一种多级燃料电池结构及其发电方法与流程

本发明涉及新能源技术领域，具体涉及一种多级燃料电池结构及其发电方法。

背景技术：

在燃料电池工作过程中，燃料和氧化剂分别通入电池。以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池为例，电池运行中，氢气经扩散作用到达阳极，经催化作用产生H⁺和电子，H⁺以水合氢离子的形式穿过质子交换膜。氧气进扩散作用进入阴极，经催化作用产生氧离子与经过质子交换膜过来的氢离子结合形成水并释放大量的热量，电子由外电路从阳极向阴极移动并产生电流。电极反应和总反应如下：

阳极：

阴极：

总反应：

在燃料电池实际工作过程中，由于燃料消耗以及反应的进行，会产生如下问题：

（1）由于燃料消耗，燃料浓度沿流动方向不断减小，燃料浓度不足容易造成电流密度下降。

（2）燃料浓度沿流动方向不断减小，电池反应不均，若将电池处于同一放电电压下，电池各部分放电效率低。

（3）在低温燃料电池中：由于流动作用，燃料侧产生的水不断增加，在流道下游容易造成“水淹”现象，阻碍燃料气体向电解质的扩散作用，从而导致电池性能下降。

（4）在高温燃料电池中：在流道上游侧，由于燃料供应充足，电化学反应剧烈，进口燃料所携带的水供应不足，造成“干涸”现象，容易造成局部过热现象，影响燃料电池寿命等。

（5）在高温燃料电池中：由于燃料消耗，还原性气氛被破坏，由于流道出口处外界空气进入，导致阳极镍被氧化。

专利CN105742667A公开了一种改善排水性能阴极流场板仿生结构，通过加快阴极产生的水来防止“水淹”现象。但是，该方法无法解决流道上游“干涸”现象以及高温燃料电池下游水蒸气分压升高的问题。专利CN102170002A公开了一种燃料电池流道深度随流动方向变化的流道结构，此发明通过逐级递减的流道深度来调节气体的流速和压降，但是该方法无法解决燃料浓度沿流道下降、流道上游“干涸”现象以及流道下游“水淹”现象的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种通过电极集流体、阳极和阴极的同时分级处理, 通过燃料电池控制用转换器控制燃料电池在不同级上输出不同的电压，从而更好的解决由于燃料反应后浓度沿流道下降、流道上游“干涸”现象、流道下游“水淹”现象、电池性能下降以及阳极破坏等问题的多级燃料电池结构。

为了解决上述技术问题，本发明提供的包括阴极、电解质层、阳极、电极集流体、燃料流道、氧化剂流道；所述电解质层位于阴极和阳极之间；所述阴极与位于阴极侧的电流集流体连接并包围形成氧化剂流道；所述阳极与位于阳极侧的电极集流体连接并包围形成燃料流道；沿所述多级燃料电池的燃料流动方向将电池分为2级或多级，分别为级1、级2、……级n；所述多级燃料电池结构还包括用于控制各级电压的燃料电池控制用转换器，所述燃料电池控制用转换器分别与阴极、阳极连接；所述多级燃料电池的各级电极集流体之间保持电绝缘状态，所述多级燃料电池的各级阳极之间保持电绝缘状态和隔离状态，所述多级燃料电池的各级阴极之间保持电绝缘状态和隔离状态，从而防止气体侧向扩散，电池阴极各级之间保持电绝缘状态和隔离状态，从而防止气体侧向扩散。

作为改进，燃料电池控制用转换器为放电仪。

作为改进，多级燃料电池结构的多个单体横向并排相连组成电池堆，多个单体共用阴极、电解质层、阳极和电极集流体及燃料电池控制用转换器。

作为改进，多级燃料电池结构的多个单体纵向并排相连组成电池堆，纵向上，相邻两个多级燃料电池结构单体共用电极集流体。

作为改进，多级燃料电池结构的多个单体横向并排相连，多个单体纵向并排相连，横向多个多级燃料电池结构单体共用阴极、电解质层、阳极和电极集流体及燃料电池控制用转换器，纵向相邻两个多级燃料电池结构单体共用电极集流体。

利用上述多级燃料电池结构发电方法如下：

（1）、在上述多级燃料电池结构中的燃料流道进口处通入燃料，同时在氧化剂流道通入氧化剂；

（2）、通过燃料电池控制用转换器控制各级电极电压，靠近上游处控制较高的电极电压，沿流道依次降低电极电压。

本发明的有益效果在于：在燃料进口处，燃料浓度较高，电化学反应速率较快，燃料携带水含量较少，可以通过提高电极电压的方法来控制电化学反应速率。在低温燃料电池中，由于控制上游电化学反应速率，减缓下游“水淹”；在高温燃料电池中，可以避免上游较快的电化学反应造成的局部过热，从而解决上游“干涸”问题，同时防止燃料在上游的过早消耗，导致出口处阳极易处于氧化性气氛中，导致阳极镍被氧化，破坏阳极。燃料电池下游区域，电化学反应速率较慢，可以通过减小电压，来提高电流密度，从而促使燃料更加充分反应，提高燃料利用率。

附图说明

图1为本发明三级燃料电池结构立体图；

图2为本发明三级燃料电池结构截面图；

图3为本发明多级燃料电池多个单体横向连接组成电池堆；

图4为本发明多级燃料电池多个单体纵向连接组成电池堆；

图5为本发明多级燃料电池多个单体横向连接以及多个单体纵向连接组成电池堆；

图中：

1-阴极，2-电解质层，3-阳极，4-电极集流体。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的具体技术方案进行说明。

实施例1

本发明为一种多级燃料电池结构。以附图1和附图2中的三级燃料电池堆单体结构示意图进行说明，多级燃料电池主要由阴极1、电解质或电解质膜2、阳极3、电极集流体4、燃料流道和氧化剂流道组成。以流道长度为10cm的多级燃料电池为例（尺寸只用来说明），多级燃料电池在沿流道方向上分为3级：级1（3cm）、级2（4cm）和级3（3cm）。其中，各级电极集流体4之间相互独立绝缘。阳极3各级之间相互独立绝缘。阴极1各级之间相互独立绝缘。燃料和氧化剂分别通入多级燃料电池燃料流道和氧化剂流道。以理想电压为1.2V的多级燃料电池为例：在级1、级2和级3上分别通过放电仪（燃料电池控制用转换器的一种，仅用于说明）控制电压为1.1V、1.0V和0.9V，在电池级1、级2和级3电极板上通过变压器等将电压转化为所需输出电压。

实施例2

如图3所示：在多级燃料电池横向上，五个单体电池组成电池堆（数量只用于说明）。五个多级燃料电池的单体共用阴极1、电解质膜2、阳极3和电极集流体4。在流道方向上将电池堆分为3级：级1、级2和级3（分级数量只用于说明）。多级燃料电池各级电极集流体4之间相互电绝缘。阳极3各级之间相互独立绝缘。阴极1各级之间相互独立绝缘。在多级燃料电池工作过程中，分别通过放电仪（燃料电池控制用转换器一种，此处仅用于说明）控制各级电压，沿流道方向依次降低。在电池级1、级2和级3电极板上通过变压器等将电压转化为所需输出电压。

实施例3

如图4所示：在多级燃料电池纵向上，多个电池组成燃料电池结构（图4用两个电池进行说明）。纵向上，相邻两个燃料电池单体共用电极集流体4。在燃料电池流道方向将电池分为多级（图4 中将电池分为3级进行说明）。电池堆阳极3沿流道方向分为多级。电池堆阴极1在燃料电池方向上分为多级。在燃料电池堆放电过程中，电池堆各级分别通过放电仪（燃料电池控制用转换器一种，此处仅用于说明）控制电压，沿流道方向上依次降低电压。在电池级1、级2和级3电极板上通过变压器等将电压转化为所需输出电压。

实施例4

如图5所示：在多级燃料电池横向上，五个单体电池组成电池堆（数量只用于说明）。五个多级燃料电池的单体共用阴极1、电解质膜2、阳极3和电极集流体4。在燃料电池纵向上，多个电池组成燃料电池堆结构（图5 用两个电池进行说明），从而形成纵横交错的电池堆。在流道方向上将电池堆分为3级：级1、级2和级3（分级数量只用于说明），燃料电池各级电极集流体4之间相互电绝缘。阳极3各级之间相互独立绝缘。阴极1各级之间相互独立绝缘。在燃料电池堆放电过程中，电池堆各级分别通过放电仪（燃料电池控制用转换器一种，此处仅用于说明）控制电压，沿流道方向上依次降低电压。在电池级1、级2和级3电极板上通过变压器等将电压转化为所需输出电压

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。