CN106602107A - 一种主动排水式燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种主动排水式燃料电池，包括阳极结构、阴极结构、位于阳极结构和阴极结构中间的质子交换膜，以及排水装置；所述阳极结构包括自上而下依次布置的阳极流道板、阳极扩散层和阳极催化层，阳极催化层与质子交换膜相连；所述阴极结构包括依次布置的阴极催化层、阴极扩散层和阴极流道板，所述阴极催化层与质子交换膜相连；所述阴极流道板包括多孔碳芯层和石墨基底层，多孔碳芯层的上部与阴极扩散层相连，多孔碳芯层的下部与石墨基底层相连，多孔碳芯层的一端伸出，与排水装置相连。本发明的有益效果为：阴极流场板采用多孔碳芯层和石墨基底层，将燃料电池内反应产生液态水主动引出，可有效防止水淹；增加的排水装置结构简单，易于实现。

Description

一种主动排水式燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种主动排水式燃料电池。
背景技术
氢氧型燃料电池是一种将氢气和氧气通过电池反应产生电能的装置，其包括端板、流场板、扩散层、催化层和质子交换膜几部分。氢气作为燃料，在膜电极中发生化学反应，具体反应如下：
阳极：H2-2e=2H+，
阴极：1/2O2+2H++2e=H2O
总反应：H2+1/2O2=H2O
氢氧型燃料电池的反应物是水，并且主要存在于阴极，因此阴极最有可能产生水淹现象，在大电流密度下工作时水淹现象更严重,水淹现象严重影响了燃料电池的性。根据加拿大国家研究院JiujunZhang提出的目前缓解水淹的两种主要策略：一、基于整体系统设计，常常伴有巨大的寄生功率损失；二、基于MEA的设计，主要包括更改扩散层、阴极催化层、膜的材料和结构性能来控制水淹（如带有PTFE的GDL疏水处理，MEA中增加微孔层MPL）。除此之外，可以通过设计不同的流场板流道结构如蛇形流道。这些方法虽然在一定程度上缓解了电池中水淹的程度，但成本较高，加工复杂，在电池工作状态改变的过程中这些方法不再适用，所以寻求更高效的阴极排水措施变得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种结构简单、排水性能优越的主动排水式燃料电池。
本发明采用的技术方案为：一种主动排水式燃料电池，包括阳极结构、阴极结构、位于阳极结构和阴极结构之间的质子交换膜，以及排水装置；所述阳极结构包括自上而下依次布置的阳极流道板、阳极扩散层和阳极催化层，阳极催化层与质子交换膜相连；阳极流道板上开设有阳极进气口、阳极出气口，以及与阳极进气口连通的阳极流道，阳极流道与阳极扩散层连通；所述阴极结构包括依次布置的阴极催化层、阴极扩散层和阴极流道板，所述阴极催化层与质子交换膜相连；所述阴极流道板包括多孔碳芯层和石墨基底层，多孔碳芯层的上部与阴极扩散层相连，多孔碳芯层的下部与石墨基底层相连，多孔碳芯层的一端伸出，与排水装置相连；石墨基底层开设有阴极进气口和阴极出气口，在多孔碳芯层上开设有与阴极进气口连通的阴极气体流道，阴极气体流道与阴极扩散层连通。
按上述方案，所述排水装置包括壳体，壳体的一端开设有入口槽，所述多孔碳芯层的伸出端插入壳体内，与入口槽相连；壳体的中部设有主泵腔，主泵腔安设有上盖板，上盖板上开设有与主泵腔相适配的通孔，通孔上覆盖有振动薄膜组件；所述主泵腔通过单向入口阀片与入口槽连通，单向入口阀片可向主泵腔内翻转打开；壳体的另一端开设有出口泵腔，以及与出口泵腔连通的出口槽，出口泵腔通过单向出口阀片与主泵腔连通，单向出口阀片可向出口泵腔内翻转打开。
按上述方案，所述入口槽为梯形槽腔，入口槽的两端分别为入口端和出口端，入口端的尺寸大于出口端的尺寸；入口端与多孔碳芯层的伸出端相连，出口端与主泵腔相连。
按上述方案，所述出口泵腔上部开口，出口泵腔的上部覆盖有用于密封的小隔膜。
按上述方案，所述振动薄膜组件包括隔膜和压电振子，隔膜完全覆盖主泵腔的上部；所述压电振子粘结在隔膜的上部，压电振子单侧固定；压电振子的动力部分与外接电源相连。
按上述方案，所述压电振子包括金属基片和压电陶瓷片，压电陶瓷片的一侧通过金属基片连接固定。
按上述方案，所述多孔碳芯层上开有多个平行的阴极气体流道，相邻两个阴极气体流道之间通过肋板间隔，阴极气体流道的入口与阴极进气口连通，阴极气体流道的出口与阴极扩散层连通。
按上述方案，在质子交换膜的边沿设有密封垫圈。
本发明的有益效果为：
1.本发明的阴极流场板采用多孔碳芯层和石墨基底层，将燃料电池内反应产生液态水主动引出，可有效防止水淹；且与现有的在燃料电池内部安设排水机构相比，本发明所述燃料电池结构更加合理，方便拆卸与安装，不影响燃料电池电化学反应过程中的电子传递，内部无排水机构对燃料电池的性能无影响；且燃料电池具有良好的密封性能，保证安全；增加的排水装置结构简单，易于实现。
2.本发明利用扩散效应主动排水：当阴极反应气体进入经扩散层到达阴极催化层发生化学反应，反应后阴极催化层、扩散层中出现液态水的累积，此时由于扩散作用，液态水向流道侧发生扩散，多孔碳芯层的气体流道与阴极扩散层接触，将阴极扩散层中多余的水分吸入，部分多孔碳芯层的伸出端进入排水装置；多孔碳芯层伸出端内水分减少后，多孔碳芯层其它部分的水分扩散至多孔碳芯层的伸出端，达到持续主动排水的目的。
3.本发明所述的排水装置采用压电陶瓷片激励，压电陶瓷片产生振动带动隔膜振动，隔膜上下振动的同时，由于泵腔中体积发生改变，压力也发生改变；入口槽和出口槽两侧的单向阀片依次打开关闭，与入口槽处相连的多孔碳芯层伸出端中的水分在压差和扩散的双重作用下产生迁移，实现从多孔碳芯层的伸出端抽水排水。
4.本发明中的压电陶瓷片和隔膜半固定式安装在上盖板上（隔膜一侧固定），这种安装方式提高了结构的稳定性，也使得主泵腔的体积改变量最大。
5.本发明中入口槽和出口槽根据多孔碳芯层外伸端的结构设计为梯形槽腔，即喷嘴状结构，这种结构增加了排水装置的工作流量，提高了排水装置的工作性能。
6.本发明所述排水装置结构简单，体积小，携带方便。
7.本发明应用广泛，不仅可以应用于单电池中，同时也可以用于电堆的阴极排水。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为图2的A-A剖视图。
图4为图2的B-B剖视图。
图5为图1的主视图。
图6为图5的C-C剖视图。
图7为石墨基底层的结构示意图。
图8为多孔碳芯层的结构示意图。
图9为阳极流道板的结构示意图。
图10为密封垫圈的结构示意图。
图11为单向入口阀片的结构示意图。
图12为上盖板的结构示意图。
其中，1、定位销；2、上盖板；3、压电振子；3.1、金属基片；3.2、压电陶瓷片；4、隔膜；5、小隔膜；6、单向出口阀片；7、壳体；7.1、出口槽；7.2、出口泵腔；7.3、主泵腔；7.4、入口槽；8、石墨基底层；8.1、阴极进气口；8.2、阴极出气口；9、多孔碳芯层；9.1、阴极气体流道；9.2、肋板；9.3、流道出口；9.4、流道入口；10、阴极扩散层；11、阴极催化层；12、质子交换膜；13、阳极催化层；14、阳极扩散层；15、阳极流道板；15.1、阳极气体流道；15.2、阳极进气口；15.3、阳极出气口；16、密封垫圈；17、单向入口阀片。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
如图1~图2所示的一种主动排水式燃料电池，包括阳极结构、阴极结构、位于阳极结构和阴极结构之间的质子交换膜12，以及排水装置；所述阳极结构包括自上而下依次布置的阳极流道板15、阳极扩散层14和阳极催化层13，阳极催化层14与质子交换膜12相连；如图9所示，阳极流道板15上开设有阳极进气口15.2、阳极出气口15.3，以及与阳极进气口15.2连通的阳极流道15.1，阳极流道15.1与阳极扩散层14连通；所述阴极结构包括依次布置的阴极催化层11、阴极扩散层10和阴极流道板，所述阴极催化层11与质子交换膜12相连；在质子交换膜12的边沿设有密封垫圈16（如图10所示），防止反应气体泄漏；所述阴极流道板包括多孔碳芯层9和石墨基底层8，多孔碳芯层9的上部与阴极扩散层10相连，多孔碳芯层9的下部与石墨基底层8相连，多孔碳芯层9的一端伸出，与排水装置相连；石墨基底层8开设有阴极进气口8.1和阴极出气口8.2(如图7所示)，在多孔碳芯层9上开设有与阴极进气口8.1连通的阴极气体流道9.1，阴极气体流道9.1与阴极扩散层10连通。
如图2~图6所示，排水装置包括壳体7，壳体7的一端开设有入口槽7.4，所述多孔碳芯层9的伸出端插入壳体7内（壳体7上开设有与多孔碳芯层伸出端相适配的插孔），与入口槽7.4相连；壳体7的中部设有主泵腔7.3，主泵腔7.3安设有上盖板2（如图12所示），上盖板2上部开设有与主泵腔7.3相适配的通孔，通孔上覆盖有振动薄膜组件，振动薄膜组件完全覆盖主泵腔7.3的上部，振动薄膜组件通过两个定位销1固定在上盖板2上；所述主泵腔7.3通过单向出口阀片17（如图11所示）与入口槽7.4连通，单向出口阀片17可向主泵腔7.3内翻转打开；壳体7的另一端开设有上部开口的出口泵腔7.2，以及与出口泵腔7.2连通的出口槽7.1，出口泵腔7.2的上部覆盖有用于密封的小隔膜5（小隔膜5通过上盖板2压装；这种组装方式便于单向出口阀片6的安装及壳体7内部结构的检修），所述出口泵腔7.2通过单向出口阀片6与主泵腔7.3连通，单向出口阀片6可向出口泵腔7.2内翻转打开。优选地，入口槽为梯形槽腔（即喷嘴状结构），入口槽的两端分别为入口端和出口端，入口端的尺寸大于出口端的尺寸；入口端与多孔碳芯层9的伸出端相连，出口端与主泵腔7.3相连。
振动薄膜组件包括隔膜4和压电振子3，隔膜4完全覆盖主泵腔7.3的上部；所述压电振子3粘结在隔膜4的上部，压电振子3的动力部分与外接电源相连；压电振子3单侧固定（这种悬臂式固定结构有利于压电振子3带动隔膜4上下振动；压电振子3可不完全覆盖隔膜4），为隔膜4上下振动提供动力；压电振子3包括金属基片3.1和压电陶瓷片3.2，压电陶瓷片3.2的一侧通过金属基片3.1连接固定。
如图8所示，多孔碳芯层9上开有多个平行的阴极气体流道9.1，相邻两个阴极气体流道9.1之间通过肋板9.2间隔，阴极气体流道9.1的入口（也即流道入口9.4）与阴极进气口8.1连通，阴极气体流道9.1的出口（也即流道出口9.3）与阴极扩散层14连通。
排水装置的机理基于微型隔膜泵，均通过隔膜的凹凸运动，隔膜室腔内容积周期性发生变化，实现连续负压吸入和加压排出。本发明的具体工作过程为：阳极反应气体经阳极流道板15进入，阴极反应气体经阴极流道板进入，两种反应气体在阴极催化层11发生化学反应并生成水，水经扩散作用到达阴极扩散层10处和阴极气体流道9.1处，此时多余的水分由多孔碳芯层9的伸出端进入入口槽7.4；外界对压电振子3施加激励，压电陶瓷片3.2在一端固定的情况下发生上下振动，压电陶瓷片3.2向上振动带动隔膜振动时，主泵腔7.3的体积变大，压力减小，在压差作用下，单向入口阀片17打开，将入口槽7.4内的水分吸入主泵腔7.3；压电陶瓷片3.2回到初始位置时，主泵腔7.3内体积和前一段相比减小，压强增大，在压差作用下，单向出口阀片6打开，单向入口阀片17关闭，主泵腔7.3内存储的水分进入出口泵腔7.2，并经出口槽7.1排出。多孔碳芯层9伸出端内水分减少后，多孔碳芯层9其它部分的水分通过扩散流动到多孔碳芯层9的伸出端；排水装置是在扩散效应和压差的双重作用下完成阴极的排水工作。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (8)

1.一种主动排水式燃料电池，其特征在于，包括阳极结构、阴极结构、位于阳极结构和阴极结构之间的质子交换膜，以及排水装置；所述阳极结构包括自上而下依次布置的阳极流道板、阳极扩散层和阳极催化层，阳极催化层与质子交换膜相连；阳极流道板上开设有阳极进气口、阳极出气口，以及与阳极进气口连通的阳极流道，阳极流道与阳极扩散层连通；所述阴极结构包括依次布置的阴极催化层、阴极扩散层和阴极流道板，所述阴极催化层与质子交换膜相连；所述阴极流道板包括多孔碳芯层和石墨基底层，多孔碳芯层的上部与阴极扩散层相连，多孔碳芯层的下部与石墨基底层相连，多孔碳芯层的一端伸出，与排水装置相连；石墨基底层开设有阴极进气口和阴极出气口，在多孔碳芯层上开设有与阴极进气口连通的阴极气体流道，阴极气体流道与阴极扩散层连通。
2.如权利要求1所述的主动排水式燃料电池，其特征在于，所述排水装置包括壳体，壳体的一端开设有入口槽，所述多孔碳芯层的伸出端插入壳体内，与入口槽相连；壳体的中部设有主泵腔，主泵腔安设有上盖板，上盖板上开设有与主泵腔相适配的通孔，通孔上覆盖有振动薄膜组件；所述主泵腔通过单向入口阀片与入口槽连通，单向入口阀片可向主泵腔内翻转打开；壳体的另一端开设有出口泵腔，以及与出口泵腔连通的出口槽，出口泵腔通过单向出口阀片与主泵腔连通，单向出口阀片可向出口泵腔内翻转打开。
3.如权利要求2所述的主动排水式燃料电池，其特征在于，所述入口槽为梯形槽腔，入口槽的两端分别为入口端和出口端，入口端的尺寸大于出口端的尺寸；入口端与多孔碳芯层的伸出端相连，出口端与主泵腔相连。
4.如权利要求2所述的主动排水式燃料电池，其特征在于，所述出口泵腔上部开口，出口泵腔的上部覆盖有用于密封的小隔膜。
5.如权利要求2所述的主动排水式燃料电池，其特征在于，所述振动薄膜组件包括隔膜和压电振子，隔膜完全覆盖主泵腔的上部；所述压电振子粘结在隔膜的上部，压电振子单侧固定；压电振子的动力部分与外接电源相连。
6.如权利要求5所述的主动排水式燃料电池，其特征在于，所述压电振子包括金属基片和压电陶瓷片，压电陶瓷片的一侧通过金属基片连接固定。
7.如权利要求1所述的主动排水式燃料电池，其特征在于，所述多孔碳芯层上开有多个平行的阴极气体流道，相邻两个阴极气体流道之间通过肋板间隔，阴极气体流道的入口与阴极进气口连通，阴极气体流道的出口与阴极扩散层连通。
8.如权利要求1所述的主动排水式燃料电池，其特征在于，在质子交换膜的边沿设有密封垫圈。
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