本發(fā)明涉及新能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多級燃料電池結(jié)構(gòu)及其發(fā)電方法。

背景技術(shù)：

在燃料電池工作過程中，燃料和氧化劑分別通入電池。以氫氣為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池為例，電池運行中，氫氣經(jīng)擴散作用到達陽極，經(jīng)催化作用產(chǎn)生H⁺和電子，H⁺以水合氫離子的形式穿過質(zhì)子交換膜。氧氣進擴散作用進入陰極，經(jīng)催化作用產(chǎn)生氧離子與經(jīng)過質(zhì)子交換膜過來的氫離子結(jié)合形成水并釋放大量的熱量，電子由外電路從陽極向陰極移動并產(chǎn)生電流。電極反應(yīng)和總反應(yīng)如下：

陽極：

陰極：

總反應(yīng)：

在燃料電池實際工作過程中，由于燃料消耗以及反應(yīng)的進行，會產(chǎn)生如下問題：

（1）由于燃料消耗，燃料濃度沿流動方向不斷減小，燃料濃度不足容易造成電流密度下降。

（2）燃料濃度沿流動方向不斷減小，電池反應(yīng)不均，若將電池處于同一放電電壓下，電池各部分放電效率低。

（3）在低溫燃料電池中：由于流動作用，燃料側(cè)產(chǎn)生的水不斷增加，在流道下游容易造成“水淹”現(xiàn)象，阻礙燃料氣體向電解質(zhì)的擴散作用，從而導致電池性能下降。

（4）在高溫燃料電池中：在流道上游側(cè)，由于燃料供應(yīng)充足，電化學反應(yīng)劇烈，進口燃料所攜帶的水供應(yīng)不足，造成“干涸”現(xiàn)象，容易造成局部過熱現(xiàn)象，影響燃料電池壽命等。

（5）在高溫燃料電池中：由于燃料消耗，還原性氣氛被破壞，由于流道出口處外界空氣進入，導致陽極鎳被氧化。

專利CN105742667A公開了一種改善排水性能陰極流場板仿生結(jié)構(gòu)，通過加快陰極產(chǎn)生的水來防止“水淹”現(xiàn)象。但是，該方法無法解決流道上游“干涸”現(xiàn)象以及高溫燃料電池下游水蒸氣分壓升高的問題。專利CN102170002A公開了一種燃料電池流道深度隨流動方向變化的流道結(jié)構(gòu)，此發(fā)明通過逐級遞減的流道深度來調(diào)節(jié)氣體的流速和壓降，但是該方法無法解決燃料濃度沿流道下降、流道上游“干涸”現(xiàn)象以及流道下游“水淹”現(xiàn)象的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種通過電極集流體、陽極和陰極的同時分級處理, 通過燃料電池控制用轉(zhuǎn)換器控制燃料電池在不同級上輸出不同的電壓，從而更好的解決由于燃料反應(yīng)后濃度沿流道下降、流道上游“干涸”現(xiàn)象、流道下游“水淹”現(xiàn)象、電池性能下降以及陽極破壞等問題的多級燃料電池結(jié)構(gòu)。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的包括陰極、電解質(zhì)層、陽極、電極集流體、燃料流道、氧化劑流道；所述電解質(zhì)層位于陰極和陽極之間；所述陰極與位于陰極側(cè)的電流集流體連接并包圍形成氧化劑流道；所述陽極與位于陽極側(cè)的電極集流體連接并包圍形成燃料流道；沿所述多級燃料電池的燃料流動方向?qū)㈦姵胤譃?級或多級，分別為級1、級2、……級n；所述多級燃料電池結(jié)構(gòu)還包括用于控制各級電壓的燃料電池控制用轉(zhuǎn)換器，所述燃料電池控制用轉(zhuǎn)換器分別與陰極、陽極連接；所述多級燃料電池的各級電極集流體之間保持電絕緣狀態(tài)，所述多級燃料電池的各級陽極之間保持電絕緣狀態(tài)和隔離狀態(tài)，所述多級燃料電池的各級陰極之間保持電絕緣狀態(tài)和隔離狀態(tài)，從而防止氣體側(cè)向擴散，電池陰極各級之間保持電絕緣狀態(tài)和隔離狀態(tài)，從而防止氣體側(cè)向擴散。

作為改進，燃料電池控制用轉(zhuǎn)換器為放電儀。

作為改進，多級燃料電池結(jié)構(gòu)的多個單體橫向并排相連組成電池堆，多個單體共用陰極、電解質(zhì)層、陽極和電極集流體及燃料電池控制用轉(zhuǎn)換器。

作為改進，多級燃料電池結(jié)構(gòu)的多個單體縱向并排相連組成電池堆，縱向上，相鄰兩個多級燃料電池結(jié)構(gòu)單體共用電極集流體。

作為改進，多級燃料電池結(jié)構(gòu)的多個單體橫向并排相連，多個單體縱向并排相連，橫向多個多級燃料電池結(jié)構(gòu)單體共用陰極、電解質(zhì)層、陽極和電極集流體及燃料電池控制用轉(zhuǎn)換器，縱向相鄰兩個多級燃料電池結(jié)構(gòu)單體共用電極集流體。

利用上述多級燃料電池結(jié)構(gòu)發(fā)電方法如下：

（1）、在上述多級燃料電池結(jié)構(gòu)中的燃料流道進口處通入燃料，同時在氧化劑流道通入氧化劑；

（2）、通過燃料電池控制用轉(zhuǎn)換器控制各級電極電壓，靠近上游處控制較高的電極電壓，沿流道依次降低電極電壓。

本發(fā)明的有益效果在于：在燃料進口處，燃料濃度較高，電化學反應(yīng)速率較快，燃料攜帶水含量較少，可以通過提高電極電壓的方法來控制電化學反應(yīng)速率。在低溫燃料電池中，由于控制上游電化學反應(yīng)速率，減緩下游“水淹”；在高溫燃料電池中，可以避免上游較快的電化學反應(yīng)造成的局部過熱，從而解決上游“干涸”問題，同時防止燃料在上游的過早消耗，導致出口處陽極易處于氧化性氣氛中，導致陽極鎳被氧化，破壞陽極。燃料電池下游區(qū)域，電化學反應(yīng)速率較慢，可以通過減小電壓，來提高電流密度，從而促使燃料更加充分反應(yīng)，提高燃料利用率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明三級燃料電池結(jié)構(gòu)立體圖；

圖2為本發(fā)明三級燃料電池結(jié)構(gòu)截面圖；

圖3為本發(fā)明多級燃料電池多個單體橫向連接組成電池堆；

圖4為本發(fā)明多級燃料電池多個單體縱向連接組成電池堆；

圖5為本發(fā)明多級燃料電池多個單體橫向連接以及多個單體縱向連接組成電池堆；

圖中：

1-陰極，2-電解質(zhì)層，3-陽極，4-電極集流體。

具體實施方式

下面通過具體實施方式，對本發(fā)明的具體技術(shù)方案進行說明。

實施例1

本發(fā)明為一種多級燃料電池結(jié)構(gòu)。以附圖1和附圖2中的三級燃料電池堆單體結(jié)構(gòu)示意圖進行說明，多級燃料電池主要由陰極1、電解質(zhì)或電解質(zhì)膜2、陽極3、電極集流體4、燃料流道和氧化劑流道組成。以流道長度為10cm的多級燃料電池為例（尺寸只用來說明），多級燃料電池在沿流道方向上分為3級：級1（3cm）、級2（4cm）和級3（3cm）。其中，各級電極集流體4之間相互獨立絕緣。陽極3各級之間相互獨立絕緣。陰極1各級之間相互獨立絕緣。燃料和氧化劑分別通入多級燃料電池燃料流道和氧化劑流道。以理想電壓為1.2V的多級燃料電池為例：在級1、級2和級3上分別通過放電儀（燃料電池控制用轉(zhuǎn)換器的一種，僅用于說明）控制電壓為1.1V、1.0V和0.9V，在電池級1、級2和級3電極板上通過變壓器等將電壓轉(zhuǎn)化為所需輸出電壓。

實施例2

如圖3所示：在多級燃料電池橫向上，五個單體電池組成電池堆（數(shù)量只用于說明）。五個多級燃料電池的單體共用陰極1、電解質(zhì)膜2、陽極3和電極集流體4。在流道方向上將電池堆分為3級：級1、級2和級3（分級數(shù)量只用于說明）。多級燃料電池各級電極集流體4之間相互電絕緣。陽極3各級之間相互獨立絕緣。陰極1各級之間相互獨立絕緣。在多級燃料電池工作過程中，分別通過放電儀（燃料電池控制用轉(zhuǎn)換器一種，此處僅用于說明）控制各級電壓，沿流道方向依次降低。在電池級1、級2和級3電極板上通過變壓器等將電壓轉(zhuǎn)化為所需輸出電壓。

實施例3

如圖4所示：在多級燃料電池縱向上，多個電池組成燃料電池結(jié)構(gòu)（圖4用兩個電池進行說明）?？v向上，相鄰兩個燃料電池單體共用電極集流體4。在燃料電池流道方向?qū)㈦姵胤譃槎嗉墸▓D4 中將電池分為3級進行說明）。電池堆陽極3沿流道方向分為多級。電池堆陰極1在燃料電池方向上分為多級。在燃料電池堆放電過程中，電池堆各級分別通過放電儀（燃料電池控制用轉(zhuǎn)換器一種，此處僅用于說明）控制電壓，沿流道方向上依次降低電壓。在電池級1、級2和級3電極板上通過變壓器等將電壓轉(zhuǎn)化為所需輸出電壓。

實施例4

如圖5所示：在多級燃料電池橫向上，五個單體電池組成電池堆（數(shù)量只用于說明）。五個多級燃料電池的單體共用陰極1、電解質(zhì)膜2、陽極3和電極集流體4。在燃料電池縱向上，多個電池組成燃料電池堆結(jié)構(gòu)（圖5 用兩個電池進行說明），從而形成縱橫交錯的電池堆。在流道方向上將電池堆分為3級：級1、級2和級3（分級數(shù)量只用于說明），燃料電池各級電極集流體4之間相互電絕緣。陽極3各級之間相互獨立絕緣。陰極1各級之間相互獨立絕緣。在燃料電池堆放電過程中，電池堆各級分別通過放電儀（燃料電池控制用轉(zhuǎn)換器一種，此處僅用于說明）控制電壓，沿流道方向上依次降低電壓。在電池級1、級2和級3電極板上通過變壓器等將電壓轉(zhuǎn)化為所需輸出電壓

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以做出若干改進，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何細微修改、等同替換和改進，均應(yīng)包含在本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍之內(nèi)。