專利名稱：儲氫單元及耦合型燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氫能領(lǐng)域，尤其是涉及一種耦合型氫燃料電池及其中使用的儲氫單元。
背景技術(shù)：
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。 目前接近實(shí)用化的質(zhì)子交換膜燃料電池主要采用氫氣作為燃料，主要采用三種儲 氫方式高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫以及金屬氫化物固態(tài)儲氫等。目前這三種儲氫方式都 在燃料電池車中得到了應(yīng)用。其中，高壓氣態(tài)儲氫一般采用輕質(zhì)金屬罐體加纖維纏繞增強(qiáng) 的方式，儲氫、放氫方便，成本最低，但是儲氫密度??；低溫液態(tài)儲氫方式儲存氫氣量大，但 是罐體復(fù)雜，需要維持低溫，成本高昂；金屬氫化物固態(tài)儲氫方式采用合金儲放氫氣，儲氫 量比較大，缺點(diǎn)是儲氫質(zhì)量比較低。 對于金屬氫化物固態(tài)儲氫方式而言，儲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)不同的儲氫合金種類有所差別，例如LaNi5的儲氫放熱量是30kJ/mo1 H2，Mg2Cu儲氫放熱量是72. 8kJ/mo1 H2。由于存在這樣的放熱、吸熱過程，儲氫合金罐就必 須考慮儲氫、放氫過程中的熱量管理。在中國專利ZL200710175260.2公開了一種耦合型燃 料電池的設(shè)計(jì)方案，將儲氫單元放置于兩個(gè)燃料電池單體中間，這樣既能夠利用燃料電池 工作時(shí)釋放出的熱量為儲氫單元進(jìn)行加熱以使氫氣穩(wěn)定的釋放，又能夠利用儲氫合金放氫 吸熱的特性來部分吸收燃料電池工作過程中釋放的廢熱，實(shí)現(xiàn)熱量管理的耦合。但是，在該 專利中只提出了儲氫單元包含儲氫腔體、氫氣加注孔、氫氣通道等，而沒有給出更加實(shí)際有 效的儲氫單元結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。 為此，本發(fā)明的第一個(gè)目的在于提出實(shí)際有效的、可與燃料電池單體實(shí)現(xiàn)很好的 結(jié)構(gòu)耦合的用于耦合型燃料電池的儲氫單元。 根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例的用于耦合型燃料電池的儲氫單元，包括儲氫容器， 所述儲氫容器中設(shè)有與外界密封的至少兩個(gè)儲氫腔體，所述至少兩個(gè)儲氫腔體相互平行； 至少一個(gè)導(dǎo)氣通道，所述導(dǎo)氣通道形成在所述儲氫容器內(nèi)，適于氫氣進(jìn)入或流出所述儲氫 容器的儲氫腔體，所述導(dǎo)氣通道貫穿所述至少兩個(gè)儲氫腔體；以及儲氫材料，所述儲氫材料 填裝于所述儲氫腔體內(nèi)。 根據(jù)本發(fā)明的用于耦合型燃料電池的儲氫單元，其儲氫腔體之間互相平行并且直 徑較小，可利于內(nèi)部儲氫材料溫度的均勻分布，能夠更好地防止儲氫材料粉化，從而延長儲 氫材料的壽命。且該儲氫單元能夠與燃料電池單體實(shí)現(xiàn)很好的結(jié)構(gòu)耦合，從而實(shí)現(xiàn)有效的
4儲氫單元和燃料電池的熱管理。 另外，根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例的用于耦合型燃料電池的儲氫單元還具有如下 附加技術(shù)特征 所述儲氫容器為扁平立方體，所述儲氫腔體形成在所述儲氫容器的扁平側(cè)內(nèi)，而 所述導(dǎo)氣通道形成在與所述儲氫腔體相垂直的扁平側(cè)內(nèi)。 所述儲氫腔體為一端開口的柱狀腔體，其開口端用儲氫腔體密封塞密封，可方便 地實(shí)現(xiàn)儲氫材料的填裝和密封。 所述導(dǎo)氣通道為一端開口的細(xì)長柱狀通道，其開口端用導(dǎo)氣通道密封塞密封，也 可方便地實(shí)現(xiàn)儲氫材料的填裝和密封。 所述導(dǎo)氣通道中進(jìn)一步設(shè)置有多孔導(dǎo)氣管，所述多孔導(dǎo)氣管將所述導(dǎo)氣通道與所 述至少兩個(gè)儲氫腔體流體連通。 所述導(dǎo)氣通道密封塞上設(shè)有氫氣出入口 ；以及所述儲氫容器上設(shè)有與所述氫氣出 入口連通的氫氣出入通道。 所述儲氫單元進(jìn)一步形成有氫氣進(jìn)氣分配通道和氫氣排氣分配通道，所述氫氣進(jìn)
氣分配通道和氫氣排氣分配通道分別貫穿所述儲氫容器的面積較大的兩個(gè)側(cè)面。 在所述儲氫容器的面積較大的兩個(gè)側(cè)面上進(jìn)一步形成有空氣進(jìn)氣分配通道和空
氣排氣分配通道，所述空氣進(jìn)氣分配通道和空氣排氣分配通道分別貫穿所述儲氫容器的面
積較大的兩個(gè)側(cè)面。 至少在所述儲氫容器上進(jìn)一步形成有用于冷卻空氣流動(dòng)的冷卻流道。
所述儲氫單元進(jìn)一步包括氫氣流道，所述氫氣流道形成在所述儲氫容器的面積
較大的兩個(gè)側(cè)面之一上，且所述氫氣流道分別與所述氫氣進(jìn)氣分配通道和氫氣排氣分配通
道相連通；以及空氣流道，所述空氣流道形成在所述兩個(gè)側(cè)面的另一側(cè)面上，且所述空氣流
道分別與所述空氣進(jìn)氣分配通道和所述空氣排氣分配通道相連通。 所述儲氫容器由輕質(zhì)金屬形成，可在保證儲氫要求的同時(shí)提高儲氫單元的重量儲 氫率。 所述的儲氫容器表面涂覆有涂層，所述涂層可導(dǎo)電且可防腐蝕。
所述儲氫材料為儲氫放熱、放氫吸熱的儲氫材料。 根據(jù)本發(fā)明的用于耦合型燃料電池的儲氫單元，一方面，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增大了儲 氫容器的表面積，充氫時(shí)儲氫單元放出的熱量一部分可以通過表面散熱，另一部分可以利 用燃料電池的風(fēng)扇散熱，從而避免了儲氫材料溫度過高而引起的失效；另一方面，本發(fā)明的 儲氫單元與燃料電池單體結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了耦合，燃料電池工作時(shí)放出的熱量能夠直接為儲氫 單元所吸收，作為穩(wěn)定的熱源，能夠使儲氫單元穩(wěn)定的釋放出氫氣。 本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提供一種可提高放氫容量并穩(wěn)定釋放氫氣的耦合型燃 料電池。 根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例的耦合型燃料電池，包括如上所述的儲氫單元；以 及燃料電池單體，所述燃料電池單體設(shè)置在相鄰的儲氫單元之間，所述儲氫單元將氫氣提 供至所述燃料電池單體以與空氣進(jìn)行反應(yīng)。 根據(jù)本發(fā)明的耦合型燃料電池，其儲氫單元能夠與燃料電池單體實(shí)現(xiàn)很好的結(jié)構(gòu) 耦合，從而實(shí)現(xiàn)有效的儲氫單元和燃料電池的熱管理，而且，可提高放氫容量并穩(wěn)定釋放氫氣。
另外，根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例的耦合型燃料電池還具有如下附加技術(shù)特征
在第一種實(shí)施方式中，所述燃料電池單體進(jìn)一步包括膜電極單元，氫氣與空氣通 過所述膜電極單元進(jìn)行反應(yīng)；以及形成在膜電極單元的兩側(cè)的燃料電池單極板，所述燃料 電池單極板的兩側(cè)上分別形成有適于氫氣流動(dòng)的氫氣流道和適于空氣流動(dòng)的空氣流道，其 中所述氫氣流道適于接收所述儲氫單元所提供的氫氣。 在第二種實(shí)施方式中，所述燃料電池單體包括膜電極單元，其中氫氣與空氣通過 所述膜電極單元進(jìn)行反應(yīng)；與所述燃料電池單體相鄰的所述儲氫單元中儲氫容器的一個(gè)較 大側(cè)面上形成有適于氫氣流動(dòng)的氫氣流道；以及與所述燃料電池單體相鄰的所述儲氫單元 中儲氫容器的另一個(gè)較大側(cè)面上形成有適于空氣流動(dòng)的空氣流道。 所述儲氫容器為扁平立方體，所述儲氫腔體形成在所述儲氫容器的扁平側(cè)內(nèi)，而 所述導(dǎo)氣通道形成在與所述儲氫腔體相垂直的扁平側(cè)內(nèi)。 所述耦合型燃料電池中進(jìn)一步形成有氫氣進(jìn)氣分配通道和氫氣排氣分配通道，所
述氫氣進(jìn)氣分配通道和氫氣排氣分配通道分別貫穿所述儲氫容器的面積較大的兩個(gè)側(cè)面，
且所述氫氣流道分別與所述氫氣進(jìn)氣分配通道和氫氣排氣分配通道相連通。 在所述儲氫容器的面積較大的兩個(gè)側(cè)面上進(jìn)一步形成有空氣進(jìn)氣分配通道和空
氣排氣分配通道，所述空氣進(jìn)氣分配通道和空氣排氣分配通道分別貫穿所述儲氫容器的面
積較大的兩個(gè)側(cè)面，且所述空氣流道分別與所述空氣進(jìn)氣分配通道和所述空氣排氣分配通
道相連通。 根據(jù)本發(fā)明的耦合型燃料電池，首先，增大了儲氫單元的表面積，使得充氫時(shí)儲氫 單元放出的熱量一部分可以通過表面散熱，另一部分可以利用燃料電池的風(fēng)扇散熱，從而 避免了儲氫材料溫度過高而引起的失效；其次，儲氫單元與燃料電池單體結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了耦 合，燃料電池工作時(shí)放出的熱量能夠直接為儲氫單元所吸收，作為穩(wěn)定的熱源，能夠使儲氫 單元穩(wěn)定的釋放出氫氣；同時(shí)，燃料電池工作溫度能夠達(dá)到60 8(TC，能夠使儲氫材料內(nèi) 部儲存的氫氣充分釋放出來，提高儲氫材料的放氫容量。 另外，儲氫單元與燃料電池在結(jié)構(gòu)和熱量上的耦合能夠使燃料電池系統(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。 本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對實(shí)施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中 圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例的用于耦合型燃料電池的儲氫單元的結(jié)構(gòu)爆 炸示意圖； 圖2是圖1中所示的儲氫單元的剖視圖； 圖3是圖1中所示的儲氫單元的一個(gè)示例的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，(a)是儲氫單元的 帶有氫氣流道的一側(cè)示意圖；(b)是儲氫單元的帶有空氣流道的另一側(cè)示意 圖4是根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例的耦合型燃料電池的第一種實(shí)施方式的剖視 圖；以及 圖5是根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例的耦合型燃料電池的第二種實(shí)施方式的剖視 圖。
具體實(shí)施例方式
下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終
相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附
圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。 在本發(fā)明的描述中，術(shù)語"內(nèi)"、"外"、"上"、"下"、"頂"、"底"等指示的方位或位置
關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明而不是要求本發(fā)明必須
以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。 下面參考附圖描述根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例的用于耦合型燃料電池的儲氫單 元。 如圖1-圖3所示，根據(jù)本發(fā)明的儲氫單元l，包括儲氫容器11和填裝于儲氫腔體 111內(nèi)的儲氫材料12?？蛇x地，儲氫容器11為扁平立方體。 在儲氫容器11中設(shè)有與外界密封的至少兩個(gè)儲氫腔體111和至少一個(gè)導(dǎo)氣通道 112，例如可設(shè)8個(gè)儲氫腔體111和1條導(dǎo)氣通道112。其中，8個(gè)儲氫腔體111形成在儲氫 容器11的扁平側(cè)內(nèi)且儲氫腔體111之間相互平行。具體地，儲氫腔體111為一端開口的柱 狀腔體，在儲氫腔體111內(nèi)填裝儲氫材料12后將其開口端用儲氫腔體密封塞1111密封，且 每條儲氫腔體的直徑為8 12mm。儲氫腔體之間互相平行并且直徑較小，可利于內(nèi)部儲氫 材料溫度的均勻分布，能夠更好地防止儲氫材料粉化，從而延長儲氫材料的壽命。
導(dǎo)氣通道112形成在與儲氫腔體111相垂直的儲氫容器11的扁平側(cè)內(nèi)，以適于氫 氣進(jìn)入或流出儲氫容器ll，其中，導(dǎo)氣通道112貫穿8個(gè)儲氫腔體111以使得導(dǎo)氣通道112 與所有儲氫腔體可流體連通，可選地，導(dǎo)氣通道112為一端開口的細(xì)長柱狀通道例如為圓 柱形腔體，且與8個(gè)平行的儲氫腔體111垂直。在本發(fā)明的一個(gè)示例中，導(dǎo)氣通道112中設(shè) 有多孔導(dǎo)氣管1122以與儲氫腔體111進(jìn)行流體連通，以使氫氣從多孔導(dǎo)氣管中進(jìn)入或引出 儲氫腔體111。導(dǎo)氣通道112的開口端用導(dǎo)氣通道密封塞1121密封，且在導(dǎo)氣通道密封塞 1121上設(shè)有氫氣出入口 1123。而在儲氫容器11上相應(yīng)地位置上設(shè)有與氫氣出入口 1123 相應(yīng)的氫氣出入通道1112，使得所述氫氣出入口和所述氫氣出入通道連通以構(gòu)成氫氣通道 113，而氫氣出入通道1112又可與外部氫氣源相連通，從而可將氫氣弓I入或引出儲氫容器。 另外，在導(dǎo)氣通道密封塞1121下部與儲氫腔體111連通處還設(shè)有氫氣過濾片1124。
儲氫腔體密封塞1111和導(dǎo)氣通道密封塞1121可采用銷釘、螺紋、粘結(jié)、擋片、螺釘 等方式之一或組合固定在儲氫容器11上，且在密封塞與儲氫容器11之間設(shè)有密封件118 以保持儲氫腔體對外界的密封。當(dāng)然，儲氫腔體密封塞1111和導(dǎo)氣通道密封塞1121也可 采用焊接或其他任何可將密封塞固定在儲氫容器111上的方式，從而保持儲氫腔體對外界 的密封。 在儲氫容器11的面積較大的兩個(gè)側(cè)面上進(jìn)一步形成有氫氣進(jìn)氣分配通道1141和 氫氣排氣分配通道1142，其中氫氣進(jìn)氣分配通道1141和氫氣排氣分配通道1142分別貫穿該兩個(gè)面積較大的側(cè)面，即貫通了儲氫容器11。例如，氫氣進(jìn)氣分配通道1141和氫氣排氣 分配通道1142可開在儲氫容器11的位于一條對角線上的拐角處。氫氣進(jìn)氣分配通道1141 和氫氣排氣分配通道1142的作用在于，儲氫單元與燃料電池單體構(gòu)成耦合型燃料電池時(shí)， 可適于貫通多個(gè)儲氫容器以形成用于氫氣進(jìn)氣和氫氣排氣的管道。 在本發(fā)明的一個(gè)示例中，在儲氫容器11的面積較大的兩個(gè)側(cè)面上進(jìn)一步形成有 空氣進(jìn)氣分配通道1151和空氣排氣分配通道1152，空氣進(jìn)氣分配通道1151和空氣排氣分 配通道1152分別貫穿儲氫容器11的面積較大的兩個(gè)側(cè)面，即貫通了儲氫容器11。例如，空 氣進(jìn)氣分配通道1151和空氣排氣分配通道1152可開在儲氫容器11的位于另一條對角線 上的拐角處?？諝膺M(jìn)氣分配通道1151和空氣排氣分配通道1152的作用在于，儲氫單元與 燃料電池單體構(gòu)成耦合型燃料電池時(shí)，適于貫通多個(gè)儲氫容器以形成用于空氣進(jìn)氣和空氣 排氣的管道。 可選地，還可以至少在儲氫容器11上進(jìn)一步形成有用于冷卻空氣流動(dòng)的冷卻流 道116，例如可在儲氫容器11的兩個(gè)較大側(cè)面的其中一個(gè)或兩個(gè)上形成，如圖1中所示。
在本發(fā)明的另一個(gè)示例中，儲氫單元1還進(jìn)一步包括氫氣流道3和空氣流道4。其 中，氫氣流道3形成在儲氫容器11的面積較大的兩個(gè)側(cè)面之一上，且氫氣流道3分別與氫 氣進(jìn)氣分配通道1141和氫氣排氣分配通道1142流體連通?？諝饬鞯?形成在兩個(gè)側(cè)面的 另一側(cè)面上，且空氣流道4分別與空氣進(jìn)氣分配通道1151和空氣排氣分配通道1152流體 連通。 另外，可選地，還可以在儲氫容器11上進(jìn)一步形成有密封槽117，用于密封。
根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例的用于耦合型燃料電池的儲氫單元，能夠與燃料電池 單體實(shí)現(xiàn)很好的結(jié)構(gòu)耦合，從而實(shí)現(xiàn)有效的儲氫單元和燃料電池的熱管理。 一方面，這種結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)增大了儲氫單元的表面積，充氫時(shí)儲氫單元放出的熱量一部分可以通過表面散熱， 另一部分可以利用燃料電池的風(fēng)扇散熱，從而避免了儲氫材料溫度過高而引起的失效；另 一方面，本發(fā)明的儲氫單元與燃料電池單體結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了耦合，燃料電池工作時(shí)放出的熱 量能夠直接為儲氫單元所吸收，作為穩(wěn)定的熱源，能夠使儲氫單元穩(wěn)定的釋放出氫氣。
根據(jù)本發(fā)明的用于耦合型燃料電池的儲氫單元，為了在保證儲氫要求的同時(shí)提高 儲氫單元1的重量儲氫率，儲氫容器11采用高強(qiáng)度輕質(zhì)金屬加工而成，例如鋁、鎂及其它金 屬及其合金。由于鋁合金的密度較低，強(qiáng)度能夠滿足要求，同時(shí)價(jià)格低廉，可以作為加工儲 氫容器11的首選材料，例如硬鋁合金。然而輕質(zhì)金屬儲氫容器11表面容易形成氧化膜，構(gòu) 成耦合型燃料電池時(shí)歐姆內(nèi)阻大；同時(shí)，耦合型燃料電池的工作環(huán)境容易導(dǎo)致金屬儲氫容 器11的腐蝕。為了防止金屬的腐蝕，同時(shí)降低金屬儲氫容器11與燃料電池單體燃料電池 單極板22之間的接觸電阻，需要在儲氫容器11表面涂覆導(dǎo)電性及防腐性能良好的涂層，包 括但不限于氧化物涂層、貴金屬涂層、氮化物涂層、類金剛石涂層、導(dǎo)電聚合物涂層等。在儲 氫腔體111中填裝的儲氫材料12為具備儲氫放熱、放氫吸熱特性的儲氫材料12，例如儲氫 合金與必要添加物的混合物、儲氫碳材料等，儲氫合金包括但不僅限于Mg系、La系、Ti系合 金。 下面根據(jù)圖4和圖5詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例的耦合型燃料電池。
根據(jù)本發(fā)明的耦合型燃料電池包括上述第一個(gè)實(shí)施例的儲氫單元1以及燃料電 池單體2，燃料電池單體2設(shè)置在相鄰的儲氫單元1之間，儲氫單元1將氫氣提供至燃料電
8池單體2以與空氣進(jìn)行反應(yīng)。 首先，下面將根據(jù)圖1、圖2和圖4描述根據(jù)本發(fā)明的耦合型燃料電池的第一種實(shí) 施方式。 如圖4所示，耦合型燃料電池包括上述的儲氫單元1和設(shè)置在相鄰的儲氫單元1 之間的燃料電池單體2。其中，燃料電池單體2包括膜電極單元21和形成在膜電極單元21 的兩側(cè)的燃料電池單極板22。膜電極單元21由燃料電池?cái)U(kuò)散層211和燃料電池膜電極212 構(gòu)成，而燃料電池膜電極212包括質(zhì)子交換膜以及兩面涂覆的催化劑。而在燃料電池單極 板22的兩側(cè)上分別形成有適于氫氣流動(dòng)的氫氣流道3和適于空氣流動(dòng)的空氣流道4，其中 氫氣流道3適于接收儲氫單元1所提供的氫氣。 在儲氫單元1的儲氫容器11的面積較大的兩個(gè)側(cè)面上形成有氫氣進(jìn)氣分配通道 1141和氫氣排氣分配通道1142，其中氫氣進(jìn)氣分配通道1141和氫氣排氣分配通道1142分 別貫穿該兩個(gè)面積較大的側(cè)面，即貫通了儲氫容器ll。例如，氫氣進(jìn)氣分配通道1141和氫 氣排氣分配通道1142可開在儲氫容器11的位于一條對角線上的拐角處。并且，氫氣流道3 分別與氫氣進(jìn)氣分配通道1141和氫氣排氣分配通道1142相連通，以使氫氣從氫氣進(jìn)氣分 配通道1141流入氫氣流道3，并從氫氣排氣分配通道1142流出。 在本發(fā)明的一個(gè)示例中，在儲氫容器11的面積較大的兩個(gè)側(cè)面上進(jìn)一步形成有 空氣進(jìn)氣分配通道1151和空氣排氣分配通道1152，空氣進(jìn)氣分配通道1151和空氣排氣分 配通道1152分別貫穿儲氫容器11的面積較大的兩個(gè)側(cè)面，即貫通了儲氫容器11。例如，空 氣進(jìn)氣分配通道1151和空氣排氣分配通道1152可開在儲氫容器11的位于另一條對角線 上的拐角處。并且，空氣流道4分別與空氣進(jìn)氣分配通道1151和空氣排氣分配通道1152 相連通，以使空氣從空氣進(jìn)氣分配通道1151流入空氣流道4，并從空氣排氣分配通道1152 流出。 可選地，還可以至少在儲氫容器11上進(jìn)一步形成有用于冷卻空氣流動(dòng)的冷卻流
道116，例如可在儲氫容器11的兩個(gè)較大側(cè)面的其中一個(gè)或兩個(gè)上形成，如圖1所示。 相鄰的兩個(gè)儲氫單元1與燃料電池單體2的燃料電池單極板22緊密接觸，兩個(gè)儲
氫單元1之間利用電絕緣的連接導(dǎo)管119相連，連接導(dǎo)管119與儲氫容器11之間可利用密
封件118進(jìn)行密封。導(dǎo)氣通道密封塞1121上的氫氣出入口 1123和儲氫容器11上的氫氣
出入通道1112以及連接導(dǎo)管119相互連通構(gòu)成氫氣通道113。 根據(jù)本發(fā)明的耦合型燃料電池的第一種實(shí)施方式的工作原理如下 充氫時(shí)，在一定的溫度和壓力下，外部的氫氣經(jīng)過氫氣通道113和導(dǎo)氣通道密封
塞1121上的氫氣出入口 1123進(jìn)入儲氫單元l，透過氫氣過濾片1124進(jìn)入儲氫腔體111，與
儲氫材料12結(jié)合形成氫化物。 放氫時(shí)，在一定的溫度和壓力下，氫氣從儲氫材料12中釋放出來，經(jīng)過氫氣過濾 片1124進(jìn)入氫氣通道113，導(dǎo)出到外部后經(jīng)過減壓再進(jìn)入耦合型燃料電池，從氫氣進(jìn)氣分 配通道1141流入燃料電池單體2中的燃料電池單極板22上的氫氣流道3后再流入氫氣排 氣分配通道1142后流出電池。外部的空氣通過空氣進(jìn)氣分配通道1151流入燃料電池單體 中燃料電池單極板22上的空氣流道4，然后流出到空氣排氣分配通道1152。由此，氫氣與 外部的空氣在各自的分配通道中流動(dòng)并經(jīng)由燃料電池單體2進(jìn)行反應(yīng)產(chǎn)生電流。燃料電池 單體2發(fā)電時(shí)釋放出的熱量一部分又被儲氫單元1所吸收，另一部分通過儲氫單元1上的冷卻流道116中流過的冷卻空氣帶走。 以上是根據(jù)本發(fā)明第一種實(shí)施方式的耦合型燃料電池是以空氣封閉式的方式為 例來進(jìn)行說明的。當(dāng)然，該耦合型燃料電池還可以采用空氣開放式的設(shè)計(jì)?？諝忾_放式的 耦合型燃料電池與空氣封閉式的方式下的耦合型燃料電池唯一不同的地方在于，在儲氫容 器11上不需要加工空氣進(jìn)氣分配通道1151和空氣排氣分配通道1152，因此，由于空氣可 開放地進(jìn)出耦合型燃料電池，則與氫氣進(jìn)行反應(yīng)的空氣以及用于進(jìn)行冷卻的冷卻空氣均可 直接從外界得到，而不需空氣進(jìn)氣分配通道和空氣排氣分配通道。另外，用于冷卻空氣流動(dòng) 的冷卻流道116也可不加工。相應(yīng)地，空氣開放式的耦合型燃料電池也不需要加工密封槽 117。 其次，下面將根據(jù)圖1、圖3和圖5描述根據(jù)本發(fā)明的耦合型燃料電池的第二種實(shí) 施方式。 如圖5所示，耦合型燃料電池包括上述本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例的儲氫單元1和設(shè) 置在相鄰的儲氫單元1之間的燃料電池單體2。其中，燃料電池單體2包括膜電極單元21， 膜電極單元21由燃料電池?cái)U(kuò)散層211和燃料電池膜電極212構(gòu)成，而燃料電池膜電極212 包括質(zhì)子交換膜以及兩面涂覆的催化劑。 在第二種實(shí)施方式中，燃料電池單體2不存在燃料電池單極板22。上述第一種實(shí) 施方式中的燃料電池單極板22的作用在第二種實(shí)施方式中可由儲氫單元1代替。
具體地說，與燃料電池單體2相鄰的儲氫單元1中的儲氫容器11的一個(gè)側(cè)面上形 成有適于氫氣流動(dòng)的氫氣流道3，如圖3(a)所示。而在儲氫容器ll的另一個(gè)側(cè)面上形成有 適于空氣流動(dòng)的空氣流道4，如圖3(b)所示。 在儲氫單元1的儲氫容器11的面積較大的兩個(gè)側(cè)面上形成有氫氣進(jìn)氣分配通道 1141和氫氣排氣分配通道1142，其中氫氣進(jìn)氣分配通道1141和氫氣排氣分配通道1142分 別貫穿該兩個(gè)面積較大的側(cè)面，即貫通了儲氫容器11。并且，氫氣流道3分別與氫氣進(jìn)氣分 配通道1141和氫氣排氣分配通道1142相連通，以使氫氣從氫氣進(jìn)氣分配通道1141流入氫 氣流道3，并從氫氣排氣分配通道1142流出。 在本發(fā)明的一個(gè)示例中，在儲氫容器11的面積較大的兩個(gè)側(cè)面上進(jìn)一步形成有 空氣進(jìn)氣分配通道1151和空氣排氣分配通道1152，空氣進(jìn)氣分配通道1151和空氣排氣分 配通道1152分別貫穿儲氫容器11的面積較大的兩個(gè)側(cè)面，即貫通了儲氫容器11。并且，空 氣流道4分別與空氣進(jìn)氣分配通道1151和空氣排氣分配通道1152相連通，以使空氣從空 氣進(jìn)氣分配通道1151流入空氣流道4，并從空氣排氣分配通道1152流出。
另外，在儲氫容器11上進(jìn)一步形成有密封槽117。 相鄰的兩個(gè)儲氫單元1直接與燃料電池?cái)U(kuò)散層211緊密接觸，兩個(gè)儲氫單元1之 間利用密封件118進(jìn)行密封。導(dǎo)氣通道密封塞1121上的氫氣出入口 1123和儲氫容器11 上的氫氣出入通道1112相互連通構(gòu)成氫氣通道113。 根據(jù)本發(fā)明的耦合型燃料電池的第二種實(shí)施方式的工作原理如下 充氫時(shí)，在一定的溫度和壓力下，外部的氫氣經(jīng)過氫氣通道113和導(dǎo)氣通道密封
塞1121上的氫氣出入口 1123進(jìn)入儲氫單元l，透過氫氣過濾片1124進(jìn)入儲氫腔體111，與
儲氫材料12結(jié)合形成氫化物。 放氫時(shí)，在一定的溫度和壓力下，氫氣從儲氫材料12中釋放出來，經(jīng)過氫氣過濾
10片1124進(jìn)入氫氣通道113，導(dǎo)出到外部后經(jīng)過減壓再進(jìn)入耦合型燃料電池，從氫氣進(jìn)氣分 配通道1141流入儲氫容器11上的氫氣流道3，再流入氫氣排氣分配通道1142后流出電池。 外部的空氣通過空氣進(jìn)氣分配通道1151流入儲氫容器11上的空氣流道4，然后流出到空氣 排氣分配通道1152 ;或者直接從外部流經(jīng)儲氫容器11上的空氣流道4流出電池。由此，氫 氣與外部的空氣在各自的通道中流動(dòng)并經(jīng)由燃料電池單體2進(jìn)行反應(yīng)產(chǎn)生電流。燃料電池 單體2發(fā)電時(shí)釋放出的熱量一部分又被儲氫單元1所吸收，另一部分通過儲氫單元1上的 空氣流道4中流過的空氣帶走。 以上是根據(jù)本發(fā)明第二種實(shí)施方式的耦合型燃料電池是以空氣封閉式的方式為 例來進(jìn)行說明的。當(dāng)然，該耦合型燃料電池還可以采用空氣開放式的設(shè)計(jì)。空氣開放式的 耦合型燃料電池與空氣封閉式的方式下的耦合型燃料電池唯一不同的地方在于，在儲氫容 器11上不需要加工空氣進(jìn)氣分配通道1151和空氣排氣分配通道1152，因此，由于空氣可開 放地進(jìn)出耦合型燃料電池，則與氫氣進(jìn)行反應(yīng)的空氣以及用于進(jìn)行冷卻的冷卻空氣均可直 接從外界得到，而不需空氣進(jìn)氣分配通道和空氣排氣分配通道。相應(yīng)地，空氣開放式的耦合 型燃料電池也不需要加工密封槽117。 根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例的耦合型燃料電池，其儲氫單元能夠與燃料電池單體 實(shí)現(xiàn)很好的結(jié)構(gòu)耦合，從而實(shí)現(xiàn)有效的儲氫單元和燃料電池的熱管理。 一方面，增大了儲 氫單元的表面積，充氫時(shí)儲氫單元放出的熱量一部分可以通過表面散熱，另一部分可以利 用燃料電池的風(fēng)扇散熱，從而避免了儲氫材料溫度過高而引起的失效；另一方面，儲氫單元 與燃料電池單體結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了耦合，燃料電池工作時(shí)放出的熱量能夠直接為儲氫單元所吸 收，作為穩(wěn)定的熱源，能夠使儲氫單元穩(wěn)定的釋放出氫氣；同時(shí)，燃料電池工作溫度能夠達(dá) 到60 8(TC，能夠使儲氫材料內(nèi)部儲存的氫氣充分釋放出來，提高儲氫材料的放氫容量。
另外，儲氫單元與燃料電池在結(jié)構(gòu)和熱量上的耦合能夠使燃料電池系統(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。 盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解在不 脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本 發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。
1權(quán)利要求
一種用于耦合型燃料電池的儲氫單元，包括儲氫容器，所述儲氫容器中設(shè)有與外界密封的至少兩個(gè)儲氫腔體，所述至少兩個(gè)儲氫腔體相互平行；至少一個(gè)導(dǎo)氣通道，所述導(dǎo)氣通道形成在所述儲氫容器內(nèi)，適于氫氣進(jìn)入或流出所述儲氫容器的儲氫腔體，所述導(dǎo)氣通道貫穿所述至少兩個(gè)儲氫腔體；以及儲氫材料，所述儲氫材料填裝于所述儲氫腔體內(nèi)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲氫單元，其特征在于，所述儲氫容器為扁平立方體，所述儲 氫腔體形成在所述儲氫容器的扁平側(cè)內(nèi)，而所述導(dǎo)氣通道形成在與所述儲氫腔體相垂直的 扁平側(cè)內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的儲氫單元，其特征在于，所述儲氫腔體為一端開口的柱狀腔 體，其開口端用儲氫腔體密封塞密封。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的儲氫單元，其特征在于，所述導(dǎo)氣通道為一端開口的細(xì)長柱 狀通道，其開口端用導(dǎo)氣通道密封塞密封。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的儲氫單元，其特征在于，所述導(dǎo)氣通道中進(jìn)一步設(shè)置有多孔 導(dǎo)氣管，所述多孔導(dǎo)氣管將所述導(dǎo)氣通道與所述至少兩個(gè)儲氫腔體流體連通。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的儲氫單元，其特征在于，所述導(dǎo)氣通道密封塞上設(shè)有氫氣出 入口 ；以及所述儲氫容器上設(shè)有與所述氫氣出入口連通的氫氣出入通道。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的儲氫單元，進(jìn)一步形成有氫氣進(jìn)氣分配通道和氫氣排氣分配 通道，所述氫氣進(jìn)氣分配通道和氫氣排氣分配通道分別貫穿所述儲氫容器的面積較大的兩 個(gè)側(cè)面。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的儲氫單元，其特征在于，在所述儲氫容器的面積較大的兩個(gè) 側(cè)面上進(jìn)一步形成有空氣進(jìn)氣分配通道和空氣排氣分配通道，所述空氣進(jìn)氣分配通道和空 氣排氣分配通道分別貫穿所述儲氫容器的面積較大的兩個(gè)側(cè)面。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的儲氫單元，其特征在于，至少在所述儲氫容器上進(jìn)一步形成 有用于冷卻空氣流動(dòng)的冷卻流道。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的儲氫單元，進(jìn)一步包括氫氣流道，所述氫氣流道形成在所述儲氫容器的面積較大的兩個(gè)側(cè)面之一上，且所述 氫氣流道分別與所述氫氣進(jìn)氣分配通道和氫氣排氣分配通道相連通；以及空氣流道，所述空氣流道形成在所述兩個(gè)側(cè)面的另一側(cè)面上，且所述空氣流道分別與 所述空氣進(jìn)氣分配通道和所述空氣排氣分配通道相連通。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲氫單元，其特征在于，所述儲氫容器由輕質(zhì)金屬形成。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲氫單元，其特征在于，所述的儲氫容器表面涂覆有涂層， 所述涂層可導(dǎo)電且可防腐蝕。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲氫單元，其特征在于，所述儲氫材料為儲氫放熱、放氫吸 熱的儲氫材料。
14. 一種耦合型燃料電池，包括 如權(quán)利要求1所述的儲氫單元；以及燃料電池單體，所述燃料電池單體設(shè)置在相鄰的儲氫單元之間，所述儲氫單元將氫氣提供至所述燃料電池單體以與空氣進(jìn)行反應(yīng)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的耦合型燃料電池，其特征在于，所述燃料電池單體進(jìn)一步包括膜電極單元，氫氣與空氣通過所述膜電極單元進(jìn)行反應(yīng)；以及形成在膜電極單元的兩側(cè)的燃料電池單極板，所述燃料電池單極板的兩側(cè)上分別形成 有適于氫氣流動(dòng)的氫氣流道和適于空氣流動(dòng)的空氣流道，其中 所述氫氣流道適于接收所述儲氫單元所提供的氫氣。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的耦合型燃料電池，其特征在于，所述燃料電池單體包括膜 電極單元，其中氫氣與空氣通過所述膜電極單元進(jìn)行反應(yīng)；與所述燃料電池單體相鄰的所述儲氫單元中儲氫容器的一個(gè)較大側(cè)面上形成有適于 氫氣流動(dòng)的氫氣流道；以及與所述燃料電池單體相鄰的所述儲氫單元中儲氫容器的另一個(gè)較大側(cè)面上形成有適 于空氣流動(dòng)的空氣流道。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的耦合型燃料電池，其特征在于，所述儲氫容器為扁平 立方體，所述儲氫腔體形成在所述儲氫容器的扁平側(cè)內(nèi)，而所述導(dǎo)氣通道形成在與所述儲 氫腔體相垂直的扁平側(cè)內(nèi)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的耦合型燃料電池，其特征在于，進(jìn)一步形成有氫氣進(jìn)氣分 配通道和氫氣排氣分配通道，所述氫氣進(jìn)氣分配通道和氫氣排氣分配通道分別貫穿所述儲 氫容器的面積較大的兩個(gè)側(cè)面，且所述氫氣流道分別與所述氫氣進(jìn)氣分配通道和氫氣排氣 分配通道相連通。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的耦合型燃料電池，其特征在于，在所述儲氫容器的面積較 大的兩個(gè)側(cè)面上進(jìn)一步形成有空氣進(jìn)氣分配通道和空氣排氣分配通道，所述空氣進(jìn)氣分配 通道和空氣排氣分配通道分別貫穿所述儲氫容器的面積較大的兩個(gè)側(cè)面，且所述空氣流道 分別與所述空氣進(jìn)氣分配通道和所述空氣排氣分配通道相連通。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于耦合型燃料電池的儲氫單元，包括儲氫容器，所述儲氫容器中設(shè)有與外界密封的至少兩個(gè)儲氫腔體，所述至少兩個(gè)儲氫腔體相互平行；至少一個(gè)導(dǎo)氣通道，所述導(dǎo)氣通道形成在所述儲氫容器內(nèi)并貫穿所述至少兩個(gè)儲氫腔體，適于氫氣進(jìn)入或流出所述儲氫腔體；以及填裝于儲氫腔體內(nèi)的儲氫材料。根據(jù)本發(fā)明的儲氫單元，其儲氫腔體之間互相平行且直徑較小，可利于內(nèi)部儲氫材料溫度的均勻分布，能夠更好地防止儲氫材料粉化，從而延長儲氫材料的壽命。另外，該儲氫單元能夠與燃料電池單體實(shí)現(xiàn)很好的結(jié)構(gòu)耦合，從而實(shí)現(xiàn)有效的儲氫單元和燃料電池的熱管理。本發(fā)明還公開了一種具有上述儲氫單元的耦合型燃料電池。
文檔編號H01M8/06GK101794893SQ20101012026
公開日2010年8月4日 申請日期2010年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月8日
發(fā)明者劉志祥, 毛宗強(qiáng), 王誠 申請人:清華大學(xué)