[发明专利]一种多级燃料电池结构及其发电方法

说明书

本发明涉及一种多级燃料电池结构，多级燃料电池结构包括阳极、电解质层、阴极、电极集流体、燃料流道、氧化剂流道、燃料电池控制用转换器，通过燃料电池控制用转换器控制各级电极电压，靠近上游处控制较高的电极电压，沿流道依次降低电极电压，从而更好的解决由于燃料反应造成的燃料浓度沿流道下降、流道上游“干涸”现象以及流道下游“水淹”现象、电池性能下降和阳极破坏等问题。

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，具体涉及一种多级燃料电池结构及其发电方法。

背景技术

在燃料电池工作过程中，燃料和氧化剂分别通入电池。以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池为例，电池运行中，氢气经扩散作用到达阳极，经催化作用产生H⁺和电子，H⁺以水合氢离子的形式穿过质子交换膜。氧气进扩散作用进入阴极，经催化作用产生氧离子与经过质子交换膜过来的氢离子结合形成水并释放大量的热量，电子由外电路从阳极向阴极移动并产生电流。电极反应和总反应如下：

阳极：

阴极：

总反应：

在燃料电池实际工作过程中，由于燃料消耗以及反应的进行，会产生如下问题：

（1）由于燃料消耗，燃料浓度沿流动方向不断减小，燃料浓度不足容易造成电流密度下降。

（2）燃料浓度沿流动方向不断减小，电池反应不均，若将电池处于同一放电电压下，电池各部分放电效率低。

（3）在低温燃料电池中：由于流动作用，燃料侧产生的水不断增加，在流道下游容易造成“水淹”现象，阻碍燃料气体向电解质的扩散作用，从而导致电池性能下降。

（4）在高温燃料电池中：在流道上游侧，由于燃料供应充足，电化学反应剧烈，进口燃料所携带的水供应不足，造成“干涸”现象，容易造成局部过热现象，影响燃料电池寿命等。

（5）在高温燃料电池中：由于燃料消耗，还原性气氛被破坏，由于流道出口处外界空气进入，导致阳极镍被氧化。

专利CN105742667A公开了一种改善排水性能阴极流场板仿生结构，通过加快阴极产生的水来防止“水淹”现象。但是，该方法无法解决流道上游“干涸”现象以及高温燃料电池下游水蒸气分压升高的问题。专利CN102170002A公开了一种燃料电池流道深度随流动方向变化的流道结构，此发明通过逐级递减的流道深度来调节气体的流速和压降，但是该方法无法解决燃料浓度沿流道下降、流道上游“干涸”现象以及流道下游“水淹”现象的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种通过电极集流体、阳极和阴极的同时分级处理, 通过燃料电池控制用转换器控制燃料电池在不同级上输出不同的电压，从而更好的解决由于燃料反应后浓度沿流道下降、流道上游“干涸”现象、流道下游“水淹”现象、电池性能下降以及阳极破坏等问题的多级燃料电池结构。

为了解决上述技术问题，本发明提供的包括阴极、电解质层、阳极、电极集流体、燃料流道、氧化剂流道；所述电解质层位于阴极和阳极之间；所述阴极与位于阴极侧的电流集流体连接并包围形成氧化剂流道；所述阳极与位于阳极侧的电极集流体连接并包围形成燃料流道；沿所述多级燃料电池的燃料流动方向将电池分为2级或多级，分别为级1、级2、……级n，燃料从进口顺次通过各级，所述多级燃料电池结构还包括用于控制各级电压的燃料电池控制用转换器，所述燃料电池控制用转换器分别与阴极、阳极连接；所述多级燃料电池的各级电极集流体之间保持电绝缘状态，所述多级燃料电池的各级阳极之间保持电绝缘状态和隔离状态，所述多级燃料电池的各级阴极之间保持电绝缘状态和隔离状态，将每个单电池的沿气流方向各级之间形成绝缘状态或者隔离状态，从而防止气体侧向扩散，电池阴极各级之间保持电绝缘状态和隔离状态，从而防止电流侧向传输。

作为改进，燃料电池控制用转换器为放电仪。