[发明专利]一种质子交换膜燃料电池

说明书

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池，其包括：电池反应堆和分水系统；电池反应堆包括正极板、负极板、一个阴极流场腔室、多个阳极流场腔室、至少一个阳极分隔板和尾排电磁阀，正极板和负极板之间形成电堆反应区间，阳极气体和阴极气体分别从正极板和负极板处通入电堆反应区间，阴极流场腔室位于电堆反应区间内部的一侧，多个阳极流场腔室相对应的设置于电堆反应区间内部的另一侧，多个阳极流场腔室按照从正极板至负极板的方向从前向后依次排列设置，且每相邻的两个阳极流场腔室由阳极分隔板隔开，尾排电磁阀安装于最后端的阳极流场腔室的后端；分水系统包括至少一个分水器，每相邻的两个阳极流场腔室之间对应设置一分水器。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池已广泛应用于交通汽车，公共汽车，船舶，水下航行器和航天器等领域。与其它电能源类型技术相比，质子交换膜燃料电池具有许多优点，包括启动时间短、系统体积小、污染物排放低、系统效率相对较高以及噪音级别低等。在车用质子交换膜燃料电池系统中，纯氢通常用作发电燃料，未能充分使用的氢气将与杂质气体一起排放到大气中。然而，为了获得最大燃料电池动力系统的发电效率和保障燃料电池动力系统的安全使用条件，要求系统应该在给定的输出功率下消耗尽可能少的燃料，并且应该最大限度地减少氢气向外界环境的排放。

目前定义被燃料电池消耗产生热能和电能的氢气与供应给燃料电池系统的氢气之比，称之为燃料氢气利用率。如果燃料电池系统以100％利用率运行，则供入燃料电池阳极的氢气量将与电化学所需的氢气的化学计量流量相同，称为死端操作。然而，在死端操作中，燃料电池出口处存在燃料不足的风险，这可能导致电池电压不稳定和电池性能恶化。造成这影响的主要原因是阳极液态水的积累和阳极杂质气体以及阴极渗氮的积累，导致阳极尾部氢气稀薄甚至缺气。因此，现有电堆在运行过程中，氢气以远大于化学计量流量的量供应给质子交换膜燃料电池，以便提供足够的强制对流和过量气体，将积聚的产物水从阳极排出，并降低杂质气体和氮气的浓度，一般这种不带氢气循环系统的质子交换膜燃料电池系统燃料利用率在80-90％左右，多余的氢气和杂质气体是通过过量的方式直排或间歇排至外界环境中。后期技术人员为进一步提升燃料的利用率，开发了氢气泵和氢气引射器，将氢气从电堆出口重新抽吸至入口，燃料利用率可提升至95％以上。但这类循环系统仍存在以下问题：封闭的氢气循环系统由于杂质气体的累计效应(主要来自阴极侧渗透至阳极的氮气和氢气本身含有的杂质气体)，需要不断的间歇排出气体已达到氢气浓度的平衡，此时脉冲排出的气体含有大量的氢气，燃料利用率提升受到限制；其次，增加循环泵额外增加了系统的组成部件，增加系统的复杂性和成本，系统可靠性下降，功耗增加；另外，氢气引射器在低负荷工况时由于电堆消耗氢气量有限，难以产生足够的引射气体满足电堆全功率使用要求。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种质子交换膜燃料电池，用以解决现有技术中燃料利用率提升受到限制的技术问题。

本发明提供一种质子交换膜燃料电池，包括：电池反应堆和分水系统；

所述电池反应堆包括正极板、负极板、一个阴极流场腔室、多个阳极流场腔室、至少一个阳极分隔板和尾排电磁阀，所述正极板和所述负极板之间形成电堆反应区间，阳极气体和阴极气体分别从所述正极板和所述负极板处通入所述电堆反应区间，所述阴极流场腔室位于所述电堆反应区间内部的一侧，多个所述阳极流场腔室相对应的设置于所述电堆反应区间内部的另一侧，多个所述阳极流场腔室按照从所述正极板至所述负极板的方向从前向后依次排列设置，且每相邻的两个所述阳极流场腔室由所述阳极分隔板隔开，所述尾排电磁阀安装于最后端的所述阳极流场腔室的后端，以用于阳极排气口反应产物的排出；

所述分水系统包括至少一个分水器，每相邻的两个所述阳极流场腔室之间对应设置一所述分水器；所述分水器用于将前端的所述阳极流场腔室中的气液混合产物的阳极气体和水分离，并将分离出的阳极气体通入后端的所述阳极流场腔室中。