CN106025309A - 空间mea结构燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间结构的MEA燃料电池，包括空间结构MEA、扩散层、反应气体流道、极板、水流道。空间结构MEA为井字型、十字型或蜂巢型网状结构；扩散层呈现方形管状结构，相嵌在MEA内部或被MEA与极板合围；反应气体流道内壁设置有螺旋导流板；反应气体在流道内壁顺着螺旋导流板流动，并通过壁面设置的小孔进入气体扩散层；扩散层分为反应气体扩散层和水汽吸附层；极板在扩散层的外部；水流道包括冷却水流道和排水流道，产生的水被水汽吸附层吸附进入排水流道。本发明能有效增加反应活性面积、提高反应气体传输能力和单位体积的功率密度、减少水淹，使气体利用的更充分；用于电堆可减少电堆的单片数量，缩小电堆体积，增加电堆布置的灵活性，扩展了燃料电池的实际应用。

Description

空间MEA结构燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，特别涉及MEA的空间结构燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种将燃料中的化学能通过电化学反应释放出电能的发电装置。与传统的热机相比,燃料电池不存在燃烧放热环节,不受卡诺循环的限制,能量利用率能够达到50％以上,而普通的热机的能量利用率在40％以下。只要有持续的燃料输入,燃料电池就可以连续不断的输出电能,不存在电池的充电过程。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有低温冷启动，转换效率高，体积比功率密度高，产物无污染等优点，备受各国青睐。近年来，随着电动汽车的发展，质子交换膜燃料电池逐步成为零排放电动汽车的动力源。体积比功率密度大小、电池转换效率高低是评价燃料电池效能的两个重要指标。其中，体积比功率密度直接影响了电堆尺寸的大小，在满足车用功率的情况下，其体积越小，多余的空间越多，有利于汽车内部系统的布置。此外，多余的空间可用于储存更多的氢气，使汽车的续航能力得到提高。随着技术的进步，PEMFC模块的体积功率密度大幅提升,国外日本丰田Sedan燃料电池汽车用PEMFC模块的功率密度达到3kW/L；英国IntelligentEnergy的新一代EC200-192模块的功率密度达到5kW/L。而国内的燃料电池模块功率密度一般小于1.5kW/L。就目前的研究来说，提高功率密度的方法主要是通过提高催化剂活性、流场板设计和优化操作条件，而采用MEA结构优化的方式来提高体积功率密度的较少。

电池在大功率密度、大电流运行时，生成水增加，使得液态水也相应增加，导致MEA水淹，阻塞孔隙，造成氧气传质受阻，引起浓差极化增大，从而导致电池性能大幅度下降。若能将生成的水及时排出，可使电池性能得到提高。一般来说，都是通过增加反应气体流量、控制湿度、优化流道结构等方式。最近，丰田的MARIA电堆采用了3D流场的设计，既能有利于气体进入扩散层，又能将生成的水汽及时带走。

在燃料电池流场的设计中，气体和冷却水流场的设计非常重要，反应气体进出口受堵，气体不能顺利到达电堆每片电极处，引起电流密度不均匀，电池性能下降，如果冷却流体进出口设计不合理，导致冷却流体进口受阻或出口受堵，都会导致电极反应中的产物水无法顺利排出，致使电池局部受热，影响电池电堆性能。对传统燃料电池，其流场板与扩散层接触，冷却水流道与反应气体流道相间排布，这会使得会使得部分气体流道的接触面被水流道壁面占据，如图6，增加了气体进入扩散层的传输阻力，影响了气体的直接传输量。

基于以上背景，近年来，PEM燃料电池的大量研究和发展致力于燃料电池的结构设计,但大多数是流场板的设计。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供了一种通过结构优化，既能提高燃料电池的体积比功率、增加反应面积，也能提高反应气体传输及扩散能力、减少水淹的空间MEA结构燃料电池。

本发明为达到上述目的采用的技术方案为：

一种空间结构的MEA燃料电池，它包括空间结构MEA、扩散层(GDL)、反应气体流道、极板、水流道；

所述的空间结构MEA为井字型、十字型或蜂巢型网状结构；从中心到两侧依次按照质子交换膜、催化层、微孔层的方式排布；

所述的扩散层呈现管状结构，外部为方形结构，相嵌在MEA内部或被MEA与极板合围，包括气体扩散层和水汽吸附层；

所述的反应气体流道包括阳极流道和阴极流道，在扩散层内部，被扩散层包围，反应气体流道内壁设置有螺旋导流板；反应气体在流道内壁顺着螺旋导流板流动，并通过壁面设置的小孔进入气体扩散层、微孔层、催化层；

所述的极板在扩散层的外部，包围着被MEA分割后处于外围的扩散层；

所述的水流道在极板内部，包括冷却水流道和排水流道，循环水在冷却水流道内流动对电池进行冷却，电池内产生的水被水汽吸附层吸附进入排水流道并被排出。

按上述方案，其特征在于对井字形或蜂巢型结构的MEA燃料电池，完全被MEA包围的气体扩散层中的反应气体流道，它同时起极板的作用传导电流。

按上述方案，所述空间结构MEA的质子交换膜膜厚为10um-200um；催化层厚度为5um-50um。

按上述方案，所述的极板配合扩散层设计为嵌入GDL长方形、嵌入GDL倒角长方形或者GDL与极板曲面配合型。

按上述方案，所述的反应气体流道在壁面设置的小孔为圆孔、方形孔、流线型孔或其混合。

按上述方案，所述的反应气体流道为圆管或方管或半圆管型；通过气体的流向来设置壁面上小孔的位置及开口大小，控制气体的扩散。

按上述方案，气体燃料在阳极流道中流动，气体氧化剂在阴极流道中流动；且阳极流道与阴极流道呈中心对称分布。

本发明的有益效果在于：

本发明空间结构MEA为井字型、十字形或蜂巢型网状结构，能有效增加反应活性面积、提高单位体积的功率密度(对于十字型增加了一倍，见后面实施的计算)，使气体利用的更充分，减少燃料的浪费。

反应气体流道包括阳极流道和阴极流道，在扩散层内部，被扩散层包围，该结构形式的扩散层把中间流道中的气体包围住，使得气体可以向四周扩散，参与反应，它能有效增强气体传输，减少气体的浪费。反应气体流道内壁的螺旋导流板产生的螺旋气流在扩散层中回旋，带走扩散层中的水汽，气流在经过水汽吸附层时，水汽被吸附，并顺着吸附层进入排水流道。

本发明反应气体流道的截面是带有一定倾斜角的流线型面、截距可根据倾角调节。流道中气体沿着螺旋状导流板的方向流动，在离心力的作用下，会使得进入流道的气体在导流板的作用下更贴紧壁面，使气流沿着壁面径向向外扩散。一方面，能有效的使反应气体进入扩散层，另一方面，在贴近壁面气体的剪切力作用下，使靠近壁面的生成水被带走，能降低水淹现象。

附图说明

图1十字形燃料电池正视图、轴侧图；

图2井字型MEA燃料电池形正视图、轴侧图；

图3 MEA构成图；

图4 MEA不同的空间结构；

图5极板与气体扩散层的配合形式；

图6传统燃料电池的水、气流道排布；

图7反应气体流道与螺旋导流板配合图；

图8内部螺旋导流板；

图9螺旋导流板截面；

图10传统燃料电池截面；

图11空间MEA燃料电池截面；

其中，1-MEA，2-冷却水流道，3-水汽吸附层，4-极板，5-排水流道，6-反应气体流道，7-气体扩散层，8-质子交换膜，9-催化层，10-微孔层，11-双极板，12-接触面，13-流道壁面，14-小孔，15-螺旋导流板，16-螺旋的直径，17-螺旋的截距，18-气体进口处，19-倾斜角，20-导流壁的厚度。

具体实施方式

以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。

本发明十字型MEA燃料电池，如附图1所示，它包括空间结构MEA1、扩散层(GDL)(3和7)、反应气体流道6、极板4、水流道(2和5)；

空间结构MEA可以为井字型、十字型或蜂巢型网状结构，参照附图4所示；MEA从中心到两侧依次按照质子交换膜8、催化层9、微孔层10的方式排布，参照附图3所示。空间结构MEA为井字或蜂巢型结构时，反应气体流道既运输气体也起极板的作用传导电流。

扩散层呈现管状结构，外部为方形结构，相嵌在MEA内部(井字型或蜂巢型网状结构MEA会有部分扩散层完全被MEA包围)或被MEA与极板合围(十字型)，扩散层包括气体扩散层7和水汽吸附层3，水汽吸附层能将电池生成水及时吸收，能减少水淹现象。

反应气体流道6包括阳极流道和阴极流道，在扩散层内部被扩散层包围，为圆管型，也可以设置成方管型如图2。反应气体流道为圆管或方管；通过设置壁面上小孔的位置及开口大小控制气体的扩散方向。还可以根据气体需求的方位，如反应面只有两个面，设置成半圆管型，并且在半圆管的直角边上不开孔，可以避免气体向其他方向扩散减少损耗。井字型或蜂巢型网状结构MEA会有部分扩散层完全被MEA包围，此部分扩散层中包围的反应气体流道既运输气体也起极板的作用传导电流。

极板4在扩散层的外部，包围着被MEA1分割后处于外围的扩散层。为满足电池的散热、导电，减少极板4与扩散层的接触电阻，极板4可以设计成多种形式，嵌入GDL长方形、嵌入GDL倒角长方形、GDL与极板曲面配合型等(如图5)。

水流道(包括冷却水流道2和排水流道5)在极板4内部，循环水在冷却水流道内流动对电池进行冷却，电池内产生的水被水汽吸附层3吸附进入排水流道并被排出。水流道的截面形状可以设计多种形式，如长方形、倒角长方形、椭圆形等。其次，流道沿着长度方向的形式，可以设计成直流型，交叉型、波浪形等多种形式。

如图6所示传统燃料电池的水、气流道排布，传统的金属流场板是将水流道和气流道相间排布，这会使得部分气体流道的接触面12被双极板11占据。本发明则将两种流道分离开，可以让反应气体的直接扩散面增大，使反应气体传输更容易进行。

参照附图7、8、9所示，反应气体流道内壁设置有螺旋导流板15；反应气体在流道内壁顺着螺旋导流板15流动，并通过流道壁面13设置的小孔14进入气体扩散层7、微孔层10、催化层9。流道壁面13上的小孔14可以设计成多种孔的形式，如圆孔、方形孔状、流线型孔、混合孔等，也可以根据圆管中气体的流向来设置孔的位置及孔的开口大小，使气体既容易进入扩散层，同时又能通过气体回流将水吹扫进入流道。

参照附图7、8、9所示，反应气体流道内壁设置的螺旋导流板15类似于DNA的螺旋结构，其截面是带有一定倾斜角β(倾斜角19)和厚度(导流壁的厚度20)的流线型面，其截距17可根据倾角β(倾斜角19)、厚度(导流壁的厚度20)、外径16调节。反应气体流道中的气体沿着标注18所指的方向流动，由于螺旋导流板15是呈螺旋状，在离心力的作用下，会使得进入流道的气体在导流板的作用下贴紧流道壁面13，穿过小孔14径向向外传输。一方面，能有效的使反应气体进入扩散层，另一方面，在贴近壁面气体的剪切力作用下，可以使生成的水更容易被带走，也能预防水淹现象。

空间MEA燃料电池与传统燃料电池的单位体积功率密度比较：

单位体积功率密度计算公式：

$P_0=\frac{I*S*U}{V}$

其中，I为电流密度(A/cm²)，S为反应的活性面积(cm²)，U为电压(V)，V为电池的体积(m³)。

假设两种电池的电压U、电流密度I相同，参照附图10和11所示得符号标识，

对传统燃料电池有：

S＝L×a0＝L×(2×a1+a2)

V＝a0×H×L＝(2×a1+a2)×[2×(H_GDL+H_ch+H_cc)+H_MEA]×L

$P_{0-old}=\frac{I*S*U}{V}=\frac{I*U}{H}$

对空间MEA燃料电池有：

S＝L×a0×4＝L×(2×a1+a2)

V＝H₁ ²×L＝[2×a0+H_MEA]²×L

$P_{0-new}=\frac{I*S*U}{V}=\frac{4\×a0\×I\×U}{{H_1}^2}$

功率密度比值：

$\mathrm{\α}=P_{0-new}/P_{0-old}=\frac{4\×a0\×H}{{H_1}^2}=\frac{4\×a0\×\[2\×(H\_GDL+H\_ch+H\_cc)+H\_MEA\]}{{\[2\×a0+H\_MEA\]}^2}$

按照现有电池的结构尺寸，取

a1＝0.5mm,a2＝1mm,H-cc＝1mm,H-ch＝1mm,H-GDL＝0.2mm,H-MEA＝0.065mm，算得比值：α＝2.162。

Claims (6)

1.一种空间结构的MEA燃料电池，其特征在于包括空间结构MEA、扩散层、反应气体流道、极板、水流道；

所述的空间结构MEA为井字型、十字型或蜂巢型网状结构；从中心到两侧依次按照质子交换膜、催化层、微孔层的方式排布；

所述的扩散层呈现方形管状结构，相嵌在MEA内部或被MEA与极板合围，包括气体扩散层和水汽吸附层；

所述的反应气体流道包括阳极流道和阴极流道，被扩散层包围，反应气体流道内壁设置有螺旋导流板；反应气体在流道内壁顺着螺旋导流板流动，并通过壁面设置的小孔进入气体扩散层、微孔层、催化层；

所述的极板在扩散层的外部，包围着处于外围的扩散层；

所述的水流道在极板内部，包括冷却水流道和排水流道，循环水在冷却水流道内流动对电池进行冷却，电池内产生的水被水汽吸附层吸附进入排水流道并被排出。

2.如权利要求1所述空间结构的MEA燃料电池，其特征在于对井字形或蜂巢型结构的MEA燃料电池，完全被MEA包围的气体扩散层中的反应气体流道，它同时起极板的作用传导电流。

3.如权利要求1所述空间结构的MEA燃料电池，其特征在于所述空间结构MEA的质子交换膜膜厚为10um-200um；催化层厚度为5um-50um。

4.如权利要求1所述空间结构的MEA燃料电池，其特征在于所述的极板配合扩散层设计为嵌入长方形、嵌入倒角长方形或者曲面配合型。

5.如权利要求1所述空间结构的MEA燃料电池，其特征在于所述的反应气体流道在壁面设置的小孔为圆孔、方形孔、流线型孔或其混合。

6.如权利要求1所述空间结构的MEA燃料电池，其特征在于所述的反应气体流道为圆管或方管或半圆管型；通过气体的流向来设置壁面上小孔的位置及开口大小，控制气体的扩散。