[发明专利]电极板、单电池、电池堆及具有其的燃料电池动力系统

说明书

本发明提供了一种电极板、单电池、电池堆及具有其的燃料电池动力系统。该电极板包括电极板本体以及设置在电极板本体上的液体渗析孔。通过利用液体渗析的原理，将电池堆的关键组件双极板进行设计改进为具有液体渗析孔的电极板，使得该电极板形成的电池堆，利用燃料电池系统自身产生的气态水，通过极板上的渗析通道完成了电池堆加湿，加湿过程同时利用了冷却水循环过程动力及电池堆反应产热，降低了冷却水散热负荷。又由于电池堆反应产水能够循环利用。因此，带有液体渗析孔形式的电极板所形成的燃料电池动力系统，能够高效利用燃料电池系统的水热，在电化学反应的同时能够实现内加湿，大大提高了加湿效率。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种电极板、单电池、电池堆及具有其的燃料电池动力系统。

背景技术

燃料电池汽车(FCV)是一种用车载燃料电池装置产生的电能作为动力的汽车。目前，广泛应用于燃料电池汽车的是质子交换膜燃料电池(PEMFC)。质子交换膜燃料电池汽车的工作原理为：燃料氢气沿燃料电池电堆阳极板流道分配在膜电极的阳极侧，在阳极催化剂的作用下解离成电子和质子，电子经外电路到达阴极，质子直接穿过膜电极到达阴极，与阴极反应气体中的氧气反应生成水。此过程的产物为电能、热和水。其中电能带动电动机工作，电动机再带动汽车中的机械传动结构，进而带动汽车的前桥(或后桥)等行走机械结构工作，从而驱动电动汽车前进。热和水通过热交换装置直接排放或综合利用。

目前，功率等级较大的质子交换膜燃料电池车用动力系统，为了降低系统散热负荷，保证较高的电堆反应温度，通常空气需要进行外部加湿，外部加湿一般采用气/气型加湿方式，即利用电池堆阴极反应尾气(COG)中的热量和气态水对阴极进堆空气进行加湿。同时为了提高氢气利用率及系统使用安全性，燃料供给系统一般采用氢气循环方式。电池堆结构比较复杂，为了形象，图中与进出管口连接的两端表示紧固端板，中间部分表示电池堆主体。其中，图1示出了现有的质子交换膜燃料电池车用动力系统的简化流程图。其主要包含空气供给、氢气供给及电池堆冷却三个回路，电池堆001’电化学反应所需的空气由空气输送设备002’提供动力进入加湿器003’被电堆阴极反应尾气加湿升温后进入电池堆阴极侧，阴极尾气与空气在加湿器中完成传热传质后的废气直接排放；来自高压储气瓶004’的氢气通过减压及计量装置005’后进入电堆阳极侧，阳极侧反应后的出堆气体通过氢气循环装置006’输送又循环进入电池堆，此过程由于涉及阴极惰性气体N₂膜渗透、阳极杂质气体循环累积及水管理等问题，在阳极出口氢气管路设置了吹扫装置007’，以便定时定量进行阳极杂质气体排放与阳极气水管理。电池堆电化学反应过程产生的热量(图1中，电池堆中冷却液在堆内只有热量传递而没有物质传递时，用虚线连接表示，)由动力设备008’输送的冷却介质穿过电堆带出后进入散热装置009’完成热量平衡，冷却介质在散热装置降温后又循环进入电堆。

上述系统中涉及的COG膜加湿过程存在以下几方面的问题：

(1)膜加湿器成本昂贵。由于膜加湿器使用了大量Nafion材料，又由于该技术目前只掌握于一两家国外企业，此两方面因素导致其价格高昂；

(2)COG膜加湿过程加湿效率较低。由于COG加湿过程利用阴极尾气从电池堆带出的气态水在膜加湿器中对干空气进行加湿。空气进堆相对湿度随COG加湿回路管路布局及保温效果会有很大变化，经模拟计算，当加湿回路阻力较小，保温效果较佳时，空气进堆相对湿度为60％左右。

(3)COG膜加湿过程湿度调控困难。燃料电池系统由于应用场所不同、功率量级不同或电池堆关键材料及结构设计差别导致其对反应物料的湿度需求有所不同。利用电池堆COG对阴极进堆空气加湿时，空气湿度受COG湿度、温度等因素影响而变化，即处于被动调节状态，这样可能造成电池堆在某些运行条件下(如温度升高、计量比增加等)过干，某些条件下(如温度降低、计量比减小等)水淹。

(4)COG膜加湿过程压力适应性小。一方面由于膜加湿器中Nafion材料的承压能力有限，对COG和干空气两侧压差提出了严格限制。另一方面，随着压力增加加湿效率降低。