一種被動排水燃料電池堆制造技術

本發明專利技術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。本發明專利技術提供的被動排水燃料電池堆，實現了被動排水功能，可省去常規電池堆結構所需的外部氣體循環泵和氣水分離器，從而使系統部件數量減少，無運動部件，無方向敏感性，可顯著提高系統的可靠性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種燃料電池堆，具體地，涉及一種內置有被動排水組件的被動排水燃料電池堆。
技術介紹
燃料電池(Fuel Cell，FC)是一種將燃料化學能通過電化學方式直接轉換為電能的新型發電裝置，具有能量轉換率高、無污染、原料來源豐富等優點，被稱為是繼水力、火力、核能之后第四代發電技術。作為新一代的發電技術，燃料電池可廣泛應用于便攜式移動電源、電動汽車、發電站、航空航天和軍用艦船等各個方面。質子交換膜燃料電池(Protonexchange membrane fuel cell, PEMFC)是燃料電池中的一種，其電解質由固態聚合物膜制成，所以又叫作固態聚合物電解質燃料電池(SPEFC)或固態聚合物燃料電池(SPFC)，具有功率密度高、工作溫度低(< 100°C)、壽命長等優點，是目前研究最廣泛的燃料電池。一套PEMFC發電裝置或系統由燃料電池堆及其相應的輔助系統構成。燃料電池堆是化學能轉換為電能的功率轉換單元，輔助系統為電池堆提供相應的反應介質和水、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換為電能的同時還有產物水生成和廢熱產生，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，這樣介質循環流動需要外部輔助設備(如氣體循環泵)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。該電池結構的設計必然導致輔助系統復雜，使燃料電池系統重量和體積增加，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。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種燃料電池堆，通過電池堆結構的設計，實現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的依賴，簡化系統，提高系統可靠性。為了達到上述目的，本專利技術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化，可以使電極表面生成的液態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到電極表面。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構。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與雙極板組件的氧氣流場板流道寬邊側接觸，氧氣流場板流道窄邊開孔側與親水多孔氣水分離組件一側接觸，親水多孔氣水分離組件另一側與水收集板收集腔接觸，水收集板的另一側與冷卻劑板接觸，冷卻劑板的另一側與氫氣流場板接觸，氫氣流場板的流道側與后一個膜電極組件的陽極側接觸，這樣重復排列就構成一個電池堆。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，在催化層發生電極反應。氫氣在陽極發生氧化反應，產生電子和質子，電子通過外電路對負載做功后到達陰極，質子通過聚合物電解質膜達到陰極，在陰極處，氧氣與質子和電子結合產生水。膜電極陰極側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表面接觸，粘附于流道壁上，水珠繼續變大，當水珠與流道另一側表面接觸時，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前移，并與親水多孔氣水分離組件一側接觸，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。本專利技術提供的被動排水燃料電池堆具有以下優點 該被動排水電池堆的新型電池結構可以有效實現電池堆本體的被動排水，避免常規電池結構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更加簡化，降低系統重量、體積和寄生能耗，提聞系統壽命，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動力，還可適用于零重力環境工作。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。·附圖說明圖I為本專利技術的被動排水燃料電池堆的結構示意圖。圖2為本專利技術的被動排水燃料電池堆的重復單元構成示意圖。圖3為本專利技術的被動排水燃料電池堆的雙極板組件結構示意圖。圖4為本專利技術的被動排水燃料電池堆的氧氣流場板的流道截面圖本文檔來自技高網...

【技術保護點】
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）。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉向，王濤，張偉，孫毅，蔣永偉，朱榮杰，王麗娜，張新榮，
申請(專利權)人：上海空間電源研究所，
類型：發明
國別省市：