一種內部單片電池之間具有不同化學計量比的燃料電池堆的製作方法

2023-12-01 15:04:21 2

專利名稱：一種內部單片電池之間具有不同化學計量比的燃料電池堆的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池，尤其是一種內部單片電池之間具有不同化學計量比的燃料 電池堆。
背景技術：
燃料電池在運行過程中會產生水，水管理是燃料電池的一個重要方面，水過於少 量會影響燃料電池膜導質子能力，水過多會造成燃料電池電極被淹，液態水甚至堵塞流道， 造成電池內部氣體供應不足，影響電池性能的發揮，嚴重時會造成電池性能不可恢復性衰 減。計量比係數是燃料電池運行時，外界提供給燃料電池的氣體量同電池所需要參加 化學反應氣體的量的比值。對於電池電極陽極側，如果水過多堵塞流道會燃料氣體的供應， 燃料氣體計量比係數一般為1.1左右，空氣陰極側計量比係數可以有比較大的變化範圍， 從1. 6-120不等。增大空氣的風機供應，即可提高空氣陰極側燃料電池的計量比係數，因 此，燃料電池陰極側排水比較容易。對於燃料電池陽極側的排水一般是通過改變流道長度 和流道內氫氣的線速度來排出流道內的水，但隨著流道長度的增加。燃料電池單片電極陽 極側氫氣出口的水明顯增加，同時彎曲的流道也影響水的排出。我們可以採用提高單片電 池化學計量比係數的方式排出電池內的水。提高氫氣化學計量比，意味著系統外加氫氣循 環泵或者提高燃料電池排氫時間，前者增加了燃料電池的系統的複雜性，後者降低了燃料 電池的燃料利用效率。如果對於燃料電池堆內結構是統一結構的單片電池，在沒有氫泵來增加燃料計量 比係數的燃料電池堆中，陽極側燃料電池的排水是靠間歇式排氫進行的。單片電池陽極側 往往存在其中一些單片電池內容易積水，為了使電池堆內其中的幾片電池的水排出，必須 增加整體電池堆的排氫頻率和排氫時間，這樣使得本來不需要排氫的單片電池也參與了排 氫的過程，造成大量的氫氣浪費。

發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種減少氫氣浪費、 降低成本、效率高的內部單片電池之間具有不同化學計量比的燃料電池堆。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種內部單片電池之間具有不同化 學計量比的燃料電池堆，其特徵在於，該燃料電池堆由多組陽極化學計量比不同的燃料電 池單元組成，各組燃料電池單元包括多個具有陰陽極的燃料電池單片。所述的燃料電池單元根據燃料電池堆的功率大小要求設置2-10組，各組燃料電 池單元包括1-10個具有陰陽極的燃料電池單片。所述的燃料電池堆中同一組燃料電池單元的陽極化學計量比接近，燃料電池單片 的陽極側流道相同。所述的陽極化學計量比為1-2。
所述的燃料電池單元的陽極化學計量比為1-1. 2時，燃料電池單元的陽極側流道 比其它燃料電池單元的陽極側流道的深度深0. l-2mm。所述的燃料電池堆中相鄰兩組燃料電池單元的燃料氣體流通方向相反。與現有技術相比，本發明整個燃料電池中全部的具有陰陽極的燃料電池單片被分 成陽極計量比不同的幾部分，對於同一部分中的其中單片燃料電池，其陽極化學劑量比是 接近的，對於電池堆中化學計量比接近的燃料電池，其流道結構是一致的，其中的一部分陽 極計量比係數接近1，對於接近1的燃料電池部分，其陽極側流道設計可以不同於其它部 分。燃料電池內單片電池具有不同的化學計量比，使燃料電池內的大部分單片電池具有比 較高的化學計量比係數，而使其中特定的幾片燃料電池化學計量比接近1，這樣對燃料電池 進行排氫排水處理時，特定的幾片容易積水的燃料電池被集中在一起，極大減少了燃料電 池氫氣燃料的浪費。


圖1為本發明燃料電池堆及燃料氣體流動內部結構示意圖。圖中1-燃料氣體進口、2-燃料主孔管道、3-a組燃料氣體流動方向、4_b組燃料氣 體流動方向、5-c組燃料氣體流動方向、6-燃料排出主孔管道、7-燃料氣體出口、8-燃料電 池端板、9-燃料電池單片。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。實施例1如圖1所示為一個200W的燃料電池堆及燃料氣體流動內部結構示意圖，該燃料電 池的中共有10片具有陰陽極的燃料電池單片，分為3組燃料電池單元，其中前5片為a組 燃料電池單元，中間3片為b組燃料電池單元，後面2片為c組燃料電池單元。燃料電池堆的燃料氣體氫氣從燃料氣體進口 1進入燃料電池端板8，在燃料主孔 管道2內流動，由上至下流過a組燃料電池單元的陽極側，然後匯流到a組燃料電池單元出 口處的主孔管道後，過量的氫氣由下至上，流經燃料電池b組燃料電池單元陽極側，再匯流 到b組燃料電池單元上端出口處的主孔管道後，流經燃料電池c組燃料電池單元陽極側，最 後，由c組燃料電池單元出口處的燃料排出主孔管道6排至燃料電池端板8，經燃料氣體出 口 7排出燃料電池堆。從燃料氣體進口 1進入燃料電池堆的燃料氫氣總量為整個燃料電池堆需要的氫 氣量，如果每片燃料電池單片9需要的氫氣為1摩爾，那麼10片燃料電池單片需要的氫氣 大於或等於10摩爾，經過a組燃料電池單元反應消耗掉氫氣5摩爾後，剩餘5摩爾氫氣進 入b組燃料電池單元，繼續反應消耗掉氫氣3摩爾，最後在c組燃料電池單元反應消耗2摩 爾氫氣，過量氫氣從燃料氣體出口 7排出。對於a組燃料電池單元的陽極側氫氣的計量比係數來說，對於a組燃料電池單片 反應的氣體，流過燃料電池單片的氫氣氣體摩爾量/自身反應需求摩爾量=(5+3+2)/5 = 2，在考慮燃料電池氣體間歇排放氫氣的條件下，a組燃料電池單元陽極計量比係數應大於 2。
對於b組燃料電池單元的陽極側氫氣的計量比係數來說，對於b組燃料電池單片 反應的氣體，流過燃料電池單片的氫氣氣體/自身反應需求量=(3+2)/3 = 1.6，在考慮燃 料電池氣體間歇排放氫氣的條件下，b段燃料電池陽極計量比係數應大於1. 6。對於c組燃料電池單元的陽極側氫氣的計量比係數來說，對於c組燃料電池單片 反應的氣體，流過燃料電池單片的氫氣氣體/自身反應需求量=2/2 = 1.0，在考慮燃料電 池氣體間歇排放氫氣的條件下，c段燃料電池陽極計量比係數應大於1. 0。在a組陽極側氫氣計量比係數大於2，b組陽極側氫氣計量比係數大於1. 6的條件 下，燃料電池陽極a，b組不容易積水，所以這部分電池是穩定的。在燃料電池的c組，燃料 電池陽極計量比係數接近1. 0，加上燃料氫氣流經a，b組後對氫氣溼度增加，因此在c組陽 極內容易積水，我們可以採用增加c組流道深度等方法，提高c段的排水能力。在常規的燃料電池堆中，我們採用間歇排氫的方法和這個過程中間歇排氫相對 比，排氫的時間和頻率相同，因為在這個過程中的氫氣排放流經的單電池片數明顯減少，排 氫量明顯減少，氫氣排放從原來的5%減少到2%。實施例2一種內部單片電池之間具有不同化學計量比的燃料電池堆，該燃料電池堆由4組 陽極化學計量比不同的燃料電池單元組成，靠近燃料電池氫氣出口處的第一組燃料電池單 元包括10個具有陰陽極的燃料電池單片，後面依次設置第二組燃料電池單元到第4組燃料 電池單元，分別具有燃料電池單片6個、2個、2個。上述燃料電池堆中同一組燃料電池單元的陽極化學計量比相同或相近，同一組燃 料電池單元的燃料電池單片的陽極側流道相同，相鄰兩組燃料電池單元的燃料氣體流通 方向相反。所述的陽極化學計量比為1-2，其中第4組燃料電池單元的陽極化學計量比為 1-1. 2時，其陽極側流道不同於其它燃料電池單元的陽極側流道，其陽極側流道比其它燃料 電池單元的陽極側流道的深度深2mm。實施例3一種內部單片電池之間具有不同化學計量比的燃料電池堆，該燃料電池堆由2組 陽極化學計量比不同的燃料電池單元組成，靠近燃料電池氫氣出口處的第一組燃料電池單 元包括10個具有陰陽極的燃料電池單片，後面第二組燃料電池單元具有5片燃料電池單 片。上述燃料電池堆中同一組燃料電池單元的陽極化學計量比相同或相近，同一組燃 料電池單元的燃料電池單片的陽極側流道相同，相鄰兩組燃料電池單元的燃料氣體流通方 向相反。第一組燃料電池單元的陽極化學計量比為1. 5-1. 8，第二組燃料電池單元的陽極化 學計量比為1-1. 2，第二組燃料電池單元的陽極側流道不同於第一組燃料電池單元的陽極 側流道，其陽極側流道比第一組燃料電池單元的陽極側流道的深度深0. 1mm。
權利要求
一種內部單片電池之間具有不同化學計量比的燃料電池堆，其特徵在於，該燃料電池堆由多組陽極化學計量比不同的燃料電池單元組成，各組燃料電池單元包括多個具有陰陽極的燃料電池單片。
2.根據權利要求1所述的一種內部單片電池之間具有不同化學計量比的燃料電池堆， 其特徵在於，所述的燃料電池單元根據燃料電池堆的功率大小要求設置2-10組，各組燃料 電池單元包括1-10個具有陰陽極的燃料電池單片。
3.根據權利要求1所述的一種內部單片電池之間具有不同化學計量比的燃料電池堆， 其特徵在於，所述的燃料電池堆中同一組燃料電池單元的陽極側流道相同。
4.根據權利要求1所述的一種內部單片電池之間具有不同化學計量比的燃料電池堆， 其特徵在於，所述的陽極化學計量比為1-2。
5.根據權利要求1所述的一種內部單片電池之間具有不同化學計量比的燃料電池堆， 其特徵在於，所述的燃料電池單元的陽極化學計量比為1-1. 2時，燃料電池單元的陽極側 流道比其它燃料電池單元的陽極側流道的深度深0. l-2mm。
6.根據權利要求1所述的一種內部單片電池之間具有不同化學計量比的燃料電池堆， 其特徵在於，所述的燃料電池堆中相鄰兩組燃料電池單元的燃料氣體流通方向相反。
全文摘要
本發明涉及一種內部單片電池之間具有不同化學計量比的燃料電池堆，該燃料電池堆由多組陽極化學計量比不同的燃料電池單元組成，各組燃料電池單元包括多個具有陰陽極的燃料電池單片。與現有技術相比，本發明具有減少燃料氫氣浪費、效率高等優點。
文檔編號H01M4/86GK101958425SQ20091005516
公開日2011年1月26日 申請日期2009年7月21日 優先權日2009年7月21日
發明者田丙倫 申請人:上海攀業氫能源科技有限公司