一種燃料電池的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種燃料電池，包括多個燃料電池堆；氧氣體供給路徑，其用于向所述發電單元供給氧化劑氣體；以及氫氣供給路徑，其用于向所述發電單元供給燃料氣體；微孔水氧加濕極板、微孔單氫加濕極板的微孔的孔徑控制在0.4um~0.8um之間；所述燃料電池還包括一組歧管通道，該歧管通道被布置在氫流道與氧氣流場板的通孔之間，其中部分歧管將氫氣供給到氧氣流場板的通孔之間，另一部分歧管依靠壓力傳感器將通道中存在的物質循環。本實用新型的一種燃料電池，在不增加通道尺寸的前提下，提高改善燃料電池的能量輸出密度。
【專利說明】
一種燃料電池
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種燃料電池。在本實用新型的燃料電池中，反應物質可以在燃料電池的內部再循環。
【背景技術】
[0002]燃料電池是通過電化學反應將燃料中的化學能直接變成電能的一種發電裝置。因為它工作溫度高，廢熱可以得到有效利用，能量轉化效率是所有燃料電池中最高的(可高達70%以上)；由于運動部件很少，工作時安靜;又因為采用全固態結構，無酸堿腐蝕性物質包含在電池中，電池的污染排放極低，因而被稱之為21世紀的一種綠色發電技術。
[0003]質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell)是燃料電池的一種，在原理上相當于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和質子交換膜組成，陽極為氫燃料發生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑，質子交換膜作為電解質。工作時相當于一直流電源，陽極即電源負極，陰極即電源正極。PEM(質子交換膜，proton exchange membrane)燃料電池堆由膜電極組件(MEA)和雙極板組件重復堆疊而成，其中雙極板組件依次由氧流場板、冷卻板、氫流場板組成。目前，通常的做法是在氫、氧流場板上加工出溝槽式流道，用來實現反應介質在陽極和陰極表面的均勻分配，同時燃料電池陰極表面生成的水通過氧氣的循環流動使其沿流道排出電池。
[0004]水、熱管理是質子交換膜燃料電池發電系統的重要環節之一。電堆運行時，質子交換膜需要保持一定的濕度，反應生成的水需要排除。不同形態的水的迀移、傳輸、生成、凝結對電堆的穩定運行都有很大影響，這就產生了質子交換膜燃料電池發電系統的水、熱管理問題。專利201410210695.6提出了一種被動排熱燃料電池堆，通過結構設計實現了電池堆本身的自主排水進氣功能，解決了燃料電池復雜而龐大的輔助系統極大限制其在高比功率要求領域中的應用問題，同時避免復雜的輔助系統影響到整個燃料電池系統的可靠性問題。然而，上述燃料電池系統在封裝時，依次緊貼并列設置的部件較多，使封裝的有利配置被劣化。此外，氧氣流場板其表面的若干流道內還會產生壓力損耗，氣體沿著燃料電池堆的方向流動時，氣體的屬性顯著改變，從而在電池之間產生偏差。
[0005]鑒于以上原因，需通過在電池內部設置氫氣再循環裝置，改善多孔氣水分離組件以及氧氣流場板的氣體流動，在不增加通道尺寸的前提下，提高改善燃料電池的能量輸出
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【實用新型內容】
[0006]針對現有技術的不足，本實用新型解決的問題是提供一種燃料電池，在不增加通道尺寸的前提下，提高改善燃料電池的能量輸出密度。
[0007]為了實現上述技術方案，本實用新型的燃料電池，包括一種燃料電池，包括多個燃料電池堆;氧氣體供給路徑，其用于向所述發電單元供給氧化劑氣體；以及氫氣供給路徑，其用于向所述發電單元供給燃料氣體；所述氧氣供給路徑由氧氣流場板表面設有若干流道，所述流道內的底部沿流道方向間隔開有若干垂直透過氧氣流場板的通孔，氧氣供給路徑的氧極板為微孔水氧加濕極板;所述氫氣體供給路徑由水氫雙極板兩側分別設有水流道和氫流道，其設置位置與氧氣流場板的流道分別對應，氫氣體供給路徑中的氫極板為微孔單氫加濕極板，所述微孔水氧加濕極板、微孔單氫加濕極板的微孔的孔徑控制在0.4um?
0.Sum之間;所述燃料電池還包括一組歧管通道，該歧管通道被布置在氫流道與氧氣流場板的通孔之間，其中部分歧管將氫氣供給到氧氣流場板的通孔之間，另一部分歧管依靠壓力傳感器將通道中存在的物質循環。
[0008]進一步，所述燃料電池還包括膜電極組件，所述膜電極組件由局部電路和分別設置在該質子交換膜相對的兩個表面的陰極電極和陽極電極構成，所述局部電路使燃料和氧化劑分別引導至所述陽極和陰極，促進電子從所述陽極到所述陰極的流動以產生電；該多個局部電路之間具有多個間隙。
[0009]進一步，所述燃料電池中微孔水氧加濕極板、微孔單氫加濕極板具有阻氣透水功會K。
[0010]優選的，上述燃料電池還包括噴嘴，布置在所述一組歧管中的至少一根歧管與所述通道之間，具有噴入口和噴出口。
[0011 ]與現有技術相比，本實用新型的優點在于:
[0012]1.—組歧管通道與氧極板、水氫雙極板，共同定義了多個反應氣體通道，通過結構設計，在不增加常規電池堆結構所需的流量控制器的前提下，減小了氧氣流場板其表面的若干流道內還會產生壓力損耗，使結構更加簡化。
[0013]2.在保證每個燃料電池堆的均勻加濕前提下，使得氣體沿著燃料電池堆的方向流動時，氣體的屬性改變不大，從而減小電池之間產生偏差。
【附圖說明】
[0014]圖1為本實用新型一種燃料電池的結構原理示意圖。
【具體實施方式】
[0015]下文結合附圖和實施方式對本實用新型進行詳細說明。
[0016]如圖1所示，本實用新型的一種燃料電池，包括多個燃料電池堆I;氧氣體供給路徑2，其用于向所述發電單元供給氧化劑氣體；以及氫氣供給路徑3，其用于向所述發電單元供給燃料氣體；所述氧氣供給路徑2由氧氣流場板表面設有若干流道，所述流道內的底部沿流道方向間隔開有若干垂直透過氧氣流場板的通孔，氧氣供給路徑2的氧極板5為微孔水氧加濕極板;所述氫氣體供給路徑3由水氫雙極板兩側分別設有水流道和氫流道，其設置位置與氧氣流場板的流道分別對應，氫氣體供給路徑中的氫極板為微孔單氫加濕極板，所述微孔水氧加濕極板、微孔單氫加濕極板的微孔的孔徑控制在0.4um~0.8um之間；該電池結構中，按照單氫板、膜電極、多孔單氧加濕極板及膜的順序依次重復排列組成。電池具有自加濕結構，該自加濕結構選擇微孔極板，或多孔極板與膜的組合，具有阻氣透水功能。所述燃料電池還包括一組歧管通道，該歧管通道被布置在氫流道與氧氣流場板的通孔之間，其中部分歧管將氫氣供給到氧氣流場板的通孔之間，另一部分歧管依靠壓力傳感器將通道中存在的物質循環。
[0017]進一步，本實用新型的一種燃料電池還包括墊圈，沿著被附接到所述多根歧管中的至少一組歧管的圓周布置，所述水氫雙極板中氫極板6具有自加濕結構。
[0018]進一步，本實用新型的一種燃料電池還包括膜電極組件，所述膜電極組件由局部電路和分別設置在該質子交換膜相對的兩個表面的陰極電極和陽極電極構成，所述局部電路使燃料和氧化劑分別引導至所述陽極和陰極，促進電子從所述陽極到所述陰極的流動以產生電；該多個局部電路之間具有多個間隙，所述陰極電極和陽極電極的極板采用碳纖維布和聚四氟乙烯復合制成。
[0019]進一步，所述質子交換膜為全氟磺酸樹脂或磺化聚合物交換膜，厚度為26?28微米，平均孔徑為0.3微米，所述磺化聚合物的磺化聚碳酸酯為磺化度40%_58%的聚碳酸酯，解決了現今全氟質子交換膜存在的電性能仍然依賴全氟磺酸樹脂的含量，工作溫度也很難有較大提高，成本過高，以及含氟材料的使用對環境的巨大威脅的缺陷;所述陰極電極和陽極電極與質子交換膜接觸層設置有電催化劑層，采用的催化劑為鉑顆粒、金顆粒、鈀顆粒或釕顆粒，通過上述催化劑顆粒均勻吸附在具有電子導電性的多個管狀載體的內壁上，使得其充分與反應氣體、質子和電子接觸，提高了該催化劑的利用率;所述陰極電極和陽極電極的極板形成若干平行布置的錐形流道4，增大了接觸面積，所述的陰極電極空氣輸送的方向按直徑逐漸增大的順序排列在以其相連通的流道上。
[0020]優選的，所述微孔水氧加濕極板、微孔單氫加濕極板具有阻氣透水功能。
[0021]進一步，本實用新型的一種燃料電池還包括噴嘴，布置在所述一組歧管中的至少一根歧管與所述通道之間，具有噴入口和噴出口。所述電催化劑層包括多個管狀載體，該多個管狀載體之間具有多個間隙，反應氣體通過該多個間隙直接擴散至催化劑顆粒表面，所述催化劑為鉑顆粒，鉑載量為0.06?0.09 mg/cm2，所述質子交換膜質子電導率為4.5X10—1S/ cm，使用溫度< 130°C，使用壽命2 4200h。
[0022]進一步，所述管狀載體的高度為10微米?50微米，壁厚為5nm?12nm，采用碳納米管、氧化鋅納米管、氧化鈷納米管、二氧化鈦納米管或五氧化二釩納米管，由于管狀載體自身具有電子導電性，從而使得管狀載體傳導的電子也可直接與催化劑顆粒接觸。
[0023]本實用新型所提供的燃料電池將為低軌觀測衛星、高軌衛星、我國空間站、神舟飛船、天宮系列等一系列的飛行器提供廣闊的應用市場。該技術創新填補國內了空白，提高我國太陽電池陣的應用水平，為國防做出貢獻。
[0024]本實用新型雖然已以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本實用新型，任何本領域技術人員在不脫離本實用新型的精神和范圍內，都可以利用上述揭示的方法和技術內容對本實用新型技術方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本實用新型技術方案的內容，依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本實用新型技術方案的保護范圍。
【主權項】
1.一種燃料電池，包括多個燃料電池堆;氧氣體供給路徑，其用于向發電單元供給氧化劑氣體；以及氫氣供給路徑，其用于向發電單元供給燃料氣體；所述氧氣供給路徑由氧氣流場板表面設有若干流道，所述流道內的底部沿流道方向間隔開有若干垂直透過氧氣流場板的通孔，氧氣供給路徑的氧極板為微孔水氧加濕極板;所述氫氣體供給路徑由水氫雙極板兩側分別設有水流道和氫流道，其設置位置與氧氣流場板的流道分別對應，氫氣體供給路徑中的氫極板為微孔單氫加濕極板，其特征在于:所述微孔水氧加濕極板、微孔單氫加濕極板的微孔的孔徑控制在0.4unH).Sum之間；所述燃料電池還包括一組歧管，該歧管被布置在氫流道與氧氣流場板的通孔之間，其中部分歧管將氫氣供給到氧氣流場板的通孔之間，另一部分歧管依靠壓力傳感器將通道中存在的物質循環。2.依據權利要求1所述的一種燃料電池，其特征在于，還包括墊圈，沿著被附接到所述多根歧管中的至少一組歧管的圓周布置，所述水氫雙極板中氫極板具有自加濕結構。3.依據權利要求1所述的一種燃料電池，其特征在于，還包括膜電極組件，所述膜電極組件由局部電路和分別設置在質子交換膜相對的兩個表面的陰極電極和陽極電極構成，所述局部電路使燃料和氧化劑分別引導至所述陽極和陰極，促進電子從所述陽極到所述陰極的流動以產生電；該局部電路之間具有多個間隙。4.依據權利要求3所述的一種燃料電池，其特征在于，所述質子交換膜為全氟磺酸樹脂或磺化聚合物交換膜，厚度為26?28微米，平均孔徑為0.3微米;所述陰極電極和陽極電極與質子交換膜接觸層設置有電催化劑層，采用的催化劑為鉑顆粒、金顆粒、鈀顆粒或釕顆粒;所述陰極電極和陽極電極的極板形成若干平行布置的錐形流道。5.依據權利要求1所述的一種燃料電池，其特征在于，所述微孔水氧加濕極板、微孔單氫加濕極板具有阻氣透水功能。6.依據權利要求4或5所述的一種燃料電池，其特征在于，還包括噴嘴，布置在所述一組歧管中的至少一根歧管與所述通道之間，具有噴入口和噴出口。7.依據權利要求4所述的一種燃料電池，其特征在于，所述電催化劑層包括多個管狀載體，該多個管狀載體之間具有多個間隙，反應氣體通過該多個間隙直接擴散至催化劑顆粒表面。8.依據權利要求7所述的一種燃料電池，其特征在于，所述管狀載體的高度為10微米?50微米，壁厚為5nm?12nm，采用碳納米管、氧化鋅納米管、氧化鈷納米管、二氧化鈦納米管或五氧化二釩納米管。
【文檔編號】H01M8/04089GK205543068SQ201521017956
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2015年12月10日
【發明人】王海濤, 陳培永, 王燕, 余岢, 顏萍, 吳奕, 顧曉軍, 王濤
【申請人】上海精密計量測試研究所