CN103762373B - 一种质子交换膜燃料电池的阴极结构 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池的阴极结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池的阴极结构，其构成部件包括流场板和设置在所述流场板下部的膜电极，所述流场板接触膜电极的一面设置有流道，其另外一面设置有凹槽，所述的流道与凹槽通过若干个圆孔相连通；若干个所述的圆孔沿阴极空气输送的方向按直径逐渐增大的顺序排列在以其相连通的流道和凹槽上。本发明通过改变空气进入阴极流道的方向以及阴极空气与膜电极中气体扩散层的对流方式，加强了空气向膜电极催化剂层的扩散性，相比于现有技术，具有使阴极流道内各处的氧气浓度分布均匀、改善局部电流的分布状态以及有效提高电池工作性能的优点。

Description

一种质子交换膜燃料电池的阴极结构
技术领域
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池，更具体的说，本发明涉及一种对现有的质子交换膜燃料电池阴极结构的技术改进。
背景技术
传统的化石能源，在使人类社会得到巨大变革的同时，也带来了严重的环境污染问题。为解决这一问题，近年来国内外的相关研究也日益增多。
应运而生的质子交换膜燃料电池，以氢气和氧气为原料，其最大的特点就是无污染，并且具有工作温度低、能量密度高、启动快、噪声低等优点，有希望广泛应用于便携式电源、电动汽车等领域，其市场前景可观。
图1示意了现有的质子交换膜燃料电池的阴极结构，该阴极结构由设置有流道1的流场板2和设置在所述流场板2下部的膜电极3构成，所述的膜电极3是由气体扩散层、催化剂层和质子交换膜热压而成的三合一组件。当向所述流场板2的阳极通入氢气并向其阴极通入氧气或者空气时，即可使电池工作并产生电流，同时发生化学反应生成水并放出热量。其化学反应方程式为：
阳极：H2→2H++2e-
阴极：1/2O2+2H++2e-→H2O。
图2示意了现有的燃料电池其阴极空气中氧气浓度沿阴极流道变化的情况，它表明电池阴极的氧气浓度将在阴极流道的长度方向上越来越低。
参照图1、图2，所述流场板2上的流道1与空气进入电池阴极的方向均为平直方向（如图1中的箭头所示），这样的进气方式将使进入流场的空气沿所述的流道1平掠过气体扩散层的表面并进入膜电极3，在此过程中，电池阴极的氧气浓度将由于各种损失的影响如图2所示的那样沿流道1的长度方向越来越低，并使反应生成的水分逐渐积累在所述的流道1中。
一般而言，理想情况下的质子交换膜燃料电池的电压为1.2V左右，但在实际使用中，由于活化损失、欧姆损失、传质损失和内部短路电流这四个决定性的且不可逆转的因素存在，往往达不到这个数值。
又由于氧气的浓度会直接影响着PEM燃料电池内部的电化学反应速率[1]，所以，当以空气作为氧化剂提供给燃料电池阴极反应所需的氧气时，随着化学反应的产生会自然的消耗掉部分氧气，自然会使阴极方向上的氧气浓度逐渐降低，从而造成反应气体浓度的分布不均。根据Tafel公式，对于氧的还原反应，局部的电流密度与参与反应的氧气浓度(氧气分压)成正比[2]，那么，氧气分布的不均匀性也就直接阻碍了燃料电池性能的提高。
另一方面，由于阴极反应生成的水会逐渐积累在流道中，很容易堵塞气体扩散层的空隙，也因此直接阻碍了氧气的扩散，以至进一步加剧燃料电池下游的反应阻力。
[1]周方.PEM燃料电池的流场设计[J].武汉理工大学学报.2011,33(3):414-417.
[2]吴金峰,衣宝廉等.直通道流场PEMFC电流密度分布测定实验[J].化工学报.2004,55(5):837-841.
发明内容
本发明所要解决的问题，就是克服现有的质子交换膜燃料电池所存在的以上缺陷，并为此提供一种新型的质子交换膜燃料电池的阴极结构，该阴极结构的设置方式改变了传统燃料电池的阴极进气方式，可使流道各处的氧气浓度趋于均匀，从而达到降低阴极传质损失、提高电池性能的技术目的。
本发明的技术方案是：
一种质子交换膜燃料电池的阴极结构，包括流场板和设置在所述流场板下部的膜电极，所述流场板接触膜电极的一面设置有流道，其另外一面设置有凹槽，所述的流道与凹槽通过若干个圆孔相连通。
所述的流场板为两面对称的结构，其接触膜电极的一面所设置的流道为间隔均匀的若干个，其另外一面则设置有与若干个所述流道位置对应的凹槽。
所述流场板的截面结构为梯形齿状，其接触膜电极的一面以其凹向另外一面的梯形齿状形成流道，其另外一面则以凹向膜电极一面的梯形齿状形成与所述流道两边相邻的凹槽。
所述的圆孔沿阴极空气输送的方向按直径逐渐增大的顺序排列在以其相连通的流道和凹槽上。
本发明通过改变空气进入阴极流道的方向以及阴极空气与膜电极中气体扩散层之间的对流方式，加强了空气向膜电极催化剂层的扩散，相比于现有技术，其有益效果在于：使阴极流道内各处的氧气浓度分布趋于均匀，也使局部电流的分布状态得到改善，从而有效的提高了电池的工作性能。
附图说明
图1是现有的质子交换膜燃料电池阴极结构的示意图。
图2是图1中燃料电池阴极氧气浓度沿流道变化的示意图。
图3是本发明的质子交换膜燃料电池阴极结构的示意图。
图4是图3中燃料电池阴极氧气浓度沿流道变化的示意图。
图5是本发明实施例1中流场板的结构示意图；
图6是图5的俯视图；
图7是本发明实施例2中流场板的断面结构示意图。
具体实施方式
本发明的质子交换膜燃料电池是对现有技术的一种改进，为了使本发明更容易被清楚理解，以下结合实施例对本发明的技术方案作以详细描述。
图3是本发明质子交换膜燃料电池的阴极结构示意图；图4是采用了本发明阴极结构的燃料电池其阴极氧气浓度沿流道变化的情况。
参照图3、图4，本发明的质子交换膜燃料电池的阴极结构，包括设置有流道1的流场板2以及设置在所述流场板2下部和膜电极3，所述的膜电极3是由气体扩散层、催化剂层和质子交换膜热压而成的三合一组件，它与现有技术的区别是所述流场板2的结构采用了新设计，该设计的实施可以使进入电池阴极的空气方向由原来的平直方向变成垂直方向（图3中的箭头所示），便于进入流场之后的阴极空气能够均匀的穿过所述的流场板2并以垂直方向吹向所述膜电极3中的气体扩散层并进入所述的膜电极3，以使所述气体扩散层与空气接触的表面都可以有新鲜的空气进到所述的催化剂层参加反应，从而使所述流道1各处的氧气浓度如图4所示的那样获得趋于均匀的效果，达到有效改善电池工作性能的技术目的。
实施例1：
图5、图6分别以主视图和俯视图的形式示意了本发明实施例中一种流场板的结构情况。
参见图5，该实施例中的流场板2设置为A面与B面对称的结构，所述的B面直接接触膜电极3且其上间隔均匀的设置有若干个流道1，所述的A面与B面对称且其上间隔均匀的设置有与所述的流道1位置对应的凹槽22，所述的流道1与凹槽22通过若干个圆孔23相连通；参见图6，若干个所述的圆孔23按直径大小顺序排列在以其相连通的流道1和凹槽22上。
在本实施例中，阴极空气由进气口进入所述流场板2位于A面的凹槽22内，然后经过所述的圆孔23到达B面的流道1内，再进入所述的膜电极3参加反应。当空气进入所述流场板2位于A面的凹槽22时，首先通过直径较小的圆孔23进入B面的流道1，由于所述圆孔23的直径是沿空气输送的方向逐渐增大，根据圆孔面积与进入相应膜电极区域的空气多少成正比的原理可知，所述圆孔23的直径越大，则进入所述膜电极3相应区域的氧气浓度也越大，所以，随着所述圆孔23沿空气输送的方向直径逐渐增大的排列顺序，阴极空气通过所述流场板2进入所述流道1各处的氧气浓度将趋于均匀，从而克服现有技术的流场板结构以及其进气方式所造成的流道中氧气浓度随着反应
的进行沿空气流动方向逐渐降低的缺陷。
实施例2：
图7示意了本发明实施例中另一种流场板的结构情况。
参见图7，该实施例中流场板2的截面结构为梯形齿状，且该流场板2也设置有A、B两面，但所述B面直接接触所述的膜电极3并以其凹向A面的梯形齿状形成流道1，所述的A面则以其凹向B面的梯形齿状形成凹槽22，所述的流道1与其两边的凹槽22相邻，并通过若干个所述的圆孔23相连通；若干个所述的圆孔23沿阴极空气输送的方向按直径逐渐增大的顺序排列在以其相连通的流道1和凹槽22上。
在本实施例中，阴极空气由进气口进入所述流场板2位于A面的凹槽22内，然后通过所述的圆孔23到达位于B面且与所述凹槽22两边相邻的流道1内，再进入所述的膜电极3参加反应。当空气进入所述流场板2位于A面的凹槽22时，首先通过直径较小的圆孔23进入B面流道1的相应区域，根据与实施例1相同的原理，随着所述圆孔23沿空气输送方向直径逐渐增大的排列顺序，阴极空气进入B面所述流道1各处的氧气浓度就会趋于均匀，同样克服了现有技术的流场板结构及其进气方式所造成的流道中氧气浓度随着反应的进行沿空气流动方向逐渐降低的缺陷。
本发明质子交换膜燃料电池的阴极结构，克服了现有技术的缺陷，其中流场板的新设计以及因此而改进的阴极空气进气方式，不仅可使单条流道内沿空气流动方向的氧气浓度趋于均匀，同时也使所述流场板与所述膜电极直接接触一面的各流道之间的氧气浓度均趋于均匀，从而提高了氧气的利用率，减小了燃料电池的浓差极化，达到了有效改善电池性能的技术目的，并且便于反应过程中的水管理。
以上参照附图和实施例对本发明的技术方案进行了示意性描述，该描述没有限制性。本领域的普通技术人员应能理解，在实际应用中，本发明中各部件的结构设置或布置方式均可能发生某些改变，而其他人员在其启示下也可能做出相似设计。特别需要指出的是，只要不脱离本发明的设计宗旨，所有显而易见的改变均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种质子交换膜燃料电池的阴极结构，包括流场板和设置在所述流场板下部的膜电极，其特征在于：所述的膜电极是由气体扩散层、催化剂层和质子交换膜热压而成的三合一组件，所述流场板接触膜电极的一面设置有流道，其另外一面设置有凹槽，所述的流道与凹槽通过若干个圆孔相连通，所述的圆孔沿阴极空气输送的方向按直径逐渐增大的顺序排列在以其相连通的流道和凹槽上。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的阴极结构，其特征在于：所述的流场板为两面对称结构，其接触膜电极的一面所设置的流道为间隔均匀的若干个，其另外一面设置有与若干个所述流道位置对应的凹槽。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的阴极结构，其特征在于：所述流场板的截面结构为梯形齿状，其接触膜电极的一面以其凹向另外一面的梯形齿状形成流道，其另外一面则以凹向膜电极一面的梯形齿状形成与所述流道两边相邻的凹槽。
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