专利名称：一种内部单片电池之间具有不同化学计量比的燃料电池堆的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，尤其是一种内部单片电池之间具有不同化学计量比的燃料 电池堆。
背景技术：
燃料电池在运行过程中会产生水，水管理是燃料电池的一个重要方面，水过于少 量会影响燃料电池膜导质子能力，水过多会造成燃料电池电极被淹，液态水甚至堵塞流道， 造成电池内部气体供应不足，影响电池性能的发挥，严重时会造成电池性能不可恢复性衰 减。计量比系数是燃料电池运行时，外界提供给燃料电池的气体量同电池所需要参加 化学反应气体的量的比值。对于电池电极阳极侧，如果水过多堵塞流道会燃料气体的供应， 燃料气体计量比系数一般为1.1左右，空气阴极侧计量比系数可以有比较大的变化范围， 从1. 6-120不等。增大空气的风机供应，即可提高空气阴极侧燃料电池的计量比系数，因 此，燃料电池阴极侧排水比较容易。对于燃料电池阳极侧的排水一般是通过改变流道长度 和流道内氢气的线速度来排出流道内的水，但随着流道长度的增加。燃料电池单片电极阳 极侧氢气出口的水明显增加，同时弯曲的流道也影响水的排出。我们可以采用提高单片电 池化学计量比系数的方式排出电池内的水。提高氢气化学计量比，意味着系统外加氢气循 环泵或者提高燃料电池排氢时间，前者增加了燃料电池的系统的复杂性，后者降低了燃料 电池的燃料利用效率。如果对于燃料电池堆内结构是统一结构的单片电池，在没有氢泵来增加燃料计量 比系数的燃料电池堆中，阳极侧燃料电池的排水是靠间歇式排氢进行的。单片电池阳极侧 往往存在其中一些单片电池内容易积水，为了使电池堆内其中的几片电池的水排出，必须 增加整体电池堆的排氢频率和排氢时间，这样使得本来不需要排氢的单片电池也参与了排 氢的过程，造成大量的氢气浪费。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种减少氢气浪费、 降低成本、效率高的内部单片电池之间具有不同化学计量比的燃料电池堆。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种内部单片电池之间具有不同化 学计量比的燃料电池堆，其特征在于，该燃料电池堆由多组阳极化学计量比不同的燃料电 池单元组成，各组燃料电池单元包括多个具有阴阳极的燃料电池单片。所述的燃料电池单元根据燃料电池堆的功率大小要求设置2-10组，各组燃料电 池单元包括1-10个具有阴阳极的燃料电池单片。所述的燃料电池堆中同一组燃料电池单元的阳极化学计量比接近，燃料电池单片 的阳极侧流道相同。所述的阳极化学计量比为1-2。
所述的燃料电池单元的阳极化学计量比为1-1. 2时，燃料电池单元的阳极侧流道 比其它燃料电池单元的阳极侧流道的深度深0. l-2mm。所述的燃料电池堆中相邻两组燃料电池单元的燃料气体流通方向相反。与现有技术相比，本发明整个燃料电池中全部的具有阴阳极的燃料电池单片被分 成阳极计量比不同的几部分，对于同一部分中的其中单片燃料电池，其阳极化学剂量比是 接近的，对于电池堆中化学计量比接近的燃料电池，其流道结构是一致的，其中的一部分阳 极计量比系数接近1，对于接近1的燃料电池部分，其阳极侧流道设计可以不同于其它部 分。燃料电池内单片电池具有不同的化学计量比，使燃料电池内的大部分单片电池具有比 较高的化学计量比系数，而使其中特定的几片燃料电池化学计量比接近1，这样对燃料电池 进行排氢排水处理时，特定的几片容易积水的燃料电池被集中在一起，极大减少了燃料电 池氢气燃料的浪费。
图1为本发明燃料电池堆及燃料气体流动内部结构示意图。图中1-燃料气体进口、2-燃料主孔管道、3-a组燃料气体流动方向、4_b组燃料气 体流动方向、5-c组燃料气体流动方向、6-燃料排出主孔管道、7-燃料气体出口、8-燃料电 池端板、9-燃料电池单片。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例1如图1所示为一个200W的燃料电池堆及燃料气体流动内部结构示意图，该燃料电 池的中共有10片具有阴阳极的燃料电池单片，分为3组燃料电池单元，其中前5片为a组 燃料电池单元，中间3片为b组燃料电池单元，后面2片为c组燃料电池单元。燃料电池堆的燃料气体氢气从燃料气体进口 1进入燃料电池端板8，在燃料主孔 管道2内流动，由上至下流过a组燃料电池单元的阳极侧，然后汇流到a组燃料电池单元出 口处的主孔管道后，过量的氢气由下至上，流经燃料电池b组燃料电池单元阳极侧，再汇流 到b组燃料电池单元上端出口处的主孔管道后，流经燃料电池c组燃料电池单元阳极侧，最 后，由c组燃料电池单元出口处的燃料排出主孔管道6排至燃料电池端板8，经燃料气体出 口 7排出燃料电池堆。从燃料气体进口 1进入燃料电池堆的燃料氢气总量为整个燃料电池堆需要的氢 气量，如果每片燃料电池单片9需要的氢气为1摩尔，那么10片燃料电池单片需要的氢气 大于或等于10摩尔，经过a组燃料电池单元反应消耗掉氢气5摩尔后，剩余5摩尔氢气进 入b组燃料电池单元，继续反应消耗掉氢气3摩尔，最后在c组燃料电池单元反应消耗2摩 尔氢气，过量氢气从燃料气体出口 7排出。对于a组燃料电池单元的阳极侧氢气的计量比系数来说，对于a组燃料电池单片 反应的气体，流过燃料电池单片的氢气气体摩尔量/自身反应需求摩尔量=(5+3+2)/5 = 2，在考虑燃料电池气体间歇排放氢气的条件下，a组燃料电池单元阳极计量比系数应大于 2。
对于b组燃料电池单元的阳极侧氢气的计量比系数来说，对于b组燃料电池单片 反应的气体，流过燃料电池单片的氢气气体/自身反应需求量=(3+2)/3 = 1.6，在考虑燃 料电池气体间歇排放氢气的条件下，b段燃料电池阳极计量比系数应大于1. 6。对于c组燃料电池单元的阳极侧氢气的计量比系数来说，对于c组燃料电池单片 反应的气体，流过燃料电池单片的氢气气体/自身反应需求量=2/2 = 1.0，在考虑燃料电 池气体间歇排放氢气的条件下，c段燃料电池阳极计量比系数应大于1. 0。在a组阳极侧氢气计量比系数大于2，b组阳极侧氢气计量比系数大于1. 6的条件 下，燃料电池阳极a，b组不容易积水，所以这部分电池是稳定的。在燃料电池的c组，燃料 电池阳极计量比系数接近1. 0，加上燃料氢气流经a，b组后对氢气湿度增加，因此在c组阳 极内容易积水，我们可以采用增加c组流道深度等方法，提高c段的排水能力。在常规的燃料电池堆中，我们采用间歇排氢的方法和这个过程中间歇排氢相对 比，排氢的时间和频率相同，因为在这个过程中的氢气排放流经的单电池片数明显减少，排 氢量明显减少，氢气排放从原来的5%减少到2%。实施例2一种内部单片电池之间具有不同化学计量比的燃料电池堆，该燃料电池堆由4组 阳极化学计量比不同的燃料电池单元组成，靠近燃料电池氢气出口处的第一组燃料电池单 元包括10个具有阴阳极的燃料电池单片，后面依次设置第二组燃料电池单元到第4组燃料 电池单元，分别具有燃料电池单片6个、2个、2个。上述燃料电池堆中同一组燃料电池单元的阳极化学计量比相同或相近，同一组燃 料电池单元的燃料电池单片的阳极侧流道相同，相邻两组燃料电池单元的燃料气体流通 方向相反。所述的阳极化学计量比为1-2，其中第4组燃料电池单元的阳极化学计量比为 1-1. 2时，其阳极侧流道不同于其它燃料电池单元的阳极侧流道，其阳极侧流道比其它燃料 电池单元的阳极侧流道的深度深2mm。实施例3一种内部单片电池之间具有不同化学计量比的燃料电池堆，该燃料电池堆由2组 阳极化学计量比不同的燃料电池单元组成，靠近燃料电池氢气出口处的第一组燃料电池单 元包括10个具有阴阳极的燃料电池单片，后面第二组燃料电池单元具有5片燃料电池单 片。上述燃料电池堆中同一组燃料电池单元的阳极化学计量比相同或相近，同一组燃 料电池单元的燃料电池单片的阳极侧流道相同，相邻两组燃料电池单元的燃料气体流通方 向相反。第一组燃料电池单元的阳极化学计量比为1. 5-1. 8，第二组燃料电池单元的阳极化 学计量比为1-1. 2，第二组燃料电池单元的阳极侧流道不同于第一组燃料电池单元的阳极 侧流道，其阳极侧流道比第一组燃料电池单元的阳极侧流道的深度深0. 1mm。
权利要求
一种内部单片电池之间具有不同化学计量比的燃料电池堆，其特征在于，该燃料电池堆由多组阳极化学计量比不同的燃料电池单元组成，各组燃料电池单元包括多个具有阴阳极的燃料电池单片。
2.根据权利要求1所述的一种内部单片电池之间具有不同化学计量比的燃料电池堆， 其特征在于，所述的燃料电池单元根据燃料电池堆的功率大小要求设置2-10组，各组燃料 电池单元包括1-10个具有阴阳极的燃料电池单片。
3.根据权利要求1所述的一种内部单片电池之间具有不同化学计量比的燃料电池堆， 其特征在于，所述的燃料电池堆中同一组燃料电池单元的阳极侧流道相同。
4.根据权利要求1所述的一种内部单片电池之间具有不同化学计量比的燃料电池堆， 其特征在于，所述的阳极化学计量比为1-2。
5.根据权利要求1所述的一种内部单片电池之间具有不同化学计量比的燃料电池堆， 其特征在于，所述的燃料电池单元的阳极化学计量比为1-1. 2时，燃料电池单元的阳极侧 流道比其它燃料电池单元的阳极侧流道的深度深0. l-2mm。
6.根据权利要求1所述的一种内部单片电池之间具有不同化学计量比的燃料电池堆， 其特征在于，所述的燃料电池堆中相邻两组燃料电池单元的燃料气体流通方向相反。
全文摘要
本发明涉及一种内部单片电池之间具有不同化学计量比的燃料电池堆，该燃料电池堆由多组阳极化学计量比不同的燃料电池单元组成，各组燃料电池单元包括多个具有阴阳极的燃料电池单片。与现有技术相比，本发明具有减少燃料氢气浪费、效率高等优点。
文档编号H01M4/86GK101958425SQ20091005516
公开日2011年1月26日 申请日期2009年7月21日 优先权日2009年7月21日
发明者田丙伦 申请人:上海攀业氢能源科技有限公司