[發明專利]一種新型系統集成式模塊化燃料電池系統

無效

• 申請號: 201010203053.5
• 申請日: 2010-06-18
• 公開（公告）號: CN102005593A
• 公開（公告）日: 2011-04-06
• 發明（設計）人: 余青霖;冀中華;曾憲林
• 申請（專利權）人: 余青霖;冀中華
• 主分類號: H01M8/24
• 分類號: H01M8/24;H01M8/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域：

本發明涉及一種系統集成式模塊化燃料電池系統。

背景技術：

電化學燃料電池是一種能夠將氫及氧化劑轉化成電能及反應產物的裝置，該裝置的內部核心部件是膜電極(Membrane?ElectrodeAssembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)有一張質子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細小分散的引發電化學反應的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導電物體將發生電化學反應過程中生成的電子，通過外電路引出，構成電流回路。

在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發生電化學反應，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質子交換膜，到達膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發生電化學反應得到電子，形成負離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發生反應，形成反應產物。

在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區的催化電化學反應就產生了氫正離子(或叫質子)。質子交換膜幫著氫正離子從陽極區遷移到陰極區。除此之外，質子交換膜將含有氫氣燃料的氣流與含氧的氣流隔離開，使它們不會相互混合產生爆發式反應。

在陰極區，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負離子，并與陽極區遷移過來的氫正離子反應，生成反應產物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質子交換膜燃料電池中，陽極反應與陰極反應可以用一下方程式表達：

陽極反應：H₂→2H⁺+2e

陰極反應：1/2O₂+2H⁺+2e→H₂O

在典型的質子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導電的極板中間，每塊導流板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機械銑刻，形成至少一條以上的導流槽。這些導流極板可以是金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導流極板上的導流孔道與導流槽分別將燃料和氧化劑導入膜電極兩邊的陽極區與陰極區。在一個質子交換膜燃料電池單電池的構造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導流板與陰極氧化劑的導流板。這些導流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導流板上的導流槽又作為燃料與氧化劑進入陽陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運作過程中生成的水的通道。

為了增大整體質子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通常可通過直疊的方式串聯成電池組或通過平鋪的方式并聯成電池組、在直疊、串聯式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導流面，而另一面又可以作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定的、方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。

一個典型電池組通常包括：(1)燃料及氧化劑氣體的導流進口和導流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導流通道，將冷卻水流體均勻分布到各個電池組內冷卻通道中，將燃料電池內氫、氧電化學放熱反應生成的熱吸收并帶出電池組后進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應的導流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排除時，可攜帶出燃料電池中生成的液、氣態的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進出口都開在燃料電池組的一個端板上或者兩個端板上。

質子交換膜燃料電池組既可以用作車、船等運載工具的動力系統，有可以用作移動式或固定式發電站。質子交換膜燃料電池一般由若干個單電池通過串聯或者并聯組裝一起成為電池堆。

燃料電池發電系統主要由燃料電池堆與電池堆支持運行系統組成。當燃料電池發電系統用作車、船等運載工具的動力系統時，燃料電池發電機系統也叫做燃料電池發動機，但可以用作移動式或固定式發電站。