CN110061260A - 一种质子交换燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了一种质子交换燃料电池，包括多个单体电池。单体电池包括阳极板、阴极板以及质子交换膜。阳极板和质子交换膜之间形成氢气通道，阴极板和质子交换膜之间形成氧气通道。阳极板和阴极板相对反转贴合，且在阳极板和阴极板的背面贴合处形式多个空腔，以形成供冷却剂流通的冷却剂通道。在阳极板以及阴极板上设置有多个相互平行布置的流通。在各流道的底部、沿其长度方向设置有多个交错布置的压形扰流凸起。这样一来，可使得氢气、燃气以及冷却剂在流动过程中进行上下翻滚，从而促使各自的流动状态由层流转化了紊流，从而提高了流体燃料的反应速度以及充分性，另外，还增强了冷却剂的作用效果，从而降低了电池在产电过程中的温升速度。

Description

一种质子交换燃料电池
技术领域
本发明涉及动力电池制造技术领域，尤其是一种质子交换燃料电池。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极板、阴极板和质子交换膜组成，阳极板为氢燃料发生氧化的场所，阴极板为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为传递H+的介质，只允许H+通过，而H2失去的电子则从导线通过。
上述阳极板、阴极板以及质子交换膜三者之间相互扣合以形成氢气通道、氧气通道和冷却剂通道，上述三种通道的具体形状结构以及走向对电池的产电效率有着至关重要的影响。为此，中国发明专利 CN107834086A公开了一种燃料电池双极板(如图1、2中所示)，反应流场设计采用了漩涡式流道设计，每条反应流道从双极板一端的阳极反应物进口或阴极反应物进口处沿长度方向延伸，至双极板另一端后向宽度方向转向再延伸，再向长度方向转向再延伸，如此历经多次转向后，沿长度方向延伸至双极板的一端或另一端的阳极反应物出口或阴极反应物出口，多条反应流道构成漩涡式反应流场。此技术方案虽说在一定程度上提升了流体燃料在双极板反应流场的分布均匀性，提升了电池产电效率。然而，流体燃料在流动过程中始终处于层流状态，从而在一定程度上影响了流体燃料的反应速度以及反应充分性，另外还影响了冷却剂的热交换效率，因而上述技术方案对电池产电效率的提升极为有限。因而，亟待技术人员解决上述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构设计简单，使得流体燃料反应速度快，且反应较为充分的质子交换燃料电池。
为了解决上述技术问题，本发明涉及了一种质子交换燃料电池，包括多个相互连接的单体电池。单体电池包括阳极板、阴极板以及设置于该阳极板和阴极板之间的质子交换膜。阳极板通过导线并联连接于电池的负极，阴极板通过导线并联连接于电池的正极。阳极板和质子交换膜之间形成氢气通道，阴极板和质子交换膜之间形成氧气通道。在阳极板上设置有氢气进口和氢气出口。在阴极板上设置有氧气进口和氧气出口。阳极板和阴极板相对反转贴合，且在上述阳极板和阴极板的背面贴合处形式多个空腔，以形成供冷却剂流通的冷却剂通道。在阳极板以及阴极板上设置有多个相互平行布置的流道。在各流道的底部、沿其长度方向设置有多个交错布置的压形扰流凸起。
作为上述技术方案的进一步改进，上述流道的截面形状呈梯形，且其包括脊顶与谷底。脊顶相对于谷底呈180°中心对称设计。
作为上述技术方案的更进一步改进，扰流凸起呈矩形，且其长度不小于2mm，宽度不小于0.5mm。
作为上述技术方案的更进一步改进，阳极板和阴极板均由不锈钢钢板冲压而成。
作为上述技术方案的更进一步改进，阳极板和阴极板的厚度均设置为0.02-0.3mm。上述压形扰流凸起的深度控制在1/3-1/2阳极板或阴极板的厚度，且不小于0.05mm。
作为上述技术方案的更进一步改进，在阳极板和阴极板的表面均设置有石墨浸渍层或金属镀层。
当然，作为上述技术方案的另一种改型，上述阳极板上、相对于质子交换膜的一侧以及阴极板上、相对于质子交换膜的一侧均设置有铂碳催化剂层。
相较于传统设计结构的质子交换燃料电池，在本发明所公开的技术方案中，在流道的底部增设了扰流凸起，从而使得流体燃料(即氢气和燃气)以及冷却剂在流动过程中进行上下翻滚，从而促使各自的流动状态由层流转化了紊流，形成立体流场，从而提高了流体燃料的反应速度以及反应充分性，提高了燃料电池的产电效率，另外，通过该技术方案的实施，还大大地增强了冷却剂的作用效果，从而进一步的降低了电池在产电过程中的温升速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中质子交换燃料电池的双极板的正面结构示意图。
图2是现有技术中质子交换燃料电池的双极板的背面结构示意图。
图3是本发明中质子交换燃料电池的结构示意图。
图4是本发明中质子交换燃料电池的工作原理图。
图5是本发明质子交换燃料电池中阳极板的立体示意图。
图6是图5的I局部放大图。
图7是图5的正视图。
图8是本发明质子交换燃料电池中H2沿双极板的扩散示意图。
图9是本发明质子交换燃料电池中O2沿双极板的扩散示意图。
图10是本发明质子交换燃料电池中H2O沿双极板的扩散示意图。
1-单体电池；11-阳极板；111-流道；1111-脊顶；1112-谷底；112- 压形扰流凸起；12-阴极板；13-质子交换膜。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明作进一步说明。
图3示出了本发明中质子交换燃料电池的结构示意图，其由多个相互连接的单体电池1所构成。单体电池1主要由阳极板11、阴极板12 以及质子交换膜13等几部分构成，其中，阳极板11和阴极板12是燃料发生氧化反应与氧化剂发生还原反应的电化学反应场所，其性能的好坏关键在于触媒的性能、电极的材料与电极的制程等。质子交换膜13设置于上述阳极板11和阴极板12之间，且阳极板11通过导线并联连接于电池的负极，阴极板12通过导线并联连接于电池的正极。阳极板11和质子交换膜13之间形成氢气通道，阴极板12和质子交换膜13之间形成氧气通道(如图4中所示)。在阳极板11上设置有氢气进口和氢气出口。在阴极板12上设置有氧气进口和氧气出口。阳极板11和阴极板12相对反转贴合，且在上述阳极板11和阴极板12的背面贴合处形式多个空腔，以形成供冷却剂流通的冷却剂通道。为了提高燃料电池的产电效率，需对上述的阳极板11和阴极板12进行相应结构改型，在进行正式详细叙述前，进行如下说明：本发明所公开的燃料电池双极板可以用作阳极板，也可以作用阴极板。出于叙述的方便性考虑，以下实施例中以阳极板为例进行说明。在阳极板11上设置有多个相互平行布置的流道111，且在各流道111的底部、沿其长度方向设置有多个交错布置的压形扰流凸起 112(如图5、7中所示)。这样一来，从而使得流体燃料(即氢气和燃气) 在流动过程中进行上下翻滚(如图8、9中所示)，从而促使各自的流动状态由层流转化了紊流，形成立体流场，从而提高了流体燃料的反应速度以及反应充分性，提高了燃料电池的产电效率，
另外，通过该技术方案的实施，冷却剂在流动过程中亦进行上下翻滚(如图10中所示)，以利于其流动状态由层流转化了紊流，从而大大地增强了冷却剂的作用效果，进一步的降低了电池在产电过程中的温升速度，提高其持续工作时间。
上述质子交换燃料电池的工作原理如下：氢氧燃料电池以氢气作燃料为还原剂，氧气作氧化剂，通过燃料的燃烧反应，将化学能转变为电能的电池。氢氧燃料电池反应原理这个反应是电解水的逆过程。电极应为：负极：H2+2OH-→2H2O+2e-
正极：1/2O2+H2O+2e-→2OH-
电池反应：H2+1/2O2＝＝H2O
在此需要说明的是，质子交换膜13的主要功能在分隔氧气与氢气，并传导离子，理论上质子交换膜13越薄越好，但亦需顾及强度，就现阶段的技术而言，其一般厚度约在数十毫米至数百毫米；至于材质，目前主要朝两个发展方向，其一是先以石棉(Asbestos)膜、碳化硅SiC膜、铝酸锂(LiAlO3)膜等绝缘材料制成多孔隔膜，再浸入熔融锂－钾碳酸盐、氢氧化钾与磷酸等中，使其附着在隔膜孔内，另一则是采用全氟磺酸树脂(例如PEMFC)及YSZ(例如SOFC)。
作为上述质子交换燃料电池的进一步优化，流道111的截面形状呈梯形，且其包括脊顶1111与谷底1112。脊顶1111相对于谷底1112呈 180°中心对称设计(如图6中所示)。阴极板12和阳极板11装配完成后，以形成对称流道，且确保两者脊顶1111的相对而置，不但有效地提高了燃料电池的支撑强度，还有利于冷却剂腔体的形成。
出于冲压成型的工艺可行性方面考虑，上述压形扰流凸起112亦设置为矩形，且其长度不小于2mm，宽度不小于0.5mm。
再者，上述阳极板11和阴极板12均由不锈钢钢板冲压而成，从而大大地提高其自身的耐腐蚀性，延长了燃料电池的使用寿命。
再者，根据现有的冲压成型设备制造能力，上述阳极板11和阴极板 12的厚度一般设置为0.02-0.3mm。上述压形扰流凸起112的深度控制在 1/3-1/2阳极板11或阴极板12的厚度，且不小于0.05mm。
当然，在不考虑制造成本，仅考虑使用寿命以及产电效率的方面考虑，上述阳极板11和阴极板12亦可由钛合金进行冲压成型。由于钛合金具有优良的冲压延展性，因而便于压形扰流凸起112的成型，有效地杜绝了冲压裂纹的发生。
为了提高阳极板11和阴极板12相对于质子交换膜13的电化学反应速率，还可以作如下设置：上述阳极板11上、相对于质子交换膜13的一侧以及阴极板12上、相对于质子交换膜13的一侧均设置有铂碳催化剂层(图中未示出)。铂碳催化剂层是一种以金属铂为主要活性组分制成的催化剂的总称。采用铂金属网、铂黑、或把铂载于氧化铝等载体上，也可含有金属铼等助催化剂组分。铂碳催化剂层可以吸附氢气，降低它的活化能，从而催化氢气和氧气的反应，提高燃料电池在低温下的产电效率。
当然，出于相同目的考虑，亦可以在阳极板11和阴极板12的表面均设置有石墨浸渍层或金属镀层(图中未示出)。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种质子交换燃料电池，包括多个相互连接的单体电池；所述单体电池包括阳极板、阴极板以及设置于所述阳极板和所述阴极板之间的质子交换膜；所述阳极板通过导线并联连接于电池的负极，所述阴极板通过导线并联连接于电池的正极；所述阳极板和所述质子交换膜之间形成氢气通道，所述阴极板和所述质子交换膜之间形成氧气通道；在所述阳极板上设置有氢气进口和氢气出口；在所述阴极板上设置有氧气进口和氧气出口；所述阳极板和所述阴极板相对反转贴合，且在所述阳极板和所述阴极板背面贴合处形式多个空腔，以形成供冷却剂流通的冷却剂通道，其特征在于，在所述阳极板以及所述阴极板上设置有多个相互平行布置的流道；在各所述流道的底部、沿其长度方向设置有多个交错布置的压形扰流凸起。
2.根据权利要求1所述的质子交换燃料电池，其特征在于，所述流道的截面形状呈梯形，且其包括脊顶与谷底；所述脊顶相对于所述谷底呈180°中心对称设计。
3.根据权利要求2中任一项所述的质子交换燃料电池，其特征在于，所述扰流凸起呈矩形，且其长度不小于2mm，宽度不小于0.5mm。
4.根据权利要求3所述的质子交换燃料电池，其特征在于，所述阳极板和所述阴极板均由不锈钢钢板冲压而成。
5.根据权利要求4所述的质子交换燃料电池，其特征在于，所述阳极板和所述阴极板的厚度均设置为0.02-0.3mm；所述压形扰流凸起的深度控制在1/3-1/2所述阳极板或所述阴极板的厚度，且不小于0.05mm。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的质子交换燃料电池，其特征在于，在所述阳极板和所述阴极板的表面均设置有石墨浸渍层或金属镀层。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的质子交换燃料电池，其特征在于，所述阳极板上、相对于所述质子交换膜的一侧以及所述阴极板上、相对于所述质子交换膜的一侧均设置有铂碳催化剂层。
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