一种能去除气体杂质的燃料电堆及去除气体杂质的方法技术

本发明专利技术提供一种能去除气体杂质的燃料电堆及去除气体杂质的方法。其中，燃料电堆的结构包括发电电堆和设置在所述发电电堆阳极侧的过滤单池组以及必要地在过滤单池与发电单池之间设置的一个过渡单池组。本发明专利技术能有效过滤、吸附燃料电池燃料气体循环回路中的杂质，避免在燃料气体循环回路中杂质的累积造成的燃料电池发电单元燃料气体进气口的堵塞，从而提高了发电单元气体燃料通量，提高燃料电池的工作效率。工作效率。工作效率。

【技术实现步骤摘要】
一种能去除气体杂质的燃料电堆及去除气体杂质的方法


[0001]本专利技术涉及一种燃料电堆，特别是具有过滤单池的燃料电堆，更具体涉及一种能去除气体杂质的燃料电堆及去除气体杂质的方法。

技术介绍

[0002]在燃料电池中，通常需要将燃料气体中的杂质充分去除。现有技术中，通常在进入燃料电池电堆之前设置过滤器或过滤装置以去除燃料气体进气端的杂质。
[0003]现有技术中可以去除氢气中的杂质，但是在燃料电池中，为了使燃料气体更充分地利用，通常在燃料电池中设置燃料气体循环回路。以氢燃料电池为例，通过设置氢回路，使未完全反应的氢气重新循环使用。但是在燃料气体循环的过程中，即使燃料气体中含有微量的杂质，也会因循环而导致杂质的累积，引起气体通路的堵塞等情况。此外，燃料电池中化学副反应以及燃料电池气路中各部件产生的碎屑脱落也会将杂质带入燃料气体中，特别是当燃料气体在燃料电池中循环使用时，循环回路往复循环导致杂质累积。而由于现有技术中燃料气体气路杂质过滤器设置于进气口之外，因此对于因在燃料电池内部产生的杂质无法起到过滤的作用。另一方面，在燃料气体，例如氢气，循环回路中累积的杂质会造成燃料电池发电单元燃料气体进/出气口的堵塞，从而降低了发电单元气体燃料通量，降低燃料电池的工作效率。然而现有技术中却忽视了燃料电池中燃料气体因燃料电池循环使用而产生、累积的杂质，也未提供有效的去除方法。

技术实现思路

[0004]在本专利技术的范畴内，现在提供一种能去除气体杂质的燃料电堆。在此，本专利技术说明书中对燃料电池模块所说明的特征也适用于本专利技术的燃料电池的整体，反之亦然，因而就针对各个专利技术方面的公开内容而言始终可以互相作参考。
[0005]本专利技术的第一方面在于提供一种能去除气体杂质的燃料电堆。
[0006]本领域中，常规的燃料电池发电电堆由多个堆叠在一起的发电单池组成。发电单池包括双极板和膜电极组件。在发电单池的膜电极组件中，包括气体扩散层和电解质膜。
[0007]本专利技术中，所述过滤单池包括过滤单池双极板和过滤气体扩散层组件。
[0008]本专利技术中，在可选的实施方式中，过滤气体扩散层组件设置于过滤单池双极板的阳极方向一侧。
[0009]所述阳极方向可以理解为：基于燃料电池的发电单池中电解质膜，阳极气体流经的一侧，也可以理解为基于整个燃料电池，阳极集流板所在的一侧。在燃料电池领域中，燃料电池的阳极侧一端也被称为自由端。所述阴极方向为阳极方向的相反方向，可以理解为：基于燃料电池的发电单池中电解质膜其阴极气体流经的一侧。
[0010]本专利技术中，所述过滤单池双极板包括过滤单池阴极半板和过滤单池阳极半板。所述过滤单池阴极半板和过滤单池阳极半板层叠设置。通过层叠设置在过滤单池阴极半板和过滤单池阳极半板之间构成腔体。
[0011]在本专利技术具体的实施方式中，优选地，过滤单池阴极半板和过滤单池阳极半板之间构成的腔体通过连接通道与燃料电池的冷却液歧管相连通，在由过滤单池阴极半板和过滤单池阳极半板之间构成的腔体中流通冷却液。
[0012]本专利技术中，所述过滤气体扩散层组件包括边框、粘结层、气体扩散层；其中，气体扩散层通过粘结层粘结于边框上。对于单独的过滤单池而言，从设置的位置上看，气体扩散层组件设置于过滤单池双极板的阴极半板侧，即从整体上看燃料电池的阳极侧。从结构上看，过滤气体扩散层组件可与发电单池的膜电极组件相对应。具体地，与膜电极组件相比，过滤气体扩散层组件具有气体扩散层且至少缺少电解质膜（或称电解质层）。
[0013]本专利技术中，专利技术人发现气体扩散层在不与电解质膜配合设置时，气体扩散层能够很好地吸附、过滤阳极气体中的杂质，特别是固体颗粒物，从而实现对阳极气体的净化和除杂的效果。
[0014]在本专利技术具体的实施方式中，包括由多个所述过滤单池堆叠设置的过滤单池组。当过滤单池堆叠设置时，过滤气体扩散层组件位于相邻的过滤单池极板之间。对于靠近阳极端板侧的最后一个过滤单池，该过滤单池的气体扩散层组件与阳极端板侧的阳极接口板（Anode Interface Plate）相连接，具体地与阳极接口板的阳极半板相连。本专利技术中所述阳极接口板是指在燃料电池中靠近阳极端板侧的最后一对双极板，或也可以理解为在燃料电池中距离阳极最近的一对双极板。当过滤单池堆叠设置时，相邻的过滤单池双极板的阴极/阳极半板夹住过滤气体扩散层组件，并且过滤单池双极板的阴极/阳极半板与过滤气体扩散层组件之间构成腔体。
[0015]对于本专利技术而言，通过改变过滤单池各半板与阴极气体/阳极气体进气/出气歧管的连接通道的开闭可以控制过滤单池各半板与相邻的过滤气体扩散层组件之间构成的腔体中是否流通气体或控制所述腔体中流通气体的种类，例如阳极气体或阴极气体。
[0016]对于本专利技术而言，过滤单池各半板与相邻的过滤气体扩散层组间之间的腔体中流通气体，气体不从过滤气体扩散层中穿过，或气体基本不从过滤气体扩散层中穿过。所述气体基本不从过滤气体扩散层中穿过是指并非出于气体穿过气体扩散层的目的而设置过滤气体扩散层组件。由于气体扩散层并非严密地不允许气体穿过，因此不可避免地存在少量的气体经气体扩散层由其一侧穿过至另一侧。但本专利技术实现过滤的手段在于通过气体在气体扩散层组件的一侧流动，特别是燃料气体在气体扩散层的一侧流动而实现对气体特别是燃料气体的过滤。
[0017]在该种情况下能够满足高通量气体流动的情况下，不因气体穿过过滤层而发生严重的压头损失（因气体经过过滤组件而产生的压力下降），同时在高通量气体的情况下，可以实现对气体杂质的吸附和过滤。在较小压头损失的情况下，保持气体流量特别是燃料气体流量，同时实现燃料电池内气体的过滤，这一点对于燃料电池而言非常重要。
[0018]因此，可以理解本专利技术在气体流路与气体扩散层（或起到过滤气体作用的层，例如多孔材料制备的层）之间的位置关系是：气体流路并不穿过气体扩散层，即气体流路不穿过过滤气体扩散层组件。在该特征上，本专利技术与以燃料气体或氧化气体以穿过由过滤材料制成的过滤层、过滤膜、过滤组件构成区别。
[0019]在上述气体流路与气体扩散层位置关系特征上，对于本专利中涉及的过渡单池而言与过滤单池相同。
[0020]本专利技术中，所述阳极气体为燃料气体，如氢气；阴极气体为氧化气体，如氧气或空气。
[0021]作为过滤单池的一种具体的实施方式，本专利技术提供第一类过滤单池。
[0022]所述第一类过滤单池包括第一类过滤单池双极板和过滤气体扩散层组件。过滤气体扩散层组件与膜电极组件相比至少不包括电解质膜。过滤气体扩散层组件设置于双极板的阳极侧，即近阳极接口板一侧；第一类过滤单池中流通燃料气体和冷却液，不流通氧化气体。
[0023]具体地，第一类过滤单池双极板包括阴极半板和阳极半板；第一类过滤单池的阳极半板的阴极方向一侧的腔体中流通燃料气体；第一类过滤单池的阴极半板的阳极方向一侧的腔体封闭，不流通氧化气体；第一类过滤单池阳极半板与阴极半板之间的腔体中流通冷却液。
[0024]更具体地，第一类过滤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种能去除气体杂质的燃料电堆，其特征在于，包括：发电电堆，由发电单池组成；设置在所述发电电堆阳极侧的过滤单池组；所述过滤单池组由至少一个过滤单池组成，所述过滤单池包括过滤单池双极板、过滤气体扩散层组件，以及至少不包括电解质膜；其中，过滤单池双极板表面的亲疏水性与发电单池双极板表面的亲疏水性不同；在过滤单池与发电单池之间设置一个过渡单池组，所述过渡单池组至少包括一个过渡单池，过渡单池中包括一对过渡单池双极板，其中，过渡单池组阴极侧靠近发电单池的最后一片过渡单池阳极半板表面具有与发电单池双极板表面相同的亲疏水性；过渡单池组阳极侧靠近过滤单池的最后一片阴极半板表面具有与过滤单池双极板表面相同的亲疏水性。2.根据权利要求1所述的能去除气体杂质的燃料电堆，其特征在于，所述过滤单池组包括第一类过滤单池，所述第一类过滤单池包括第一类过滤单池双极板和过滤气体扩散层组件；第一类过滤单池双极板包括阴极半板和阳极半板；第一类过滤单池的阳极半板的阴极方向一侧的腔体中流通燃料气体；第一类过滤单池的阴极半板的阳极方向一侧的腔体封闭，不流通氧化气体；第一类过滤单池阳极半板与阴极半板之间的腔体中流通冷却液；其中燃料气体流路不穿过过滤气体扩散层组件。3.根据权利要求2所述的能去除气体杂质的燃料电堆，其特征在于，所述过滤气体扩散层组件包括边框、粘结层、气体扩散层，其中，气体扩散层通过粘结层粘结于边框；所述第一类过滤单池双极板的阴极半板与阳极半板层叠设置；其中，过滤气体扩散层组件设置于第一类过滤单池双极板的阳极方向一侧；第一类过滤单池中阳极半板与相邻过滤气体扩散层组件或膜电极组件之间形成的腔体中流通燃料气体，阴极极半板与过滤气体扩散层组件之间形成的腔体封闭，氧化气体无法进入第一类单池；阳极半板与阴极半板之间形成的腔体中流通冷却液。4.根据权利要求1所述的能去除气体杂质的燃料电堆，其特征在于，所述过滤单池组包括第二类过滤单池，所述第二类过滤单池包括第二类过滤单池双极板和过滤气体扩散层组件；其中，第二类过滤单池双极板包括阳极半板、阴极半板，第二类过滤单池的阳极半板的阴极方向一侧的腔体中流通燃料气体；第二类过滤单池的阴极半板的阳极方向一侧的腔体流通燃料气体；第二类过滤单池阳极半板与阴极半板之间的腔体中流通冷却液；其中燃料气体流路不穿过过滤气体扩散层组件。5.根据权利要求4所述的能去除气体杂质的燃料电堆，其特征在于，所述过滤气体扩散层组件包括边框、粘结层、气体扩散层，气体扩散层通过粘结层粘结于边框上；所述第二类过滤单池双极板的阴极半板与阳极半板层叠设置；其中，过滤气体扩散层组件设置于第二类过滤单池双极板的阳极方向一侧；阳极半板与相邻过滤气体扩散层组件或膜电极组件之间形成的腔体中流通燃料气体；阳极半板与阴极半板之间形成的腔体中流通冷却液；阴极半板与氧化气体歧管阻隔，氧化气体无法进入第二类单池；阴极半板与气体扩散层组件之间形成的腔体上设置有连通该腔体与阳极气体进气歧管和/或出气歧管的连接通道，阴极半板与相邻的气体扩散层组件之间形成的腔体中流通燃料气体。6.根据权利要求1所述的能去除气体杂质的燃料电堆，其特征在于，所述过渡单池组包括一个第一类过渡单池；所述第一类过渡单池双极板的阳极半板表面具有与发电单池双极
板表面相同的亲疏水性；第一类过渡单池的阴极半板表面具有与过滤单池双极板表面相同的亲疏水性。7.根据权利要求6所述的能去除气体杂质的燃料电堆，其特征在于，第一类过渡单池包括第一类过渡单池双极板和过滤气体扩散层组件，且至少不包括电解质膜；其中，第一类过渡单池双极板包括阳极半板、阴极半板；第一类过渡单池的阴极半板的阳极方向一侧的腔体不流通氧化气体；第一类过渡单池阳极半板与阴极半板之间的腔体中流通冷却液。8.根据权利要求7所述的能去除气体杂质的燃料电堆，其特征在于，当第一类过渡单池与第一类过滤单池配合使用时，阴极半板与过滤气体扩散层组件之间形成的腔体中不流通任何气体；当第一类过渡单池与第二类过滤单池配合使用时，阴极半板与过滤气体扩散层组件之间形成的腔体与燃料气体进气/出气歧管连通，所述腔体中流通燃料气体；燃料气体流路不穿过过滤气体扩散层组件。9.根据权利要求1所述的能去除气体杂质的燃料电堆，其特征在于，所述过渡单池组包括一个第二类过渡单池和第三类过渡单池的组合体；所述第二类过渡单池的双极板表面具有与过滤单池双极板表面相同的亲疏水性；所述第三类过渡单池的双极板具有与发电单池双极板表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖恩，
申请(专利权)人：上海韵量新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：