專利名稱：質(zhì)子交換膜燃料電池陰極直交錯(cuò)－陽極平行流組合流道的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池陰極直交錯(cuò)—陽極平行流組合流道，是一種新型的質(zhì)子交換膜燃料電池氣體流道，屬于能源利用中燃料電池
背景技術(shù)：
隨著資源的日益緊張和環(huán)境的逐漸惡化，世界各國都在研究與發(fā)展新型的發(fā)電技術(shù)。燃料電池能將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能而不受卡諾循環(huán)的限制，效率很高，而且對(duì)環(huán)境很友好。質(zhì)子交換膜燃料電池，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、電流密度大、工作溫度低、啟動(dòng)速度快，且使用無毒性的固態(tài)電解質(zhì)膜，在航空、交通、移動(dòng)電源等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為近年來發(fā)展最快的燃料電池。
一個(gè)典型的質(zhì)子交換膜燃料電池包括陰極和陽極氣體流道，陰極和陽極氣體擴(kuò)散層，陰極和陽極催化層，質(zhì)子交換膜。在運(yùn)行時(shí)，反應(yīng)氣體在氣體流道內(nèi)流動(dòng)，通過氣體擴(kuò)散層，到達(dá)催化層發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能。通常采用的氣體流場是平行流場，氣體在流道里直接流動(dòng)，通過擴(kuò)散傳遞原理擴(kuò)散至氣體擴(kuò)散層表面。大電流情況下，在陰極產(chǎn)生的部分液態(tài)水無法及時(shí)通過氣道排出，造成“淹沒”擴(kuò)散層表面的情況，并且增大了氣體擴(kuò)散阻力。
另外，燃料電池的陰陽極反應(yīng)特點(diǎn)也不同，陽極側(cè)需要產(chǎn)生氫離子和保持一定的濕度，防止質(zhì)子交換膜的蒸干；陰極側(cè)需要生成物水的快速排出。因此，輸送陰陽極工質(zhì)的氣道應(yīng)該根據(jù)各自的特點(diǎn)分別設(shè)計(jì)。
最近一些文獻(xiàn)中提出了一種交指型流場(Trung V.Nguyen.A gasdistributor design for proton-exchange-membrane fuel cells.Journal ofElectrochemical Society，1996，143(5)L103-L105)。該種流場采用將進(jìn)氣流道末端封死的結(jié)構(gòu)，通過強(qiáng)迫對(duì)流機(jī)理強(qiáng)迫反應(yīng)氣體深入擴(kuò)散層內(nèi)部，提高了擴(kuò)散速度，大大提高了反應(yīng)速率，而且氣流可將擴(kuò)散層中聚集的液態(tài)水帶出，減少了陰極淹沒程度，從而改善了質(zhì)子交換膜燃料電池的工作性能。但是，由于氣體到達(dá)氣道末端時(shí)，向四周擴(kuò)散的幾率一樣，容易造成反應(yīng)氣體從電池兩側(cè)的邊框泄漏到外界，存在安全方面的隱患。
另外，由于質(zhì)子交換膜屬于水合物，工作時(shí)需要保持一定的濕度，運(yùn)行時(shí)需要在陽極氣體中加入部分水蒸氣，水蒸氣用來濕潤質(zhì)子交換膜，起到增濕的作用。但是水蒸氣的加入，降低了反應(yīng)氣體的濃度，增加了反應(yīng)氣體的擴(kuò)散阻力。因此，保持一定的陰陽極壓差，形成壓力驅(qū)動(dòng)下，部分反應(yīng)生成的水從陰極向陽極輸運(yùn)，對(duì)于燃料電池的安全運(yùn)行十分有益。尤其急需能夠通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，自動(dòng)起到上述作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有流場存在的不足，提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池陰極直交錯(cuò)—陽極平行流組合流道，使氣體工質(zhì)反應(yīng)更加充分，提高工質(zhì)的利用率。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的質(zhì)子交換膜燃料電池陰極直交錯(cuò)—陽極平行流組合流道，電池陰極采用直交錯(cuò)型流道，便于排出電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的液態(tài)水；陽極采用平行流道，便于氣體輸送，還能減少陽極流道內(nèi)部的氣體流動(dòng)阻力。陰極直交錯(cuò)流道在電池上方，陽極平行流道在電池的下方，其中陰極進(jìn)氣流道為平行流道，且末端堵死，陰極排氣流道為水平直流道，布置在陰極電池的最下端，陽極氣體入口與陽極氣體出口之間為平行的陽極氣體流道。
燃料電池陰極采用直交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，流道加工比交指型容易。本發(fā)明與采用交指型流道的原理類似，兩者都屬于強(qiáng)迫流動(dòng)，當(dāng)氣體工質(zhì)流動(dòng)到氣道的末端后，由于氣道受阻，則通過與氣道接觸的氣體擴(kuò)散層內(nèi)部微孔進(jìn)入排氣流道。
本發(fā)明的陰極直交錯(cuò)流道與交指型流道類似但不相同，下面從流場方面說明一下它優(yōu)于交指型的地方。交指型流場中，進(jìn)氣流道和排氣流道相互交叉平行排列，進(jìn)氣流道只有實(shí)際電池面積的一半，因此實(shí)際反應(yīng)面積并不大。而在本發(fā)明的新型流場中，只有進(jìn)氣流道平行排列，排氣流道設(shè)計(jì)在末端。這樣，進(jìn)氣流道占據(jù)了整個(gè)電池面積，實(shí)際反應(yīng)面積就大大增大了。而且如果交指型流場和新型流場進(jìn)氣流量相同的情況下，由于本發(fā)明新型流場的進(jìn)氣流道比交指型流場的多一倍，則進(jìn)氣速度比交指型流場的小，因此氣體在流道內(nèi)的停留時(shí)間比交指型流場的長，反應(yīng)更加充分，工質(zhì)利用率更高。
另外，由于進(jìn)氣流道末端被堵死，反應(yīng)氣體被強(qiáng)迫進(jìn)入到氣體擴(kuò)散層內(nèi)部參加反應(yīng)，反應(yīng)速率得到提高，而且強(qiáng)迫對(duì)流進(jìn)入的氣體可以將擴(kuò)散層中生成并聚集的液態(tài)水帶出，減少陰極淹沒程度，因此其工作性能優(yōu)于平行流道。
同時(shí)，采用質(zhì)子交換膜燃料電池直交錯(cuò)—平行流組合流道，由于陰極采用強(qiáng)迫流動(dòng)，氣體流動(dòng)阻力大，造成流道內(nèi)壓力增加，而陽極的流動(dòng)阻力小，壓力相對(duì)陰極小，陰陽氣體壓差的存在，便于水從陰極向陽極擴(kuò)散，有益于質(zhì)子交換膜的增濕。


圖1為本發(fā)明的質(zhì)子交換膜燃料電池陰極直交錯(cuò)流道的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1中，1為燃料電池陰極氣體入口，2為燃料電池陰極板外邊框，3為燃料電池陰極進(jìn)氣流道，4為燃料電池陰極直排氣流道，5為燃料電池陰極氣體出口。
圖2為本發(fā)明的質(zhì)子交換膜燃料電池陽極平行流道的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2中，6為燃料電池陽極氣體入口，7為燃料電池陽極板外邊框，8為燃料電池陽極氣體流道，9為燃料電池陽極氣體出口。
圖3為本發(fā)明的質(zhì)子交換膜燃料電池直交錯(cuò)—平行流組合流道的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3中，10為燃料電池陰極直交錯(cuò)流道，11為燃料電池陽極平行流道，12為陰極氣體擴(kuò)散層，13為陰極催化層，14為質(zhì)子交換膜，15為陽極催化層，16為陽極氣體擴(kuò)散層。
具體實(shí)施例方式
為更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖作進(jìn)一步描述。
本發(fā)明提供的質(zhì)子交換膜燃料電池陰極直交錯(cuò)—陽極平行流組合流道結(jié)構(gòu)如圖3所示。所謂的組合流道就是根據(jù)燃料電池陰陽極的工作特點(diǎn)，選取不同形態(tài)的流道。本發(fā)明的組合流道中，電池陰極采用直交錯(cuò)流道10，陽極采用平行流道11，陰極直交錯(cuò)流道10在電池上方，陽極平行流道11在電池的下方，從上至下為陰極氣體擴(kuò)散層12、陰極催化層13、質(zhì)子交換膜14、陽極催化層15以及陽極氣體擴(kuò)散層16。
本發(fā)明的電池陰極采用直交錯(cuò)集氣流道，結(jié)構(gòu)如圖1所示。陰極直交錯(cuò)流道10分為陰極進(jìn)氣流道3和陰極排氣流道4兩部分，其中陰極進(jìn)氣流道3為平行流道，且末端堵死，陰極排氣流道4為水平直流道，布置在陰極電池的最下端。由于陰極進(jìn)氣流道3的末端堵死，使得從陰極氣體入口1進(jìn)入的反應(yīng)工質(zhì)，流到陰極進(jìn)氣流道3的末端時(shí)，將所攜帶的電化學(xué)反應(yīng)生成的液態(tài)水，由陰極氣體擴(kuò)散層12滲透到陰極催化層13、質(zhì)子交換膜14、陽極催化層15，然后經(jīng)過陽極氣體擴(kuò)散層16內(nèi)部的微孔輸送到陰極排氣流道4，經(jīng)過陰極排氣流道4匯集，最后從陰極氣體出口5排出。
本發(fā)明的陽極采用平行流道，結(jié)構(gòu)如圖2所示。陽極氣體入口6與陽極氣體出口9之間為平行的陽極氣體流道8。采用平行流道便于氣體輸送，還能減少陽極流道內(nèi)部的氣體流動(dòng)阻力。
本發(fā)明的質(zhì)子交換膜燃料電池陰極直交錯(cuò)—陽極平行流組合流道，陰極直交錯(cuò)流道10在電池上方，陽極平行流道11在電池的下方。由于陰極采用強(qiáng)迫流動(dòng)，氣體流動(dòng)阻力大，造成流道內(nèi)壓力增加，而陽極的流動(dòng)阻力小，壓力相對(duì)陰較小。工作時(shí)，陰陽極工質(zhì)之間存在一定的壓力差，氣體壓差的存在，增加了電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物水從陰極向陽極擴(kuò)散，起到了自動(dòng)對(duì)質(zhì)子交換膜進(jìn)行增濕的作用。
權(quán)利要求
1.一種質(zhì)子交換膜燃料電池陰極直交錯(cuò)—陽極平行流組合流道，其特征在于電池陰極采用直交錯(cuò)流道(10)，陽極采用平行流道(11)，陰極直交錯(cuò)流道(10)在電池上方，陽極平行流道(11)在電池的下方，其中陰極進(jìn)氣流道(3)為平行流道，且末端堵死，陰極排氣流道(4)為水平直流道，布置在陰極電池的最下端，陽極氣體入口(6)與陽極氣體出口(9)之間為平行的陽極氣體流道(8)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池陰極直交錯(cuò)—陽極平行流組合流道，電池陰極采用直交錯(cuò)流道，陽極采用平行流道，陰極直交錯(cuò)流道在電池上方，陽極平行流道在電池的下方，其中陰極進(jìn)氣流道為平行流道，且末端堵死，陰極排氣流道為水平直流道，陽極工質(zhì)的進(jìn)出口之間由平行的直流道組成。本發(fā)明陰極的直交錯(cuò)流道便于排出電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的液態(tài)水，陽極的平行流道便于氣體輸送，還能減少陽極流道內(nèi)部氣體流動(dòng)阻力，組合流道中由于陰陽極工質(zhì)壓差的存在，便于生成的水從陰極向陽極擴(kuò)散，不斷為質(zhì)子交換膜增濕。
文檔編號(hào)H01M4/86GK1564351SQ200410017190
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月25日
發(fā)明者李巍, 袁俊琪, 于立軍, 姜秀民 申請人:上海交通大學(xué)