CN106848329A - 一种氢燃料电池双极板结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氢燃料电池双极板结构，由氢气单极板、氧气单极板和位于两极板之间的膜电极构成电池单元，所述电池单元的氢气单极板与膜电极的一侧形成氢气腔，所述氢气腔的两端分别是氢气入口和氢气出口，氧气单极板与膜电极的另一侧形成空气腔，所述空气腔的两端分别是空气入口和空气出口；所述氢气入口的截面积大于氢气出口的截面积，所述空气入口的截面积大于或等于空气出口的截面积，且所述氢气入口的氢气导入量大于其反应当量。本发明将氢气腔的进气口截面积设计为大于其出气口的截面积，氧气腔的进气口截面积设计为大于或等于其出气口的截面积，并增加氢气的导入量，使得过氧反应变为过氢反应，从而提高膜电极催化剂的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及氢燃料电池领域，特别是涉及到一种氢燃料电池双极板结构。
背景技术
燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，产生电流。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上不能“储电”而是一个“发电厂”，需要电极和电解质以及氧化还原反应才能发电。燃料电池是把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应，反应物不断输入，反应产物不断产生，燃料电池连续地发电。以氢-氧燃料电池为例：
氢-氧燃料电池反应原理这个反应是电解水的逆过程，电极为：
燃料极：H2＝＝2H++2e-(1)
空气极：2H++1/2O2+2e-＝＝H2O(2)
全体：H2+1/2O2＝＝H2O(3)
燃料电池的优势在于，目前的科技手段中，尚没有一项能源生成技术能如燃料电池一样将诸多优点集合于一身。它只排放水，完全没有污染，可以广泛应用于固定式电站和移动式发电装置，如海陆空等交通、运输行业，特别是汽车，非常能发挥其优势，受到各国政府的重视、支持。
但是，燃料电池产业化导入阶段中，转化效率尚待进一步提高，使用寿命延长、降低成本等成为诸多迫切急需解决的问题。燃料电池的研发、生产集聚多学科、多领域的尖端技术，任何在转化效率、使用寿命和降低成本方面的改进，都具有很大的经济价值和社会效益。
发明内容
本发明的目的是要提供一种能够提高性能、延长使用寿命的氢燃料电池双极板结构。
本发明的目的是由如下方案来实现的：
一种氢燃料电池双极板结构，由氢气单极板、氧气单极板和位于两极板之间的膜电极构成电池单元，
所述电池单元的氢气单极板与膜电极的一侧形成氢气腔，所述氢气腔的两端分别是氢气入口和氢气出口，氧气单极板与膜电极的另一侧形成空气腔，所述空气腔的两端分别是空气入口和空气出口；
所述氢气入口的截面积大于氢气出口的截面积，所述空气入口的截面积大于或等于空气出口的截面积，
所述氢气入口的氢气导入量大于其反应当量。
进一步的，所述氢气1.5—2.5个当量对应1个氧气当量。
进一步的，所述氢气出口的截面积不小于氢气入口的截面积的1/4。
进一步的，所述空气出、入口和氢气出、入口的截面积的改变采用改变出入口宽度的方式。
采用本发明所述结构的氢燃料电池，其氢气入口的截面积大于氢气出口的截面积，空气入口的截面积大于空气出口的截面积，同时增加氢气的导入量，使其导入量大于其反应当量，反应剩余的氢气会通过氢气出口循环使用，减小氢燃料电池气体进出口的压差，增加氢气腔内气体浓度的均匀性，增加氢燃料电池的性能，延长膜电极的寿命。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.充分利用了膜电极催化剂，提高了氢燃料电池的发电效率。
2.平衡了氢气出口处附近的膜电极受到的两侧压力，提高了膜电极的使用寿命、进而提高了氢燃料电池的使用寿命，也即降低了氢燃料电池的成本。
附图说明
图1为氢燃料电池双极板的部分截面示意图；
图2为现有技术双极板的结构示意图；
图3为本发明双极板的结构示意图。
图4为现有技术的氢燃料电池的反应公式。
图5为本发明所述的氢燃料电池的反应公式。
图6为本发明所述的电池单元的结构示意图。
图7为本发明所述的实施例1的压力梯度示意图。
图8为本发明所述的实施例2的压力梯度示意图。
图中：a1是氢气入口、a2氢气出口、a3是空气入口、a4是空气出口、c1是氢气单极板、c2是膜电极、c3是氧气单极板、b1是氢气入口、b2是氢气出口，b3是空气入口、b4是空气出口、d1是氢气腔、d2是空气腔。
具体实施方式
以下结合附图进一步详细说明本发明的结构。
参见图2，传统的氢燃料电池本体主要由氢气单极板c1、氧气单极板c3和膜电极c2组成，氢气和空气分别从氢气单极板的氢气入口a1和氧气单极板的空气入口a3流入，且分别流经膜电极的两侧，在膜电极催化剂的作用下，氢气分子失去电子，被氧化为氢气质子，并穿过质子膜与空气中的氧分子进行反应，生成对应的氧化物。在上述反应过程中，氧气单极板和氢气单极板之间产生电压，负载与电池形成闭环后产生电流。
出于成本方面的考量，传统氢燃料电池使用时都会导入足量或过量的空气，根据空气中含有的氧气与氢气的反应当量，在该种情况下氢气在氢气出口a2处附近接近全部消耗，氢气单极板c1一侧给予膜电极的压力会降低，因此此处膜电极受到的氧气单极板c3一侧的压力和受到的氢气单极板c1一侧的压力差值会增大，膜电极会被逐渐压向氢气单极板一侧，从而影响该处的膜电极催化剂的催化作用，并影响氢燃料电池发电。
参见图1、图3和图6，本发明所述的一种氢燃料电池双极板气体出入口的非对称结构，由氢气单极板、氧气单极板和位于两极板之间的膜电极构成电池单元，
所述电池单元的氢气单极板与膜电极的一侧形成氢气腔d1，所述氢气腔的两端分别是氢气入口和氢气出口，氧气单极板与膜电极的另一侧形成空气腔d2，所述空气腔的两端分别是空气入口和空气出口；
由如图4所示的氢燃料电池的反应公式可知，在完全反应的情况下，空气含有的氧气会在空气出口b4处附近接近完全消耗，空气的体积约为原有的80％(假设此处导入的空气中氧气的占比为20％)。由以上可知，空气出口b1的宽度和截面积在变为原先的4/5的情况下，即可满足需求。
实施例1
本发明通过将原先空气出口a4的截面积减小，并将减小的这部分截面积增加到原先氢气入口a1处，在没有改变氢气单极板c1和氧气单极板c3总体尺寸的前提下，得到了具有新的截面积的空气出口b4和氢气入口b1。在本实施例中，通过改变空气出口a4和氢气入口a1的宽度实现改变截面积。
此时，所述氢气入口b1的截面积大于氢气出口b2的截面积，所述空气入口b3的截面积大于空气出口b4的截面积。
由于氢气入口b1的截面积增大，单位时间内氢气的流入量也增大，同时通过增大氢气泵的功率，使得氢气的导入量大于其反应当量，将原先氢燃料电池的过氧反应改变为过氢反应。
参见图5，在过氢反应的条件下，氢气出口b2处则会有较多的剩余，并通过氢气出口排出。此处膜电极受到的氧气单极板c3侧压力和受到的氢气单极板c1侧压力的差值较小，从而有效的减轻了膜电极的偏移现象，提高了膜电极催化剂的利用率，充分发挥了氢燃料电池的发电能力。
实施例2
本发明在保持原先空气出口a4截面积不变的前提下，仅通过增加氢气入口b1的宽度来增加其截面积。
此时，此时，所述氢气入口b1的截面积大于氢气出口b2的截面积，所述空气入口b3的截面积等于空气出口b4的截面积。
由于氢气入口b1的截面积增大，单位时间内氢气的流入量也增大，同时通过增大氢气泵的功率，使得氢气的导入量大于其反应当量，将原先氢燃料电池的过氧反应改变为过氢反应。
参见图5，在过氢反应的条件下，氢气出口b2处则会有较多的剩余，并通过氢气出口排出。此处膜电极受到的氧气单极板c3侧压力和受到的氢气单极板c1侧压力的差值较小，从而有效的减轻了膜电极的偏移现象，提高了膜电极催化剂的利用率，充分发挥了氢燃料电池的发电能力。
参见图7和图8，采用实施例1和实施例2方案的氢燃料电池，与传统氢燃料电池相比，其膜电极两侧受到的压力梯度曲线有了明显的改善。
Claims (4)
1.一种氢燃料电池双极板结构，由氢气单极板、氧气单极板和位于两极板之间的膜电极构成电池单元，
所述电池单元的氢气单极板与膜电极的一侧形成氢气腔，所述氢气腔的两端分别是氢气入口和氢气出口，氧气单极板与膜电极的另一侧形成空气腔，所述空气腔的两端分别是空气入口和空气出口；
其特征在于：
所述氢气入口的截面积大于氢气出口的截面积，所述空气入口的截面积大于或等于空气出口的截面积，
所述氢气入口的氢气导入量大于其反应当量。
2.根据权利要求1所述氢燃料电池双极板结构，其特征在于：所述氢气1.5—2.5个当量对应1个氧气当量。
3.根据权利要求1所述氢燃料电池双极板结构，其特征在于：所述氢气出口的截面积不小于氢气入口的截面积的1/4。
4.根据权利要求1所述氢燃料电池双极板结构，其特征在于：所述空气出入口和氢气出、入口的截面积的改变采用改变出入口宽度的方式。
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