[发明专利]用于燃料电池的传送头

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于电化学电池的流体传送头。本发明也涉及一种配备这样的流体传送头的燃料电池。

背景技术

电化学电池是能量转换装置。这些装置通常按照能量转换方向的功能来分类。由电能产生化学能的装置为电解池，反之，由化学能产生电能的装置为燃料电池或电池组。

燃料电池能够通过两个成对的化学反应产生电流：在被称为阳极的第一电极上的还原剂燃料的氧化，和在被称为阴极的第二电极上氧化剂的还原。目前，氢气通常用作可燃物而大气的氧气作为氧化剂。

发现燃料电池在运输领域特别有用，迄今，运输领域基本上使用主要从石油中获得的化石能源。使用这种能量产生了大量的加剧地球上温室效应的二氧化碳。在使用基于石油的燃料时也会产生其他污染物质，比如颗粒或氮氧化合物。

使用以氢和氧作为原料气的燃料电池的主要优点在于氧化反应和还原反应的唯一化学产物是水。

在各种类型的燃料电池中，著名的是质子交换膜燃料电池，也即公知的高分子电解质膜燃料电池。这样的电池由插入在形成阳极的端板和形成阴极的端板之间的单元电池或者单元电池组构成。

图1概略地示出了包括插入在阳极2和阴极3之间的单个单元电池1的质子交换膜燃料电池。单元电池1包括被称为膜4的高分子电解质膜4，其插入在两个活性层5a和5b之间，例如多孔碳。每一活性层5a、5b分别与扩散层6a或6b接触，例如纸或碳纤维衬底。该扩散层6a和6b允许原料气从传送管线7a和7b分别扩散到活性层5a和5b。传送管线7a和7b是，例如，部分地覆盖双极板8a和8b。在该图中，双极板8a和8b直接接触阳极2和阴极3。不必说，在一组单元电池1的情况下，第一单元电池的双极板8b接触第二单元电池的双极板8a，等等。

在使用氢和氧作为原料气的质子交换膜燃料电池中，氢以气体形式被导入阳极2，例如通过传送管线7a，同时氧也以气体形式被导入阴极3，例如通过传送管线7b。在催化剂的作用下，例如包含在活性层5a中的铂，根据下面的氧化反应，氢释放电子e^-：

H₂→2H⁺+2e^-

释放到活性层5a中的电子e^-通过电路10利用由燃料电池产生的电能结合到活性层5b，以及在该第一反应期间释放的质子H⁺通过穿过膜4而移动到活性层5b。在活性层5b上，根据以下还原反应，质子H⁺再次在催化剂的作用下，与氧O₂和电子e^-结合：

2H⁺+1/2O₂+2e^-→H₂O。

综上，发生以下氧化还原反应：

H₂+1/2O₂→H₂O。

为了获得更多的能量，该氧化和还原反应必须在特定温度和压力范围内发生。为了确保该足够的操作温度，使保持在该温度范围内的温度的热交换流体在环绕或者穿过单元电池1的管中循环。

燃料电池的功能要求在燃料电池的外围具有多个流体交换装置。特别地，热交换流体要求穿过装置的通路来保持其温度。同样的，传送管线7a和7b需要被连接到氢和氧供应通路。为了减小体积，流体传送管线可以通向同样的元件，被称为流体传送头或更简单地传送头。

图2a和2b分别示例性地表示了传送头21的前视图和横截面图。

传送头21包括输入连接器22a，其在输入孔24a处连接到热交换流体管23。管23包括集成在传送头21中的管部分23a。管23向内延伸或环绕单元电池1并且以管部分23b结束，例如，其集成在传送头21中。该管部分23b包括输出孔24b，其能接收输出连接器，未示出。传送头21也包括输入孔26a和输出孔26b用来将传送管线7a连接到外部通路比如氢供应通路，以及输入孔28a和输出孔28b用来将传送管线7b连接到外部通路比如氧供应通路。