專利名稱：一種采用分室結(jié)構(gòu)的燃料電池組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)，特別提供了一種工作更為可靠的采用分室結(jié)構(gòu)的燃料電池組。
燃料電池組由若干個(gè)電池單元串聯(lián)而成。在兩片極板間插入三合一組件(陽極、膜和陰極)即構(gòu)成一個(gè)電池單元。以前的工作中一個(gè)電池單元就是一個(gè)單電池。燃料電池組在運(yùn)行過程中，有時(shí)會出現(xiàn)某一個(gè)電池?zé)o法工作，輸出電壓變負(fù)，最后導(dǎo)致整個(gè)電池組＂死亡＂(即不能工作)的現(xiàn)象。為解決這一問題，文獻(xiàn)Jpn.Kokai Tokky Koho Jp 63,226,884采用的方法是，當(dāng)某一個(gè)電池不能工作時(shí)，立即將這個(gè)電池兩個(gè)電極的極板短路。這樣做的結(jié)果是永久性地切除了這一個(gè)電池，即使造成它不能工作的故障因素得以排除，電池也無法恢復(fù)工作，就整個(gè)電池組而言，造成了輸出功率的損失。
本發(fā)明的目的在于提供一種采用分室結(jié)構(gòu)的燃料電池組，其整體運(yùn)行更為可靠，并且可獲得較高的輸出功率。
本發(fā)明提供了一種采用分室結(jié)構(gòu)的燃料電池組，由兩個(gè)極板、電極和膜構(gòu)成的電池單元相互疊合串接而成，其特征在于每個(gè)電池單元被相應(yīng)地分割成2～20個(gè)小電池，每個(gè)小電池均有各自獨(dú)立的進(jìn)、出氣口；各電池單元中相應(yīng)的小電池在氣路上相互串聯(lián)再并接到總氣管上；每個(gè)電池單元中的小電池在電路上通過同一對極板相互并聯(lián)，再與其它電池單元串聯(lián)。
在本發(fā)明中，每單元電池分割的電池?cái)?shù)最好為2～4個(gè)。
具體結(jié)構(gòu)如下1.電池組極板采用多氣室結(jié)構(gòu)，即陽極和陰極的兩片極板都分割成數(shù)目相同排布一致的若干個(gè)部分，每部分即為一個(gè)獨(dú)立的氣室。
2.和極板的氣室分割相對應(yīng)，三合一組件也分成若干部分。可以分成若干個(gè)獨(dú)立的三合一組件，也可以采用密封材料將一個(gè)大的三合一組件進(jìn)行分割。
3.采用氣室分割的極板和與之對應(yīng)的三合一組件等，在組裝后就形成了一個(gè)多氣室結(jié)構(gòu)的燃料電池組。同一電池單元中所分割形成的幾個(gè)并聯(lián)電池的燃料和氧化劑都有獨(dú)立的進(jìn)出口，并和各自的氣路管道相連通。
4.分割成的氣室數(shù)可以是2、3、…、20，最佳值為2～4。
5.同一對極板分割而成的多個(gè)氣室對應(yīng)多個(gè)電池，組成一個(gè)電池單元，它們通過極板在電路上并聯(lián)，各個(gè)電池單元又相互串聯(lián)，從而形成整個(gè)電池組在電路上的并一串聯(lián)結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的上述電路并一串聯(lián)的燃料電池組中，相互并聯(lián)的一個(gè)電池單元中若有一個(gè)電池不能工作，同一單元中其余幾個(gè)電池將承擔(dān)全部負(fù)荷。分室數(shù)越多，一個(gè)電池不工作對電池組的影響越小，甚至多于一個(gè)電池不能工作，整個(gè)電池組仍能正常運(yùn)行。
實(shí)驗(yàn)表明該方案可行。以兩室結(jié)構(gòu)為例，當(dāng)?shù)趇單元中的一個(gè)電池不工作，與之并聯(lián)的另一個(gè)相同面積的電池則以雙倍負(fù)荷工作。這種情況可采用

圖1的模擬電路，用電池組中第i個(gè)電池負(fù)荷加倍的條件進(jìn)行模擬。表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明第i個(gè)電池負(fù)荷加倍后工作穩(wěn)定，這間接證明了該方案可行。
總之，本發(fā)明可以保證1.在燃料電池組中某一個(gè)電池不工作時(shí)，整個(gè)電池組仍能正常運(yùn)行。
2.不需要切除(短路)不工作的單電池，在同樣情況下能比采用文獻(xiàn)的方法獲得較高的輸出功率。
3.不工作的單池如果在運(yùn)行過程中排除了故障，可自行并入電池組繼續(xù)工作。
4.本發(fā)明的技術(shù)適用于各種類型的燃料電池組。
下面結(jié)合附圖通過實(shí)施例詳述本發(fā)明。
附圖1為實(shí)驗(yàn)?zāi)M電路。
附圖2為兩室結(jié)構(gòu)的燃料電池組結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖3為三室結(jié)構(gòu)的燃料電池組結(jié)構(gòu)示意圖。
實(shí)施例1(1)電池結(jié)構(gòu)31個(gè)電池單元串聯(lián)成一個(gè)電池組，每個(gè)單元由兩個(gè)電池并聯(lián)而成，即采用兩室結(jié)構(gòu)，電極總面積143cm2。圖2為電池組裝和分室結(jié)構(gòu)的示意圖。1端板，2單極板，分割出兩個(gè)氫氣室，3氫電極，4膜，5氧電極，3、4、5組成一個(gè)三合一組件，6為雙極板，圖中示出的是氫氣室，與上部的相鄰極板、三合一組件構(gòu)成另一電池單元，6的背面分割為兩個(gè)氧氣室(未示出)，8和9為氫氣進(jìn)出口，10和11為氧氣進(jìn)出口，12和13為氫氣供氣和尾氣排放通道，14和15為氧氣供氣和尾氣排放通道。
(2)實(shí)驗(yàn)條件燃料氣為N2H4分解氣(H265～66％)，氧化劑為空分氧(99.5％)；氫壓力＝氧壓力＝0.15～0.20MPa；電池工作溫度＝91±1℃；真空排水的真空度＝140mmHg。
(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果電池正常運(yùn)行1000小時(shí)，在電流密度為50mA/cm2和100mA/cm2時(shí)，輸出電壓為26.7～29.0V。
電池運(yùn)行的第763小時(shí)，電流密度為50mA/cm2，第21電池單元的工作電壓突然從0.934V降為0.895V，而在隨后的高負(fù)荷95mA/cm2時(shí)，工作電壓由原來的0.898V降至0.826V。這說明第21電池單元中有一個(gè)電池不工作了，與之并聯(lián)的另一個(gè)電池負(fù)荷加倍后繼續(xù)工作，雖然其輸出電壓比其它低單元40～70mv，但仍能長期穩(wěn)定放電，保證了整個(gè)電池組穩(wěn)定運(yùn)行。
實(shí)施例2(1)電池結(jié)構(gòu)35個(gè)電池單元串聯(lián)成一個(gè)燃料電池組，每單元由三個(gè)電池并聯(lián)而成，即采用三氣室結(jié)構(gòu)，電極總面積975cm2(3252×3)，圖3示出了電池組中一個(gè)電池單元的結(jié)構(gòu)3為氫電極，4為膜，5為氧電極，3、4、5組成一個(gè)三合一組件，6雙極板，圖中示出的兩片雙極板是分割成三個(gè)氫氣室的一側(cè)，而6的背面分割為三個(gè)氧氣室(未示出)。下部一片雙極板的氫氣室、三合一組件和上部一片雙極板的氧氣室構(gòu)成一個(gè)電池單元。8與9為氫的進(jìn)出口，10和11為氧的進(jìn)出口。整個(gè)電池的組裝方法與圖2相似。
(2)實(shí)驗(yàn)條件燃料為H2(99.9％)，氧化劑為O2(99.5％)，氫壓力＝0.28MPa，氧壓力＝0.32MPa，電池溫度＝80±1℃。
(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果電池組已經(jīng)正常運(yùn)行1200小時(shí)，電流密度在80mA/cm2至500mA/cm2范圍內(nèi)，輸出電壓為21.90～29.50伏。
電池運(yùn)行到第816小時(shí)，第18電池單元出現(xiàn)異常，電流密度為300mA/cm2時(shí)，電壓由0.778伏降至0.646伏，電池組輸出電壓由25.66伏降到25.55伏；電流密度為400mA/cm2時(shí)，電壓由0.664伏降至0.510伏，電池組輸出電壓由23.23伏降到23.04伏。當(dāng)電池組運(yùn)行到927小時(shí)，第18單元電池性能又恢復(fù)到正常值，300mA/cm2時(shí)為0.768伏，400mA/cm2時(shí)為0.658伏。上述過程說明，在第816小時(shí)，第18電池單元中一個(gè)電池不能工作了，與之并聯(lián)的其余兩個(gè)電池負(fù)荷增加，使之性能略有下降；到第927小時(shí)，這個(gè)電池在電池組運(yùn)行過程中＂自行＂排除了故障，又重新接進(jìn)電池組放電，而整個(gè)電池組自始至終正常工作。
權(quán)利要求
1.一種采用分室結(jié)構(gòu)的燃料電池組，由兩個(gè)極板、電極和膜構(gòu)成的電池單元相互疊合串接而成，其特征在于每個(gè)電池單元被相應(yīng)地分割成2～20個(gè)小電池，每個(gè)小電池均有各自獨(dú)立的進(jìn)、出氣口；各電池單元中相應(yīng)的小電池在氣路上相互串聯(lián)再并接到總氣管上；每個(gè)電池單元中的小電池在電路上通過同一對極板相互并聯(lián)，再與其它電池單元串聯(lián)。
2.按照權(quán)利要求1所述采用分室結(jié)構(gòu)的燃料電池組，其特征在于分割的電池?cái)?shù)為2～4個(gè)。
全文摘要
一種采用分室結(jié)構(gòu)的燃料電池組,由兩個(gè)極板、電極和膜構(gòu)成的電池單元相互疊合串接而成,每個(gè)電池單元被相應(yīng)地分割成2～20個(gè)小電池,每個(gè)小電池均有各自獨(dú)立的進(jìn)、出氣口;各電池單元中相應(yīng)的小電池在氣路上相互串聯(lián)再并接到總氣管上;每個(gè)電池單元中的小電池在電路上通過同一對極板相互并聯(lián),再與其它電池單元串聯(lián)。本發(fā)明整體運(yùn)行更為可靠,并且可獲得較高的輸出功率。
文檔編號H01M8/24GK1242616SQ9811417
公開日2000年1月26日 申請日期1998年7月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月22日
發(fā)明者衣寶廉, 袁權(quán), 張振武, 張恩浚, 韓明 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所