[发明专利]一种被动排水燃料电池堆

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池堆，具体地，涉及一种内置有被动排水组件的被动排水燃料电池堆。

背景技术

燃料电池（Fuel Cell，FC）是一种将燃料化学能通过电化学方式直接转换为电能的新型发电装置，具有能量转换率高、无污染、原料来源丰富等优点，被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电技术。作为新一代的发电技术，燃料电池可广泛应用于便携式移动电源、电动汽车、发电站、航空航天和军用舰船等各个方面。

质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC）是燃料电池中的一种，其电解质由固态聚合物膜制成，所以又叫作固态聚合物电解质燃料电池（SPEFC）或固态聚合物燃料电池（SPFC），具有功率密度高、工作温度低（＜100℃）、寿命长等优点，是目前研究最广泛的燃料电池。一套PEMFC发电装置或系统由燃料电池堆及其相应的辅助系统构成。燃料电池堆是化学能转换为电能的功率转换单元，辅助系统为电池堆提供相应的反应介质和水、热管理，以保证电池堆有效的工作。

以氢为燃料、氧为氧化剂是燃料电池最理想的反应物，氢氧燃料电池工作时通过氢、氧电极反应将化学能转换为电能的同时还有产物水生成和废热产生，生成的水若不及时从电极排出（理想情况是生成水的速率应等于排出水的速率），水就会在电极中积聚，淹没电极催化剂，从而阻碍反应气体与催化剂的接触，导致电池性能衰减，甚至无法正常工作；同样，废热的排出速率也应等于产生速率，以防止因热量聚集，电池堆温度升高而损坏电池材料或组件。因此对燃料电池堆进行合理的水、热管理是其有效工作的重要保障。

PEM燃料电池堆由膜电极组件（MEA）和双极板组件重复堆叠而成，其中双极板组件依次由氧气流场板、冷却板、氢气流场板组成。目前，通常的做法是在氢、氧气流场板上加工出沟槽式流道，用来实现反应介质在阳极和阴极表面的均匀分配，同时燃料电池阴极表面生成的水通过氧气的循环流动使其沿流道排出电池，这样介质循环流动需要外部辅助设备（如气体循环泵）来维持一定的流速，同时在电池堆外部还需要气水分离设备来从两相流中对水进行分离、回收。该电池结构的设计必然导致辅助系统复杂，使燃料电池系统重量和体积增加，而且机械式运动部件的使用也导致寄生能耗增加，可靠性、寿命降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池堆，通过电池堆结构的设计，实现电池堆本体通过被动方式将生成水排出，从而最大限度地降低对辅助系统的依赖，简化系统，提高系统可靠性。 

为了达到上述目的，本发明提供了一种被动排水燃料电池堆，其中，该电池堆包含依次紧贴并列设置的第一端板、第一集流板、单极板组件、第一膜电极组件、第一氢气流场板、第二集流板以及第二端板；所述的单极板组件包括依次紧贴并列设置的冷却剂板、水收集板、亲水多孔气水分离组件以及氧气流场板。

上述的被动排水燃料电池堆，其中，所述的电池堆还包含夹置在所述的第一膜电极组件和第一氢气流场板之间的若干个重复单元；所述的重复单元包括双极板组件和膜电极组件；所述的双极板组件包括依次紧贴并列设置的氢气流场板、冷却剂板、水收集板、亲水多孔气水分离组件以及氧气流场板。

上述的被动排水燃料电池堆，其中，所述的氧气流场板朝向第二端板的一侧板面上设有若干平行的流道，流道的方向与流体的运动方向垂直。流体的运动方向与板面的长轴延伸方向一致。

上述的被动排水燃料电池堆，其中，所述的氧气流场板的流道的横截面为等腰梯形，梯形的宽边朝向膜电极组件，梯形的窄边朝向亲水多孔气水分离组件。

上述的被动排水燃料电池堆，其中，所述的流道在其底部的梯形窄边处沿该流道设有若干朝向氧气流场板内部的彼此间隔的开孔。

上述的被动排水燃料电池堆，其中，所述的开孔是圆孔或沿流道方向的长方形缝隙，圆孔的直径或长方形缝隙的宽度与流道梯形窄边的长度相同。

上述的被动排水燃料电池堆，其中，所述的开孔和流道的表面具有亲水性。利用流道表面的亲水特性，通过对梯形截面流道的宽边、窄边和深度以及孔的大小和深度的优化，可以使电极表面生成的液态水珠在毛细力作用下沿着流道斜边向窄边的孔道中迁移，从而避免水在电极表面聚集，同时也有利于氧气传输到电极表面。水的传输过程无需过量的氧气吹扫，因而电池出口无尾气排放。