[發(fā)明專利]電極板、單電池、電池堆及具有其的燃料電池動力系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710340245.2
• 申請日: 2017-05-15
• 公開（公告）號: CN107104240B
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宋亞婷;湯浩;殷聰;羅再祥
• 申請（專利權(quán)）人: 中國東方電氣集團有限公司
• 主分類號: H01M8/04119
• 分類號: H01M8/04119;H01M8/0258
• 代理公司: 成都天嘉專利事務(wù)所(普通合伙) 51211
• 代理人: 蔣斯琪

本發(fā)明提供了一種電極板、單電池、電池堆及具有其的燃料電池動力系統(tǒng)。該電極板包括電極板本體以及設(shè)置在電極板本體上的液體滲析孔。通過利用液體滲析的原理，將電池堆的關(guān)鍵組件雙極板進行設(shè)計改進為具有液體滲析孔的電極板，使得該電極板形成的電池堆，利用燃料電池系統(tǒng)自身產(chǎn)生的氣態(tài)水，通過極板上的滲析通道完成了電池堆加濕，加濕過程同時利用了冷卻水循環(huán)過程動力及電池堆反應(yīng)產(chǎn)熱，降低了冷卻水散熱負荷。又由于電池堆反應(yīng)產(chǎn)水能夠循環(huán)利用。因此，帶有液體滲析孔形式的電極板所形成的燃料電池動力系統(tǒng)，能夠高效利用燃料電池系統(tǒng)的水熱，在電化學(xué)反應(yīng)的同時能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)加濕，大大提高了加濕效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，具體而言，涉及一種電極板、單電池、電池堆及具有其的燃料電池動力系統(tǒng)。

背景技術(shù)

燃料電池汽車(FCV)是一種用車載燃料電池裝置產(chǎn)生的電能作為動力的汽車。目前，廣泛應(yīng)用于燃料電池汽車的是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。質(zhì)子交換膜燃料電池汽車的工作原理為：燃料氫氣沿燃料電池電堆陽極板流道分配在膜電極的陽極側(cè)，在陽極催化劑的作用下解離成電子和質(zhì)子，電子經(jīng)外電路到達陰極，質(zhì)子直接穿過膜電極到達陰極，與陰極反應(yīng)氣體中的氧氣反應(yīng)生成水。此過程的產(chǎn)物為電能、熱和水。其中電能帶動電動機工作，電動機再帶動汽車中的機械傳動結(jié)構(gòu)，進而帶動汽車的前橋(或后橋)等行走機械結(jié)構(gòu)工作，從而驅(qū)動電動汽車前進。熱和水通過熱交換裝置直接排放或綜合利用。

目前，功率等級較大的質(zhì)子交換膜燃料電池車用動力系統(tǒng)，為了降低系統(tǒng)散熱負荷，保證較高的電堆反應(yīng)溫度，通常空氣需要進行外部加濕，外部加濕一般采用氣/氣型加濕方式，即利用電池堆陰極反應(yīng)尾氣(COG)中的熱量和氣態(tài)水對陰極進堆空氣進行加濕。同時為了提高氫氣利用率及系統(tǒng)使用安全性，燃料供給系統(tǒng)一般采用氫氣循環(huán)方式。電池堆結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了形象，圖中與進出管口連接的兩端表示緊固端板，中間部分表示電池堆主體。其中，圖1示出了現(xiàn)有的質(zhì)子交換膜燃料電池車用動力系統(tǒng)的簡化流程圖。其主要包含空氣供給、氫氣供給及電池堆冷卻三個回路，電池堆001’電化學(xué)反應(yīng)所需的空氣由空氣輸送設(shè)備002’提供動力進入加濕器003’被電堆陰極反應(yīng)尾氣加濕升溫后進入電池堆陰極側(cè)，陰極尾氣與空氣在加濕器中完成傳熱傳質(zhì)后的廢氣直接排放；來自高壓儲氣瓶004’的氫氣通過減壓及計量裝置005’后進入電堆陽極側(cè)，陽極側(cè)反應(yīng)后的出堆氣體通過氫氣循環(huán)裝置006’輸送又循環(huán)進入電池堆，此過程由于涉及陰極惰性氣體N₂膜滲透、陽極雜質(zhì)氣體循環(huán)累積及水管理等問題，在陽極出口氫氣管路設(shè)置了吹掃裝置007’，以便定時定量進行陽極雜質(zhì)氣體排放與陽極氣水管理。電池堆電化學(xué)反應(yīng)過程產(chǎn)生的熱量(圖1中，電池堆中冷卻液在堆內(nèi)只有熱量傳遞而沒有物質(zhì)傳遞時，用虛線連接表示，)由動力設(shè)備008’輸送的冷卻介質(zhì)穿過電堆帶出后進入散熱裝置009’完成熱量平衡，冷卻介質(zhì)在散熱裝置降溫后又循環(huán)進入電堆。

上述系統(tǒng)中涉及的COG膜加濕過程存在以下幾方面的問題：

(1)膜加濕器成本昂貴。由于膜加濕器使用了大量Nafion材料，又由于該技術(shù)目前只掌握于一兩家國外企業(yè)，此兩方面因素導(dǎo)致其價格高昂；

(2)COG膜加濕過程加濕效率較低。由于COG加濕過程利用陰極尾氣從電池堆帶出的氣態(tài)水在膜加濕器中對干空氣進行加濕。空氣進堆相對濕度隨COG加濕回路管路布局及保溫效果會有很大變化，經(jīng)模擬計算，當加濕回路阻力較小，保溫效果較佳時，空氣進堆相對濕度為60％左右。

(3)COG膜加濕過程濕度調(diào)控困難。燃料電池系統(tǒng)由于應(yīng)用場所不同、功率量級不同或電池堆關(guān)鍵材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計差別導(dǎo)致其對反應(yīng)物料的濕度需求有所不同。利用電池堆COG對陰極進堆空氣加濕時，空氣濕度受COG濕度、溫度等因素影響而變化，即處于被動調(diào)節(jié)狀態(tài)，這樣可能造成電池堆在某些運行條件下(如溫度升高、計量比增加等)過干，某些條件下(如溫度降低、計量比減小等)水淹。

(4)COG膜加濕過程壓力適應(yīng)性小。一方面由于膜加濕器中Nafion材料的承壓能力有限，對COG和干空氣兩側(cè)壓差提出了嚴格限制。另一方面，隨著壓力增加加濕效率降低。