CN104332643B - 一种质子交换膜燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种质子交换膜燃料电池，涉及燃料电池技术领域。所述质子交换膜燃料电池包括：相对设置的阳极流场板和阴极流场板，位于阳极流场板和阴极流场板之间且在阳极流场板指向阴极流场板的方向上依次设置的阳极催化层、亲水垫圈、阳极电极、质子交换膜、阴极电极、憎水垫圈、阴极催化层和阴极流场板，分别位于质子交换膜两侧用于检测质子交换膜两侧的水量的两个水量传感器，以及分别与亲水垫圈、憎水垫圈和两个水量传感器信号连接的控制器，控制器根据两个水量传感器所检测的质子交换膜两侧的水量信息，控制亲水垫圈和憎水垫圈使质子交换膜两侧的水量平衡。本发明所述的质子交换膜燃料电池用于提高燃料电池的发电性能。

Description

一种质子交换膜燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种质子交换膜燃料电池。
背景技术
质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，简称PEMFC)是一种高效、节能和环保的发电装置，广泛的应用在电动车辆和移动电源中。质子交换膜燃料电池是以质子交换膜作为电解质，以氢气或甲醇等富氢物质作为燃料，以空气或纯氧气作为氧化剂；燃料和氧化剂在燃料电池内发生电化学反应产生电能。
上述质子交换膜燃料电池在发生电化学反应产生电能的同时，还会在质子交换膜燃料电池的阳极电极处和阴极电极处分别产生水，产生在阳极电极处的水会在电渗力作用下向阴极电极迁移，产生在阴极电极处的水会因浓度差的存在向阳极电极扩散迁移，为了保证质子交换膜燃料电池的发电性能，需从阳极电极到阴极电极迁移的水量和从阴极电极到阳极电极迁移的水量保持平衡。然而，在实际的电化学反应过程中，随着负载的增强和放电电流的增加，会出现从阳极电极向阴极电极迁移的水量大于从阴极电极向阳极电极迁移的水量的情况，导致质子交换膜朝向阳极电极的一侧失水严重，从而导致质子传导困难，进而导致燃料电池的反应效率降低，严重影响质子交换膜燃料电池的发电性能。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种质子交换膜燃料电池，以提高燃料电池的发电性能。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种质子交换膜燃料电池，包括：
相对设置的阳极流场板和阴极流场板；
设于所述阳极流场板朝向所述阴极流场板的面上的阳极催化层；
设于所述阴极流场板朝向所述阳极流场板的面上的阴极催化层；
位于所述阳极催化层和所述阴极催化层之间且相对设置的阳极电极和阴极电极，所述阳极电极与所述阳极催化层邻近，所述阴极电极与所述阴极催化层邻近；
位于所述阳极电极和所述阴极电极之间的质子交换膜；
位于所述阳极电极和所述阳极催化层之间的亲水垫圈；
设于所述阴极电极和所述阴极催化层之间的憎水垫圈；
分别位于所述质子交换膜两侧用于检测所述质子交换膜两侧的水量的两个水量传感器；
以及分别与所述亲水垫圈、所述憎水垫圈和两个所述水量传感器信号连接的控制器，所述控制器根据两个所述水量传感器所检测的所述质子交换膜两侧的水量信息，控制所述亲水垫圈和所述憎水垫圈使所述质子交换膜两侧的水量平衡。
进一步的，所述亲水垫圈设于所述阳极催化层朝向所述阳极电极的一侧的边缘上，所述憎水垫圈设于所述阴极催化层朝向所述阴极电极的一侧的边缘上。
进一步的，所述亲水垫圈包括：与所述阳极催化层的外形轮廓相匹配的亲水垫圈本体，以及设于所述亲水垫圈本体上的亲水层。
进一步的，所述亲水层为聚萘二甲酸乙二醇酯层、聚烯烃层或所述聚萘二甲酸乙二醇酯层和聚烯烃层的组合层。
进一步的，所述憎水垫圈包括：与所述阴极催化层的外形轮廓相匹配的憎水垫圈本体，以及设于所述憎水垫圈本体上的憎水层。
进一步的，所述憎水层为聚对苯二甲酸酯层。
进一步的，在所述阳极流场板背向所述阴极流场板的一侧设有第一底板，在所述阴极流场板背向所述阳极流场板的一侧设有第二底板。
进一步的，在所述阳极流场板和所述第一底板之间设有燃料气体净化装置；和/或，在所述阴极流场板和所述第二底板之间设有氧化剂气体净化装置。
进一步的，所述燃料气体净化装置包括：具有进气口和出气口的壳体，设于所述壳体内且位于所述进气口和所述出气口之间用于对燃料气体进行过滤的过滤单元，以及设于所述壳体内且位于所述过滤单元和所述出气口之间用于对燃料气体进行加湿的加湿单元。
相对于现有技术，本发明所述的质子交换膜燃料电池具有以下优势：
在上述质子交换膜燃料电池的发电过程中，两个水量传感器分别检测质子交换膜两侧的水量，并将对应的水量信息发送给控制器，控制器根据两个水量传感器所分别检测的质子交换膜两侧的水量信息，控制亲水垫圈对质子交换膜朝向阳极电极的一侧进行补水，控制憎水垫圈对质子交换膜朝向阴极电极的一侧进行除水，使得质子交换膜两侧的水平衡。因此，与现有技术中的质子交换膜燃料电池在发电过程中、质子交换膜两侧的水不平衡相比，本发明技术方案所提的质子交换膜燃料电池，在发电过程中的质子交换膜两侧的水量平衡，如此可以促进电化学反应效率，提高质子和电子的流动性，从而提高质子交换膜燃料电池的发电性能。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的质子交换膜燃料电池的分解图；
图2为本发明优选实施例所述的质子交换膜燃料电池的分解图。
附图标记说明：
10-阳极流场板，11-阳极催化层，
12-亲水垫圈，13-阳极电极，
14-第一底板，15-燃料气体净化装置，
20-阴极流场板，21-阴极催化层，
22-憎水垫圈，23-阴极电极，
24-第二底板，25-氧化剂气体净化装置，
30-质子交换膜，40-控制器，
41-水量传感器。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
请参阅图1，本发明实施例提供的质子交换膜燃料电池包括：相对设置的阳极流场板10和阴极流场板20，位于阳极流场板10和阴极流场板20之间且在阳极流场板10指向阴极流场板20的方向上依次设置的阳极催化层11、亲水垫圈12、阳极电极13、质子交换膜30、阴极电极23、憎水垫圈22、阴极催化层21和阴极流场板20，分别位于质子交换膜30两侧用于检测质子交换膜30两侧的水量的两个水量传感器41，以及分别与亲水垫圈12、憎水垫圈22和两个水量传感器41信号连接的控制器40，控制器40根据两个水量传感器41所检测的质子交换膜30两侧的水量信息，控制亲水垫圈12和憎水垫圈22使质子交换膜30两侧的水量平衡。
使用时，燃料气体从阳极流场板10中的进气口进入质子交换膜燃料电池内，并在阳极催化层11中的催化剂作用下，在阳极电极13发生电化学反应，生成质子、电子和水；氧化剂气体从阴极流场板20中的进气口进入质子交换膜燃料电池内，并在阴极催化层21中的催化剂作用下，在阴极电极23发生电化学反应生成水。在上述电化学反应过程中生成的质子穿过质子交换膜到达阴极电极23，生成的电子则需通过外电路才能到达阴极电极23，而电子通过外电路流向阴极电极23时就形成了直流电，从而实现质子交换膜燃料电池的发电功能。
上述电化学反应除了产生电能外，还会产生水，产生在阳极电极13处的水会在电渗力作用下向阴极电极23迁移，产生在阴极电极23处的水会因浓度差的存在向阳极电极13扩散迁移，且从阳极电极13向阴极电极23迁移的水量大于从阴极电极23向阳极电极13迁移的水量。为了保证质子交换膜30两侧的水量平衡，在本发明实施例中，在质子交换膜燃料电池内部发生电化学反应的过程时，两个水量传感器41分别检测质子交换膜30两侧的水量，控制器40根据两个水量传感器41所分别检测的质子交换膜30两侧的水量信息，控制亲水垫圈12对质子交换膜30朝向阳极电极13的一侧进行补水，控制憎水垫圈22对质子交换膜30朝向阴极电极23的一侧进行除水，用于除去一部分水，使得质子交换膜30两侧的水量平衡；如此设计，可以促进电化学反应效率，提高质子和电子的流动性，从而提高质子交换膜燃料电池的发电性能。
请继续参阅图1，具体实施时，其中一个水量传感器41设于阳极催化层11和阳极电极13之间，另一个水量传感器41设于阴极催化层21和阴极电极23之间，以便准确地检测出质子交换膜30两侧的水量。亲水垫圈12优选设于阳极催化层11朝向阳极电极13的一侧的边缘上，憎水垫圈22设于阴极催化层21朝向阴极电极23的一侧的边缘上。如此设计，一方面可以对阳极催化层11和阳极电极13进行保湿，从而对燃料气体进行加湿，促进电化学反应的效率，从而进一步提高质子和电子的流动性，进而提高质子交换膜燃料电池的发电性能；另一方面还可以隔离阳极催化层11和阳极电极13，为电化学反应留有足够的反应空间。
在上述实施例中，所采用的亲水垫圈12和憎水垫圈22的种类有多种，优选地，亲水垫圈12包括：与阳极催化层11的外形轮廓相匹配的亲水垫圈本体，以及设于亲水垫圈本体上的亲水层；其中，亲水层具体可为聚萘二甲酸乙二醇酯层、聚烯烃层或所述聚萘二甲酸乙二醇酯层和聚烯烃层的组合层。憎水垫圈22包括：与阴极催化层21的外形轮廓相匹配的憎水垫圈本体，以及设于憎水垫圈本体上的憎水层；其中，憎水层具体可为聚对苯二甲酸酯层。
当质子交换膜燃料电池中设有上述结构形式的亲水垫圈12和憎水垫圈22时，亲水垫圈本体套装在阳极催化层11上，亲水层朝向质子交换膜30；憎水垫圈本体套装在阴极催化层21上，憎水层朝向质子交换膜30；且亲水垫圈本体和憎水垫圈本体分别与控制器40信号连接。在质子交换膜燃料电池内发生电化学反应的过程中，控制器40根据两个水量传感器41所检测的质子交换膜30两侧的水量信息，控制亲水垫圈12向质子交换膜30朝向阳极电极13的一侧进行补水，控制憎水垫圈22对质子交换膜30朝向阴极电极23的一侧进行除水，除去一部分水，使得质子交换膜30两侧的水量平衡，以保证质子和电子的流动性。
值得一提的是，在上述亲水垫圈本体内通常设置有储水箱和补水控制阀，控制器40通过控制补水控制阀的开启使储水箱中的水补给亲水层，即对质子交换膜30朝向阳极电极13的一侧进行补水，具体补水量根据对应的水量传感器41所反馈的水量信息确定；但不限于此，还可以仅在亲水垫圈本体内设置有补水控制阀，通过外接水路和该补水控制阀来对质子交换膜30朝向阳极电极13的一侧进行补水。在上述憎水垫圈本体通常设置有排水箱和排水控制阀，控制器40通过排水控制阀的开启使质子交换膜30朝向阴极电极23的一侧的一部分水进入到排水箱中，具体排水量根据对应的水量传感器41所反馈的水量信息确定；当然，憎水垫圈本体中可设有加热单元，控制器40控制该加热单元对水进行加热，使质子交换膜30朝向阴极电极23的一侧的一部分水蒸发，从而使得质子交换膜30两侧的水量平衡。
请参阅图2，在上述实施例的基础上，质子交换膜燃料电池还包括：设于阳极流场板10背向阴极流场板20的一侧设有第一底板14，以及设于阴极流场板20背向阳极流场板10的一侧设有第二底板24。如此设计，一方面可以提高质子交换膜燃料电池的防护能力，延长质子交换膜燃料电池的使用寿命；另一方面，便于将上述单体质子交换膜燃料电池堆叠，以形成具有更高电流的电池堆。
在实际的电化学反应过程中，燃料气体通常采用富氢气体，如氢气、甲烷或甲醇，但燃料气体中可能会含有杂质气体(如二氧化硫)，因此，当长时间使用上述燃料气体时，会在阳极流场板10的流道中沉积有杂质，甚至堵塞阳极流场板10的流道，进而影响质子交换膜燃料电池的发电性能和使用寿命。为此，请继续参阅图2，在一种优选实施方式中，在阳极流场板10和第一底板14之间设有燃料气体净化装置15。利用该燃料气体净化装置15，在燃料气体进入阳极流场板10中之前，对燃料气体进行净化，以去除燃料气体中的杂质，从而减少杂质沉积在阳极流场板10的流道中，进而提高质子交换膜燃料电池的发电性能和使用寿命。
同样，为了去除氧化剂气体中的杂质气体，减少沉积杂质在阴极流场板20的流道中，请继续参阅图2，在一种优选实施方式中，在阴极流场板20和第二底板24之间设有氧化剂气体净化装置25。
为了进一步地去除燃料气体中的杂质气体和氧化剂气体中的杂质气体，在具体实施时，较佳地，在阳极流场板10和第一底板14之间设有燃料气体净化装置15，在阴极流场板20和第二底板24之间设有氧化剂气体净化装置25。
值得一提的是，上述燃料气体净化装置15有多种，优选地，燃料气体净化装置15包括：具有进气口和出气口的壳体，设于壳体内且位于进气口和出气口之间用于对燃料气体进行过滤的过滤单元，以及设于壳体内且位于过滤单元和出气口之间用于对燃料气体进行加湿的加湿单元；利用该燃料气体净化装置一方面可以去除燃料气体中的杂质气体，另一方面还以对去除杂质气体后的燃料气体进行加湿，以提高电化学反应效率。氧化剂气体净化装置25与燃料气体净化装置15基本相同，但其中没有加湿单元。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种质子交换膜燃料电池，其特征在于，包括：
相对设置的阳极流场板(10)和阴极流场板(20)；
设于所述阳极流场板(10)朝向所述阴极流场板(20)的面上的阳极催化层(11)；
设于所述阴极流场板(20)朝向所述阳极流场板(10)的面上的阴极催化层(21)；
位于所述阳极催化层(11)和所述阴极催化层(21)之间且相对设置的阳极电极(13)和阴极电极(23)，所述阳极电极(13)与所述阳极催化层(11)邻近，所述阴极电极(23)与所述阴极催化层(21)邻近；
位于所述阳极电极(13)和所述阴极电极(23)之间的质子交换膜(30)；
位于所述阳极电极(13)和所述阳极催化层(11)之间的亲水垫圈(12)；
设于所述阴极电极(23)和所述阴极催化层(21)之间的憎水垫圈(22)；
分别位于所述质子交换膜(30)两侧用于检测所述质子交换膜(30)两侧的水量的两个水量传感器(41)；
以及分别与所述亲水垫圈(12)、所述憎水垫圈(22)和两个所述水量传感器(41)信号连接的控制器(40)，所述控制器(40)根据两个所述水量传感器(41)所检测的所述质子交换膜两侧的水量信息，控制所述亲水垫圈(12)和所述憎水垫圈(22)使所述质子交换膜(30)两侧的水量平衡。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述亲水垫圈(12)设于所述阳极催化层(11)朝向所述阳极电极(13)的一侧的边缘上，所述憎水垫圈(22)设于所述阴极催化层(21)朝向所述阴极电极(23)的一侧的边缘上。
3.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述亲水垫圈(12)包括：与所述阳极催化层(11)的外形轮廓相匹配的亲水垫圈本体，以及设于所述亲水垫圈本体上的亲水层。
4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述亲水层为聚萘二甲酸乙二醇酯层、聚烯烃层或所述聚萘二甲酸乙二醇酯层和聚烯烃层的组合层。
5.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述憎水垫圈(22)包括：与所述阴极催化层(21)的外形轮廓相匹配的憎水垫圈本体，以及设于所述憎水垫圈本体上的憎水层。
6.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述憎水层为聚对苯二甲酸酯层。
7.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，其特征在于，在所述阳极流场板(10)背向所述阴极流场板(20)的一侧设有第一底板(14)，在所述阴极流场板(20)背向所述阳极流场板(10)的一侧设有第二底板(25)。
8.根据权利要求7所述的质子交换膜燃料电池，其特征在于，在所述阳极流场板(10)和所述第一底板(14)之间设有燃料气体净化装置(15)；和/或，在所述阴极流场板(20)和所述第二底板(24)之间设有氧化剂气体净化装置(25)。
9.根据权利要求8所述的质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述燃料气体净化装置(14)包括：具有进气口和出气口的壳体，设于所述壳体内且位于所述进气口和所述出气口之间用于对燃料气体进行过滤的过滤单元，以及设于所述壳体内且位于所述过滤单元和所述出气口之间用于对燃料气体进行加湿的加湿单元。
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