[發明專利]一種適用于高溫操作的質子交換膜燃料電池結構

無效

• 申請號: 200610135111.9
• 申請日: 2006-12-27
• 公開（公告）號: CN101212057A
• 公開（公告）日: 2008-07-02
• 發明（設計）人: 侯明;孫立言;燕希強;林業發;姜玉玉;明平文;衣寶廉
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M4/86;H01M8/12
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司
• 代理人: 許宗富;周秀梅

技術領域

本發明涉及燃料電池，具體地說是一種適用于高溫操作的質子交換膜燃料電池的結構-即“膜電極雙極板組件(Membrane?Electrode?Bipolarplate?Assemble，MEBA)”。

背景技術

燃料電池是一種等溫的按電化學方式直接將化學能轉化為電能的發電裝置。它不經過熱機過程，因此不受卡諾循環的限制，能量轉化效率高，環境友好。由于以上這些突出的優點，近些年來燃料電池技術的研究和開發倍受各國政府和大公司的重視，被認為是21世紀首選的潔凈高效的發電方式。其中高溫質子交換膜燃料電池，近來來引起了國際上的普遍關注。

所謂高溫質子交換膜燃料電池是指操作溫度高于100℃的燃料電池(常規的質子交換膜燃料電池通常操作溫度≤80℃)。在該種條件下的電池有如下優點：1)電化動力學反應速率提高，有利于電性能的提高；2)提高了燃料電池廢熱品質，有利于廢熱的有效利用，提高系統效率；降低了冷卻系統的重量與體積，提高了系統的重量與體積比功率密度；3)水處于汽態，減少了兩相流引起的傳質極化；流場設計也可以得到大幅度的簡化，減少為了保證對水的吹掃高氣速引起的阻力降增加。4)有利于CO在陽極的氧化與脫附，提高抗CO能力；從而可以簡化重整系統的凈化部分。5)高溫操作狀態下，水含量少，因此可以減少由于低溫冷凍狀態下水的冰凍引起的電池性能衰減，有利于低溫啟動。而常規的系統低溫停車時為了消除水的影響，需要吹掃，增加了系統的復雜性，且在膜中的液態水也會有部分殘存。

目前，高溫膜的研究引起了國際上普遍重視，但是，適用于高溫操作的質子交換膜燃料電池結構還是個空白，由于高溫燃料電池中流體的形態和熱質傳遞的特性均區別于常規的燃料電池，所以有必要建立新的燃料電池結構，以適應高溫質子交換膜燃料電池的需要。

發明內容

在試驗與理論分析的基礎上，通過工程計算與設計，本發明的目的在于提供一種結構簡單、厚度小的適用于高溫操作的質子交換膜燃料電池結構。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種適用于高溫操作的質子交換膜燃料電池結構-即“膜電極雙極板組件(Membrane?Electrode?Bipolar?plate?Assemble，MEBA)”。，由燃料流場、CCM(陽極電極、質子交換膜、陰極電極)、氧化劑流場，及其兩側設置的薄金屬分隔板構成，在薄金屬分隔板內側附著有多孔導電材料層，多孔導電材料層即為流場、又兼作擴散層。

該結構利用流場兼作擴散層，采用多孔導電材料如炭氈、不銹鋼纖維氈、泡沫鈦、金屬細絲網等或特殊設計的多孔微通道等結構，與CCM和薄金屬分隔板組合建立膜電極雙極板組件(MEBA)，它與冷卻腔組成了一個單節電池。

本發明采用這種結構具有如下優點：

1)本發明所述的結構可以使燃料電池結構簡化，體積大幅度減少。新結構把流場與擴散層功能結合為一體，結構相對簡單，此外厚度也可以減少。

2)提高傳質速率，增加電化學反應效率。傳統的質子交換膜燃料電池的發電過程是伴隨著多尺度多介質中的兩相流熱質傳遞過程。由于高溫質子交換膜燃料電池流體的特點是單相氣態流，比傳統的質子交換膜氣液兩相流在物性上有很大的區別，如密度、粘度、擴散系數等，因此決定了阻力特性與傳遞機理的不同，單相流不必擔心液態水引起的電極水淹問題，更易于水管理，另外在同等條件下阻力降也小于兩相流。

本發明設計“膜電極雙極板組件(MEBA)”(Membrane?ElectrodeBipolar?plate?Assemble)結構(如圖1)用于高溫質子交換膜燃料電池，與常規傳統結構“MEA+雙極板”(如圖2)不同的是，該結構利用流場兼作擴散層，采用多孔導電材料如炭氈、不銹鋼纖維氈、泡沫鈦、金屬細絲網等或特殊設計的多孔微通道等結構，與CCM和薄金屬分隔板組合建立膜電極雙極板組件(MEBA)，其結構如圖1a所示，它與冷卻腔組成了一個單節電池，如圖1b所示。

3)降低雙極板加工成本。

4)本發明所述的MEBA新結構由于雙極板與膜電極組件為一整體單元，提高了電池組的集成度，便于批量化生產。

附圖說明

圖1為本發明所述的適用于高溫質子交換膜燃料電池的“膜電極雙極板組件--MEBA”結構示意圖；

圖2為常規質子交換膜燃料電池的“膜電極組件--MEA+雙極板”結構示意圖。

具體實施方式

為更好的理解本發明的技術方案，以下結合附圖進一步描述本發明所述的膜電極雙極板組件的結構。

如圖1所示：