專利名稱：一種燃料電池的進(jìn)氣方式的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池的進(jìn)氣方式。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)作為一種新型的能源處理方式，具有工作溫度低、無污染、無腐蝕、比功率大、啟動(dòng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。燃料電池發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用前景十分廣闊。在小型及微型方面，可以建設(shè)從幾瓦到5千瓦以下的微機(jī)及動(dòng)力源，諸如用于單、雙人車輛；家庭電話、電灶，以及移動(dòng)通訊、筆記本電腦、手機(jī)使用的長(zhǎng)壽命電源；大型方面，可以用于幾十、幾百千瓦的轎車、大客卡車、坦克、潛水艇動(dòng)力裝置及獨(dú)立電網(wǎng)、礦山、碼頭電源等。各個(gè)方面的普遍應(yīng)用，將帶動(dòng)龐大的產(chǎn)業(yè)群，改變?nèi)藗兊纳罴皞鹘y(tǒng)習(xí)慣，成為“氫經(jīng)濟(jì)社會(huì)”的動(dòng)力基礎(chǔ)。
PEMFC的構(gòu)成包括集流板、流場(chǎng)板、氣體擴(kuò)散層、催化層和質(zhì)子交換膜。集流板用來收集電子。流場(chǎng)板用于提供燃料和氧化劑的通道。氣體擴(kuò)散層是導(dǎo)電材料制成的多孔合成物，它一方面為氣體從流道擴(kuò)散到催化層提供通道，另一方面對(duì)燃料電池的催化層起支撐的作用，氣體擴(kuò)散層孔隙率和孔徑是其兩個(gè)重要的參數(shù)。催化層的作用是使燃料和氧化劑發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，催化劑的好壞直接影響到燃料電池性能的好壞，目前催化劑多采用Pt或Pt/C，這類催化劑非常昂貴，在燃料電池的成本中占較大比例。為了減少催化劑的用量，一般將催化劑做成粗糙多孔的結(jié)構(gòu)，使其有足夠的比表面積以促進(jìn)氫氣和氧氣的反應(yīng)。質(zhì)子交換膜(PEMProton Exchange Membrane)是質(zhì)子交換膜燃料電池中一個(gè)非常重要的組件，它兼有隔膜和電解質(zhì)的作用。其隔膜作用就是阻止陰陽極之間氣體相通，防止氫氧混合發(fā)生爆炸；其電解質(zhì)的作用是僅使質(zhì)子通過，而使電子傳遞受阻，這樣電子就被迫通過外電路流動(dòng)向外輸出電能。目前常用的質(zhì)子交換膜為全氟磺酸型固體聚合物，酸分子固定在聚合物上，不能自由移動(dòng)，但質(zhì)子卻可自由地通過電解質(zhì)遷移，但是質(zhì)子的移動(dòng)受質(zhì)子交換膜潤(rùn)濕條件的制約，質(zhì)子交換膜潤(rùn)濕越好，質(zhì)子傳遞阻力越小，也就越容易通過，相反，如果質(zhì)子交換膜干涸，質(zhì)子傳遞則受阻，燃料電池性能就下降。質(zhì)子交換膜的典型厚度為0.05mm～0.18mm。
當(dāng)分別向陽極和陰極供給氫氣與氧氣時(shí)，反應(yīng)氣體經(jīng)擴(kuò)散層擴(kuò)散，進(jìn)入多孔陽極的氫原子被催化劑吸附并離化為氫離子和電子，氫離子經(jīng)由質(zhì)子交換膜轉(zhuǎn)移到陰極，電子在電極內(nèi)傳遞至負(fù)極集流板經(jīng)外電路負(fù)載流向陰極，在陰極催化層上和氫離子、氧原子結(jié)合成水分子，生成的水通過電極隨反應(yīng)尾氣排出。因而，質(zhì)子交換膜燃料電池的化學(xué)反應(yīng)為陽極反應(yīng)H2→2H++2e陰極反應(yīng)1/2O2+2H++2e→H2O+熱電池總反應(yīng)H2+1/2O2→H2O+電能+熱由總反應(yīng)式可看出，質(zhì)子交換膜燃料電池唯一的副產(chǎn)物是純水。
質(zhì)子交換膜燃料電池的單電池的理想電壓為1.229V，但是由于實(shí)際使用過程中存在各種極化，所以電壓較低，一般為0.7V左右。實(shí)際使用的質(zhì)子交換膜燃料電池多為質(zhì)子交換膜燃料電池組，由多個(gè)單電池在電流上串連，在氣路上并聯(lián)組成，此時(shí)，陰極流場(chǎng)板和陽極流場(chǎng)板“背對(duì)背”合二為一，成為雙極板，雙極板的一側(cè)流氧氣(空氣)，另一側(cè)流氫氣，雙極板兼有導(dǎo)流和導(dǎo)電作用。有時(shí)根據(jù)實(shí)際電流、電壓和功率需要，實(shí)施多個(gè)電池組電路上的串、并組合。
一般來說燃料電池內(nèi)的氣體和水分布非常不均勻，尤其是陰極在高電流密度工作時(shí)生成了大量的水同時(shí)消耗了大量的氧氣，造成陰極水淹并發(fā)生濃差極化。提高大電流密度下的電池性能，減小濃差極化的方法較多，可以調(diào)整增濕度、改進(jìn)電極結(jié)構(gòu)和進(jìn)氣方式，但減小增濕度，在較低的電流密度下電池性能較差。因此改進(jìn)進(jìn)氣方式對(duì)于加強(qiáng)水管理，減小陰極水淹提高電池性能具有十分重要的研究意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種燃料電池的進(jìn)氣方式，有利于加強(qiáng)陰極的水氣排出，提高流道后半程氧氣或氫氣的濃度，使電池保持較高的工作性能。
本發(fā)明可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種燃料電池的進(jìn)氣方式，所述燃料電池包括多個(gè)單電池、主進(jìn)氣口和出氣口，單電池流場(chǎng)板流道通過主進(jìn)氣口進(jìn)氣，所述燃料電池還設(shè)有二次進(jìn)氣口，所述二次進(jìn)氣口也與流場(chǎng)板流道相通實(shí)現(xiàn)二次進(jìn)氣，二次進(jìn)氣壓力小于主進(jìn)氣壓力，以改善電池內(nèi)氣體的分布狀態(tài)。
所述二次進(jìn)氣口距離流道進(jìn)口大于流道總長(zhǎng)的二分之一，距離流道出口大于流道總長(zhǎng)的三分之一。二次進(jìn)氣口與流場(chǎng)板所有流道相通，是通過打通流道之間的岸實(shí)現(xiàn)的，保證二次進(jìn)氣可以分配到所有的流道中。二次進(jìn)氣口的氣體流量、壓力和增濕度可以調(diào)整，一般二次進(jìn)氣口進(jìn)氣增濕度較低或不增濕。
本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，通過在靠近流道出口處增加一個(gè)二次進(jìn)氣口，可以提高陰極氧氣或陽極氫氣的濃度，同時(shí)快速的氣體流動(dòng)帶走了陰極生成的水，有效地改善了陰極的水分布，減小陰極濃差極化，有利于提高單電池的性能，提高了燃料電池運(yùn)行的穩(wěn)定性和壽命。


下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1為本發(fā)明燃料電池進(jìn)氣示意2為一種二次進(jìn)氣口的示意3為第二種二次進(jìn)氣口的示意4為第三種二次進(jìn)氣口的示意5為第四種二次進(jìn)氣口的示意圖具體實(shí)施方式
參照?qǐng)D1，燃料電池由若干個(gè)單電池通過兩側(cè)端板固定組成，每個(gè)單電池又由陰極流場(chǎng)板、陽極流場(chǎng)板、擴(kuò)散層、催化層與質(zhì)子交換膜組成。單電池流場(chǎng)板流道2通過主進(jìn)氣口1進(jìn)氣，通過出氣口5出氣。實(shí)現(xiàn)二次進(jìn)氣主要在陰極流場(chǎng)板或陽極流場(chǎng)板上增加二次進(jìn)氣口4，二次進(jìn)氣口4與流道2相通。在流場(chǎng)板上增加二次進(jìn)氣口4，并不只適用于圖中的多蛇形流道，對(duì)于其他流道如直流道、單蛇形流道等同樣適用。
二次進(jìn)氣口4的位置不限于圖中位置，一般宜設(shè)在靠近出氣口5的位置，最好是距離流道進(jìn)口大于流道總長(zhǎng)的二分之一，距離流道出口大于流道總長(zhǎng)的三分之一，尤其在陰極能起到較好地增加氧氣濃度，帶走過量水分的作用。二次進(jìn)氣口4的壓力要低于主進(jìn)氣口1氣壓，以防止氣體無法從二次進(jìn)氣口4進(jìn)入電池內(nèi)部。
參照?qǐng)D2、圖3、圖4和圖5，它們是幾種二次進(jìn)氣口的示意圖。圖2中設(shè)有左右兩個(gè)二次進(jìn)氣口4，二次進(jìn)氣口4通過水平進(jìn)氣通道6與流場(chǎng)板所有流道2相通，它是通過打通流場(chǎng)板各流道2之間的岸3實(shí)現(xiàn)的，保證二次進(jìn)氣可以分配到所有的流道2中。兩側(cè)進(jìn)氣較適合于直流道，不適合蛇形流道。圖3設(shè)有左右兩個(gè)二次進(jìn)氣口4，二次進(jìn)氣口4通過傾斜進(jìn)氣通道6與流場(chǎng)板所有流道2相通，該進(jìn)氣方式有利于減小沿傾斜進(jìn)氣通道方向上氣壓減小造成的氣體分布不均。圖4設(shè)有一個(gè)二次進(jìn)氣口4，進(jìn)氣通道6水平設(shè)置，這種結(jié)構(gòu)適用面廣，因?yàn)橐粋?cè)進(jìn)口使結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，且水平進(jìn)氣通道6的寬度可以根據(jù)氣壓變化進(jìn)行改變。圖5設(shè)有一個(gè)二次進(jìn)氣口4，進(jìn)氣通道6傾斜設(shè)置，該進(jìn)氣方式通過改變傾斜度和進(jìn)氣通道6的寬度，減小了因沿二次進(jìn)氣通道的氣體壓力變化而造成氣體分布不均的影響。二次進(jìn)氣口4及與流場(chǎng)板相通的進(jìn)氣通道6的位置和形狀并不限于上述各圖中所示幾種情況。
二次進(jìn)氣口的4氣體流量、壓力和增濕度可以調(diào)整，一般進(jìn)氣增濕度較低或不增濕。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池的進(jìn)氣方式，所述燃料電池包括多個(gè)單電池、主進(jìn)氣口(1)和出氣口(5)，單電池流場(chǎng)板流道(2)通過主進(jìn)氣口(1)進(jìn)氣，其特征在于所述燃料電池流場(chǎng)板上還設(shè)有二次進(jìn)氣口(4)，所述二次進(jìn)氣口(4)也與流場(chǎng)板流道(2)相通實(shí)現(xiàn)二次進(jìn)氣，二次進(jìn)氣壓力小于主進(jìn)氣壓力，以改善電池內(nèi)氣體的分布狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池的進(jìn)氣方式，其特征在于所述二次進(jìn)氣口(4)距離流道進(jìn)口大于流道總長(zhǎng)的二分之一，距離流道出口大于流道總長(zhǎng)的三分之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的燃料電池的進(jìn)氣方式，其特征在于二次進(jìn)氣口(4)與流場(chǎng)板所有流道(2)相通，是通過打通流道(2)之間的岸(3)實(shí)現(xiàn)的，保證二次進(jìn)氣可以分配到所有的流道(2)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的燃料電池的進(jìn)氣方式，其特征在于所述二次進(jìn)氣口(4)的氣體流量、壓力和增濕度可以調(diào)整。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池的進(jìn)氣方式，其特征在于二次進(jìn)氣口(4)的進(jìn)氣增濕度較低或不增濕。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料電池的進(jìn)氣方式，所述燃料電池包括多個(gè)單電池、主進(jìn)氣口(1)和出氣口(5)，單電池流場(chǎng)板流道(2)通過主進(jìn)氣口(1)進(jìn)氣，所述燃料電池流場(chǎng)板上還設(shè)有二次進(jìn)氣口(4)，所述二次進(jìn)氣口(4)也與流場(chǎng)板流道(2)相通實(shí)現(xiàn)二次進(jìn)氣，二次進(jìn)氣壓力小于主進(jìn)氣壓力，以改善電池內(nèi)氣體的分布狀態(tài)。二次進(jìn)氣口的增設(shè)在陰極和陽極均可，同時(shí)可適用于多數(shù)流場(chǎng)板，包括直流道、蛇型流道等。本發(fā)明可以顯著改善電池內(nèi)水的分布，提高氧氣或氫氣濃度，防止陰極水淹，減小濃差極化，有利于提高燃料電池性能，使電池更為安全穩(wěn)定運(yùn)行。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1996653SQ20061015598
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月31日
發(fā)明者薛昆, 岳江寧 申請(qǐng)人:春蘭(集團(tuán))公司