[實(shí)用新型]一種外置冷卻流體通道的燃料電池堆

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201120183490.5
• 申請日: 2011-06-01
• 公開（公告）號: CN202134613U
• 公開（公告）日: 2012-02-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡里清;李麗;王祥生;胡卓滔;鐘擁軍
• 申請（專利權(quán)）人: 上海神力科技有限公司
• 主分類號: H01M8/24
• 分類號: H01M8/24;H01M8/04;H01M4/86;H01M2/08
• 代理公司: 上海科盛知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 蔣亮珠

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及燃料電池，尤其涉及一種外置冷卻流體通道的燃料電池堆。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)是21世紀(jì)人類利用氫能的最主要的關(guān)鍵技術(shù)。很多國家對質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)化都給予了高度的重視與大力的支持，并取得了許多實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。可以預(yù)見，該技術(shù)的全面產(chǎn)業(yè)化將對未來世界能源供應(yīng)和格局產(chǎn)生重大影響。在現(xiàn)代社會生活和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中，電力供應(yīng)和保障的重要性越來越重要，同時對提高電力生產(chǎn)和使用效率及環(huán)境友好的要求程度不斷提高。分布式發(fā)電的接近用戶，減少電力遠(yuǎn)距離輸送，根據(jù)用電需求靈活調(diào)整的優(yōu)勢越來越受到各國的重視。

根據(jù)質(zhì)子交換膜的運(yùn)行溫度，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)可分為低溫和高溫兩種類型。低溫質(zhì)子交換膜燃料電池(LT-PEMFC)的運(yùn)行溫度一般不高于90℃，具有啟動快、功率密度高、重量輕、體積小的優(yōu)點(diǎn)，它對作為燃料的氫氣純度要求很高，適合與太陽能等可再生能源銜接，利用電解水制取的高純度氫氣將不穩(wěn)定的可再生能源轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電能；高溫質(zhì)子交換膜燃料電池(HT-PEMFC)的運(yùn)行溫度在120℃到180℃，雖然相比低溫質(zhì)子交換膜燃料電池(工作溫度＜90℃)的啟動速度略慢(需要預(yù)熱)、功率密度稍低，但是高溫質(zhì)子交換膜燃料電池(工作溫度120-180℃)有很強(qiáng)的抗CO中毒能力，非常適合由天然氣、管道煤氣、甲醇、丙烷、甚至是垃圾填埋氣以及生物能等多種方式重整制得的氫氣，大大降低了燃料電池發(fā)電技術(shù)的使用門檻，而且由于高溫燃料電池運(yùn)行與120℃以上的高溫，電堆生成水全部汽化，不會造成燃料電池堆內(nèi)流道堵水，燃料電池的穩(wěn)定可靠性大大提高，運(yùn)行壽命比低溫燃料電池高出10倍以上。此外，高溫質(zhì)子交換膜燃料電池(工作溫度120-180℃)運(yùn)行產(chǎn)生的高溫更容易被回收利用，整合成熱電聯(lián)供系統(tǒng)(CHP)進(jìn)一步提高其能量利用率。高溫質(zhì)子交換膜燃料電池具有運(yùn)行穩(wěn)定性高、系統(tǒng)簡單、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，從小型居民家用終端熱電聯(lián)供，到樓宇、小區(qū)的分布式發(fā)電、大型的中心發(fā)電站。

高溫質(zhì)子交換膜燃料電池(工作溫度120-180℃)技術(shù)作為燃料電池中使用固態(tài)質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)的一種，其電解質(zhì)的重要特性、膜電極(membraneelectrode?assembly?MEA)的基本結(jié)構(gòu)和燃料電池的工作方式與低溫質(zhì)子交換膜燃料電池(工作溫度＜90℃)類似：電解質(zhì)同樣是質(zhì)子的導(dǎo)體、電子的絕緣體，并有非常低的氣體滲透性；膜電極MEA同樣是其核心部件，膜電極與其兩側(cè)的雙極板組成了燃料電池的基本單元-燃料電池單電池；膜電極的基本結(jié)構(gòu)也是中間質(zhì)子交換膜，膜兩側(cè)分別是陰極和陽極電催化劑，陰陽極電催化劑外附氣體擴(kuò)散層；工作過程，氫氣透過有孔的氣體擴(kuò)散層至催化劑層，燃料電池的氫氣一側(cè)為陽極，催化劑使氫氣分離為質(zhì)子和電子，質(zhì)子通過電解質(zhì)達(dá)到陰極(即氧氣一側(cè))，電子流過一個外部電路到達(dá)陰極，在陰極質(zhì)子、電子和氧氣反應(yīng)生成水。

高溫質(zhì)子交換膜燃料電池(工作溫度120-180℃)使用的高溫質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導(dǎo)機(jī)理與低溫質(zhì)子交換膜燃料電池(工作溫度＜90℃)使用的質(zhì)子交換膜質(zhì)子傳導(dǎo)機(jī)理完全不同。低溫質(zhì)子交換膜燃料電池運(yùn)行過程中，質(zhì)子穿過膜時必須攜帶水分子(最多時一個質(zhì)子需攜帶14個水分子)，在水分子的幫助下才能穿過膜，在干透或濕度不夠情況下質(zhì)子將不能或少量可以穿過膜，從而增大膜的電阻，導(dǎo)致迅速降低性能、減少壽命。高溫質(zhì)子交換膜的傳導(dǎo)機(jī)理是：聚苯并咪唑(PBI)磷酸浸漬形成晶格，相當(dāng)于形成磷酸二氫鹽，在150℃-200℃溫度范圍內(nèi)質(zhì)子通過磷酸二氫鹽的氫鍵網(wǎng)格相當(dāng)于接力一樣傳遞，完成質(zhì)子穿過膜的過程，該過程中不需要攜帶水分子，但隨著溫度的降低，膜的電導(dǎo)率也將降低。故高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的運(yùn)行條件完全不同于低溫質(zhì)子交換膜燃料電池。

一個典型電池組通常包括：(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經(jīng)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(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組后進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。