專利名稱：耦合儲(chǔ)氫單元的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是屬于燃料電池領(lǐng)域，尤其是指使用氫氣作為燃料的固體聚合物電解質(zhì)燃料電 池技術(shù)。
技術(shù)背景燃料電池是一種將外部供給的燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的連續(xù)發(fā)電裝置。 由于燃料電池功率密度和能量密度高，清潔高效，功率范圍寬廣，在微型電源、移動(dòng)電源、 車用發(fā)動(dòng)機(jī)、固定電站等各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景，因此受到世界各國的廣泛重視。 美國、日本、加拿大、歐洲各國都在積極開發(fā)燃料電池技術(shù)，目前世界上幾乎所有大汽車 制造商都在開發(fā)燃料電池電動(dòng)汽車。目前的燃料電池技術(shù)主要根據(jù)電解質(zhì)的不同分作幾種類型，堿性燃料電池、磷酸燃料 電池、熔融碳酸鹽燃料電池、聚合物電解質(zhì)燃料電池和固體氧化物燃料電池等。目前發(fā)展 得比較成熟而且應(yīng)用前景最為廣泛的是聚合物電解質(zhì)燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC)。燃料電池發(fā)電的過程中，除了提供電能以外，還會(huì)產(chǎn)生廢熱。以氫氣/氧氣作為燃料和 氧化劑的燃料電池基本反應(yīng)式為2 2 2 2該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，如果生成的水為氣態(tài)，該反應(yīng)釋放的熱量為241.8 kJ/mol，如果 燃料電池單體的工作電壓為0.7V，則除了 135.4 kj/mol的反應(yīng)熱轉(zhuǎn)化為電能外，將會(huì)有 106.4 kj/mol的反應(yīng)熱將以廢熱形式排出。對(duì)于高溫燃料電池而言，這部分廢熱可以得到 充分的利用，例如熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池，操作溫度可以達(dá)到 50(TlO(XrC，燃料電池的廢熱可以用來為氣體重整供熱，也可以設(shè)計(jì)聯(lián)合循環(huán)利用廢熱。 對(duì)于PEFC而言，其操作溫度較低，通常在10(TC以下(采用高溫膜可以達(dá)到18(TC),廢熱 的利用價(jià)值不高。對(duì)于家用PEFC，可以通過水管理實(shí)現(xiàn)提供電力的同時(shí)提供家庭生活熱水。 對(duì)于其他應(yīng)用場合，這部分廢熱就不得不排掉。事實(shí)上，PEFC必須通過合適的散熱設(shè)計(jì)來 維持合適工作溫度，否則電堆內(nèi)部溫度過高會(huì)導(dǎo)致然燃料電池的失效，甚至造成危險(xiǎn)。PEFC電堆的散熱方式不外乎水冷和空冷兩種，例如專利W0006627A1， ETO833400A1, W00011745, EP0929112-A2等，水冷電堆通過冷卻水將電堆中的廢熱帶出，再通過外部換熱 將熱量帶走，降溫后的冷卻水再循環(huán)入電堆；空冷電堆是通過將低溫空氣強(qiáng)制流經(jīng)電堆帶 走廢熱。對(duì)于水冷式燃料電池，由于水的比熱較大，冷卻效果非常好，但是需要復(fù)雜的冷 卻水循環(huán)系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。空冷燃料電池雖然沒有復(fù)雜的水管理系統(tǒng)，系統(tǒng)相 對(duì)簡單，但是，由于空氣比熱小，必須采用大流量的空氣進(jìn)行散熱，特別是大功率放電時(shí)。
然而，大流量的空氣非常容易導(dǎo)致質(zhì)子交換膜被吹干，特別是空氣的入口處，而且，電堆 的溫度分布很不均勻，這也會(huì)影響燃料電池性能和壽命。空冷燃料電池的熱管理特別重要， 當(dāng)電堆溫度超過5(TC時(shí)，電池發(fā)電就變得非常困難。
傳統(tǒng)的燃料電池結(jié)構(gòu)如圖1所示，燃料電池單體由帶有空氣流道6的陰極流場板1、密 封墊圈2、膜電極3、帶有氫氣流道7的陽極流場板4組裝而成，為了將燃料電池產(chǎn)生的熱 量帶出，在兩個(gè)單體電池之間設(shè)置帶有冷卻流道8的冷卻板5，通常冷卻流道8中的冷卻劑 為空氣或水。冷卻板5也可以與陰極流場板1或者陽極流場板4結(jié)合在一起構(gòu)成雙面帶流 道的雙極板。很多空冷電堆將冷卻板5省掉，直接利用陰極流場板l既提供燃料電池反應(yīng) 用的空氣，又提供電堆冷卻用的空氣，這樣的結(jié)構(gòu)必須采用大流量的空氣才能使電堆得到 有效的冷卻。但是，空氣流量過大非常容易造成質(zhì)子交換膜脫水，對(duì)電堆的長期穩(wěn)定操作 帶來困難。
在一個(gè)完整的燃料電池系統(tǒng)中，除燃料電池電堆以外，還需要有氫氣的儲(chǔ)存單元。高 壓氣瓶供氫是一種有效的氫氣儲(chǔ)存供應(yīng)方式，但由于氣瓶本身儲(chǔ)氫量小，系統(tǒng)體積比能量 低。液氫能量密度高，但是需要深冷保存，系統(tǒng)較為復(fù)雜。儲(chǔ)氫合金是一種較為方便的燃 料電池供氫方案，在很多中小型燃料電池系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。儲(chǔ)氫合金在儲(chǔ)氫和放氫過程 中伴隨有熱量地交換過程，可以用下面的反應(yīng)式表示2m + //2 <^m// + a// (ii)儲(chǔ)氫合金吸氫生成金屬氫化物的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，放熱量根據(jù)不同的儲(chǔ)氫合金種類有 所差別，例如LaNis的儲(chǔ)氫放熱量是30 kj/mol H2， Mg2Cu儲(chǔ)氫放熱量是72. 8 kj/mol H2。 由于存在這樣的放熱、吸熱過程，燃料電池系統(tǒng)中的儲(chǔ)氫合金罐就必須考慮儲(chǔ)氫、放氫過 程中的熱量管理。例如中國專利ZL02244388.6設(shè)計(jì)的筆記本電腦用燃料電池系統(tǒng)中，利用 電腦主機(jī)的熱量來供給儲(chǔ)氫單元，放出氫氣供給燃料電池；歐洲專利EP0917225A1報(bào)道的 便攜式燃料電池設(shè)備中利用燃料電池的熱量來加熱儲(chǔ)氫單元以放出氫氣。目前所能見到的 公開文獻(xiàn)中，對(duì)于燃料電池和儲(chǔ)氫單元的熱管理都是分別考慮的，既不利于降低燃料電池 系統(tǒng)的內(nèi)部功耗，提高效率，又不利于提高燃料電池的性能和壽命。而且，這樣的系統(tǒng)儲(chǔ) 氫單元和燃料電池是分離的，系統(tǒng)能量密度不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在提供一種耦合儲(chǔ)氫單元的燃料電池，通過結(jié)構(gòu)的耦合來同時(shí)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ) 氫單元和燃料電池二者熱量的耦合，既降低熱量管理內(nèi)耗，提高效率，又能使電池結(jié)構(gòu)更加緊湊，提高系統(tǒng)能量密度。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下-
本發(fā)明是一種耦合儲(chǔ)氫單元的燃料電池，它由多個(gè)燃料電池單體疊加而成，每個(gè)燃料 電池單體依次含有陰極流場板、膜電極和陽極流場板，在陰極流場板和膜電極以及膜電極
和陽極流場板之間分別設(shè)有密封件，其特征在于每兩個(gè)燃料電池單體之間設(shè)有一個(gè)儲(chǔ)氫 單元，所述的儲(chǔ)氫單元內(nèi)部有儲(chǔ)氫腔體，儲(chǔ)氫腔體內(nèi)部儲(chǔ)存有儲(chǔ)氫材料，儲(chǔ)氫單元上設(shè)有 氫氣加注孔，儲(chǔ)氫腔體與氫氣加注孔之間通過腔體通道相連通，儲(chǔ)氫單元上的氫氣加注孔 與燃料電池單體上的氫氣孔道相連通，構(gòu)成氫氣通道。本發(fā)明提供的另一種耦合儲(chǔ)氫單元的燃料電池，它由多個(gè)燃料電池單體疊加而成，每 個(gè)燃料電池單體依次含有密封件、膜電極和密封件，其特征在于在每兩個(gè)燃料電池單體 之間設(shè)有一個(gè)儲(chǔ)氫單元，所述的儲(chǔ)氫單元內(nèi)部有儲(chǔ)氫腔體，內(nèi)部儲(chǔ)存有儲(chǔ)氫材料，儲(chǔ)氫單 元上設(shè)有氫氣加注孔，儲(chǔ)氫腔體與氫氣加注孔之間通過腔體通道相連通，儲(chǔ)氫單元上的氫 氣加注孔與燃料電池單體上的氫氣孔道相連通，構(gòu)成氫氣通道；所述的儲(chǔ)氫單元與燃料電 池膜電極相接觸的兩個(gè)面上分別加工有空氣流道和氫氣流道。本發(fā)明耦合儲(chǔ)氫單元的燃料電池為固體聚合物燃料電池，尤指質(zhì)子交換膜燃料電池或 堿性膜燃料電池。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有一下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果①利用儲(chǔ)氫單元放氫吸熱和燃 料電池發(fā)電放熱的特性，用儲(chǔ)氫單元來進(jìn)行燃料電池的熱管理，能夠使空冷燃料電池空氣 流量大大降低，既能避免膜電極被吹干導(dǎo)致性能衰減的問題，又能簡化燃料電池?zé)峁芾恚?提高燃料電池穩(wěn)定性。②儲(chǔ)氫單元與燃料電池的耦合解決了燃料電池?zé)峁芾淼耐瑫r(shí)也解決 了儲(chǔ)氫單元在氫氣充放循環(huán)中的熱管理問題。放氫過程能夠吸收燃料電池的熱量使氫氣能夠更好的釋放，吸氫過程釋放的熱量也可以通過燃料電池空氣供應(yīng)裝置將熱量帶走，而不 必采用傳統(tǒng)儲(chǔ)氫容器所使用的散熱片，減小了儲(chǔ)氫容器的體積。③儲(chǔ)氫單元與燃料電池在 結(jié)構(gòu)和熱量上的耦合能夠使系統(tǒng)變得更加緊湊，體積大大減小，同時(shí)又減小了空氣供應(yīng)裝 置的功耗，從而提高燃料電池系統(tǒng)的功率密度和能量密度。


圖1是傳統(tǒng)燃料電池電堆的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明耦合儲(chǔ)氫單元的燃料電池結(jié)構(gòu)。圖3a)是圖2中所示的陽極流場板4的立體圖。圖3b)陽極流場板4的左視圖。圖4a)是圖2中所示的儲(chǔ)氫單元9的立體圖；圖4b)是圖4a)中儲(chǔ)氫單元9沿ABC面的剖視圖。圖5是本發(fā)明耦合儲(chǔ)氫單元的燃料電池的另一種結(jié)構(gòu)圖。圖6a)是圖5所示中儲(chǔ)氫單元9的立體圖。圖6b)是圖6a)中儲(chǔ)氫單元9的左視圖。圖6c)是圖6a)中儲(chǔ)氫單元9沿DEF面的剖視圖。附圖標(biāo)記l一陰極流場板；2 —密封件；3 —膜電極；4一陽極流場板；5 —冷卻板；6; 空氣流道；7 —?dú)錃饬鞯溃? —冷卻流道；9一儲(chǔ)氫單元；IO —外接氫氣接口； ll一選通閥；12 —壓力表；13 —?dú)錃饪椎溃?4一截止闊；15 —減壓閥；16 —燃料電池氫氣入口孔；17_ 燃料電池氫氣出口孔；18 —腔體通道；19 —儲(chǔ)氫腔體；20 —?dú)錃饧幼⒖祝?1 —陽極端板。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的說明。圖2為本發(fā)明提供的一種耦合儲(chǔ)氫單元的燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖，該燃料電池由多個(gè)燃料電池單體疊加而成，每兩個(gè)燃料電池單體之間設(shè)有一個(gè)儲(chǔ)氫單元9;每個(gè)燃料電池單體包含陰極流場板l、密封件2、膜電極3、陽極流場板4，在這些組件上都有氫氣孔道13、燃 料電池氫氣入口孔16以及燃料電池氫氣出口孔17。儲(chǔ)氫單元9設(shè)計(jì)為能夠與燃料電池裝配 在一起，置于兩個(gè)燃料電池單體之間，即傳統(tǒng)水冷或空冷燃料電池的冷卻板位置。儲(chǔ)氫單 元9上有氫氣加注孔20，與燃料電池單體上的氫氣孔道13相同。燃料電池單體與儲(chǔ)氫單元 疊加組裝在一起后，燃料電池單體上的氫氣孔道13與儲(chǔ)氫單元上的氫氣加注孔20連通構(gòu) 成氫氣進(jìn)出儲(chǔ)氫單元9內(nèi)部儲(chǔ)氫腔體的氫氣管道。在燃料電池外部，布置有加氫所需的部 件，包括外接氫氣接口 10、選通閥ll、壓力表12、截止閥14、減壓閥15等。加氫過程中， 將外部氫源與外接氫氣接口 IO相連，將選通閥ll旋到充氫端，即可為儲(chǔ)氫單元9充氫， 氫氣經(jīng)過氫氣孔道13、氫氣加注孔20進(jìn)入儲(chǔ)氫單元9，儲(chǔ)存在儲(chǔ)氫腔體19中存放的儲(chǔ)氫 材料中，壓力表12能夠顯示充氫壓力。所用的儲(chǔ)氫材料為所有具備儲(chǔ)氫放熱、放氫吸熱特 性的儲(chǔ)氫材料，例如Mg系、La系、Mm系、Ti系儲(chǔ)氫合金、儲(chǔ)氫碳材料或其他儲(chǔ)氫材料。 充氫過程結(jié)束后，將選通閥11旋至放氫側(cè)，此時(shí)儲(chǔ)氫單元9就與燃料電池氫氣供應(yīng)側(cè)連通。 燃料電池工作時(shí)，旋開截止閥14，儲(chǔ)氫單元9中儲(chǔ)存的氫氣經(jīng)過減壓閥15后，壓力降低到 適合燃料電池工作，經(jīng)過燃料電池氫氣入口孔16進(jìn)入陽極流場板4中的氫氣流道7，供應(yīng) 給燃料電池膜電極3發(fā)電，反應(yīng)剩余的氫氣經(jīng)過燃料電池氫氣出口孔17排出燃料電池。此 時(shí)，處于工作狀態(tài)的燃料電池膜電極3會(huì)釋放出熱量，這部分廢熱正好可以被處于放氫狀 態(tài)的儲(chǔ)氫單元9吸收，既滿足了燃料電池散熱的需要，也滿足了儲(chǔ)氫單元放氫吸熱的需要， 從而起到有效的燃料電池與儲(chǔ)氫單元的熱量耦合。雖然反應(yīng)式(II)的放氫過程不足以完 全吸收反應(yīng)式(I )所釋放的反應(yīng)廢熱，但是，考慮到空氣經(jīng)過燃料電池要帶走熱量，通 過調(diào)整陰極空氣過量系數(shù)，可以非常方便的實(shí)現(xiàn)燃料電池的溫度控制。外部風(fēng)扇只需要提 供燃料電池反應(yīng)所需的少量空氣即可滿足燃料電池發(fā)電的需要，不必使用大流量的空氣來 為燃料電池散熱，從而避免了大流量空氣帶來的膜電極吹干等問題。上述燃料電池采用固體聚合物燃料電池，所述的固體聚合物燃料電池為質(zhì)子交換膜燃 料電池或堿性膜燃料電池等。圖5是本發(fā)明提供的耦合儲(chǔ)氫單元的燃料電池的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。它由多個(gè)燃料電 池單體疊加而成，每個(gè)燃料電池單體依次含有密封件2、膜電極3和密封件2，并在每兩個(gè) 燃料電池單體之間設(shè)有一個(gè)儲(chǔ)氫單元9，儲(chǔ)氫單元9表面加工有氫氣流道7和空氣流道6。 儲(chǔ)氫單元9既起到了氫氣儲(chǔ)存器的作用，又起到了分隔氫氣和空氣、導(dǎo)通電子的雙極板作用，同時(shí)，它還發(fā)揮了燃料電池?zé)峁芾淼淖饔?。這種燃料電池結(jié)構(gòu)更加簡單緊湊，具有 更高的能量密度。充氫時(shí)，氫氣經(jīng)由外界充氫接口 10、選通閥ll、氫氣孔道13、氫氣加注 孔20和儲(chǔ)氫單元上的腔體通道18進(jìn)入到儲(chǔ)氫單元9內(nèi)部，儲(chǔ)存在儲(chǔ)氫腔體19內(nèi)的儲(chǔ)氫材 料中；放氫時(shí)，將選通閥ll旋至放氫側(cè)，氫氣充儲(chǔ)氫腔體19內(nèi)部的儲(chǔ)氫材料中釋放出來， 經(jīng)由腔體通道18、氫氣加注孔20、氫氣孔道13、選通閥ll、截止閥14、減壓閥15、燃料 電池氫氣入口 16而進(jìn)入儲(chǔ)氫單元9上加工的氫氣流道7中，在與儲(chǔ)氫單元9相接觸的燃料 電池膜電極3的陽極表面發(fā)生電化學(xué)氧化反應(yīng)，同時(shí)空氣經(jīng)由儲(chǔ)氫單元9上加工的空氣流 道6在膜電極3的陰極表面發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)而發(fā)電。反應(yīng)剩余的氫氣經(jīng)由燃料電池氫 氣出口17排出燃料電池。這種結(jié)構(gòu)中沒有陰極流場板1和陽極流場板4，結(jié)構(gòu)更為緊湊， 熱管理更加直接，使得系統(tǒng)具有更高的能量密度。
權(quán)利要求
1.一種耦合儲(chǔ)氫單元的燃料電池，它由多個(gè)燃料電池單體疊加而成，每個(gè)燃料電池單體依次含有陰極流場板(1)、膜電極(3)和陽極流場板(4)，在陰極流場板(1)和膜電極(3)以及膜電極(3)和陽極流場板(4)之間分別設(shè)有密封件(2)，其特征在于每兩個(gè)燃料電池單體之間設(shè)有一個(gè)儲(chǔ)氫單元(9)，所述的儲(chǔ)氫單元(9)內(nèi)部有儲(chǔ)氫腔體(19)，該儲(chǔ)氫腔體內(nèi)部儲(chǔ)存有儲(chǔ)氫材料，所述的儲(chǔ)氫單元(9)上設(shè)有氫氣加注孔(20)，儲(chǔ)氫腔體(19)與氫氣加注孔(20)之間通過腔體通道(18)相連通，儲(chǔ)氫單元(9)上的氫氣加注孔(20)與燃料電池單體上的氫氣孔道(13)相連通，構(gòu)成氫氣通道。
2. 按照權(quán)利要求l所述的耦合儲(chǔ)氫單元的燃料電池，其特征在于所述的燃料電池為 固體聚合物燃料電池。
3. 按照權(quán)利要求2所述的耦合儲(chǔ)氫單元的燃料電池，其特征在于所述的固體聚合物 燃料電池為質(zhì)子交換膜燃料電池或堿性膜燃料電池。
4. 一種耦合儲(chǔ)氫單元的燃料電池，它由多個(gè)燃料電池單體疊加而成，每個(gè)燃料電池單 體依次含有密封件(2)、膜電極(3)和密封件(2)，其特征在于在每兩個(gè)燃料電池單體 之間設(shè)有一個(gè)儲(chǔ)氫單元(9)，所述的儲(chǔ)氫單元(9)內(nèi)部有儲(chǔ)氫腔體(19)，該儲(chǔ)氫腔體內(nèi) 部儲(chǔ)存有儲(chǔ)氫材料，儲(chǔ)氫單元(9)上設(shè)有氫氣加注孔(20)，儲(chǔ)氫腔體(19)與氫氣加注 孔(20)之間通過腔體通道(18)相連通，儲(chǔ)氫單元(9)上的氫氣加注孔(20)與燃料電 池單體上的氫氣孔道(13)相連通，構(gòu)成氫氣通道；所述的儲(chǔ)氫單元(9)與膜電極(3) 相接觸的兩個(gè)面上分別加工有空氣流道(6)和氫氣流道(7)。
5. 按照權(quán)利要求4所述的耦合儲(chǔ)氫單元的燃料電池，其特征在于所述的燃料電池為 固體聚合物燃料電池。
6. 按照權(quán)利要求5所述的耦合儲(chǔ)氫單元的燃料電池，其特征在于所述的固體聚合物 燃料電池為質(zhì)子交換膜燃料電池或堿性膜燃料電池。
全文摘要
耦合儲(chǔ)氫單元的燃料電池，本發(fā)明公開了一種耦合儲(chǔ)氫單元的燃料電池。這種燃料電池單體包含陰極流場板、陽極流場板、膜電極和一個(gè)儲(chǔ)氫單元，通過結(jié)構(gòu)的耦合疊層而構(gòu)成帶儲(chǔ)氫單元的燃料電池，利用儲(chǔ)氫單元放氫吸熱、燃料電池反應(yīng)放熱的特性來實(shí)現(xiàn)燃料電池和儲(chǔ)氫單元熱量管理的耦合。也可以直接在儲(chǔ)氫單元兩側(cè)加工氫氣和空氣流道而使燃料電池單體結(jié)構(gòu)更為簡單。本發(fā)明在解決儲(chǔ)氫單元和燃料電池?zé)峁芾淼耐瑫r(shí)，能夠減少燃料電池系統(tǒng)體積和功耗，提高能量密度。本發(fā)明公開的燃料電池可以應(yīng)用于各種電子設(shè)備電源、不間斷電源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H01M8/24GK101118969SQ200710175260
公開日2008年2月6日 申請(qǐng)日期2007年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月28日
發(fā)明者劉志祥, 毛宗強(qiáng), 誠 王 申請(qǐng)人:清華大學(xué)