端進入下一級陽極反應氣體流通管路(4)，按此方式經(jīng)若干個單體電池(3)和若干個陽極反應氣體流通管路(4)后氣體進入電池堆串聯(lián)回路中終端的單體電池(3)陽極的始端，反應氣體再經(jīng)電池堆串聯(lián)回路中終端的單體電池(3)陽極的末端由陽極出氣管路(8)輸出；進入電池堆串聯(lián)回路中首端單體電池(3)的陰極反應氣體從電池堆串聯(lián)回路中首端單體電池(3)陰極的末端輸出，然后進入陰極反應氣體流通管路(5)輸入給串聯(lián)回路中下一級單體電池(3)陰極的始端，陰極反應氣體經(jīng)串聯(lián)回路中本級單體電池(3)陰極的末端進入串聯(lián)回路中下一級陰極反應氣體流通管路(5)，按此方式陰極反應氣體經(jīng)若干個單體電池(3)和若干個陰極反應氣體流通管路(5)后氣體進入串聯(lián)回路中終端的單體電池(3)陰極的始端，氣體再經(jīng)串聯(lián)回路中終端的單體電池(3)陰極的末端由陰極出氣管路(9)輸出。
4.根據(jù)權利要求3所述的串聯(lián)供氣的質(zhì)子交換膜燃料電池組的供氣方法，其特征在于它還包含有經(jīng)串聯(lián)回路中終端的單體電池(3)陽極末端相連的陽極出氣管路(8)輸出的陽極反應氣體通過陽極反應氣體循環(huán)管路(12)，輸入到陽極進氣閥(10)，實現(xiàn)陽極氣體的循環(huán)供氣。
5.根據(jù)權利要求3所述的串聯(lián)供氣的質(zhì)子交換膜燃料電池組的供氣方法，其特征在于它還包含有經(jīng)串聯(lián)回路中終端的單體電池(3)陰極的末端相連的陰極出氣管路(9)輸出的陰極反應氣體通過陰極反應氣體循環(huán)管路(13)輸入到陰極進氣閥(11)，實現(xiàn)陰極氣體的循環(huán)供氣。
6.根據(jù)權利要求3所述的串聯(lián)供氣的質(zhì)子交換膜燃料電池組的供氣方法，其特征在于步驟一的陰極反應氣體采用大氣作氣源。
7.根據(jù)權利要求3所述的串聯(lián)供氣的質(zhì)子交換膜燃料電池組的供氣方法，其特征在于步驟一、步驟二的陰極、陽極采用互相逆向的氣體供給方式。
8.根據(jù)權利要求3所述的串聯(lián)供氣的質(zhì)子交換膜燃料電池組的供氣方法，其特征在于陽極反應氣體采用氫氣。
9.根據(jù)權利要求3所述的串聯(lián)供氣的質(zhì)子交換膜燃料電池組的供氣方法，其特征在于陰極反應氣體采用氧氣。
全文摘要
串聯(lián)供氣的質(zhì)子交換膜燃料電池組及其供氣方法，它涉及燃料電池組。解決了并聯(lián)供氣電流密度和水的分布不均勻、易造成水阻塞和發(fā)電效率低的問題。它由氣體流通管路和至少兩個單體電池組成，相鄰兩個單體電池之間呈階梯狀串聯(lián)連接，流通管路分別連通在相鄰的兩個單體電池的陽極與陽極，陰極與陰極之間，相鄰兩個單體電池的陽極與陰極由雙極板實現(xiàn)串聯(lián)電聯(lián)接。方法一、從氣源輸出的氣體分別經(jīng)陽極、陰極進氣閥至單體電池；二、陰極、陽極反應氣體分別經(jīng)單體電池和氣體流通管路逐級串聯(lián)供氣；三、再分別由終端的單體電池的陽極和陰極末端出氣管排出。本發(fā)明的氣體串聯(lián)供氣電流密度和水的分布均勻，氣體被生成的水加濕帶走一部分，不會發(fā)生水阻塞，發(fā)電效率高。
文檔編號H01M8/04GK1870341SQ200610010058
公開日2006年11月29日 申請日期2006年5月19日 優(yōu)先權日2006年5月19日
發(fā)明者史鵬飛, 楊濤, 尹鴿平, 杜春雨, 程新群 申請人:哈爾濱工業(yè)大學