一种燃料电池的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种燃料电池，包括多个燃料电池堆；氧气体供给路径，其用于向所述发电单元供给氧化剂气体；以及氢气供给路径，其用于向所述发电单元供给燃料气体；微孔水氧加湿极板、微孔单氢加湿极板的微孔的孔径控制在0.4um~0.8um之间；所述燃料电池还包括一组歧管通道，该歧管通道被布置在氢流道与氧气流场板的通孔之间，其中部分歧管将氢气供给到氧气流场板的通孔之间，另一部分歧管依靠压力传感器将通道中存在的物质循环。本实用新型的一种燃料电池，在不增加通道尺寸的前提下，提高改善燃料电池的能量输出密度。
【专利说明】
一种燃料电池
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种燃料电池。在本实用新型的燃料电池中，反应物质可以在燃料电池的内部再循环。
【背景技术】
[0002]燃料电池是通过电化学反应将燃料中的化学能直接变成电能的一种发电装置。因为它工作温度高，废热可以得到有效利用，能量转化效率是所有燃料电池中最高的(可高达70%以上)；由于运动部件很少，工作时安静;又因为采用全固态结构，无酸碱腐蚀性物质包含在电池中，电池的污染排放极低，因而被称之为21世纪的一种绿色发电技术。
[0003]质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell)是燃料电池的一种，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极。PEM(质子交换膜，proton exchange membrane)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流场板、冷却板、氢流场板组成。目前，通常的做法是在氢、氧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。
[0004]水、热管理是质子交换膜燃料电池发电系统的重要环节之一。电堆运行时，质子交换膜需要保持一定的湿度，反应生成的水需要排除。不同形态的水的迀移、传输、生成、凝结对电堆的稳定运行都有很大影响，这就产生了质子交换膜燃料电池发电系统的水、热管理问题。专利201410210695.6提出了一种被动排热燃料电池堆，通过结构设计实现了电池堆本身的自主排水进气功能，解决了燃料电池复杂而庞大的辅助系统极大限制其在高比功率要求领域中的应用问题，同时避免复杂的辅助系统影响到整个燃料电池系统的可靠性问题。然而，上述燃料电池系统在封装时，依次紧贴并列设置的部件较多，使封装的有利配置被劣化。此外，氧气流场板其表面的若干流道内还会产生压力损耗，气体沿着燃料电池堆的方向流动时，气体的属性显著改变，从而在电池之间产生偏差。
[0005]鉴于以上原因，需通过在电池内部设置氢气再循环装置，改善多孔气水分离组件以及氧气流场板的气体流动，在不增加通道尺寸的前提下，提高改善燃料电池的能量输出
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【实用新型内容】
[0006]针对现有技术的不足，本实用新型解决的问题是提供一种燃料电池，在不增加通道尺寸的前提下，提高改善燃料电池的能量输出密度。
[0007]为了实现上述技术方案，本实用新型的燃料电池，包括一种燃料电池，包括多个燃料电池堆;氧气体供给路径，其用于向所述发电单元供给氧化剂气体；以及氢气供给路径，其用于向所述发电单元供给燃料气体；所述氧气供给路径由氧气流场板表面设有若干流道，所述流道内的底部沿流道方向间隔开有若干垂直透过氧气流场板的通孔，氧气供给路径的氧极板为微孔水氧加湿极板;所述氢气体供给路径由水氢双极板两侧分别设有水流道和氢流道，其设置位置与氧气流场板的流道分别对应，氢气体供给路径中的氢极板为微孔单氢加湿极板，所述微孔水氧加湿极板、微孔单氢加湿极板的微孔的孔径控制在0.4um?
0.Sum之间;所述燃料电池还包括一组歧管通道，该歧管通道被布置在氢流道与氧气流场板的通孔之间，其中部分歧管将氢气供给到氧气流场板的通孔之间，另一部分歧管依靠压力传感器将通道中存在的物质循环。
[0008]进一步，所述燃料电池还包括膜电极组件，所述膜电极组件由局部电路和分别设置在该质子交换膜相对的两个表面的阴极电极和阳极电极构成，所述局部电路使燃料和氧化剂分别引导至所述阳极和阴极，促进电子从所述阳极到所述阴极的流动以产生电；该多个局部电路之间具有多个间隙。
[0009]进一步，所述燃料电池中微孔水氧加湿极板、微孔单氢加湿极板具有阻气透水功會K。
[0010]优选的，上述燃料电池还包括喷嘴，布置在所述一组歧管中的至少一根歧管与所述通道之间，具有喷入口和喷出口。
[0011 ]与现有技术相比，本实用新型的优点在于:
[0012]1.—组歧管通道与氧极板、水氢双极板，共同定义了多个反应气体通道，通过结构设计，在不增加常规电池堆结构所需的流量控制器的前提下，减小了氧气流场板其表面的若干流道内还会产生压力损耗，使结构更加简化。
[0013]2.在保证每个燃料电池堆的均匀加湿前提下，使得气体沿着燃料电池堆的方向流动时，气体的属性改变不大，从而减小电池之间产生偏差。
【附图说明】
[0014]图1为本实用新型一种燃料电池的结构原理示意图。
【具体实施方式】
[0015]下文结合附图和实施方式对本实用新型进行详细说明。
[0016]如图1所示，本实用新型的一种燃料电池，包括多个燃料电池堆I;氧气体供给路径2，其用于向所述发电单元供给氧化剂气体；以及氢气供给路径3，其用于向所述发电单元供给燃料气体；所述氧气供给路径2由氧气流场板表面设有若干流道，所述流道内的底部沿流道方向间隔开有若干垂直透过氧气流场板的通孔，氧气供给路径2的氧极板5为微孔水氧加湿极板;所述氢气体供给路径3由水氢双极板两侧分别设有水流道和氢流道，其设置位置与氧气流场板的流道分别对应，氢气体供给路径中的氢极板为微孔单氢加湿极板，所述微孔水氧加湿极板、微孔单氢加湿极板的微孔的孔径控制在0.4um~0.8um之间；该电池结构中，按照单氢板、膜电极、多孔单氧加湿极板及膜的顺序依次重复排列组成。电池具有自加湿结构，该自加湿结构选择微孔极板，或多孔极板与膜的组合，具有阻气透水功能。所述燃料电池还包括一组歧管通道，该歧管通道被布置在氢流道与氧气流场板的通孔之间，其中部分歧管将氢气供给到氧气流场板的通孔之间，另一部分歧管依靠压力传感器将通道中存在的物质循环。
[0017]进一步，本实用新型的一种燃料电池还包括垫圈，沿着被附接到所述多根歧管中的至少一组歧管的圆周布置，所述水氢双极板中氢极板6具有自加湿结构。
[0018]进一步，本实用新型的一种燃料电池还包括膜电极组件，所述膜电极组件由局部电路和分别设置在该质子交换膜相对的两个表面的阴极电极和阳极电极构成，所述局部电路使燃料和氧化剂分别引导至所述阳极和阴极，促进电子从所述阳极到所述阴极的流动以产生电；该多个局部电路之间具有多个间隙，所述阴极电极和阳极电极的极板采用碳纤维布和聚四氟乙烯复合制成。
[0019]进一步，所述质子交换膜为全氟磺酸树脂或磺化聚合物交换膜，厚度为26?28微米，平均孔径为0.3微米，所述磺化聚合物的磺化聚碳酸酯为磺化度40%_58%的聚碳酸酯，解决了现今全氟质子交换膜存在的电性能仍然依赖全氟磺酸树脂的含量，工作温度也很难有较大提高，成本过高，以及含氟材料的使用对环境的巨大威胁的缺陷;所述阴极电极和阳极电极与质子交换膜接触层设置有电催化剂层，采用的催化剂为铂颗粒、金颗粒、钯颗粒或钌颗粒，通过上述催化剂颗粒均匀吸附在具有电子导电性的多个管状载体的内壁上，使得其充分与反应气体、质子和电子接触，提高了该催化剂的利用率;所述阴极电极和阳极电极的极板形成若干平行布置的锥形流道4，增大了接触面积，所述的阴极电极空气输送的方向按直径逐渐增大的顺序排列在以其相连通的流道上。
[0020]优选的，所述微孔水氧加湿极板、微孔单氢加湿极板具有阻气透水功能。
[0021]进一步，本实用新型的一种燃料电池还包括喷嘴，布置在所述一组歧管中的至少一根歧管与所述通道之间，具有喷入口和喷出口。所述电催化剂层包括多个管状载体，该多个管状载体之间具有多个间隙，反应气体通过该多个间隙直接扩散至催化剂颗粒表面，所述催化剂为铂颗粒，铂载量为0.06?0.09 mg/cm2，所述质子交换膜质子电导率为4.5X10—1S/ cm，使用温度< 130°C，使用寿命2 4200h。
[0022]进一步，所述管状载体的高度为10微米?50微米，壁厚为5nm?12nm，采用碳纳米管、氧化锌纳米管、氧化钴纳米管、二氧化钛纳米管或五氧化二钒纳米管，由于管状载体自身具有电子导电性，从而使得管状载体传导的电子也可直接与催化剂颗粒接触。
[0023]本实用新型所提供的燃料电池将为低轨观测卫星、高轨卫星、我国空间站、神舟飞船、天宫系列等一系列的飞行器提供广阔的应用市场。该技术创新填补国内了空白，提高我国太阳电池阵的应用水平，为国防做出贡献。
[0024]本实用新型虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本实用新型技术方案的保护范围。
【主权项】
1.一种燃料电池，包括多个燃料电池堆;氧气体供给路径，其用于向发电单元供给氧化剂气体；以及氢气供给路径，其用于向发电单元供给燃料气体；所述氧气供给路径由氧气流场板表面设有若干流道，所述流道内的底部沿流道方向间隔开有若干垂直透过氧气流场板的通孔，氧气供给路径的氧极板为微孔水氧加湿极板;所述氢气体供给路径由水氢双极板两侧分别设有水流道和氢流道，其设置位置与氧气流场板的流道分别对应，氢气体供给路径中的氢极板为微孔单氢加湿极板，其特征在于:所述微孔水氧加湿极板、微孔单氢加湿极板的微孔的孔径控制在0.4unH).Sum之间；所述燃料电池还包括一组歧管，该歧管被布置在氢流道与氧气流场板的通孔之间，其中部分歧管将氢气供给到氧气流场板的通孔之间，另一部分歧管依靠压力传感器将通道中存在的物质循环。2.依据权利要求1所述的一种燃料电池，其特征在于，还包括垫圈，沿着被附接到所述多根歧管中的至少一组歧管的圆周布置，所述水氢双极板中氢极板具有自加湿结构。3.依据权利要求1所述的一种燃料电池，其特征在于，还包括膜电极组件，所述膜电极组件由局部电路和分别设置在质子交换膜相对的两个表面的阴极电极和阳极电极构成，所述局部电路使燃料和氧化剂分别引导至所述阳极和阴极，促进电子从所述阳极到所述阴极的流动以产生电；该局部电路之间具有多个间隙。4.依据权利要求3所述的一种燃料电池，其特征在于，所述质子交换膜为全氟磺酸树脂或磺化聚合物交换膜，厚度为26?28微米，平均孔径为0.3微米;所述阴极电极和阳极电极与质子交换膜接触层设置有电催化剂层，采用的催化剂为铂颗粒、金颗粒、钯颗粒或钌颗粒;所述阴极电极和阳极电极的极板形成若干平行布置的锥形流道。5.依据权利要求1所述的一种燃料电池，其特征在于，所述微孔水氧加湿极板、微孔单氢加湿极板具有阻气透水功能。6.依据权利要求4或5所述的一种燃料电池，其特征在于，还包括喷嘴，布置在所述一组歧管中的至少一根歧管与所述通道之间，具有喷入口和喷出口。7.依据权利要求4所述的一种燃料电池，其特征在于，所述电催化剂层包括多个管状载体，该多个管状载体之间具有多个间隙，反应气体通过该多个间隙直接扩散至催化剂颗粒表面。8.依据权利要求7所述的一种燃料电池，其特征在于，所述管状载体的高度为10微米?50微米，壁厚为5nm?12nm，采用碳纳米管、氧化锌纳米管、氧化钴纳米管、二氧化钛纳米管或五氧化二钒纳米管。
【文档编号】H01M8/04089GK205543068SQ201521017956
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2015年12月10日
【发明人】王海涛, 陈培永, 王燕, 余岢, 颜萍, 吴奕, 顾晓军, 王涛
【申请人】上海精密计量测试研究所