燃料电池系统技术方案

本发明专利技术公开了一种燃料电池系统，包括燃料电池堆，以及均与燃料电池堆连接的燃料系统、氧化剂系统、冷却系统和排放系统，燃料电池堆由压板压紧固定多个叠加的单电池而成，单电池由阴极板和阳极板夹设MEA组成，阴极板和阳极板上均设有用于流体通过的通孔，且MEA紧贴阴极板和阳极板上的通孔设置，排放系统连接抽气装置。与现有技术相比，本发明专利技术中的阴极板和阳极板各自的一面设置流体进入通道，另一面设置流体排出通道，而极板两侧的通道是通过极板上设置的多个微小通孔连通，反应物流体到达MEA界面并发生反应，未反应的部分以及生成物流体则从通孔进入流体排出通道，进而经出口流出，流体更大比例地接触催化层，提高了反应效率，同时排水性能极佳，对流体传输层的要求低。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池系统
本专利技术涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种燃料电池系统。
技术介绍
燃料电池，尤其是氢燃料电池，是一种清洁能源，对环境友好。燃料电池作为一种高效、环境友好的发电装置，近年来成为各国研究开发的热点，其含有的重要部件扩散层，扩散层由导电的多孔材料组成，起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出水等多重作用，实现了反应气体和产物水在流场和催化层之间的再分配，是影响电极性能的关键部件之一。但是现有的燃料电池系统中导流板与扩散层不能很好地配合。例如中国专利CN204720508U公开了一种导流板及含有该导流板的燃料电池堆，采用多孔材料作导流板的流体通道，导流板包括阴极板和阳极板，所述的阴极板和阳极板的结构相同或不同，均由两种不同孔径的材料制成的板，其中，阴极板由两种不同孔径的材料制成的板夹设至少一层膜材料构成，第一多孔板作为氧化剂流场，第二多孔板作为冷却流体流场，通过控制该膜材料两侧的压力或湿度来控制水在膜材料两侧流通，使水进入第一多孔板增湿氧化剂，或者将反应生成水通过第二多孔板排出。上述导流板可以起到增湿、散热、排水的功能，然而导流板和扩散层之间存有缝隙，反应气体在扩散层和催化层表面发生反应，利用率不高，催化效率低，进而导致燃料电池系统的使用成本高。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可提高电化学反应效率及排水效率的燃料电池系统。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池系统，包括燃料电池电堆，由一个单电池或多于一个单电池组成，以及燃料电池堆连接的燃料系统、氧化剂系统、冷却系统和排放系统，所述燃料电池堆由压板压紧固定多个叠加的单电池而成，单电池由阴极板和阳极板夹设MEA组成，所述阴极板和阳极板各自的一面为进口端设置了流体进入通道，另一面为出口端设置了流体排出通道，而极板两面的通道是通过极板上设置的多个微小通孔连通，孔的多少和通过面积根据需要调整，且MEA紧贴阴极板和阳极板上的通孔设置；反应物流体分别从阴极板和阳极板的流体进入通道进入，在流经反应界面反应后，未反应的部分以及生成物流体经通孔至流体排出通道，从排放系统排出。所述燃料电池系统还包括抽气装置，该抽气装置连接排放系统，使阴极板或阳极板的出口侧为负压。所述抽气装置为真空泵，该真空泵通过排放系统连接燃料电池堆的氧化剂出口，使阴极板的出口侧为负压，以便将反应后的流体排出。所述阴极板和阳极板与MEA之间均设有用于起密闭作用的密封材料层。所述阴极板和阳极板之间设有隔板，并与隔板组成双极板。所述该隔板为导电不透气板或内设有冷却流体通道的不透气板。所述氧化剂系统连接空压机，该空压机通过氧化剂系统连接燃料电池堆的氧化剂进口，使阴极板的进口侧为正压。所述燃料电池堆的燃料出口通过排放系统连接真空泵，使阳极板的出口侧为负压，以便将反应后的流体排出。所述阴极板和阳极板还可以为设有通孔的平板。上述方案为实现本专利技术目的方案之一，主要是将阴极板和阳极板各自的两侧分别设有流体进入通道和流体排出通道，这两个通道并不直接连通，而是通过极板上设置的多个微小通孔连通。反应物流体从流体进入通道流入后，到达MEA界面并发生反应，未反应的部分以及生成物流体则从通孔进入流体排出通道，进而经出口流出。此外，阴极板和阳极板上通孔的数量和大小均可以根据需求进行调节，进而实现流体流量的可调。上述MEA可为常规的MEA，即为质子交换膜、质子交换膜两侧的催化层以及催外层外侧设置的流体扩散层，为了使反应效果更好，本专利技术还可以采用以下进一步的优选方案：用流体传输层替换传统的流体扩散层，该流体传输层为多层多孔材料，各层多孔材料的孔隙率不同，主要用于流体的流通及扩散。优选方案如下:燃料电池系统，包括燃料电池堆，以及燃料电池堆连接的燃料系统、氧化剂系统、冷却系统和排放系统，所述燃料电池堆由压板压紧固定多个叠加的单电池而成，单电池由阴极板和阳极板夹设MEA组成，所述MEA包括质子交换膜、质子交换膜两侧的催化层以及催外层外侧设置的流体传输层，所述阴极板和阳极板各自的一面为进口端设置了流体进入通道，另一面为出口端设置了流体排出通道，而极板两面的通道是通过极板上设置的多个微小通孔连通，所述流体传输层为多层多孔材料，各层多孔材料的孔隙率不同，且流体传输层紧贴阴极板和阳极板上的通孔设置；反应物流体从阴极板和阳极板的流体进入通道进入，通过流体传输层流通及扩散并参与反应，未反应的部分以及生成物流体经通孔进入流体排出通道，经出口端从排放系统排出。所述阴极板、阳极板和流体传输层均由导电材料制成。为了进一步提高排除反应生成物效率，反应物和生成物流体除了靠传统的压力推动以外，本专利技术提出采用以下优选方案：即在排放系统侧连接抽气装置，使阴极板或阳极板的出口侧为负压，以便将反应后的流体高效排出。进一步的优选方案如下:燃料电池系统，包括燃料电池堆，以及均与燃料电池堆连接的燃料系统、氧化剂系统、冷却系统和排放系统，所述燃料电池堆由压板压紧固定多个叠加的单电池而成，单电池由阴极板和阳极板夹设MEA组成，所述MEA包括质子交换膜、质子交换膜两侧的催化层以及催外层外侧设置的流体传输层，所述阴极板和阳极板各自的一面为进口端设置了流体进入通道，另一面为出口端设置了流体排出通道，而极板两面的通道是通过极板上设置的多个微小通孔连通，所述流体传输层为多层多孔材料，各层多孔材料的孔隙率不同，可适当疏水性处理，根据不同使用场景，也可以不需疏水性处理，或者仅对贴近催化层的一层材料进行疏水性处理，且流体传输层紧贴阴极板和阳极板上的通孔设置，所述排放系统连接抽气装置；反应物流体从阴极板和阳极板的流体进入通道进入，通过流体传输层流通及扩散并参与反应，未反应的部分以及生成物流体经通孔进入流体排出通道，经出口端通过抽气装置抽出。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1)阴极板和阳极板各自的两侧分别设有流体进入通道和流体排出通道，这两个通道并不直接连通，而是通过极板上设置的多个微小通孔连通，由于从阴极板或阳极板的流体进入通道至流体排出通道只有通过通孔，且通孔又紧贴流体传输层设置，迫使气体必须经过流体传输层才能从阴极板或阳极板的进入通道流至排出通道，反应物流体从流体进入通道流入后，到达MEA界面并发生反应，未反应的部分以及生成物流体则从通孔进入流体排出通道，进而经出口流出，相比现有方案中气体在扩散层和催化层表面发生反应的方式，催化层的利用率更高，排水效果更好。2)采用真空泵使出气侧负压，提高了排水排气性能，将反应生成的水以及空气中混杂的水分被抽离至电堆外，有效避免了流体传输层中的堵水现象，同时在气压差的作用下，迫使反应气体按照唯一路径流通，同时加快了气体流速，通过气压差提高了排水性能，防止流体传输层堵水，降低了对极板和多孔材料的疏水性要求。3)隔板为不透气板或内设有冷却流体通道的不透气板，将燃料气体和氧化剂分隔在隔板两边，避免窜流，同时该隔板可适应于风冷和水冷两种情况，适用范围广。4)配置的空压机使板的进气侧为正压，提高了燃料电池系统的供气性能，同时在气压差的作用下，迫使反应气体按照唯一路径流通，同时加快了气体流速，通过气压差提高了排水性能，方式流体传输层堵水，降低了对极板和多孔材料的疏水性要求。5)流体传本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，包括燃料电池堆，以及均与燃料电池堆连接的燃料系统、氧化剂系统、冷却系统和排放系统，所述燃料电池堆由压板压紧固定多个叠加的单电池而成，单电池由阴极板和阳极板夹设MEA组成，其特征在于，所述阴极板和阳极板各自的一面为进口端设置了流体进入通道，另一面为出口端设置了流体排出通道，而极板两面的通道是通过极板上设置的多个通孔连通，且MEA紧贴阴极板和阳极板上的通孔设置；反应物流体从阴极板和阳极板的流体进入通道进入，在流经反应界面反应后，未反应的部分以及生成物流体经通孔至流体排出通道，从排放系统排出。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池系统，包括燃料电池堆，以及均与燃料电池堆连接的燃料系统、氧化剂系统、冷却系统和排放系统，所述燃料电池堆由压板压紧固定多个叠加的单电池而成，单电池由阴极板和阳极板夹设MEA组成，其特征在于，所述阴极板和阳极板各自的一面为进口端设置了流体进入通道，另一面为出口端设置了流体排出通道，而极板两面的通道是通过极板上设置的多个通孔连通，且MEA紧贴阴极板和阳极板上的通孔设置；反应物流体从阴极板和阳极板的流体进入通道进入，在流经反应界面反应后，未反应的部分以及生成物流体经通孔至流体排出通道，从排放系统排出。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括抽气装置，该抽气装置连接排放系统，使阴极板或阳极板的出口侧为负压。3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述抽气装置为真空泵，该真空泵通过排放系统连接燃料电池堆的氧化剂出口，使阴极板的出口侧为负压，以便将反应后的流体排出。4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极板和阳极板与MEA之间均设有用于起密闭作用的密封材料层。5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极板和阳极板之间设有隔板，并与隔板组成双极板。6.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述该隔板为不透气板或内设有冷却流体通道的不透气板。7.根据权利要求1-6中任一条所述的燃料电池系统，其特征在于，所述氧化剂系统连接空压机，该空压机通过氧化剂系统连接燃料电池堆的氧化剂进口，使阴极板的进口侧为正压。8.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池堆的燃料出口通过排放系统连接真空泵，使阳极板的出口侧为负压，以便将反应后的流体排出。9.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极板和阳极板还可以为设...

【专利技术属性】
技术研发人员：高勇，
申请(专利权)人：上海恒劲动力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31