[發(fā)明專利]包括多個(gè)獨(dú)立電池子單元組的燃料電池

有效

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• 申請日: 2010-03-30
• 公開（公告）號: CN101807708A
• 公開（公告）日: 2010-08-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高勇
• 申請（專利權(quán)）人: 上海恒勁動力科技有限公司
• 主分類號: H01M8/24
• 分類號: H01M8/24;H01M8/10
• 代理公司: 上海金盛協(xié)力知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31242
• 代理人: 季江勝

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及獨(dú)立反應(yīng)區(qū)域的燃料電池。

背景技術(shù)

燃料電池通常由多個(gè)電池單元構(gòu)成，每個(gè)電池單元包括兩個(gè)電極(雙極板)，該兩個(gè)電極 被電解質(zhì)元件隔開，并且彼此串聯(lián)地組裝，形成燃料電池堆。通過給每個(gè)電極供給適當(dāng)?shù)姆? 應(yīng)物，即給一個(gè)電極供給燃料而另一個(gè)供給氧化劑，實(shí)現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)，從而在電極之間形成 電位差，并且因此產(chǎn)生電能。

為提高滿足較大功率輸出的需要，通常采用增大每個(gè)電池單元的膜電極組件(MEA)中反 應(yīng)區(qū)域(催化劑層)面積的方式實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，圖1中質(zhì)子交換膜1的兩面(圖1中只 示出一側(cè)的正面)均設(shè)有催化劑層2，反應(yīng)物從通道4中進(jìn)入雙極板的流道，流道中釋放反應(yīng) 物在膜電極組件(MEA)的催化劑層2上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。

與之前的技術(shù)相比，雖然目前雙極板的流道設(shè)計(jì)已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)步，但是隨著膜電極 組件(MEA)中反應(yīng)區(qū)域面積的增加，在電化學(xué)反應(yīng)過程中，雙極板上的流道不并能保證其能 夠均勻地輸送反應(yīng)物。如圖1所示的膜電極組件(MEA)中，針對整個(gè)電池設(shè)定的流道區(qū)域， 從進(jìn)口到出口，或者說，在不同的局部區(qū)域內(nèi)，氣流分配是不均勻的。另外在這些總體或局 部的區(qū)域里，燃料和氧化劑的濃度也是不均勻的，在工作狀態(tài)下，反應(yīng)物的供給的波動所產(chǎn) 生的電瞬態(tài)效應(yīng)，其電壓V與縱向的同一個(gè)流道長度L的關(guān)系如圖2所示。在長度L為的同 一個(gè)流道中，在流道兩端可能產(chǎn)生較大的電壓差ΔV；同理，在膜電極組件(MEA)反應(yīng)區(qū)域 的橫向上也可能產(chǎn)生這種較大電壓差的現(xiàn)象，并且在流道之間也可能存在因反應(yīng)物不均勻釋 放產(chǎn)生電壓差的現(xiàn)象，導(dǎo)致每個(gè)電池單元內(nèi)部產(chǎn)生較大的橫向(Inplane)電流，造成模電極 的電化學(xué)腐蝕，這將極大地縮減燃料電池的使用壽命。并且反應(yīng)物供給量大的區(qū)域受限于反 應(yīng)物供給量小的區(qū)域，這種關(guān)聯(lián)效應(yīng)還會導(dǎo)致反應(yīng)物供給量大的區(qū)域輸出電壓被拉低，影響 燃料電池的輸出功率。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種包括多個(gè)獨(dú)立電池子單元組的燃料電池，以解決現(xiàn)有燃料電 池的每個(gè)電池單元易產(chǎn)生橫向電流導(dǎo)致燃料電池的腐蝕的技術(shù)問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種包括多個(gè)獨(dú)立電池子單元組的燃料電池，包括多個(gè)燃料電池單元，每個(gè)所述燃料電 池單元包括雙極板和位于所述雙極板之間的膜電極組件，所述膜電極組件包括質(zhì)子交換膜和 位于該質(zhì)子交換膜兩側(cè)的催化劑層，所述質(zhì)子交換膜兩側(cè)均對稱設(shè)有相互獨(dú)立的催化劑層；

對應(yīng)于每個(gè)所述催化劑層的位置處設(shè)有一透氣層；

所述雙極板包括非電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域和多個(gè)電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域，所述電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域與所述 催化劑層的位置相對應(yīng)，所述電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域和非電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域拼接連接，所述非電化學(xué) 反應(yīng)區(qū)域的材料為非導(dǎo)電材料；

每個(gè)所述燃料電池單元的催化劑層的位置相同，同一催化劑層位置處的質(zhì)子交換膜、催 化劑層、透氣層和雙極板成一個(gè)燃料電池子單元，多個(gè)所述燃料電池單元相同位置處的燃料 電池子單元串聯(lián)連接構(gòu)成燃料電池子單元組，每個(gè)所述燃料電池子單元組與一二極管串聯(lián)后 并聯(lián)。與現(xiàn)有的盡可能使反應(yīng)物在整個(gè)反應(yīng)區(qū)域分配均勻的單個(gè)燃料電池堆的設(shè)計(jì)理念不同 的是，本發(fā)明采用將整體燃料電池分割成多個(gè)獨(dú)立燃料電池子單元組，消除了反應(yīng)區(qū)域之間 的關(guān)聯(lián)性，分割并減小了可能出現(xiàn)的電壓差的幅度，減少了電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，最大限 度地發(fā)揮了自個(gè)獨(dú)立燃料電池子單元乃至整個(gè)燃料電池的效能。

進(jìn)一步地，所述質(zhì)子交換膜的兩側(cè)橫向?qū)ΨQ設(shè)有多個(gè)相互分隔的催化劑層。

進(jìn)一步地，所述質(zhì)子交換膜的兩側(cè)縱向?qū)ΨQ設(shè)有多個(gè)相互分隔的催化劑層。

進(jìn)一步地，同一個(gè)所述燃料電池單元內(nèi)的所述催化劑層之間的間隙和透氣層之間的間隙 處設(shè)有絕緣的填充物。

進(jìn)一步地，所述填充物與所述非電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域?yàn)橐惑w結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明將燃料電池的模電極組件中的催化劑層設(shè)計(jì)成多個(gè)獨(dú)立的區(qū)域，并進(jìn)一步地將透 氣層、雙板等等相應(yīng)地分開設(shè)計(jì)，這樣可以有效地避免分別在催化劑層、透氣層以及雙極板 上產(chǎn)生較大的橫向電流，大大延緩了燃料電池的腐蝕現(xiàn)象，提高了燃料電池的壽命。并且通 過增加的二極管，有效避免了因電壓差而在燃料電池子單元組之間有害電流的產(chǎn)生，進(jìn)一步 提高了燃料電池的壽命，最大限度地發(fā)揮了自個(gè)獨(dú)立燃料電池子單元乃至整個(gè)燃料電池的效 能。

以下結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。