CN111082092A - 一种测试用质子交换膜燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测试用质子交换膜燃料电池，涉及燃料电池技术领域。本发明提供的测试用质子交换膜燃料电池，包括上端板1、阴极板10、膜电极11、隔板6、阳极板12和下端板4，所述隔板6贴合在所述上端板1和下端板4之间，所述隔板设置有台阶孔9、气体分散区8和导电槽7；所述台阶孔9内依次贴合并封装阴极板10、膜电极11和阳极板12，所述上端板1与阴极板10直接接触，所述阳极板12与下端板4直接接触；所述膜电极11与所述台阶孔9的台阶端面92密封连接。本发明增加隔板结构，起到密封框作用，解决了测试用燃料电池双极板的密封问题；在隔板上设置气体分散区，促使气体均匀分布；通过导电槽板解决了电池引流的问题。

Description

一种测试用质子交换膜燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种测试用质子交换膜燃料电池。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)的结构包括端板、膜电极、流场板和集流板，所述膜电极包括气体扩散层、质子交换膜和催化层。其中流场板提供燃料和氧化剂流通的通道，集流板收集电子，通常由石墨或金属制成，是电极与外电路之间的电流通道。目前应用最广泛的电池结构是将流场板与集流板合二为一制成双极板，兼做反应气体流场通道和电流通道。
目前，装配PEMFC单电池时，为了保证气密性，板框式双极板的边缘设计有密封槽，配合密封圈将膜电极封装在阴极板和阳极板之间，外侧用端板进行压紧。双极板上加工出气体进出口、气体分散区以及气体反应区。反应气体从气体入口进入反应区，而且为了保证气体分散均匀，在进气口处设计气体分散区，增加了双极板设计加工难度。
中国发明专利CN105609803A公布了一种四合一电极燃料电池及其制备方法，包括贴合并起固定作用的上端板和下端板，上端板和下端板之间设置有相贴合的四合一阳极和四合一阴极，其中四合一阳极与上端板相扣合，四合一阴极与下端板相扣合，且四合一阳极和四合一阴极之间设置有阳离子交换膜，其反应气体入口在端板上呈对角线分布。然而，这种电池结构中，四合一电极和阳离子交换膜之间的密封性是通过施加外力进行压紧，密封效果差。而且反应气体只能从电极端面上进入反应区，气体分散不均匀，电池反应效率降低，电池性能测试困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测试用质子交换膜燃料电池，该燃料电池的密封性好，气体分散均匀，燃料电池结构拆卸方便，可以重复使用。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种测试用质子交换膜燃料电池，包括上端板1、阴极板10、膜电极11、隔板6、阳极板12和下端板4，所述隔板6贴合在所述上端板1和下端板4之间，所述隔板6设置有台阶孔9、气体分散区8和导电槽7；所述台阶孔9内依次贴合并封装阴极板10、膜电极11和阳极板12，所述上端板1与阴极板10直接接触，所述阳极板12与下端板4直接接触；所述膜电极11与所述台阶孔9的台阶端面92密封连接。
优选的，所述台阶孔9为变孔径的矩形孔，包括台阶孔顶部91和台阶孔底部93，所述台阶孔9的孔径缩小处的环形平面为台阶端面92，所述膜电极11贴合于所述台阶端面92上，所述阴极板10扣合进台阶孔顶部91，使阴极板10的内端面与膜电极11贴合，且阴极板10的外端面与上端板1的内端面平齐；所述阳极板12扣合进所述台阶孔底部93，使所述阳极板12的内端面与膜电极11贴合，且阳极板12的外端面与隔板6的外端面平齐。
优选的，所述上端板1、下端板4和隔板6的材质为聚碳酸酯、有机玻璃或亚克力板。
优选的，所述隔板6为双面加工结构，所述隔板6的每侧端面上设置两个对称的气体分散区8，所述气体分散区8的顶角部位做圆角过渡并分别与同侧上端板1或下端板4的气体进出口对应，所述气体分散区8的底边与所述台阶孔9的边缘连通，所述气体分散区8的深度分别与同侧阳极板12或阴极板10的厚度相同。
优选的，所述导电槽7设置于所述隔板6同侧的两个气体分散区的对称轴线上，所述导电槽7与台阶孔连通，所述导电槽7的深度与同侧阳极板12或阴极板10的厚度相同。
优选的，还包括紧固螺栓14、密封圈和导电板15。
优选的，所述上端板1和下端板4的端面上对称分布有反应气体进气口和反应气体出气口。
优选的，所述上端板1通过密封圈与台阶孔顶部91和膜电极11形成密封氧化剂气体反应腔体；所述下端板4通过密封圈与台阶孔底部93和膜电极11形成燃料气体的反应腔体。
优选的，所述上端板1、下端板4和隔板6的四个顶角的相同位置处均设有装配孔，所述紧固螺栓14贯穿所述装配孔内部。
本发明提供了一种测试用质子交换膜燃料电池，包括上端板1、阴极板10、膜电极11、隔板6、阳极板12和下端板4，所述隔板6贴合在所述上端板1和下端板4之间，所述隔板设置有台阶孔9、气体分散区8和导电槽7；所述台阶孔9内依次贴合并封装阴极板10、膜电极11和阳极板12，所述上端板1与阴极板10直接接触，所述阳极板12与下端板4直接接触；所述膜电极11与所述台阶孔9的台阶端面92密封连接。
本发明在测试用质子交换膜燃料电池的上端板和下端板之间设计隔板，而隔板的空腔位置设计成台阶孔，所述膜电极与所述台阶孔的台阶端面密封连接，能够将台阶孔分为不同的腔体，上端板、台阶孔较大孔径一侧与膜电极构成密封的氧化剂气体反应腔体，下端板、台阶孔较小孔径一侧与膜电极构成燃料气体的反应腔体，反应气体只能从上端板或者下端板上的反应气体进出口出入。这种单电池结构既可以使得膜电极分隔氧化剂气体和燃料气体，又可以满足电池密封性的要求。
本发明通过在燃料电池中增加隔板结构，起到了密封框的作用，解决了测试用全通孔金属纤维烧结体燃料电池双极板的密封问题；通过在隔板上加工气体分散区结构，促使气体均匀分布；通过导电槽板结构的设计解决了电池引流的问题。本发明提供的组装式测试用燃料电池结构拆卸方便，可以重复使用。
附图说明
图1为本发明所述测试用质子交换膜燃料电池的上端板轴测图；
图2为本发明所述测试用质子交换膜燃料电池的下端板轴测图；
图3为本发明所述测试用质子交换膜燃料电池的隔板轴测图(包括俯视图和仰视图)；
图4为本发明所述测试用质子交换膜燃料电池的完整结构爆炸视图；
图5为本发明所述测试用质子交换膜燃料电池的电池结构剖视图；
图6为极板和导电板一体化部件；
其中：1-上端板，2-密封槽，3-氧化剂气体进出口，4-下端板，5-燃料气体进出口，6-隔板，7-导电槽，8-气体分散区，9-台阶孔，91-台阶孔顶部，92-台阶端面，93-台阶孔底部，10-阴极板，11-膜电极，12-阳极板，13-装配孔，14-紧固螺栓，15-导电板。
具体实施方式
本发明提供了一种测试用质子交换膜燃料电池，包括上端板1、阴极板10、膜电极11、隔板6、阳极板12和下端板4，所述隔板6贴合在所述上端板1和下端板4之间，所述隔板6设置有台阶孔9、气体分散区8和导电槽7；所述台阶孔9内依次贴合并封装阴极板10、膜电极11和阳极板12，所述上端板1与阴极板10直接接触，所述阳极板12与下端板4直接接触；所述膜电极11与所述台阶孔9的台阶端面92密封连接。
在本发明中，若无特殊说明，所需材料或部件均为本领域技术人员熟知的市售商品。
如图1和图2所示，本发明提供的测试用质子交换膜燃料电池包括上端板1和下端板4(统称为端板)，作为本发明的一个实施例，所述上端板1和下端板4的形状和尺寸相同，所述上端板1和下端板4的尺寸均优选为160mm×160mm，厚度均优选为10～20mm。作为本发明的一个实施例，所述上端板1和下端板4的端面上对称分布有反应气体进气口和反应气体出气口，具体的，所述上端板1设有氧化剂气体进出口3，所述氧化剂气体进出口3的直径优选为5～8mm，所述氧化剂气体进出口3优选为贯通的螺纹孔，所述氧化剂气体进出口3可作为进气口或出气口，所述氧化剂气体优选为氧气或者空气。本发明对所述反应气体进气口和反应气体出气口的位置没有特殊的限定，按照本领域熟知的位置设置即可。作为本发明的一个实施例，所述下端板4上设有燃料气体进出口5，所述燃料气体进出口5的直径优选为5～8mm，所述燃料气体进出口5优选为贯通的螺纹孔，所述燃料气体进出口5可作为进气口或出气口，所述燃料气体优选为氢气。作为本发明的一个实施例，所述上端板1和下端板4上设有密封槽2，所述密封槽2优选填充高弹硅胶密封圈，将端板与隔板装配后能够起到密封气体的作用。
如图3所示，本发明提供的测试用质子交换膜燃料电池包括隔板6，所述隔板6贴合在所述上端板1和下端板4之间。在本发明中，所述隔板6设置有台阶孔9、气体分散区8和导电槽7，所述台阶孔9内依次贴合并封装阴极板10、膜电极11和阳极板12，所述上端板1与阴极板10直接接触，所述阳极板12与下端板4直接接触；所述膜电极11与所述台阶孔的台阶端面92密封连接，电池具体结构示意图如图4所示。在本发明中，所述上端板1、下端板4和隔板6构成测试用燃料电池的结构骨架；所述阴极板10、膜电极11和阳极板12构成测试用燃料电池的核心反应区；所述阴极板10和阳极板12统称为极板。在本发明中，所述膜电极11的两侧端面与阴极板10和阳极板12完全贴合，能够减小接触电阻，提高反应效率。
在本发明的实施例中，所述隔板的尺寸优选为160mm×160mm，厚度优选为5～10mm。
在本发明中，所述上端板1或下端板2与所述隔板6装配时的连接方式优选为密封圈连接或密封胶粘接，所述密封圈优选为高弹硅胶密封圈；采用密封圈连接便于拆卸，采用密封胶粘结的密封效果良好。在本发明中，所述密封圈设置于所述台阶孔9和气体分散区8的外围。
如图5所示，作为本发明的一个实施例，所述台阶孔9为变孔径的矩形孔，所述台阶孔9包括台阶孔顶部91和台阶孔底部93，所述台阶孔顶部91的横截面尺寸为60mm×60mm，孔深度为1.1～2.1mm，所述台阶孔底部93的横截面尺寸为50mm×50mm，孔深度为0.5～1.5mm，所述台阶孔9的孔径缩小处的环形平面为台阶端面92，所形成的台阶端面92为宽度5mm的环形圈。
在本发明中，所述台阶孔顶部91的轮廓尺寸优选与所述膜电极11和阴极板10的尺寸相同，所述台阶孔顶部91的深度为所述膜电极11和阴极板10的厚度之和，能够保证将膜电极11和阴极板10封装在台阶孔时阴极板10的外侧端面与隔板6的外侧端面平齐。在本发明中，所述台阶孔底部93的轮廓尺寸与阳极板12相同，所述台阶孔底部93的深度优选与阳极板12的厚度相同，保证阳极板正好放入台阶孔内且二者外端面平齐，且阳极板12的内端面与台阶端面平齐。
作为本发明的一个实施例，所述膜电极11贴合于所述台阶端面上，所述阴极板10扣合进台阶孔顶部91处，使阴极板的内端面与膜电极11贴合，且阴极板10的外端面与上端板1的内端面平齐；所述阳极板12扣合进所述台阶孔底部93里，使所述阳极板12的内端面与膜电极11贴合，且阳极板12的外端面与隔板6的外端面平齐。在本发明中，进行单电池装配时，具体是将膜电极11粘贴在台阶端面上，随后将阴极板10扣合在台阶孔顶部91内，其内端面紧贴膜电极11，另一端面与隔板6外端面平齐，将阳极板12扣合在台阶孔底部93内，其内端面紧贴膜电极11，另一端面与隔板6外端面平齐。
在本发明中，所述上端板1通过密封圈与台阶孔9的台阶孔顶部91和膜电极11形成密封氧化剂气体反应腔体；所述下端板4通过密封圈与台阶孔9的台阶孔底部93和膜电极11形成燃料气体的反应腔体。燃料气体从端板上的气体进气口5进入反应腔体，在膜电极11上经过催化剂作用，其中的反应产物质子(H2分解产物)透过膜电极11(质子交换膜)到达氧化剂气体反应腔体，与其中生成的反应产物氧离子结合生成水，完成反应全过程。
作为本发明的一个实施例，所述膜电极11与所述台阶端面密封连接，从而将台阶孔9的台阶孔顶部91和台阶孔底部93完全分隔，能够保证氧化剂气体和燃料气体完全分隔开，使得反应气体不能从一侧进去另一侧(但是分解后生成的质子可以透过膜电极)。在本发明中，所述密封连接的方式优选为耐高温硅胶粘接。
作为本发明的一个实施例，所述膜电极11的尺寸为60mm×60mm×0.6mm；所述膜电极11优选为五合一复合部件，中间为质子交换膜，与所述质子交换膜相邻对称分布有催化剂层，与催化层相邻的对称分布有碳纸层。本发明对所述催化剂层和碳纸层的材料没有特殊的限定，选用本领域熟知的相应材料即可。在本发明中，所述阴极板10的尺寸为60mm×60mm×(0.5～1.5)mm；所述阳极板12的尺寸为50mm×50mm×(0.5～1.5)mm，所述阴极板10和阳极板12的厚度独立优选为0.5～1.5mm。在本发明中，所述阴极板10和阳极板12的材料优选为金属纤维毡，或者，所述阴极板10和阳极板12优选为脊-槽式双极板。在本发明中，所述阴极板(或阳极板)的作用是使反应气体分散均匀同时收集反应生成的电流，阴极板还能够将反应生成的水排出。在本发明中，所述阴极板10或者阳极板12优选为冲压成形的板框式金属双极板或全通孔金属纤维烧结体燃料电池双极板。
作为本发明的一个实施例，所述隔板6为双面加工结构，所述隔板6的每侧端面上设置两个对称的气体分散区8，所述气体分散区8的顶角部位做圆角过渡并分别与同侧上端板1或下端板4的气体进出口对应，所述气体分散区8的底边与所述台阶孔9的边缘连通，所述气体分散区8的深度分别与同侧阳极板12或阴极板10的厚度相同。在本发明中，所述气体进出口即为氧化剂气体进出口3或燃料气体进出口5。作为本发明的一个实施例，所述气体分散区的形状为三角形。本发明通过设置气体分散区8能够使得反应气体从气体进出口进入后通过气体分散区8均匀扩散到阳极板12或阴极板10。
作为本发明的一个实施例，所述导电槽7设置于所述隔板6同侧的两个气体分散区的对称轴线上，所述导电槽7与台阶孔9连通，所述导电槽7的深度与同侧阳极板12或阴极板10的厚度相同。作为本发明的一个实施例，所述导电槽7为“T”型导电槽。在本发明中，由于隔板6为双面加工结构，所述隔板6的另一侧端面同样分布有两个气体分散区和一个导电槽，分布位置旋转90°。
如图4所示，为了与所述导电槽7配合，本发明将导电板15(“T”型)用绝缘密封胶填埋在所述导电槽7内。在本发明中，所述导电板15的材料优选为铜或铜合金，更优选为紫铜。在本发明中，所述导电板15优选包括外接式导电板(导电板与极板分开)，或者与极板一体化结构的导电板(如图6所示)；与极板一体化结构的导电板优选在进行极板设计加工时制备而成，其材料成分与极板一致。在本发明中，所述导电板15一端与极板(阳极板12或阴极板10)边缘用导电胶粘接(或焊接)，另一端沿着导电槽7伸出隔板6边缘与外电路相连，将单电池反应产生的电流导出到外电路，能够保证良好的导电性。
在本发明中，所述紧固螺栓14、密封圈和导电板15，构成测试用燃料电池的辅助部件。
作为本发明的一个实施例，所述上端板1、下端板4和隔板6的四个顶角的相同位置处均设有两个装配孔13，所述紧固螺栓14贯穿所述装配孔13内部，起到密封固定的作用。在本发明中，所述装配孔13的尺寸优选为Φ6～10mm。
在本发明中，所述上端板1、下端板4和隔板6的制备材料为聚碳酸酯(PC板)、有机玻璃或亚克力板，相比于现有技术常用的不锈钢板，本发明选用的板材能够提高测试用质子交换膜燃料电池的耐腐蚀、绝缘性和强韧性，并且流场可视化有利于观察电池内部反应情况。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
测试用质子交换膜燃料电池的尺寸与测试电池的有效面积相关，本实施例对有效面积为50×50mm2的电池进行测试。如图1和2所示，电池两端为形状和尺寸相同的上端板1和下端板4，尺寸为160mm×160mm，厚度为20mm。上端板1设有氧化剂气体进出口3，直径为Φ5mm的贯通螺纹孔，所述氧化剂气体为氧气。下端板4上设有燃料气体进出口5，尺寸为Φ5-8mm的贯通的螺纹孔，所述燃料气体为氢气。上端板1和下端板4上开设有密封槽2，填充高弹硅胶密封圈。
如图3所示，隔板6夹在上端板1和下端板4之间，尺寸为160mm×160mm，厚度为5～10mm。隔板6中间加工出一个台阶孔9，开设有台阶孔顶部91和台阶孔底部93，其中，台阶孔顶部91轮廓尺寸为60mm×60mm，孔深度为1.6mm，台阶孔底部93的尺寸为50mm×50mm，深度为1mm，台阶端面是宽度为5mm的环形圈。膜电极11尺寸为60mm×60mm×0.6mm粘贴在环形台阶端面上，随后将60mm×60mm×1mm的阴极板10扣合进台阶孔顶部91处，阴极板10内端面与膜电极11紧密贴合，阴极板10外端面与端板外端面平齐。尺寸为50mm×50mm×1mm的阳极板12扣合进台阶孔9的台阶孔底部93里，阳极板12内端面与膜电极11紧密贴合，外端面与隔板6外端面平齐；所述膜电极11与台阶孔9上的台阶端面92采用耐高温硅胶粘接，保证氧化剂气体和燃料气体完全分隔开。所述阴极板10和阳极板12材料为金属纤维毡，其厚度为1mm。
分别在隔板6每侧端面上向下加工出两个气体三角形分散区8，深度与极板厚度一致，其中顶角部位做圆角过渡，且分别与上端板1和下端板4的氧化剂进出口3和燃料进出口5相对应，底边与台阶孔9边缘连通，使的反应气体(空气)从端板进气口进来后通过气体分散区8均匀的扩散到极板。隔板6同侧端面的两个气体分散区8之间设有导电槽7(“T”型)，深度与同侧阴极板10或阳极板12厚度相同。与所述导电槽7配合的导电板15(“T”型)用绝缘密封胶填埋在导电槽7内，导电板15一端与极板边缘用导电胶粘接，另一端沿着导电槽7伸出隔板6边缘与外电路相连，将单电池反应产生的电流导出到外电路，所述导电板15材料为紫铜。
如图4所示，上端板1、下端板4和隔板6的四个角上对称分布八个装配孔13，尺寸为Φ10mm，通过贯穿其内的紧固螺栓14密封固定；所述上端板1、下端板4和隔板6的制备材料为聚碳酸酯(PC板)。
将测试用质子交换膜燃料电池按照实施例1所述方法装配后，紧固螺栓压紧，在单电池测试系统上进行测试，测试温度为80℃，氧化剂气体为O2，燃料气体为H2，反应气体相对湿度为RHH2＝RHO2＝100％，气体入口压力为0.3MPa。
结果为：有效反应面积为50×50mm2的单电池峰值功率密度为1.15W·cm-2，最大电流密度为2.01A·cm-2，开路电压为0.95V。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种测试用质子交换膜燃料电池，其特征在于，包括上端板(1)、阴极板(10)、膜电极(11)、隔板(6)、阳极板(12)和下端板(4)，所述隔板(6)贴合在所述上端板(1)和下端板(4)之间，所述隔板(6)设置有台阶孔(9)、气体分散区(8)和导电槽(7)；所述台阶孔(9)内依次贴合并封装阴极板(10)、膜电极(11)和阳极板(12)，所述上端板(1)与阴极板(10)直接接触，所述阳极板(12)与下端板(4)直接接触；所述膜电极(11)与所述台阶孔(9)的台阶端面(92)密封连接。
2.根据权利要求1所述的测试用质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述台阶孔(9)为变孔径的矩形孔，包括台阶孔顶部(91)和台阶孔底部(93)，所述台阶孔(9)的孔径缩小处的环形平面为台阶端面(92)，所述膜电极(11)贴合于所述台阶端面(92)上，所述阴极板(10)扣合进台阶孔顶部(91)，使阴极板(10)的内端面与膜电极(11)贴合，且阴极板(10)的外端面与上端板(1)的内端面平齐；所述阳极板(12)扣合进所述台阶孔底部(93)，使所述阳极板(12)的内端面与膜电极(11)贴合，且阳极板(12)的外端面与隔板(6)的外端面平齐。
3.根据权利要求1所述的测试用质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述上端板(1)、下端板(4)和隔板(6)的材质为聚碳酸酯、有机玻璃或亚克力板。
4.根据权利要求1所述的测试用质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述隔板(6)为双面加工结构，所述隔板(6)的每侧端面上设置两个对称的气体分散区(8)，所述气体分散区(8)的顶角部位做圆角过渡并分别与同侧上端板(1)或下端板(4)的气体进出口对应，所述气体分散区(8)的底边与所述台阶孔(9)的边缘连通，所述气体分散区(8)的深度分别与同侧阳极板(12)或阴极板(10)的厚度相同。
5.根据权利要求1所述的测试用质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述导电槽(7)设置于所述隔板(6)同侧的两个气体分散区的对称轴线上，所述导电槽(7)与台阶孔(9)连通，所述导电槽(7)的深度与同侧阳极板(12)或阴极板(10)的厚度相同。
6.根据权利要求1所述的测试用质子交换膜燃料电池，其特征在于，还包括紧固螺栓(14)、密封圈和导电板(15)。
7.根据权利要求1所述的测试用质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述上端板(1)和下端板(4)的端面上对称分布有反应气体进气口和反应气体出气口。
8.根据权利要求2或6所述的测试用质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述上端板(1)通过密封圈与台阶孔顶部(91)和膜电极(11)形成密封氧化剂气体反应腔体；所述下端板(4)通过密封圈与台阶孔底部(93)和膜电极(11)形成燃料气体的反应腔体。
9.根据权利要求1或7所述的测试用质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述上端板(1)、下端板(4)和隔板(6)的四个顶角的相同位置处均设有装配孔(13)，所述紧固螺栓(14)贯穿所述装配孔(13)内部。
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