專利名稱：一種被動排水燃料電池堆的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池堆，具體地，涉及一種內(nèi)置有被動排水組件的被動排水燃料電池堆。
背景技術(shù)：
燃料電池(Fuel Cell，F(xiàn)C)是一種將燃料化學能通過電化學方式直接轉(zhuǎn)換為電能的新型發(fā)電裝置，具有能量轉(zhuǎn)換率高、無污染、原料來源豐富等優(yōu)點，被稱為是繼水力、火力、核能之后第四代發(fā)電技術(shù)。作為新一代的發(fā)電技術(shù)，燃料電池可廣泛應用于便攜式移動電源、電動汽車、發(fā)電站、航空航天和軍用艦船等各個方面。質(zhì)子交換膜燃料電池(Protonexchange membrane fuel cell, PEMFC)是燃料電池中的一種，其電解質(zhì)由固態(tài)聚合物膜制成，所以又叫作固態(tài)聚合物電解質(zhì)燃料電池(SPEFC)或固態(tài)聚合物燃料電池(SPFC)，具有功率密度高、工作溫度低(< 100°C)、壽命長等優(yōu)點，是目前研究最廣泛的燃料電池。一套PEMFC發(fā)電裝置或系統(tǒng)由燃料電池堆及其相應的輔助系統(tǒng)構(gòu)成。燃料電池堆是化學能轉(zhuǎn)換為電能的功率轉(zhuǎn)換單元，輔助系統(tǒng)為電池堆提供相應的反應介質(zhì)和水、熱管理，以保證電池堆有效的工作。以氫為燃料、氧為氧化劑是燃料電池最理想的反應物，氫氧燃料電池工作時通過氫、氧電極反應將化學能轉(zhuǎn)換為電能的同時還有產(chǎn)物水生成和廢熱產(chǎn)生，生成的水若不及時從電極排出(理想情況是生成水的速率應等于排出水的速率)，水就會在電極中積聚，淹沒電極催化劑，從而阻礙反應氣體與催化劑的接觸，導致電池性能衰減，甚至無法正常工作；同樣，廢熱的排出速率也應等于產(chǎn)生速率，以防止因熱量聚集，電池堆溫度升高而損壞電池材料或組件。因此對燃料電池堆進行合理的水、熱管理是其有效工作的重要保障。PEM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氣流場板、冷卻板、氫氣流場板組成。目前，通常的做法是在氫、氧氣流場板上加工出溝槽式流道，用來實現(xiàn)反應介質(zhì)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(huán)流動使其沿流道排出電池，這樣介質(zhì)循環(huán)流動需要外部輔助設備(如氣體循環(huán)泵)來維持一定的流速，同時在電池堆外部還需要氣水分離設備來從兩相流中對水進行分離、回收。該電池結(jié)構(gòu)的設計必然導致輔助系統(tǒng)復雜，使燃料電池系統(tǒng)重量和體積增加，而且機械式運動部件的使用也導致寄生能耗增加，可靠性、壽命降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池堆，通過電池堆結(jié)構(gòu)的設計，實現(xiàn)電池堆本體通過被動方式將生成水排出，從而最大限度地降低對輔助系統(tǒng)的依賴，簡化系統(tǒng)，提高系統(tǒng)
可靠性。為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種被動排水燃料電池堆，其中，該電池堆包含依次緊貼并列設置的第一端板、第一集流板、單極板組件、第一膜電極組件、第一氫氣流場板、第二集流板以及第二端板；所述的單極板組件包括依次緊貼并列設置的冷卻劑板、水收集板、親水多孔氣水分離組件以及氧氣流場板。上述的被動排水燃料電池堆，其中，所述的電池堆還包含夾置在所述的第一膜電極組件和第一氫氣流場板之間的若干個重復單元；所述的重復單元包括雙極板組件和膜電極組件；所述的雙極板組件包括依次緊貼并列設置的氫氣流場板、冷卻劑板、水收集板、親水多孔氣水分離組件以及氧氣流場板。上述的被動排水燃料電池堆，其中，所述的氧氣流場板朝向第二端板的一側(cè)板面上設有若干平行的流道，流道的方向與流體的運動方向垂直。流體的運動方向與板面的長軸延伸方向一致。上述的被動排水燃料電池堆，其中，所述的氧氣流場板的流道的橫截面為等腰梯形，梯形的寬邊朝向膜電極組件，梯形的窄邊朝向親水多孔氣水分離組件。上述的被動排水燃料電池堆，其中，所述的流道在其底部的梯形窄邊處沿該流道設有若干朝向氧氣流場板內(nèi)部的彼此間隔的開孔。
上述的被動排水燃料電池堆，其中，所述的開孔是圓孔或沿流道方向的長方形縫隙，圓孔的直徑或長方形縫隙的寬度與流道梯形窄邊的長度相同。上述的被動排水燃料電池堆，其中，所述的開孔和流道的表面具有親水性。利用流道表面的親水特性，通過對梯形截面流道的寬邊、窄邊和深度以及孔的大小和深度的優(yōu)化，可以使電極表面生成的液態(tài)水珠在毛細力作用下沿著流道斜邊向窄邊的孔道中遷移，從而避免水在電極表面聚集，同時也有利于氧氣傳輸?shù)诫姌O表面。水的傳輸過程無需過量的氧氣吹掃，因而電池出口無尾氣排放。上述的被動排水燃料電池堆，其中，所述的親水多孔氣水分離組件包括夾置在水收集板和氧氣流場板之間的親水性多孔膜以及設在該多孔膜四周的邊框和支撐結(jié)構(gòu)。親水性多孔膜可以是多孔金屬膜、多孔無機膜、多孔聚合物膜等。親水性多孔膜能夠被水完全浸潤，如果水的表面張力大于氣體壓力，則氣體不會通過膜，因而可實現(xiàn)透水阻氣的功能，從而達到氣水分離的目的。上述的被動排水燃料電池堆，其中，所述的冷卻劑板和水收集板在朝向第二端板的一側(cè)板面上均設有流場，其形式包括設有平行溝槽的流場板、點狀分布的流場板、多孔介質(zhì)板或波紋板。冷卻劑板起冷卻作用，水收集板設有水收集腔，通過流場進行水分的收集。上述的被動排水燃料電池堆，其中，所述的氫氣流場板在朝向第一端板的一側(cè)板面上設有流場，其形式包括設有平行溝槽的流場板、點狀分布的流場板、多孔介質(zhì)板或波紋板。上述的被動排水燃料電池堆，其中，所述的膜電極組件陰極側(cè)與雙極板組件的氧氣流場板流道寬邊側(cè)接觸，氧氣流場板流道窄邊開孔側(cè)與親水多孔氣水分離組件一側(cè)接觸，親水多孔氣水分離組件另一側(cè)與水收集板收集腔接觸，水收集板的另一側(cè)與冷卻劑板接觸，冷卻劑板的另一側(cè)與氫氣流場板接觸，氫氣流場板的流道側(cè)與后一個膜電極組件的陽極側(cè)接觸，這樣重復排列就構(gòu)成一個電池堆。上述的被動排水燃料電池堆，其中，所述的電池堆的排水過程為氫、氧反應氣體分別進入氫氣流場板和氧氣流場板，并通過膜電極組件到達其陽極和陰極的催化層，在催化層發(fā)生電極反應。氫氣在陽極發(fā)生氧化反應，產(chǎn)生電子和質(zhì)子，電子通過外電路對負載做功后到達陰極，質(zhì)子通過聚合物電解質(zhì)膜達到陰極，在陰極處，氧氣與質(zhì)子和電子結(jié)合產(chǎn)生水。膜電極陰極側(cè)生成的水在膜電極組件表面逐漸長大形成水珠，水珠與氧氣流場板的流道一側(cè)表面接觸，粘附于流道壁上，水珠繼續(xù)變大，當水珠與流道另一側(cè)表面接觸時，在流道表面上形成液橋，液橋在毛細力的作用下沿流道斜面上升，隨后進入流道窄邊的孔中，孔道中的水在毛細力的作用下繼續(xù)前移，并與親水多孔氣水分離組件一側(cè)接觸，在一定的壓差下，水通過氣水分離組件進入水收集板的水收集腔，然后從水收集腔排出電池堆外。本發(fā)明提供的被動排水燃料電池堆具有以下優(yōu)點
該被動排水電池堆的新型電池結(jié)構(gòu)可以有效實現(xiàn)電池堆本體的被動排水，避免常規(guī)電池結(jié)構(gòu)使用外部輔助設備進行排水和氣水分離，從而可使燃料電池系統(tǒng)更加簡化，降低系統(tǒng)重量、體積和寄生能耗，提聞系統(tǒng)壽命，具有更聞的可罪性和效率，同時無方向敏感性。另外，排水過程以毛細力為驅(qū)動力，還可適用于零重力環(huán)境工作。該被動排水電池堆應用廣泛，可用于燃料電池、再生燃料電池、電解池等，也可應用于水下不依賴空氣推進(AIP)潛器動力源、空間航天器電源、高空長航時飛行器電源、備用電源以及再生燃料電池儲能電源?！?br>

圖I為本發(fā)明的被動排水燃料電池堆的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的被動排水燃料電池堆的重復單元構(gòu)成示意圖。圖3為本發(fā)明的被動排水燃料電池堆的雙極板組件結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明的被動排水燃料電池堆的氧氣流場板的流道截面圖。圖5為本發(fā)明的被動排水燃料電池堆的氧氣流場板的流道中水的遷移過程示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步地說明。如圖I所示，本發(fā)明提供的被動排水燃料電池堆，包含依次緊貼并列設置的第一端板19、第一集流板17、單極板組件16、第一膜電極組件141、第一重復單元15-1、第二重復單元15-2、……、第η重復單元15-η、第一氫氣流場板61、第二集流板18、第二端板20。其中，單極板組件16包括依次緊貼并列設置的冷卻劑板5、水收集板4、親水多孔氣水分離組件3以及氧氣流場板2。重復單元15包括雙極板組合件I和膜電極組件14，參見圖2所示。如圖3所示，雙極板組件I包括依次緊貼并列設置的氫氣流場板6、冷卻劑板5、水收集板4、親水多孔氣水分離組件3以及氧氣流場板2。其中，氧氣流場板2的流道截面如圖4所示。流道壁面呈逐漸縮小的梯形截面7，梯形流道7寬邊與膜電極組件14或氣體擴散層9接觸，其長度為a，梯形流道7的開口角度為2 α，在梯形流道7的窄邊間隔一段距離設有開孔8，形成通道，通道的深度為d，開孔8的形狀可以是圓孔或者沿流道方向的長方形縫隙，圓孔的大小或長縫的寬度為b，與流道窄邊寬度一致。流場板的厚度為D。流道壁水的接觸角為Θ 1，膜電極組件或氣體擴散層9上水的接觸角為Θ2。流道中重力的影響可用邦德數(shù)(Bond number, Bo)來衡量,在梯形流道7中，邦德數(shù)可由下式計算
權(quán)利要求
1.一種被動排水燃料電池堆，其特征在于，該電池堆包含依次緊貼并列的第一端板(19)、第一集流板(17)、單極板組件(16)、第一膜電極組件(141)、第一氫氣流場板(61)、第二集流板(18)以及第二端板(20)； 所述的單極板組件(16)包括依次緊貼并列的冷卻劑板(5)、水收集板(4)、親水多孔氣水分離組件(3)以及氧氣流場板(2)。
2.如權(quán)利要求I所述的被動排水燃料電池堆，其特征在于，所述的電池堆還包含夾置在第一膜電極組件(141)和第一氫氣流場板(61)之間的若干個重復單元(15)； 所述的重復單元(15)包括雙極板組件(I)和膜電極組件(14); 所述的雙極板組件(I)包括依次緊貼并列的氫氣流場板(6)、冷卻劑板(5)、水收集板(4)、親水多孔氣水分離組件(3)以及氧氣流場板(2)。
3.如權(quán)利要求I所述的被動排水燃料電池堆，其特征在于，所述的氧氣流場板(2)朝向第二端板(20)的一側(cè)板面上設有若干平行的流道。
4.如權(quán)利要求2所述的被動排水燃料電池堆，其特征在于，所述的氧氣流場板(2)的流道的橫截面為等腰梯形(7)，梯形(7)的寬邊朝向膜電極組件(14)，梯形(7)的窄邊朝向親水多孔氣水分離組件(3)。
5.如權(quán)利要求3所述的被動排水燃料電池堆，其特征在于，所述流道在其底部的梯形(7)窄邊處沿該流道設有若干朝向氧氣流場板(2)內(nèi)部的彼此間隔的開孔(8)。
6.如權(quán)利要求4所述的被動排水燃料電池堆，其特征在于，所述的開孔(8)是圓孔或沿流道方向的長方形縫隙，圓孔的直徑或長方形縫隙的寬度與流道梯形(7)窄邊的長度相同。
7.如權(quán)利要求5所述的被動排水燃料電池堆，其特征在于，所述的開孔(8)和流道的表面具有親水性。
8.如權(quán)利要求I所述的被動排水燃料電池堆，其特征在于，所述的親水多孔氣水分離組件(3)包括夾置在水收集板(4)和氧氣流場板(2)之間的親水性多孔膜以及設在該多孔膜四周的邊框和支撐結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求I所述的被動排水燃料電池堆，其特征在于，所述的冷卻劑板(5)和水收集板(4)在朝向第二端板(20)的一側(cè)板面上均設有流場，其形式包括設有平行溝槽的流場板、點狀分布的流場板、多孔介質(zhì)板或波紋板。
10.如權(quán)利要求I所述的被動排水燃料電池堆，其特征在于，所述的氫氣流場板(6)在朝向第一端板(19)的一側(cè)板面上設有流場，其形式包括設有平行溝槽的流場板、點狀分布的流場板、多孔介質(zhì)板或波紋板。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種被動排水燃料電池堆，該電池堆包含依次緊貼并列的第一端板、第一集流板、單極板組件、第一膜電極組件、若干個重復單元、第一氫氣流場板、第二集流板以及第二端板；單極板組件包括依次緊貼并列的冷卻劑板、水收集板、親水多孔氣水分離組件以及氧氣流場板；重復單元包括雙極板組件和膜電極組件；雙極板組件包括依次緊貼并列的氫氣流場板、冷卻劑板、水收集板、親水多孔氣水分離組件以及氧氣流場板。本發(fā)明提供的被動排水燃料電池堆，實現(xiàn)了被動排水功能，可省去常規(guī)電池堆結(jié)構(gòu)所需的外部氣體循環(huán)泵和氣水分離器，從而使系統(tǒng)部件數(shù)量減少，無運動部件，無方向敏感性，可顯著提高系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號H01M8/02GK102945979SQ201210522050
公開日2013年2月27日 申請日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者劉向, 王濤, 張偉, 孫毅, 蔣永偉, 朱榮杰, 王麗娜, 張新榮 申請人:上?？臻g電源研究所