CN107946610B - 一种燃料电池阳极结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池阳极结构，包括阳极端板和阳极流场板；阳极端板、阳极流场板，以及燃料电池的气体扩散层、催化层和聚合物膜依次平行布置；所述阳极端板上分别开设有端板螺栓孔、端板气体入口、端板水出口、端板气体出口和端板水入口；在阳极流场板上依次对应开设有流场板螺栓孔、流场板气体入口、流场板水出口、流场板气体出口和流场板水入口；所述阳极结构还包括采用亲水性材料制成的连通结构，连通结构的一端面可与阳极流场板上的流场板水入口连通，连通结构的另一端与气体扩散层连通。本发明的有益效果为：连通结构采用亲水性多孔材料，在传递水分加湿聚合物膜的同时，还可以阻挡气体穿过微孔，防止燃料电池阳极流道中的气体通过微孔和沟槽发生泄漏。

Description

一种燃料电池阳极结构
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种可在燃料电池阳极出口闭端工况下进行加热加湿的燃料电池阳极结构。
背景技术
燃料电池是一种将存储在燃料中的化学能转化为电能的发电装置，具有发电效率高，清洁无污染，无噪声以及快速启动等特点，是作为未来可替代能源的最有发展前景的能源装置。由于较高的应用价值，燃料电池在未来将会得到广泛的推广使用。但综合目前的燃料电池发展形势来讲，有关于该种电池的使用成本问题依然是限制其大量推广应用的重用因素，因此，为了降低其使用成本，不但要对燃料电池本身所使用的材料进行改进优化，还要尽可能的节约燃料电池所使用的燃料成本问题。
PEMFC（质子交换膜燃料电池）根据其阳极反应残余燃料是否可再利用方式的不同主要可以分为三种类型：直接流通式、循环利用式以及阳极出口闭端式。阳极出口闭端式与直接流通式和循环利用式相比，燃料电池系统的燃料利用率得到了极大地提高，且阳极出口闭端式电池本身的结构简单，不需要额外的气体循环负载装置，电池的整体体积较小，因此，阳极出口闭端式燃料电池在很大程度上降低成本。
阳极出口闭端式电池为了实现燃料电池阳极侧的良好水管理性能，保持燃料电池的阳极侧既不会出现水淹的现象，也不出现干涸的现象，到目前为止采用较好的方法是在燃料电池工作一段时间后将阳极侧的气体出口打开，排空阳极流场板流道内积累的液态水，这种排水的方式被称作为周期性排水方法。但是这种周期性排水方法对电池的性能产生干扰，周期性排水过程中电池工作性能产生周期性的波动现象，电池工作性能不稳定；而且在周期性排水时也会造成阳极H2泄漏的发生。因此，对阳极出口闭端工况下的燃料电池的周期性排水并非最佳的方法。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种用于燃料电池阳极出口闭端工况下对聚合物膜加热加湿的燃料电池阳极结构。
本发明采用的技术方案为：一种燃料电池阳极结构，包括阳极端板和阳极流场板；阳极端板、阳极流场板，以及燃料电池的气体扩散层、催化层和聚合物膜依次平行布置；所述阳极端板上分别开设有端板螺栓孔、端板气体入口、端板水出口、端板气体出口和端板水入口；在阳极流场板上依次对应开设有流场板螺栓孔、流场板气体入口、流场板水出口、流场板气体出口和流场板水入口；端板气体入口与流场板气体入口连通，端板水出口与流场板水出口连通，端板气体出口与流场板气体出口连通；在阳极流场板的位于气体扩散层侧的板面开设有流道和流道肩，流道的入口与流场板气体入口连通；所述流场板结构还包括采用亲水性材料制成的连通结构，连通结构的一端面可与阳极流场板上的流场板水入口连通，连通结构的另一端穿出阳极流场板，与气体扩散层连通。
按上述方案，所述连通结构与阳极流场板的壁面贴合。
按上述方案，所述流道整体呈蛇形，流道由多个平行排布的单流道相连；相邻两个单流道之间为流道肩。
按上述方案，在阳极流场板位于阳极端板侧的板面上开设有流场板水槽，流场板水槽与阳极流场板的流场板水入口和流场板水出口连通；流场板水槽的底部间隔开设有多个微孔，微孔的一端连通流场板水槽，微孔的另一端连通流道肩沟槽，所述流道肩沟槽位于流道肩上；所述连通结构的一端与流场板水槽相连，连通结构的另一端与流道肩沟槽相连。
按上述方案，所述连通结构包括第一部分、第二部分和第三部分，第一部分为与流场板水槽相适配的基体，基体嵌入流场板水槽内；在基体的表面沿厚度方向延伸多个与微孔相匹配的杆体结构，该杆体结构为连通结构的第二部分；杆体结构的端头与第三部分相连，第三部分与流道肩沟槽相适配，第三部分嵌入流道肩沟槽内。
本发明的有益效果为：
1.本发明所述结构可使燃料电池在正常工作时，阳极出口始终闭合，阳极侧的燃料以恒压力入口的形式通过阳极侧的气体入口进入到阳极流场板的流道中；而在燃料电池的启动运行过程中和停止运行过程中的阳极侧气体出口是打开状态。这种工作模式，在保证燃料电池工作性能稳定的同时，可节约更多的燃料气体，降低燃料电池的使用成本；
2.本发明通过在阳极流场板开设流场板水槽、微孔和流道肩沟槽，并采用亲水性多孔材料填充。当燃料电池阳极出口闭端且电池处于工作状态时，自燃料电池的阳极端板入水口通入一定温度的水，水进入流场板水槽内，对燃料电池进行加热；同时，水通过连通结构（亲水性多孔材料）依次渗入阳极侧的气体扩散层、催化层和聚合物膜中，对燃料电池阳极侧的聚合物膜进行加湿，这种利用水加热方式更加均匀稳定，可有效防止燃料电池在阳极侧始终闭端工况时的聚合物膜发生干涸；
3连通结构采用亲水性多孔材料，在传递水分的同时，还可以阻挡气体穿过微孔，防止燃料电池阳极流道中的气体通过微孔和沟槽发生泄漏；
4这种结构设计形式在不影响流场板性能的同时增强阳极出口闭端工况下的燃料电池的水管理性能，整体结构简单紧凑，实用性强。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的整体示意图。
图2为图1的A-A剖视图。
图3为本实施例中阳极端板的示意图。
图4为本实施例中阳极流场板的正面示意图。
图5为图4的B-B剖视图。
图6为图5中C处放大图。
图7为本实施例中阳极流场板的背面示意图。
图8为本实施例中连通结构的结构示意图。
其中：1、阳极端板；11、端板螺栓孔；12、端板气体入口；13、端板水出口；14、端板气体出口；15、端板水入口；2、阳极流场板；20、流场板螺栓孔；21、流场板气体入口；22、流场板水槽；23、流场板水出口；24、流场板气体出口；25、流场板微孔；26、流场板水入口；27、流道肩沟槽；28、流道肩；29、流道；3、亲水性多孔材料；31、亲水性多孔材料；32、亲水多孔材料；33、亲水多孔材料；4、气体扩散层；5、催化层；6、聚合物膜；7、密封圈。
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和图2所示的一种燃料电池阳极结构，包括阳极端板1和阳极流场板2；阳极端板1、阳极流场板2，以及燃料电池的气体扩散层4、催化层5和聚合物膜6，依次平行布置；在聚合物膜6的外侧设有密封圈7；所述阳极端板1上分别开设有端板螺栓孔11、端板气体入口12、端板水出口13、端板气体出口14、端板水入口15（如图3所示）；如图4~图7所示，在阳极流场板2上依次对应开设有流场板螺栓孔20（与端板螺栓孔11适配，用于与端板螺栓孔2相连）、流场板气体入口21、流场板水出口23、流场板气体出口24和流场板水入口26；端板气体入口12与流场板气体入口21连通，端板水出口13与流场板水出口23连通，端板气体出口14与流场板气体出口24连通。在阳极流场板2的位于气体扩散层4侧的板面（为背面）开设有流道肩28和流道29，流道29的入口与流场板气体入口21连通；流道29整体呈蛇形，由多个平行排布的单流道相连；相邻两个单流道之间为流道肩28；所述流场板结构还包括连通结构3，连通结构3采用亲水性多孔材料制成（比如亲水性多孔聚合物），所述连通结构3的一端面与阳极流场板2的上部相连（可与流场板水入口15连通），连通结构3的另一端穿出阳极流场板2，与气体扩散层4连通。
本实施例中，在阳极流场板2位于阳极端板1侧的板面（为正面）上开设有流场板水槽22，流场板水槽22与阳极流场板2的流场板水入口26和流场板水出口23连通；流场板水槽22的底部间隔开设有多个微孔25（为通孔），微孔25的一端连通流场板水槽22，微孔25的另一端连通流道肩沟槽27，所述流道肩沟槽27位于流道肩28上；所述连通结构3的一端与流场板水槽22相连，连通结构3的另一端与流道肩沟槽27相连。如图8所示，所述连通结构3包括第一部分31、第二部分32和第三部分33，第一部分31为与流场板水槽22相适配的基体，基体嵌入流场板水槽22内；在基体的表面沿厚度方向延伸多个与微孔25相匹配的杆体结构，该杆体结构为第二部分32；杆体结构的端头与第三部分33相连，第三部分33与流道肩沟槽相适配，第三部分33嵌入流道肩沟槽27内。本发明中，所述连通结构3与阳极流道板2的壁面贴合。
本发明的工作原理为：当燃料电池阳极出口闭端且电池处于工作状态时，自燃料电池阳极端板1的端板水入口15通入一定温度的水，水经流场板水入口23进入流场板水槽22内，对燃料电池进行加热；流场板水槽22内的部分水经流场板水出口23和端板水出口13排出，同时，流场板水槽22内的部分水通过连通结构3（亲水性多孔材料）依次渗入阳极侧的气体扩散层4、催化层5和聚合物膜6中，对燃料电池阳极侧的聚合物膜6进行加湿，并最终从燃料电池的阴极侧排出。
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，本发明的种植系统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 (5)

1.一种燃料电池阳极结构，其特征在于，包括阳极端板和阳极流场板；阳极端板、阳极流场板，以及燃料电池的气体扩散层、催化层和聚合物膜依次平行布置；所述阳极端板上分别开设有端板螺栓孔、端板气体入口、端板水出口、端板气体出口和端板水入口；在阳极流场板上依次对应开设有流场板螺栓孔、流场板气体入口、流场板水出口、流场板气体出口和流场板水入口；端板气体入口与流场板气体入口连通，端板水出口与流场板水出口连通，端板气体出口与流场板气体出口连通；在阳极流场板的位于气体扩散层侧的板面开设有流道和流道肩，流道的入口与流场板气体入口连通；所述阳极流场板还包括采用亲水性多孔材料制成的连通结构，连通结构的一端面与阳极流场板上的流场板水入口连通，连通结构的另一端穿出阳极流场板，与气体扩散层连通；在阳极流场板位于阳极端板侧的板面上开设有流场板水槽，流场板水槽与阳极流场板的流场板水入口和流场板水出口连通；所述连通结构的一端与流场板水槽相连，连通结构的另一端与流道肩沟槽相连，所述流道肩沟槽位于相邻两个单流道之间的流道肩上。
2.如权利要求1所述的燃料电池阳极结构，其特征在于，所述连通结构与阳极流场板的壁面贴合。
3.如权利要求1所述的燃料电池阳极结构，其特征在于，所述流道整体呈蛇形，流道由多个平行排布的单流道相连。
4.如权利要求1所述的燃料电池阳极结构，其特征在于，流场板水槽的底部间隔开设有多个微孔，微孔的一端连通流场板水槽，微孔的另一端连通流道肩沟槽。
5.如权利要求4所述的燃料电池阳极结构，其特征在于，所述连通结构包括第一部分、第二部分和第三部分，第一部分为与流场板水槽相适配的基体，基体嵌入流场板水槽内；在基体的表面沿厚度方向延伸多个与微孔相匹配的杆体结构，该杆体结构为连通结构的第二部分；杆体结构的端头与第三部分相连，第三部分与流道肩沟槽相适配，第三部分嵌入流道肩沟槽内。
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