[發明專利]一種多級燃料電池結構及其發電方法

有效

• 申請號: 201710115699.X
• 申請日: 2017-03-01
• 公開（公告）號: CN106848345B
• 公開（公告）日: 2019-10-18
• 發明（設計）人: 申雙林;匡勇
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M8/04
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 殷昭洋

本發明涉及一種多級燃料電池結構，多級燃料電池結構包括陽極、電解質層、陰極、電極集流體、燃料流道、氧化劑流道、燃料電池控制用轉換器，通過燃料電池控制用轉換器控制各級電極電壓，靠近上游處控制較高的電極電壓，沿流道依次降低電極電壓，從而更好的解決由于燃料反應造成的燃料濃度沿流道下降、流道上游“干涸”現象以及流道下游“水淹”現象、電池性能下降和陽極破壞等問題。

技術領域

本發明涉及新能源技術領域，具體涉及一種多級燃料電池結構及其發電方法。

背景技術

在燃料電池工作過程中，燃料和氧化劑分別通入電池。以氫氣為燃料的質子交換膜燃料電池為例，電池運行中，氫氣經擴散作用到達陽極，經催化作用產生H⁺和電子，H⁺以水合氫離子的形式穿過質子交換膜。氧氣進擴散作用進入陰極，經催化作用產生氧離子與經過質子交換膜過來的氫離子結合形成水并釋放大量的熱量，電子由外電路從陽極向陰極移動并產生電流。電極反應和總反應如下：

陽極：

陰極：

總反應：

在燃料電池實際工作過程中，由于燃料消耗以及反應的進行，會產生如下問題：

（1）由于燃料消耗，燃料濃度沿流動方向不斷減小，燃料濃度不足容易造成電流密度下降。

（2）燃料濃度沿流動方向不斷減小，電池反應不均，若將電池處于同一放電電壓下，電池各部分放電效率低。

（3）在低溫燃料電池中：由于流動作用，燃料側產生的水不斷增加，在流道下游容易造成“水淹”現象，阻礙燃料氣體向電解質的擴散作用，從而導致電池性能下降。

（4）在高溫燃料電池中：在流道上游側，由于燃料供應充足，電化學反應劇烈，進口燃料所攜帶的水供應不足，造成“干涸”現象，容易造成局部過熱現象，影響燃料電池壽命等。

（5）在高溫燃料電池中：由于燃料消耗，還原性氣氛被破壞，由于流道出口處外界空氣進入，導致陽極鎳被氧化。

專利CN105742667A公開了一種改善排水性能陰極流場板仿生結構，通過加快陰極產生的水來防止“水淹”現象。但是，該方法無法解決流道上游“干涸”現象以及高溫燃料電池下游水蒸氣分壓升高的問題。專利CN102170002A公開了一種燃料電池流道深度隨流動方向變化的流道結構，此發明通過逐級遞減的流道深度來調節氣體的流速和壓降，但是該方法無法解決燃料濃度沿流道下降、流道上游“干涸”現象以及流道下游“水淹”現象的問題。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術缺陷，提供一種通過電極集流體、陽極和陰極的同時分級處理, 通過燃料電池控制用轉換器控制燃料電池在不同級上輸出不同的電壓，從而更好的解決由于燃料反應后濃度沿流道下降、流道上游“干涸”現象、流道下游“水淹”現象、電池性能下降以及陽極破壞等問題的多級燃料電池結構。

為了解決上述技術問題，本發明提供的包括陰極、電解質層、陽極、電極集流體、燃料流道、氧化劑流道；所述電解質層位于陰極和陽極之間；所述陰極與位于陰極側的電流集流體連接并包圍形成氧化劑流道；所述陽極與位于陽極側的電極集流體連接并包圍形成燃料流道；沿所述多級燃料電池的燃料流動方向將電池分為2級或多級，分別為級1、級2、……級n，燃料從進口順次通過各級，所述多級燃料電池結構還包括用于控制各級電壓的燃料電池控制用轉換器，所述燃料電池控制用轉換器分別與陰極、陽極連接；所述多級燃料電池的各級電極集流體之間保持電絕緣狀態，所述多級燃料電池的各級陽極之間保持電絕緣狀態和隔離狀態，所述多級燃料電池的各級陰極之間保持電絕緣狀態和隔離狀態，將每個單電池的沿氣流方向各級之間形成絕緣狀態或者隔離狀態，從而防止氣體側向擴散，電池陰極各級之間保持電絕緣狀態和隔離狀態，從而防止電流側向傳輸。

作為改進，燃料電池控制用轉換器為放電儀。