專利名稱：空冷型燃料電池堆的制作方法
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，具體的說是一種空冷型燃料電池堆。
二背景技術(shù)：
燃料電池堆是一種通過氫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。
燃料電池堆的另一重要部件是雙極板。雙極板的兩側(cè)表面都至少含有一條氣體導(dǎo)流槽，其中一側(cè)是燃料氣體(氫氣)導(dǎo)流槽，另一側(cè)是氧化劑氣體(空氣)導(dǎo)流槽，兩者為參加電極反應(yīng)的氣體提供了到達(dá)膜電極的通道，在反應(yīng)中產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物(如水)通過氣體導(dǎo)流槽排出電堆。雙極板的內(nèi)部至少含有一條冷卻流道，冷卻介質(zhì)(如空氣或水)流經(jīng)雙極板中的冷卻流道，將反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量帶出電堆。雙極板由導(dǎo)電材料經(jīng)過模壓、沖壓或機(jī)械雕刻而成，為電子的流動(dòng)提供了通道。雙極板具有一定的強(qiáng)度，為膜電極提供支撐，并具有一定的氣密性，通過雙極板、膜電極以及雙極板與膜電極之間的密封材料把參加反應(yīng)的燃料和氧化劑分開。
當(dāng)氫氣由燃料電池堆的氫氣入口進(jìn)入雙極板的氫氣導(dǎo)流槽后，透過多孔性的氣體擴(kuò)散層到達(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)散層和雙極板到達(dá)用電器，再通過雙極板及多孔性的氣體擴(kuò)散層到達(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)散層到達(dá)催化劑表面的氧化劑和通過質(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)。在氫燃料電池中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)可用以下的反應(yīng)方程式來表示陽極反應(yīng)陰極反應(yīng)反應(yīng)產(chǎn)物—水在陰極一側(cè)的催化劑表面生成后，與空氣中沒有參加反應(yīng)的氮?dú)夂筒糠譀]有參加反應(yīng)的氧氣形成高濕高溫水汽混合物，高濕高溫水汽混合物透過氣體擴(kuò)散層后進(jìn)入氣體導(dǎo)流槽。接觸到溫度較低的雙極板后，高溫高濕水汽混合物中的部分水汽冷凝成為液態(tài)水。如果大量的液態(tài)水滯留在某個(gè)雙極板的氣體導(dǎo)流槽中，會(huì)堵塞氣體導(dǎo)流槽，導(dǎo)致參加反應(yīng)的空氣流量減少，甚至完全沒有空氣流量。其結(jié)果是該雙極板對(duì)應(yīng)的單電池的電壓要低于燃料電池堆中其它單電池的電壓，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)反極現(xiàn)象。
對(duì)于雙極板的空氣入口不高于空氣出口的燃料電池堆，反應(yīng)中產(chǎn)生的水分很容易聚集在空氣導(dǎo)流槽中，且很難被反應(yīng)氣體-空氣帶出燃料電池堆，造成空氣導(dǎo)流槽堵塞，影響膜電極的反應(yīng)性能。
空冷型燃料電池堆的冷卻方式對(duì)燃料電池堆的平穩(wěn)運(yùn)行也至關(guān)重要。為了保證膜電極中的質(zhì)子交換膜具有最佳的質(zhì)子傳遞能力，空氣在進(jìn)入燃料電池堆前要被濕化。為了提高燃料電池的整體效率，對(duì)空氣濕化器的溫度要求不能太高，否則會(huì)消耗大量能量。一般情況下，進(jìn)入燃料電池堆的空氣溫度稍低于燃料電池堆的溫度。對(duì)于空氣入口高于空氣出口的空冷型燃料電池堆來說，如果冷卻空氣在雙極板冷卻流道中的流動(dòng)方向是自下而上，那么燃料電池堆的上部溫度則高于下部溫度。在燃料電池堆的上部，溫度較低的濕化空氣遇到溫度較高的膜電極后，溫度升高，相對(duì)濕度則降低。相對(duì)濕度低的空氣會(huì)帶走質(zhì)子交換膜中的水分，導(dǎo)致質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳遞能力降低?？諝庠陔p極板空氣導(dǎo)流槽的流動(dòng)過程中，不斷吸附反應(yīng)中產(chǎn)生的水分。當(dāng)空氣中的水分達(dá)到飽和狀態(tài)后，液態(tài)水開始形成，并與飽和空氣形成水汽混合物。溫度較高的水汽混合物到達(dá)溫度較低的燃料電池堆的下部后，空氣溫度降低，冷凝水增加，大量的冷凝水很容易堵塞空氣導(dǎo)流槽。
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既能保證質(zhì)子交換膜的濕度，又能保證產(chǎn)生的冷凝水不會(huì)堵塞空氣導(dǎo)流槽的空冷型燃料電池堆。
2、技術(shù)方案本實(shí)用新型所述的一種空冷型燃料電池堆，它包括由一組電池單體層疊組成的單體電池組、電流集電器、氣體集流板及壓緊端板，在單體電池組兩側(cè)依次設(shè)有電流集電器、氣體集流板和壓緊端板，所述電池單體包括膜電極以及設(shè)置在膜電極兩側(cè)的雙極板，在雙極板表面上設(shè)有空氣導(dǎo)流槽，在其內(nèi)部設(shè)有冷卻流道，在一側(cè)的壓緊端板上設(shè)有與雙極板上的空氣導(dǎo)流槽相通的空氣入口，在另一側(cè)的壓緊端板上設(shè)有空氣出口，其特征是空氣入口設(shè)在壓緊端板的上部，空氣出口設(shè)在壓緊端板的下部。
將空氣入口設(shè)置在出口的上方，這樣空氣由高處的入口流入雙極板表面的空氣導(dǎo)流槽并由低處的出口流出，其流向與反應(yīng)中產(chǎn)生的水分在自重影響下流動(dòng)的方向相同，從而很容易地將水份帶出燃料電池堆，保證了燃料電池堆的平穩(wěn)運(yùn)行。
將冷卻流道的入口設(shè)在雙極板的上端，出口設(shè)在雙極板的下端，在單體電池組的上端設(shè)有使氣流自上而下流動(dòng)的冷卻風(fēng)機(jī)或冷卻風(fēng)扇。這樣冷卻空氣自上而下通過雙極板的冷卻流道，使得燃料電池堆上部的溫度低于下部的溫度。在燃料電池堆的上部，濕化空氣溫度與燃料電池堆上部的溫度相近，濕化空氣的濕度可保證質(zhì)子交換膜具有良好的質(zhì)子傳遞能力?？諝庠陔p極板空氣導(dǎo)流槽中的流動(dòng)過程中，溫度不斷上升，其吸附水分的能力不斷增強(qiáng)，正好可以吸附反應(yīng)中產(chǎn)生的水分。這樣，從氧化劑—空氣進(jìn)入燃料電池堆到離開燃料電池堆，既能保證質(zhì)子交換膜的濕度，又能保證產(chǎn)生的冷凝水不會(huì)堵塞空氣導(dǎo)流槽，從而保證了燃料電池堆的平穩(wěn)運(yùn)行。
3、有益效果本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)1)通過將雙極板的空氣入口設(shè)置在出口的上方，使空氣導(dǎo)流槽中的液態(tài)水在自身重力的作用下被空氣氣流帶出燃料電池堆，從而保證燃料電池堆的平穩(wěn)運(yùn)行；2)冷卻流道的入口在雙極板的上端，出口在雙極板的下端，在單體電池組的上端設(shè)有使氣流自上而下流動(dòng)的冷卻風(fēng)機(jī)或冷卻風(fēng)扇。這樣冷卻空氣自上而下通過雙極板的冷卻流道，使得燃料電池堆上部的溫度低于下部的溫度，既能保證質(zhì)子交換膜的濕度，又能保證產(chǎn)生的冷凝水不會(huì)堵塞空氣導(dǎo)流槽。
四

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是雙極板上具有空氣導(dǎo)流槽的一側(cè)；圖3是雙極板上冷卻空氣流道截面圖。
五具體實(shí)施方式
下面通過附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明如圖1所示，本實(shí)用新型所述的一種空冷型燃料電池堆，它包括由一組電池單體層疊組成的單體電池組1、電流集電器2、氣體集流板3及壓緊端板4，5，在單體電池組1兩側(cè)依次設(shè)有電流集電器2、氣體集流板3和壓緊端板4，5；所述電池單體包括膜電極6以及設(shè)置在膜電極6兩側(cè)的雙極板7，如圖2在雙極板7表面上設(shè)有空氣導(dǎo)流槽8，如圖3在雙極板7內(nèi)部設(shè)有冷卻流道9，在一側(cè)的壓緊端板4上設(shè)有與雙極板7上的空氣導(dǎo)流槽8相通的空氣入口10，在另一側(cè)的壓緊端板5上設(shè)有空氣出口11，其中空氣入口10設(shè)在壓緊端板4的上部，空氣出口11設(shè)在壓緊端板5的下部。冷卻流道9的入口12在雙極板7的上端，出口13在雙極板7的下端，在單體電池組1的下端設(shè)有使氣流自上而下流動(dòng)的冷卻風(fēng)機(jī)14。
權(quán)利要求1.一種空冷型燃料電池堆，它包括由一組電池單體層疊組成的單體電池組(1)、電流集電器(2)、氣體集流板(3)及壓緊端板(4，5)，在單體電池組(1)兩側(cè)依次設(shè)有電流集電器(2)、氣體集流板(3)和壓緊端板(4，5)；所述電池單體包括膜電極(6)以及設(shè)置在膜電極(6)兩側(cè)的雙極板(7)，在雙極板(7)表面上設(shè)有空氣導(dǎo)流槽(8)，其內(nèi)部設(shè)有冷卻流道(9)，在一側(cè)的壓緊端板(4)上設(shè)有與雙極板(7)上的空氣導(dǎo)流槽(8)相通的空氣入口(10)，在另一側(cè)的壓緊端板(5)上設(shè)有空氣出口(11)，其特征是，空氣入口(10)設(shè)在壓緊端板(4)的上部，空氣出口(11)設(shè)在壓緊端板(5)的下部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空冷型燃料電池堆，其特征是冷卻流道(9)的入口(12)設(shè)在雙極板(7)的上端，出口(13)設(shè)在雙極板(7)的下端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空冷型燃料電池堆，其特征是在單體電池組(1)的上端或下端設(shè)有使氣流自上而下流動(dòng)的冷卻風(fēng)機(jī)或冷卻風(fēng)扇(14)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種空冷型燃料電池堆，在由一組電池單體層疊組成的單體電池組兩側(cè)依次設(shè)置電流集電器、氣體集流板和壓緊端板，電池單體內(nèi)的雙極板表面上設(shè)有空氣導(dǎo)流槽，其內(nèi)部設(shè)有冷卻流道，在一側(cè)的壓緊端板上部設(shè)有與雙極板上的空氣導(dǎo)流槽相通的空氣入口，在另一側(cè)的壓緊端板下部設(shè)有空氣出口。通過將雙極板的空氣入口設(shè)置在出口的上方，使空氣流向與液態(tài)水流向相同而更易將水帶出燃料電池堆；此外，將冷卻流道的入口設(shè)在雙極板的上端，出口設(shè)在雙極板的下端，并在單體電池組的上端或下端設(shè)有使氣流自上而下流動(dòng)的冷卻風(fēng)機(jī)或冷卻風(fēng)扇，既能保證質(zhì)子交換膜的濕度，又能保證產(chǎn)生的冷凝水不會(huì)堵塞空氣導(dǎo)流槽。
文檔編號(hào)H01M8/02GK2879439SQ200620069309
公開日2007年3月14日 申請(qǐng)日期2006年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月15日
發(fā)明者喬永進(jìn), 沈建躍, 曲平, 康新 申請(qǐng)人:南京博能燃料電池有限責(zé)任公司