[发明专利]水热自管理的便携式质子交换膜燃料电池堆

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及便携式质子交换膜燃料电池堆技术领域。

技术背景

目前全人类使用的能源主要是矿石燃料(石油、煤炭、天然气等)，属于非再生能源，储量有限。能源短缺，已是世界性问题。另一方面，燃烧矿石燃料时，直接向大气中排放的废气在全球形成严重污染，温室效应、酸雨、光化学烟雾等已严重威胁着人类的生存环境。所以开发新能源寻找新材料以求解决上述问题变得日益重要。

燃料电池是一种直接将化学能高效、环境友好地转变为电能的电化学装置，理论转化率可达80％以上，是一种绿色能源，可同时解决节能和环保两大世界难题。所以燃料电池的研制得到了重视和快速发展。质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有重量轻、结构紧凑、排水容易、能量密度高、可在低温下快速启动等优点，且使用腐蚀性不强的固态电解质，特别是作为便携式电源和机动车动力源，有着广泛的应用前景，近年来发展迅速。

质子交换膜燃料电池主要由质子交换膜组装电极和极板组成。质子交换膜组装电极按次序由内向外由质子交换膜(PEM)、阴阳极催化层和阴阳极扩散层五个部分组成。燃料电池工作时，氢气通过管道或导气板到达阳极，在阳极催化剂的作用下，氢气发生氧化，释放出电子：H₂→2H⁺+2e，氢离子穿过电解质到达阴极，而在电池的另一端，氧气(或空气)通过管道或导气板到达阴极，同时，电子通过外电路也到达阴极。在阴极侧，氧气与氢离子和电子在阴极催化剂的作用下反应生成水：1/2O₂+2H⁺+2e→H₂O。与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，通过适当连接可以向负载输出电能。燃料电池总的化学反应为：H₂+1/2O₂＝H₂O。

电化学反应中，除产生电能外，反应还生成水和热。如果生成的水与进入电池内的水之和小于电池的排水量，则质子交换膜脱水，影响电池的使用寿命。反之，则阴极可能被淹，影响气体扩散，同样会使电池性能下降。当温度较低时，存在明显的电化学极化，质子交换膜欧姆阻抗亦较大；升高温度会降低欧姆阻抗，减少极化，因而可提高电池性能。但是，温度提高使水蒸发速率加快，引起质子交换膜脱水而使电导率降低，引起电池性能下降。因此，PEMFC的热管理和水管理在电池运行过程中起着举足轻重的作用。

对便携式燃料电池堆，其要求主要包括结构简单紧凑，外加的辅助设备少，控制系统简单等。若采用通常的水热管理技术，有如下缺点：

1、采用水作为冷却介质，首先需要水泵进行驱动，这样会增加电池堆的系统功耗，使整个发电系统效率下降，其次还需要水箱、散热器等外部设备，增加了整个燃料电池系统的体积和重量。

2、采用外增湿装置对电池堆反应气体进行加湿，需要水箱、水泵等外部设备，大大增加了燃料电池系统的体积与重量，也增加了燃料电池系统的功耗。

3、加湿及散热系统的控制系统很复杂。

显然，便于携带的小型燃料电池需要采用无外加湿装置的技术来实现期望的要求，但在无加湿的操作条件下，电池性能、稳定性以及寿命的控制都会比较困难。

发明内容

本发明的目的就是要克服上述便携式燃料电池堆的现有水热管理技术存在的系统功耗大、效率低、体积和重量大、加湿及散热系统的控制系统复杂等缺陷而提供一种结构紧凑、功率密度高、自保湿、工作稳定的水热自管理的便携式质子交换膜燃料电池堆。

本发明所述的水热自管理的便携式质子交换膜燃料电池堆，由多个导流双极板与质子交换膜组装电极、密封垫圈、集流板和端板通过固定件组装而成。所述的导流双极板在正反两个面上分别设有阴极侧空气(或氧气)流道和阳极侧氢气流道，阴极侧空气(或氧气)流道是由平行流道和矩阵通孔二合一形成组合流道，平行流道是平行的散热、进排气流道，贯穿导流双极板阴极侧两端，通孔分布于平行流道的槽上。所述的阳极侧氢气流道是蛇行流道，蛇行流道是平行蛇行流道或单蛇行流道。在组装电池堆时，所述的多个导流双极板与质子交换膜组装电极、密封垫圈、集流板和端板由固定件组装成具有一定功率的燃料电池堆，在该电池堆的侧面、垂直于导流双极板空气侧平行流道的位置设有风扇。