专利名称：一种被动排水燃料电池堆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池堆，具体地，涉及一种内置有被动排水组件的被动排水燃料电池堆。
背景技术：
燃料电池(Fuel Cell，FC)是一种将燃料化学能通过电化学方式直接转换为电能的新型发电装置，具有能量转换率高、无污染、原料来源丰富等优点，被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电技术。作为新一代的发电技术，燃料电池可广泛应用于便携式移动电源、电动汽车、发电站、航空航天和军用舰船等各个方面。质子交换膜燃料电池(Protonexchange membrane fuel cell, PEMFC)是燃料电池中的一种，其电解质由固态聚合物膜制成，所以又叫作固态聚合物电解质燃料电池(SPEFC)或固态聚合物燃料电池(SPFC)，具有功率密度高、工作温度低(< 100°C)、寿命长等优点，是目前研究最广泛的燃料电池。一套PEMFC发电装置或系统由燃料电池堆及其相应的辅助系统构成。燃料电池堆是化学能转换为电能的功率转换单元，辅助系统为电池堆提供相应的反应介质和水、热管理，以保证电池堆有效的工作。以氢为燃料、氧为氧化剂是燃料电池最理想的反应物，氢氧燃料电池工作时通过氢、氧电极反应将化学能转换为电能的同时还有产物水生成和废热产生，生成的水若不及时从电极排出(理想情况是生成水的速率应等于排出水的速率)，水就会在电极中积聚，淹没电极催化剂，从而阻碍反应气体与催化剂的接触，导致电池性能衰减，甚至无法正常工作；同样，废热的排出速率也应等于产生速率，以防止因热量聚集，电池堆温度升高而损坏电池材料或组件。因此对燃料电池堆进行合理的水、热管理是其有效工作的重要保障。PEM燃料电池堆由膜电极组件(MEA)和双极板组件重复堆叠而成，其中双极板组件依次由氧气流场板、冷却板、氢气流场板组成。目前，通常的做法是在氢、氧气流场板上加工出沟槽式流道，用来实现反应介质在阳极和阴极表面的均匀分配，同时燃料电池阴极表面生成的水通过氧气的循环流动使其沿流道排出电池，这样介质循环流动需要外部辅助设备(如气体循环泵)来维持一定的流速，同时在电池堆外部还需要气水分离设备来从两相流中对水进行分离、回收。该电池结构的设计必然导致辅助系统复杂，使燃料电池系统重量和体积增加，而且机械式运动部件的使用也导致寄生能耗增加，可靠性、寿命降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池堆，通过电池堆结构的设计，实现电池堆本体通过被动方式将生成水排出，从而最大限度地降低对辅助系统的依赖，简化系统，提高系统
可靠性。为了达到上述目的，本发明提供了一种被动排水燃料电池堆，其中，该电池堆包含依次紧贴并列设置的第一端板、第一集流板、单极板组件、第一膜电极组件、第一氢气流场板、第二集流板以及第二端板；所述的单极板组件包括依次紧贴并列设置的冷却剂板、水收集板、亲水多孔气水分离组件以及氧气流场板。上述的被动排水燃料电池堆，其中，所述的电池堆还包含夹置在所述的第一膜电极组件和第一氢气流场板之间的若干个重复单元；所述的重复单元包括双极板组件和膜电极组件；所述的双极板组件包括依次紧贴并列设置的氢气流场板、冷却剂板、水收集板、亲水多孔气水分离组件以及氧气流场板。上述的被动排水燃料电池堆，其中，所述的氧气流场板朝向第二端板的一侧板面上设有若干平行的流道，流道的方向与流体的运动方向垂直。流体的运动方向与板面的长轴延伸方向一致。上述的被动排水燃料电池堆，其中，所述的氧气流场板的流道的横截面为等腰梯形，梯形的宽边朝向膜电极组件，梯形的窄边朝向亲水多孔气水分离组件。上述的被动排水燃料电池堆，其中，所述的流道在其底部的梯形窄边处沿该流道设有若干朝向氧气流场板内部的彼此间隔的开孔。
上述的被动排水燃料电池堆，其中，所述的开孔是圆孔或沿流道方向的长方形缝隙，圆孔的直径或长方形缝隙的宽度与流道梯形窄边的长度相同。上述的被动排水燃料电池堆，其中，所述的开孔和流道的表面具有亲水性。利用流道表面的亲水特性，通过对梯形截面流道的宽边、窄边和深度以及孔的大小和深度的优化，可以使电极表面生成的液态水珠在毛细力作用下沿着流道斜边向窄边的孔道中迁移，从而避免水在电极表面聚集，同时也有利于氧气传输到电极表面。水的传输过程无需过量的氧气吹扫，因而电池出口无尾气排放。上述的被动排水燃料电池堆，其中，所述的亲水多孔气水分离组件包括夹置在水收集板和氧气流场板之间的亲水性多孔膜以及设在该多孔膜四周的边框和支撑结构。亲水性多孔膜可以是多孔金属膜、多孔无机膜、多孔聚合物膜等。亲水性多孔膜能够被水完全浸润，如果水的表面张力大于气体压力，则气体不会通过膜，因而可实现透水阻气的功能，从而达到气水分离的目的。上述的被动排水燃料电池堆，其中，所述的冷却剂板和水收集板在朝向第二端板的一侧板面上均设有流场，其形式包括设有平行沟槽的流场板、点状分布的流场板、多孔介质板或波纹板。冷却剂板起冷却作用，水收集板设有水收集腔，通过流场进行水分的收集。上述的被动排水燃料电池堆，其中，所述的氢气流场板在朝向第一端板的一侧板面上设有流场，其形式包括设有平行沟槽的流场板、点状分布的流场板、多孔介质板或波纹板。上述的被动排水燃料电池堆，其中，所述的膜电极组件阴极侧与双极板组件的氧气流场板流道宽边侧接触，氧气流场板流道窄边开孔侧与亲水多孔气水分离组件一侧接触，亲水多孔气水分离组件另一侧与水收集板收集腔接触，水收集板的另一侧与冷却剂板接触，冷却剂板的另一侧与氢气流场板接触，氢气流场板的流道侧与后一个膜电极组件的阳极侧接触，这样重复排列就构成一个电池堆。上述的被动排水燃料电池堆，其中，所述的电池堆的排水过程为氢、氧反应气体分别进入氢气流场板和氧气流场板，并通过膜电极组件到达其阳极和阴极的催化层，在催化层发生电极反应。氢气在阳极发生氧化反应，产生电子和质子，电子通过外电路对负载做功后到达阴极，质子通过聚合物电解质膜达到阴极，在阴极处，氧气与质子和电子结合产生水。膜电极阴极侧生成的水在膜电极组件表面逐渐长大形成水珠，水珠与氧气流场板的流道一侧表面接触，粘附于流道壁上，水珠继续变大，当水珠与流道另一侧表面接触时，在流道表面上形成液桥，液桥在毛细力的作用下沿流道斜面上升，随后进入流道窄边的孔中，孔道中的水在毛细力的作用下继续前移，并与亲水多孔气水分离组件一侧接触，在一定的压差下，水通过气水分离组件进入水收集板的水收集腔，然后从水收集腔排出电池堆外。本发明提供的被动排水燃料电池堆具有以下优点
该被动排水电池堆的新型电池结构可以有效实现电池堆本体的被动排水，避免常规电池结构使用外部辅助设备进行排水和气水分离，从而可使燃料电池系统更加简化，降低系统重量、体积和寄生能耗，提闻系统寿命，具有更闻的可罪性和效率，同时无方向敏感性。另外，排水过程以毛细力为驱动力，还可适用于零重力环境工作。该被动排水电池堆应用广泛，可用于燃料电池、再生燃料电池、电解池等，也可应用于水下不依赖空气推进(AIP)潜器动力源、空间航天器电源、高空长航时飞行器电源、备用电源以及再生燃料电池储能电源。·
图I为本发明的被动排水燃料电池堆的结构示意图。图2为本发明的被动排水燃料电池堆的重复单元构成示意图。图3为本发明的被动排水燃料电池堆的双极板组件结构示意图。图4为本发明的被动排水燃料电池堆的氧气流场板的流道截面图。图5为本发明的被动排水燃料电池堆的氧气流场板的流道中水的迁移过程示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步地说明。如图I所示，本发明提供的被动排水燃料电池堆，包含依次紧贴并列设置的第一端板19、第一集流板17、单极板组件16、第一膜电极组件141、第一重复单元15-1、第二重复单元15-2、……、第η重复单元15-η、第一氢气流场板61、第二集流板18、第二端板20。其中，单极板组件16包括依次紧贴并列设置的冷却剂板5、水收集板4、亲水多孔气水分离组件3以及氧气流场板2。重复单元15包括双极板组合件I和膜电极组件14，参见图2所示。如图3所示，双极板组件I包括依次紧贴并列设置的氢气流场板6、冷却剂板5、水收集板4、亲水多孔气水分离组件3以及氧气流场板2。其中，氧气流场板2的流道截面如图4所示。流道壁面呈逐渐缩小的梯形截面7，梯形流道7宽边与膜电极组件14或气体扩散层9接触，其长度为a，梯形流道7的开口角度为2 α，在梯形流道7的窄边间隔一段距离设有开孔8，形成通道，通道的深度为d，开孔8的形状可以是圆孔或者沿流道方向的长方形缝隙，圆孔的大小或长缝的宽度为b，与流道窄边宽度一致。流场板的厚度为D。流道壁水的接触角为Θ 1，膜电极组件或气体扩散层9上水的接触角为Θ2。流道中重力的影响可用邦德数(Bond number, Bo)来衡量,在梯形流道7中，邦德数可由下式计算
权利要求
1.一种被动排水燃料电池堆，其特征在于，该电池堆包含依次紧贴并列的第一端板(19)、第一集流板(17)、单极板组件(16)、第一膜电极组件(141)、第一氢气流场板(61)、第二集流板(18)以及第二端板(20)； 所述的单极板组件(16)包括依次紧贴并列的冷却剂板(5)、水收集板(4)、亲水多孔气水分离组件(3)以及氧气流场板(2)。
2.如权利要求I所述的被动排水燃料电池堆，其特征在于，所述的电池堆还包含夹置在第一膜电极组件(141)和第一氢气流场板(61)之间的若干个重复单元(15)； 所述的重复单元(15)包括双极板组件(I)和膜电极组件(14); 所述的双极板组件(I)包括依次紧贴并列的氢气流场板(6)、冷却剂板(5)、水收集板(4)、亲水多孔气水分离组件(3)以及氧气流场板(2)。
3.如权利要求I所述的被动排水燃料电池堆，其特征在于，所述的氧气流场板(2)朝向第二端板(20)的一侧板面上设有若干平行的流道。
4.如权利要求2所述的被动排水燃料电池堆，其特征在于，所述的氧气流场板(2)的流道的横截面为等腰梯形(7)，梯形(7)的宽边朝向膜电极组件(14)，梯形(7)的窄边朝向亲水多孔气水分离组件(3)。
5.如权利要求3所述的被动排水燃料电池堆，其特征在于，所述流道在其底部的梯形(7)窄边处沿该流道设有若干朝向氧气流场板(2)内部的彼此间隔的开孔(8)。
6.如权利要求4所述的被动排水燃料电池堆，其特征在于，所述的开孔(8)是圆孔或沿流道方向的长方形缝隙，圆孔的直径或长方形缝隙的宽度与流道梯形(7)窄边的长度相同。
7.如权利要求5所述的被动排水燃料电池堆，其特征在于，所述的开孔(8)和流道的表面具有亲水性。
8.如权利要求I所述的被动排水燃料电池堆，其特征在于，所述的亲水多孔气水分离组件(3)包括夹置在水收集板(4)和氧气流场板(2)之间的亲水性多孔膜以及设在该多孔膜四周的边框和支撑结构。
9.如权利要求I所述的被动排水燃料电池堆，其特征在于，所述的冷却剂板(5)和水收集板(4)在朝向第二端板(20)的一侧板面上均设有流场，其形式包括设有平行沟槽的流场板、点状分布的流场板、多孔介质板或波纹板。
10.如权利要求I所述的被动排水燃料电池堆，其特征在于，所述的氢气流场板(6)在朝向第一端板(19)的一侧板面上设有流场，其形式包括设有平行沟槽的流场板、点状分布的流场板、多孔介质板或波纹板。
全文摘要
本发明公开了一种被动排水燃料电池堆，该电池堆包含依次紧贴并列的第一端板、第一集流板、单极板组件、第一膜电极组件、若干个重复单元、第一氢气流场板、第二集流板以及第二端板；单极板组件包括依次紧贴并列的冷却剂板、水收集板、亲水多孔气水分离组件以及氧气流场板；重复单元包括双极板组件和膜电极组件；双极板组件包括依次紧贴并列的氢气流场板、冷却剂板、水收集板、亲水多孔气水分离组件以及氧气流场板。本发明提供的被动排水燃料电池堆，实现了被动排水功能，可省去常规电池堆结构所需的外部气体循环泵和气水分离器，从而使系统部件数量减少，无运动部件，无方向敏感性，可显著提高系统的可靠性。
文档编号H01M8/02GK102945979SQ201210522050
公开日2013年2月27日 申请日期2012年12月7日 优先权日2012年12月7日
发明者刘向, 王涛, 张伟, 孙毅, 蒋永伟, 朱荣杰, 王丽娜, 张新荣 申请人:上海空间电源研究所