燃料电池极板及使用该极板的燃料电池转让专利
申请号 : CN200710074590.2
文献号 : CN101312247B
文献日 : 2010-07-28
发明人 : 陈名恩
申请人 : 富准精密工业(深圳)有限公司 , 鸿准精密工业股份有限公司
摘要 :
一种燃料电池极板及使用该极板的燃料电池，该燃料电池极板的其中一表面上设有流道，所述流道包括至少一组进气流道及至少一组出气流道，所述进气流道与出气流道中部分流道通过增湿膜间隔相邻设置，所述增湿膜具有隔气透水性，将出气流道中的水分透过所述增湿膜传递至进气流道中。通过所述增湿膜的设置，可利用增湿膜的隔气透水性对进入极板的气体进行增湿。
权利要求 :
1.一种燃料电池极板，该极板的其中一表面上设有流道，其特征在于，所述流道包括至少一组进气流道及至少一组出气流道，所述进气流道与出气流道中部分流道通过增湿膜间隔相邻设置，所述增湿膜具有隔气透水性，将出气流道中的水分透过所述增湿膜传递至进气流道中。
2.根据权利要求1所述的燃料电池极板，其特征在于，所述进气流道与出气流道之间设有隔板，所述隔板与所述增湿膜相连接并将进气流道与出气流道分隔开来，所述隔板呈蛇形弯折结构。
3.根据权利要求2所述的燃料电池极板，其特征在于，所述增湿膜呈L形弯折结构。
4.根据权利要求2所述的燃料电池极板，其特征在于，所述增湿膜呈直板结构。
5.根据权利要求1所述的燃料电池极板，其特征在于，所述流道包括两组进气流道及一组出气流道，该两组进气流道分别位于该出气流道两侧且与出气流道相互分隔。
6.根据权利要求1所述的燃料电池极板，其特征在于，所述每一组进气流道均具有进气口，所述出气流道对应每一进气口设有出气口，所述进气口与所述出气口相邻且被该增湿膜分隔。
7.根据权利要求1所述的燃料电池极板，其特征在于，所述增湿膜两侧贴设有吸水棉絮。
8.根据权利要求1所述的燃料电池极板，其特征在于，该极板相对另一表面上也设有相同构造的上述流道，从而构成双极板。
9.一种燃料电池，包括至少一极板及与所述极板相邻的气体扩散层，该极板于邻接气体扩散层的表面上设有流道，其特征在于，所述流道包括至少一组进气流道及至少一组出气流道，所述进气流道与出气流道之间设有呈蛇形弯折的隔板及与隔板相连接的增湿膜，所述增湿膜具有隔气透水性，将出气流道中的水分传递至进气流道中。
10.根据权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，所述增湿膜两侧贴设有吸水棉絮。
11.根据权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，所述流道包括两组进气流道及一组出气流道，该两组进气流道分别位于该出气流道两侧。
12.根据权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，所述每一组进气流道均具有进气口，所述出气流道对应每一进气口设有出气口，所述进气口与所述出气口相邻且被该增湿膜分隔。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种燃料电池极板，特别是一种质子交换膜燃料电池的极板及使用该极板的燃料电池。
背景技术
近年来，燃料电池技术有了许多重大突破，其中质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)受到相当大的关注，世界各国政府以及企业界无不投入相当大的研发能量。
质子交换膜燃料电池除了具有无污染，能量转换效率高等一般燃料电池的优点外，更具备接近常温操作以及激活迅速的特性，特别适合运输动力，可携式电力以及家用发电。
构成质子交换膜燃料电池的关键组件包括电极(electrode)，质子交换膜(electrolyte membrane)与极板(polar plate)等。在采用氢气为燃料，空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化剂作用下发生电化学反应产生质子。质子交换膜帮助质子从阳极区迁移到阴极区。在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成氧负离子，并与阳极区迁移过来的质子反应，生成产物水。阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：
阳极反应：H22H++2e
阴极反应：1/2O2+2H++2eH2O
在反应过程中，燃料电池中的质子交换膜需要有水份存在以保持一定的湿度，使得质子可以自由地穿过质子交换膜，从电极的阳极区到达阴极区参加电化学反应。否则当大量干燥的空气或燃料氢气向燃料电池供应并离开燃料电池时，容易将质子交换膜中的水份带走，这样质子交换膜就会处于一种干燥失水状态，质子无法自由地穿过质子交换膜，从而导致电极内阻急剧增加，电池性能急剧下降。所以向燃料电池供应的空气或燃料氢气一般来说需要经过增湿，即提高进入燃料电池的气体的湿度，以避免质子交换膜失水。
因此，适当的水管理对于质子交换膜燃料电池的性能具有关键性的影响。在现有技术中，一般通过在燃料电池外设置一增湿装置对进入燃料电池的气体预先进行增湿。然而该单独设置的增湿装置不仅会增加燃料电池的制造成本，而且会增加燃料电池所占据的体积。
质子交换膜燃料电池除了具有无污染，能量转换效率高等一般燃料电池的优点外，更具备接近常温操作以及激活迅速的特性，特别适合运输动力，可携式电力以及家用发电。
构成质子交换膜燃料电池的关键组件包括电极(electrode)，质子交换膜(electrolyte membrane)与极板(polar plate)等。在采用氢气为燃料，空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化剂作用下发生电化学反应产生质子。质子交换膜帮助质子从阳极区迁移到阴极区。在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成氧负离子，并与阳极区迁移过来的质子反应，生成产物水。阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：
阳极反应：H22H++2e
阴极反应：1/2O2+2H++2eH2O
在反应过程中，燃料电池中的质子交换膜需要有水份存在以保持一定的湿度，使得质子可以自由地穿过质子交换膜，从电极的阳极区到达阴极区参加电化学反应。否则当大量干燥的空气或燃料氢气向燃料电池供应并离开燃料电池时，容易将质子交换膜中的水份带走，这样质子交换膜就会处于一种干燥失水状态，质子无法自由地穿过质子交换膜，从而导致电极内阻急剧增加，电池性能急剧下降。所以向燃料电池供应的空气或燃料氢气一般来说需要经过增湿，即提高进入燃料电池的气体的湿度，以避免质子交换膜失水。
因此，适当的水管理对于质子交换膜燃料电池的性能具有关键性的影响。在现有技术中，一般通过在燃料电池外设置一增湿装置对进入燃料电池的气体预先进行增湿。然而该单独设置的增湿装置不仅会增加燃料电池的制造成本，而且会增加燃料电池所占据的体积。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种具有增湿功能并且结构简单的燃料电池极板及使用该极板的燃料电池。
一种燃料电池极板，该极板的其中一表面上设有流道，所述流道包括至少一组进气流道及至少一组出气流道，所述进气流道与出气流道中部分流道通过增湿膜间隔相邻设置，所述增湿膜具有隔气透水性，将出气流道中的水分透过所述增湿膜传递至进气流道中。
一种燃料电池，包括至少一极板及与所述极板相邻的气体扩散层，该极板于邻接气体扩散层的表面上设有流道，所述流道包括至少一组进气流道及至少一组出气流道，所述进气流道与出气流道之间设有呈蛇形弯折的隔板及与隔板相连接的增湿膜，所述增湿膜具有隔气透水性，将出气流道中的水分传递至进气流道中。
与现有技术相比，该燃料电池通过所述隔板及增湿膜的设置，迫使极板上的气流以强制对流方式进入与隔板相邻的气体扩散层，该强制对流效应产生的强大剪应力可带走气体扩散层中电化学反应产生的过多的水份，使得出气流道中的气流具有较高湿度。通过所述增湿膜的设置，可有效增加进入极板的气流的湿度，提高该燃料电池的工作性能。由于不需单独在燃料电池外设置增湿装置，该极板还具有结构简单的优点。
一种燃料电池极板，该极板的其中一表面上设有流道，所述流道包括至少一组进气流道及至少一组出气流道，所述进气流道与出气流道中部分流道通过增湿膜间隔相邻设置，所述增湿膜具有隔气透水性，将出气流道中的水分透过所述增湿膜传递至进气流道中。
一种燃料电池，包括至少一极板及与所述极板相邻的气体扩散层，该极板于邻接气体扩散层的表面上设有流道，所述流道包括至少一组进气流道及至少一组出气流道，所述进气流道与出气流道之间设有呈蛇形弯折的隔板及与隔板相连接的增湿膜，所述增湿膜具有隔气透水性，将出气流道中的水分传递至进气流道中。
与现有技术相比，该燃料电池通过所述隔板及增湿膜的设置，迫使极板上的气流以强制对流方式进入与隔板相邻的气体扩散层，该强制对流效应产生的强大剪应力可带走气体扩散层中电化学反应产生的过多的水份，使得出气流道中的气流具有较高湿度。通过所述增湿膜的设置，可有效增加进入极板的气流的湿度，提高该燃料电池的工作性能。由于不需单独在燃料电池外设置增湿装置，该极板还具有结构简单的优点。
附图说明
下面参照附图结合实施例作进一步的描述：
图1为本发明燃料电池其中一实施例的结构示意图。
图2为图1所示燃料电池中极板的立体图。
图3为图1所示燃料电池中极板的俯视图。
图4为本发明燃料电池中极板第二实施例的俯视图。
图1为本发明燃料电池其中一实施例的结构示意图。
图2为图1所示燃料电池中极板的立体图。
图3为图1所示燃料电池中极板的俯视图。
图4为本发明燃料电池中极板第二实施例的俯视图。
具体实施方式
图1所示为本发明燃料电池其中一实施例的结构示意图。该燃料电池100包括一下极板10、一膜电极组20及一上极板30，该膜电极组20夹设于该下极板10与该上极板30之间。该膜电极组20包括一质子交换膜21、两催化剂层22、23及两气体扩散层24、25，该两催化剂层22、23分别夹设于该质子交换膜21与该两气体扩散层24、25之间。该上极板30与该下极板10在燃料电池100中主要起导气、导电和导水的作用。该两气体扩散层24、25由多孔性材料制成。由上极板30和下极板10进入的气体(如氢气或者空气)通过扩散作用进入该两气体扩散层24、25及该两催化剂层22、23，分别参与该燃料电池100的电化学反应。该下极板10及上极板30可由导电金属制成，例如铜金属；亦可由导电非金属制成，例如石墨。
请参照图1至图3，该下极板10为一长方体板状结构，其上设有两组进气流道12、14及一组出气流道16。该出气流道16位于该下极板10的中央，该两进气流道12、14分别位于该出气流道16的两侧并分别被该出气流道16包围(如图2所示)。这些进气流道12、14分别具有一进气口121、141。该出气流道16具有两出气口161、162。该进气口121与该出气口161相邻，该进气口141与该出气口162相邻(如图3所示)。
该两进气流道12、14与该出气流道16之间分别设有一隔板11及一增湿膜13，使得该进气流道12与出气流道16以及该进气流道14与出气流道16中的部分流道通过该增湿膜13间隔相邻设置。该增湿膜13为一隔气透水膜，其由与质子交换膜21相同的全氟磺酸型质子交换膜制成。该增湿膜13利用其隔气透水性，以薄膜两侧水分子的浓度差作为驱动力进行水份传递。该增湿膜13的两侧分别贴附有吸水棉絮(图未示)，以利用吸水棉絮的毛细作用增强水份传递。该两隔板11均为蛇形弯折结构(如图2及图3所示)。该两增湿膜13均为L型弯折结构，其高度与隔板11的高度相同。每一增湿膜13分别与一隔板11相连接，这些增湿膜13及隔板11将进气流道12、14与出气流道16分隔开来。同时这些增湿膜13还分别分隔该进气口121与出气口161，进气口141与出气口162。每一隔板11在各个弯折处形成一挡止部112，该挡止部112为平板状结构。该两进气流道12、14的进气口121、141位于该下极板10的同一侧。
图1所示燃料电池100仅为单体结构，为获得足够的发电功率，可以将多个电池单体串联起来，以形成电池组。其中，相邻的两个电池单体可以共享一个极板。因此，该下极板10相对的另一表面上也可设有与上述进气流道12、14及出气流道16结构相同的流道，从而构成一双极板。
请参照图1及图3，使用时，对下极板10而言，气流40分别通过进气口121、141进入该下极板10的进气流道12、14。当气流40在上游时，其主要通过扩散效应而进入气体扩散层25参与燃料电池100内的电化学反应。当气流40流至挡止部112处时，其被挡止部112所阻隔，该挡止部112迫使气流40以强制对流方式进入气体扩散层25。进入气体扩散层25的气流40会寻求最短路径越过隔板11进入出气流道16中，于是就产生一强制对流效应。该强制对流效应可使更多的气流40进入气体扩散层25，增加电化学反应的速度，提高该燃料电池100的发电效率。同时，该强制对流效应可产生强大的剪应力以带走气体扩散层25中电化学反应产生的过多的水份，即出气流道16中的气流40具有较高的湿度。在气流40沿着出气流道16排出的过程中，气流40中的部分水份因冷却而凝结在增湿膜13的吸水棉絮上，并通过扩散方式穿过该增湿膜13而到达进气流道12、14一侧。而增湿膜13位于进气流道12、14一侧的吸水棉絮通过与气流40的接触而提高进气流道12、14中气流40的湿度，从而达成该燃料电池100的自增湿效果。
请参照图4，其所示为本发明燃料电池极板第二实施例的示意图，其与第一实施例的不同之处在于，该增湿膜13a为直板结构。由于气流40上游的湿度较低，而下游经过强制对流效应后湿度较高，故将增湿膜13a设置为直板状，仅对上游的气流40进行增湿，从而有效平衡整体的湿度。
综上所述，通过这些隔板11的设置，对行进中的气流40产生阻挡作用，使得气流40在进气流道12、14与出气流道16之间以强制对流方式进入气体扩散层25，产生强制对流效应。该强制对流效应可产生强大的剪应力以带走气体扩散层25中电化学反应产生的过多的水份，使得出气流道16中的气流40具有较高湿度。通过这些增湿膜13、13a的设置，可将出气流道16中的气流40的水份有效传递至进气流道12、14中，增加进入气流的湿度，达成该燃料电池100的自增湿效果。由于不需额外的增湿装置，该极板还具有结构简单的优点。
通过该两进气流道12、14及该出气流道16的设计，相对传统单进气流道的设计而言，有效缩短进气气流40的流动路径，减少附面层的屏蔽作用，利用该两进气流道12、14产生的双重强制对流效果增加出气流道16中的气流40的湿度，并通过内置的增湿膜13、13a将水份回收，从而使该燃料电池100具有良好的增湿效果。
请参照图1至图3，该下极板10为一长方体板状结构，其上设有两组进气流道12、14及一组出气流道16。该出气流道16位于该下极板10的中央，该两进气流道12、14分别位于该出气流道16的两侧并分别被该出气流道16包围(如图2所示)。这些进气流道12、14分别具有一进气口121、141。该出气流道16具有两出气口161、162。该进气口121与该出气口161相邻，该进气口141与该出气口162相邻(如图3所示)。
该两进气流道12、14与该出气流道16之间分别设有一隔板11及一增湿膜13，使得该进气流道12与出气流道16以及该进气流道14与出气流道16中的部分流道通过该增湿膜13间隔相邻设置。该增湿膜13为一隔气透水膜，其由与质子交换膜21相同的全氟磺酸型质子交换膜制成。该增湿膜13利用其隔气透水性，以薄膜两侧水分子的浓度差作为驱动力进行水份传递。该增湿膜13的两侧分别贴附有吸水棉絮(图未示)，以利用吸水棉絮的毛细作用增强水份传递。该两隔板11均为蛇形弯折结构(如图2及图3所示)。该两增湿膜13均为L型弯折结构，其高度与隔板11的高度相同。每一增湿膜13分别与一隔板11相连接，这些增湿膜13及隔板11将进气流道12、14与出气流道16分隔开来。同时这些增湿膜13还分别分隔该进气口121与出气口161，进气口141与出气口162。每一隔板11在各个弯折处形成一挡止部112，该挡止部112为平板状结构。该两进气流道12、14的进气口121、141位于该下极板10的同一侧。
图1所示燃料电池100仅为单体结构，为获得足够的发电功率，可以将多个电池单体串联起来，以形成电池组。其中，相邻的两个电池单体可以共享一个极板。因此，该下极板10相对的另一表面上也可设有与上述进气流道12、14及出气流道16结构相同的流道，从而构成一双极板。
请参照图1及图3，使用时，对下极板10而言，气流40分别通过进气口121、141进入该下极板10的进气流道12、14。当气流40在上游时，其主要通过扩散效应而进入气体扩散层25参与燃料电池100内的电化学反应。当气流40流至挡止部112处时，其被挡止部112所阻隔，该挡止部112迫使气流40以强制对流方式进入气体扩散层25。进入气体扩散层25的气流40会寻求最短路径越过隔板11进入出气流道16中，于是就产生一强制对流效应。该强制对流效应可使更多的气流40进入气体扩散层25，增加电化学反应的速度，提高该燃料电池100的发电效率。同时，该强制对流效应可产生强大的剪应力以带走气体扩散层25中电化学反应产生的过多的水份，即出气流道16中的气流40具有较高的湿度。在气流40沿着出气流道16排出的过程中，气流40中的部分水份因冷却而凝结在增湿膜13的吸水棉絮上，并通过扩散方式穿过该增湿膜13而到达进气流道12、14一侧。而增湿膜13位于进气流道12、14一侧的吸水棉絮通过与气流40的接触而提高进气流道12、14中气流40的湿度，从而达成该燃料电池100的自增湿效果。
请参照图4，其所示为本发明燃料电池极板第二实施例的示意图，其与第一实施例的不同之处在于，该增湿膜13a为直板结构。由于气流40上游的湿度较低，而下游经过强制对流效应后湿度较高，故将增湿膜13a设置为直板状，仅对上游的气流40进行增湿，从而有效平衡整体的湿度。
综上所述，通过这些隔板11的设置，对行进中的气流40产生阻挡作用，使得气流40在进气流道12、14与出气流道16之间以强制对流方式进入气体扩散层25，产生强制对流效应。该强制对流效应可产生强大的剪应力以带走气体扩散层25中电化学反应产生的过多的水份，使得出气流道16中的气流40具有较高湿度。通过这些增湿膜13、13a的设置，可将出气流道16中的气流40的水份有效传递至进气流道12、14中，增加进入气流的湿度，达成该燃料电池100的自增湿效果。由于不需额外的增湿装置，该极板还具有结构简单的优点。
通过该两进气流道12、14及该出气流道16的设计，相对传统单进气流道的设计而言，有效缩短进气气流40的流动路径，减少附面层的屏蔽作用，利用该两进气流道12、14产生的双重强制对流效果增加出气流道16中的气流40的湿度，并通过内置的增湿膜13、13a将水份回收，从而使该燃料电池100具有良好的增湿效果。