[發明專利]多通道燃料電池堆

無效

• 申請號: 200710053635.8
• 申請日: 2007-10-25
• 公開（公告）號: CN101141007A
• 公開（公告）日: 2008-03-12
• 發明（設計）人: 羅志平;覃群;潘牧;黃丹峰;詹志剛
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M8/24
• 分類號: H01M8/24;H01M8/02;H01M4/86;H01M8/10
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司
• 代理人: 王守仁

技術領域

本發明涉及燃料電池領域，特別是涉及一種多通道的燃料電池堆。

背景技術

燃料電池是一種通過化學反應將燃料和氧化劑的化學能直接轉化成電能的裝置，具有室溫下啟動快、能量轉換效率高、對環境污染小、噪音低等突出優點，在交通、發電、軍事、航天航空等領域有著廣闊的應用前景。

質子交換膜燃料電池(Proton?Exchange?Membrane?Fuel?Cell，縮寫：PEMFC)以全氟磺酸型固體聚合物為電解質，鉑/碳或鉑-釕/碳為電催化劑，氫或凈化重整氣為燃料，空氣或純氧為氧化劑，帶有氣體流動通道的石墨或表面改性的金屬板為雙極板。

雙極板的主要功能是給反應物(燃料和氧化劑)及反應產物提供進出燃料電池的流動通道，并收集電流。一個典型的雙極板通常包括：(1)燃料與氧化劑氣體的進氣口，用于向燃料電池輸送燃料和氧化劑；(2)燃料與氧化劑氣體的出氣口，用于排出部分燃料和氧化劑氣體；(3)流場區，包括氣體進出口處的流場和整個流場反應區；(4)冷卻流體(如水)進、出口，用于提供燃料電池所需冷卻流體。

在PEMFC中，電極各處均能獲得充足的反應劑，及時把電池生成水排出是保證燃料電池正常運行的關鍵。如果反應劑在電極各處分布不均勻，會造成電極各處反應的不均勻，從而引起電流密度分布不均勻，導致電池局部過熱，表現出某個電池電壓很低甚至出現負值，電池運行不穩定，降低電池性能并影響電池的壽命。同樣，如果陰極生成的水不能及時排出，會增大氣體擴散阻力形成濃差極化，影響電池性能，甚至造成“水淹”電極的情況，水的累計也會使質子交換膜局部產生溶漲現象。因此，雙極板的設計對PEMFC的性能有著很大的影響。

目前，應用于燃料電池的雙極板中，一般只有一個燃料進口，一個燃料出口，一個氧化劑進口，一個氧化劑出口，一個冷卻流體的進口，一個冷卻流體出口，共6個開口，如比較常見的蛇形流場雙極板，其結構如圖4所示：包括蛇形流場的燃料氣體進口26，冷卻流體進口27，蛇形流場的氧化劑氣體進口28，蛇形流場的氧化劑氣體出口29，冷卻流體出口30，燃料氣體出口31，以及蛇形流場的雙極板流場區32。在一個燃料電池電堆中，這類雙極板排成一行，組裝成的電堆相應有6個通道，分別是一個燃料進口通道，一個燃料出口通道，一個氧化劑進口通道，一個氧化劑出口通道，一個冷卻流體進口通道，一個冷卻流體出口通道。氣體由一個公共進氣通道進入電堆，再通過這些公共通道進入各個單電池，經過多個線形彎道后，最后經由電堆的一個公共出氣通道流出。

上述雙極板設計及利用該雙極板組裝成的電堆存在以下缺點：

由于雙極板上只開有一個公共進氣口，從進口到流場邊緣區域的彎弧和角度都較大，而流道的長度又較長，這樣就使得氣體傳輸路徑長，氣體傳輸阻力增大，并且反應氣在拐角處損耗較大，從而影響電池的穩定運行，降低電池的效率。尤其是對于大面積燃料電池，流場邊緣區域的流道因為角度太大，易形成反應“死區”，影響電池性能和效率。

另外，利用這類雙極板組裝成的電堆只有一個公共進氣通道和一個公共出氣通道，容易造成進入電堆的氣體在各個單電池間分配不均。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：提供一種新型的具有多孔道的雙極板，同時利用這種雙極板組裝成具有多通道結構的燃料電池堆，該電池堆更能均勻的獲得燃料和氧化劑，使性能發揮穩定。

本發明解決其技術問題采用的技術方案是：設有雙極板，以及提供燃料的通道、提供氧化劑的通道、提供冷卻介質的通道。提供的燃料和氧化劑的通道，至少有兩個進氣通道和出氣通道。雙極板具有多孔傳質結構，各個雙極板并行疊放，每個極板上的各個氣體進口、氣體出口分別組合到一起，形成電池堆的多個公共進氣通道和多個出氣通道；反應氣體通過多個公共進氣通道進入電池堆，再分配到各個單電池參與電池反應，最后通過多個公共出氣通道流出。

本發明因采用了新型的雙極板，其進口和出口分別采用多孔設計結構，相對于常規的的一個進氣口和一個出氣口設計的雙極板來說，流場的彎道減少，流道長度也減少，從而使得氣體在流場中的流速也相應減小，這樣有利于氣體在流場中的均勻傳輸和擴散，并且使得進入流場的氣體可以獲得均一的流速，有利于氣體在電極表面的分配，避免流場局部區域氣體濃度分布不均勻；同時還有利于電池內部水的排出，避免“水淹”電池情況的發生。另外，利用該多孔雙極板組裝成的電堆，反應氣體可以通過多個進氣通道進入電堆參與電池反應，再通過多個出氣通道流出，有利于氣體在各個單電池間的分配，確保了單電池間氣體分配的均勻，提高了電池運行的穩定性。