CN111816891B - 一种氢氧燃料电池双极板进气结构及其燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢氧燃料电池双极板进气结构，涉及燃料电池技术领域，包括氧区流场极板和氢区流场极板，氧区流场极板的顶部贯穿式设有氧均布流道，底部贯穿式设有氧区排水流道和余氧流道，氢区流场极板的顶部贯穿式设有氢均布流道，底部贯穿式设有氢区排水流道和余氢流道；氧区流场极板上以直瀑式结构设有多个氧反应流区；氢区流场极板上以直瀑式结构设有多个与氧反应流区一一对应的氢反应流区。本发明还提出了一种利用氢氧燃料电池双极板进气结构装配的燃料电池，本发明结构简单，易于生产加工，流道有利于燃料的均布和载运，避免产物堵塞流道，有利于提高燃料的转化率。

Description

一种氢氧燃料电池双极板进气结构及其燃料电池

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种氢氧燃料电池双极板进气结构及其燃料电池。

背景技术

随着不可再生能源日益的消耗、环境的不断恶化，寻找可再生的新能源替代不可再生能源成为必然之路，其中燃料电池是新能源的代表之一，是很有发展前途的新的动力电源，一般以氢气、碳、甲醇、硼氢化物、煤气或天然气为燃料，作为负极，用空气中的氧作为正极，具有很好的市场前景。

但目前氢氧燃料电池存在如下问题：

第一、燃料电池极板上的流道结构直接影响对燃料的分布和载运能力，决定燃料电池的产能，而现有的燃料电池极板流道采用错综复杂的流道来提高燃料的分布，其机构复杂，制造工艺难度大，同时这种复杂的流道不利燃料的载运。

第二，燃料电池产物（水）的排放问题，采用结构复杂的流道，势必造成流道变窄，反应生成的水极易堵塞流道，造成燃料供应中断，导致燃料电池无法正常工作。

第三，传统的氢气极板与氧气极板密封件错位设计，由于密封胶线错位安装，密封难度较大，且采用这种错位设置需要更多的空间，降低了双极板面积的有效利用率。

第四，燃料在反应时，由于流道长度有限，导致很大部分燃料未来得及参与反应，便被排出，造成燃料回收量大，不利燃料的能量转化。

为此，我们提出了一种氢氧燃料电池双极板进气结构及其燃料电池。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种氢氧燃料电池双极板进气结构及其燃料电池，通过横向贯穿的均布流道加上直瀑式的反应流区，提高燃料均布运载，流道结构简单，易于生产加工，通过采用直瀑、宽体的反应流区，可使反应产物（水）的顺利排出，确保流道的畅通，通过双极板对称设计，避免密封件错位，有利极板密封的同时，提升双极板的面积利用率，氧反应流区和氢反应流区采用对称逆向供气的方式，使两侧流道内的燃料形成浓度差，有利于低浓度的燃料进一步反应，从而有效降低燃料的剩余量，有效提高燃料的转化率。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

设计一种氢氧燃料电池双极板进气结构，包括氧区流场极板和氢区流场极板，所述氧区流场极板的顶部贯穿式设有氧均布流道，底部贯穿式设有氧区排水流道和余氧流道，氢区流场极板的顶部贯穿式设有氢均布流道，底部贯穿式设有氢区排水流道和余氢流道；

氧区流场极板上以直瀑式结构设有多个氧反应流区；

氢区流场极板上以直瀑式结构设有多个与所述氧反应流区一一对应的氢反应流区；

所述氧反应流区包括并排设置的氧气高浓度流道、氧气低浓度流道和余氧回收流道，所述氧气高浓度流道的顶部与所述氧均布流道相互连通，所述氧气高浓度流道的底部设有与氧气低浓度流道相连通的氧区第一通道，所述氧气高浓度流道、氧气低浓度流道和氧区第一通道构成U型结构的反应流道，所述氧区第一通道与所述氧区排水流道相连通，所述余氧回收流道的顶部设有与氧气低浓度流道相连通的氧区第二通道，余氧回收流道的底部与所述余氧流道相连通；

所述氢反应流区包括并排设置的氢气高浓度流道、氢气低浓度流道和余氢回收流道，所述氢气高浓度流道的顶部与所述氢均布流道相互连通，所述氢气高浓度流道的底部设有与氢气低浓度流道相连通的氢区第一通道，所述氢气高浓度流道、氢气低浓度流道和氢区第一通道构成U型结构的反应流道，所述氢区第一通道与所述氢区排水流道相连通，所述余氢回收流道的顶部设有与氢气低浓度流道相连通的氢区第二通道，余氢回收流道的底部与所述余氢流道相连通；

所述氧区第一通道、氢区第一通道的下部均封填有防气体溢出的排水棉芯。

与现有技术相比，采用了上述技术方案的氢氧燃料电池双极板进气结构，具有如下有益效果：

一、采用本发明的氢氧燃料电池双极板进气结构，通过横向贯穿的均布流道和直瀑式的反应流区，采用这种方式有利燃料的供应和均布，同时减小燃料运载阻力，提高燃料电池对燃料的运载能力，有效解决燃料电池对燃料均布和运载问题，同时流道结构简单，易于生产加工。

二、采用直瀑、宽体的反应流区，可使反应产物（水）顺利排出，有效避免产物堵塞流道，确保流道的畅通。

进一步的，所述氧区流场极板和氢区流场极板均采用一次冲压成型结构。

本发明还提出了一种利用所述的氢氧燃料电池双极板进气结构装配的燃料电池，包括权利要求中所述氧区流场极板和氢区流场极板，还包括离子交换膜组、设置在所述离子交换膜组两侧的阴极层、阳极层，所述氧区流场极板封装在阴极层的外侧，所述氢区流场极板封装在所述阳极层的外侧；

所述离子交换膜组由离子交换膜骨架、交替排列在所述离子交换膜骨架上的酸性-阳离子交换膜和碱性-阴离子交换膜组成；

相邻所述酸性-阳离子交换膜和碱性-阴离子交换膜为一组设置在氧反应流区与氢反应流区之间，构成独立的燃料反应单元；

同组的所述酸性-阳离子交换膜一侧对应氧气低浓度流道，另一侧对应氢气高浓度流道，所述碱性-阴离子交换膜一侧对应氧气高浓度流道，另一侧对应氢气低浓度流道。

与现有技术相比，采用了上述技术方案的燃料电池，具有如下有益效果：

一、燃料电池两侧的极板采用对称的设计，使两侧的密封件处于对称位置，避免密封件错位，有利极板密封的同时，也提高了极板的机械强度，提升双极板的面积利用率。

二、燃料电池的氧反应流区和氢反应流区采用对称逆向供气的方式，使两侧流道内的燃料形成浓度差，这种浓度差可使高浓度区域的燃料在燃料电池的离子交换膜上形成高浓度交换离子，有利于低浓度的燃料进一步反应，从而有效降低燃料的剩余量，有效提高燃料的转化率。

三、采用混合式离子交换膜组，同一燃料电池既能通过酸性-阳离子交换膜进行H离子的交换产能，此过程发生在氧气低浓度流道与氢气高浓度流道之间的离子交换，用于进一步消耗掉氧气，减少氧气的回收，也可通过碱性-阴离子交换膜进行OH根离子的交换产能，此过程发生在氢气低浓度流道与氧气高浓度流道之间的离子交换，用于进一步消耗掉氢气，减少氢气的回收。

进一步的，所述氧区流场极板和氢区流场极板的封装边缘上均设有密封胶垫，密封胶垫用于燃料电池的密封，避免燃料从流道内泄漏。

进一步的，所述阴极层和阳极层均为铂催化剂层。

进一步的，所述阴极层对应氧气高浓度流道、氧气低浓度流道的一侧，以及阳极层对应氢气高浓度流道、氢气低浓度流道的一侧均设有蛇形结构的凸起部，所述凸起部呈纵向排列，凸起部增大燃料与铂催化剂层的接触面积，可进一步提高铂催化剂对燃料进行催化，有利提高的燃料反应的效率。

进一步的，所述凸起部与氧区流场极板和氢区流场极板的内壁均预留空隙，预留的空隙有利燃料的运送和产物水的排出。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明关于燃料电池的立体结构示意图；

图2是本发明关于燃料电池的内部结构示意图；

图3是本发明中关于氧区流场极板的流道面结构示意图；

图4是本发明中关于燃料电池的离子交换膜组的离子交换的结构示意图。

图中标记为：离子交换膜骨架1、酸性-阳离子交换膜11、碱性-阴离子交换膜12、阴极层21、阳极层22、氧区流场极板31、氧均布流道311、氧区排水流道312、余氧流道313、氧气高浓度流道314、氧气低浓度流道315、氧区第一通道316、氧区第二通道317、余氧回收流道318、氢区流场极板32、氢均布流道321、氢区排水流道322、余氢流道323、氢气高浓度流道324、氢气低浓度流道325、氢区第一通道326、氢区第二通道327、余氢回收流道328、排水棉芯4、密封胶垫5、凸起部6。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设有”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

现结合说明书附图，详细说明本发明的结构特点。

参见图1-3，一种氢氧燃料电池双极板进气结构，包括氧区流场极板31和氢区流场极板32，氧区流场极板31的顶部贯穿式设有氧均布流道311，底部贯穿式设有氧区排水流道312和余氧流道313，氢区流场极板32的顶部贯穿式设有氢均布流道321，底部贯穿式设有氢区排水流道322和余氢流道323；氧区流场极板31和氢区流场极板32均采用一次冲压成型结构，确保氧区流场极板31和氢区流场极板32的结构强度，氧均布流道311、氧区排水流道312和余氧流道313可通过无缝焊接的方式装配到氧区流场极板31上，氢均布流道321、氢区排水流道322和余氢流道323通过无缝焊接的方式装配到氢区流场极板32上。

参见图3，氧区流场极板31上以直瀑式结构设有多个氧反应流区。

参见图3，氧反应流区包括并排设置的氧气高浓度流道314、氧气低浓度流道315和余氧回收流道318，氧气高浓度流道314的顶部与氧均布流道311相互连通，氧气高浓度流道314的底部设有与氧气低浓度流道315相连通的氧区第一通道316，氧气高浓度流道314、氧气低浓度流道315和氧区第一通道316构成U型结构的反应流道，氧区第一通道316与氧区排水流道312相连通，余氧回收流道318的顶部设有与氧气低浓度流道315相连通的氧区第二通道317，余氧回收流道318的底部与余氧流道313相连通；燃料电池的氧气通过氧均布流道311均匀分布到各氧反应流区，并经过U型结构的反应流道流入到余氧回收流道318，最终汇入到余氧流道313进行统一回收，首次进入氧反应流区前段的氧气处于高浓度状态，此时位于氧气高浓度流道314中，随着氧气通过氧反应流区内的流道并不断反应消耗，处于氧反应流区后段的氧气处于低浓度状态，此时位于氧气低浓度流道315中，未参与反应的氧气经过余氧回收流道318进行收回。

参见图2，氢区流场极板32上以直瀑式结构设有多个与氧反应流区一一对应的氢反应流区。

参见图2，氢反应流区包括并排设置的氢气高浓度流道324、氢气低浓度流道325和余氢回收流道328，氢气高浓度流道324的顶部与氢均布流道321相互连通，氢气高浓度流道324的底部设有与氢气低浓度流道325相连通的氢区第一通道326，氢气高浓度流道324、氢气低浓度流道325和氢区第一通道326构成U型结构的反应流道，氢区第一通道326与氢区排水流道322相连通，余氢回收流道328的顶部设有与氢气低浓度流道325相连通的氢区第二通道327，余氢回收流道328的底部与余氢流道323相连通；燃料电池的氢气通过氢均布流道321均匀分布到各氢反应流区，并经过U型结构的反应流道流入到余氢回收流道328，最终汇入到余氢流道323进行统一回收，首次进入氢反应流区前段的氢气处于高浓度状态，此时位于氢气高浓度流道324中，随着氢气通过氢反应流区内的流道并不断反应消耗，处于氢反应流区后段的氢气处于低浓度状态，此时位于氢气低浓度流道325中，未参与反应的氢气经过余氢回收流道328进行收回。

参见图2、3，氧区第一通道316、氢区第一通道326的下部均封填有防气体溢出的排水棉芯4。

本发明的氢氧燃料电池双极板进气结构，通过横向贯穿的均布流道和直瀑式的反应流区，采用这种方式有利燃料的供应和均布，同时减小燃料运载阻力，提高燃料电池对燃料的运载能力，有效解决燃料电池对燃料均布和运载问题，同时流道结构简单，易于生产加工。采用直瀑、宽体的反应流区，可使反应产物（水）的顺利排出，有效避免产物堵塞流道，确保流道的畅通。

参见图1-2，本发明还提供了一种利用所述的氢氧燃料电池双极板进气结构装配的燃料电池，包括氧区流场极板31和氢区流场极板32，还包括离子交换膜组、设置在离子交换膜组两侧的阴极层21、阳极层22，氧区流场极板31封装在阴极层21的外侧，氢区流场极板32封装在阳极层22的外侧；氧区流场极板31和氢区流场极板32的封装边缘上均设有密封胶垫5，阴极层21和阳极层22均为铂催化剂层，燃料电池两侧的氧区流场极板31和氢区流场极板32采用对称的设计，使两侧的密封胶垫5处于对称位置，在装配时，有效避免密封胶垫5错位，有利于极板密封的同时，也提高了极板的机械强度，提升双极板的面积利用率。

离子交换膜组由离子交换膜骨架1、交替排列在离子交换膜骨架1上的酸性-阳离子交换膜11和碱性-阴离子交换膜12组成。相邻酸性-阳离子交换膜11和碱性-阴离子交换膜12为一组设置在氧反应流区与氢反应流区之间，构成独立的燃料反应单元。各个燃料反应单元之间的供氧和供氢互不干扰，即便其中一个燃料反应单元出现问题，其他燃料反应单元可正常工作，不会对整个燃料电池造成太大影响。

同组的酸性-阳离子交换膜11一侧对应氧气低浓度流道315，另一侧对应氢气高浓度流道324，碱性-阴离子交换膜12一侧对应氧气高浓度流道314，另一侧对应氢气低浓度流道325。燃料电池的氧反应流区和氢反应流区采用对称逆向供气的方式，使两侧流道内的燃料形成浓度差，这种浓度差可使高浓度区域的燃料在燃料电池的离子交换膜上形成高浓度交换离子，有利于低浓度的燃料进一步反应，从而有效降低燃料的剩余量，有效提高燃料的转化率，同一燃料电池既能通过酸性-阳离子交换膜11进行H离子的交换产能，此过程发生在氧气低浓度流道315与氢气高浓度流道324之间的离子交换，用于进一步消耗掉氧气，减少氧气的回收，也可通过碱性-阴离子交换膜12进行OH根离子的交换产能，此过程发生在氢气低浓度流道325与氧气高浓度流道314之间的离子交换，用于进一步消耗掉氧气，减少氧气的回收。

具体的，参见图4，在同一燃料反应单元，两侧氧反应流区与氢反应流区分别逆向通入氧气和氢气，在碱性-阴离子交换膜12的氧气高浓度流道314一侧形成高浓度的OH根离子用来参与氢气低浓度流道323内低浓度的氢气，进一步消耗掉氢气，进行的反应：阴极O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-,阳极2H₂+4OH^-→4H₂0+4e^-，在酸性-阳离子交换膜11的氢气高浓度流道324形成高浓度的H离子用来参与氧气低浓度流道315内低浓度的氧气，进一步消耗掉氧气。进行的反应：阳极2H₂→2H⁺+2e^-，阴极1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O,形成的这种浓度差更加有利燃料的进一步消耗，来降低燃料的回收。

参见图2，进一步的，阴极层21对应氧气高浓度流道314、氧气低浓度流道315的一侧，以及阳极层22对应氢气高浓度流道324、氢气低浓度流道325的一侧均设有蛇形结构的凸起部6，凸起部6呈纵向排列。

设置凸起部6可增大燃料与铂催化剂层的接触面积，可进一步提高铂催化剂对燃料进行催化的效率，有利提高的燃料反应的效率。

参见图4，进一步的，凸起部6与氧区流场极板31和氢区流场极板32的内壁均预留空隙。预留的空隙有利燃料的运送和产物水的排出。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (7)

1.一种氢氧燃料电池双极板进气结构，包括氧区流场极板（31）和氢区流场极板（32），其特征在于，所述氧区流场极板（31）的顶部贯穿式设有氧均布流道（311），底部贯穿式设有氧区排水流道（312）和余氧流道（313），氢区流场极板（32）的顶部贯穿式设有氢均布流道（321），底部贯穿式设有氢区排水流道（322）和余氢流道（323）；

氧区流场极板（31）上以直瀑式结构设有多个氧反应流区；

氢区流场极板（32）上以直瀑式结构设有多个与所述氧反应流区一一对应的氢反应流区；

所述氧反应流区包括并排设置的氧气高浓度流道（314）、氧气低浓度流道（315）和余氧回收流道（318），所述氧气高浓度流道（314）的顶部与所述氧均布流道（311）相互连通，所述氧气高浓度流道（314）的底部设有与氧气低浓度流道（315）相连通的氧区第一通道（316），所述氧气高浓度流道（314）、氧气低浓度流道（315）和氧区第一通道（316）构成U型结构的反应流道，所述氧区第一通道（316）与所述氧区排水流道（312）相连通，所述余氧回收流道（318）的顶部设有与氧气低浓度流道（315）相连通的氧区第二通道（317），余氧回收流道（318）的底部与所述余氧流道（313）相连通；

所述氢反应流区包括并排设置的氢气高浓度流道（324）、氢气低浓度流道（325）和余氢回收流道（328），所述氢气高浓度流道（324）的顶部与所述氢均布流道（321）相互连通，所述氢气高浓度流道（324）的底部设有与氢气低浓度流道（325）相连通的氢区第一通道（326），所述氢气高浓度流道（324）、氢气低浓度流道（325）和氢区第一通道（326）构成U型结构的反应流道，所述氢区第一通道（326）与所述氢区排水流道（322）相连通，所述余氢回收流道（328）的顶部设有与氢气低浓度流道（325）相连通的氢区第二通道（327），余氢回收流道（328）的底部与所述余氢流道（323）相连通；

所述氧区第一通道（316）、氢区第一通道（326）的下部均封填有防气体溢出的排水棉芯（4）。

2.根据权利要求1所述的一种氢氧燃料电池双极板进气结构，其特征在于，所述氧区流场极板（31）和氢区流场极板（32）均采用一次冲压成型结构。

3.一种利用权利要求1所述的氢氧燃料电池双极板进气结构装配的燃料电池，其特征在于，包括权利要求1中所述氧区流场极板（31）和氢区流场极板（32），还包括离子交换膜组、设置在所述离子交换膜组两侧的阴极层（21）、阳极层（22），所述氧区流场极板（31）封装在阴极层（21）的外侧，所述氢区流场极板（32）封装在所述阳极层（22）的外侧；

所述离子交换膜组由离子交换膜骨架（1）、交替排列在所述离子交换膜骨架（1）上的酸性-阳离子交换膜（11）和碱性-阴离子交换膜（12）组成；

相邻所述酸性-阳离子交换膜（11）和碱性-阴离子交换膜（12）为一组，设置在氧反应流区与氢反应流区之间，构成独立的燃料反应单元；

同组的所述酸性-阳离子交换膜（11）一侧对应氧气低浓度流道（315），另一侧对应氢气高浓度流道（324），所述碱性-阴离子交换膜（12）一侧对应氧气高浓度流道（314），另一侧对应氢气低浓度流道（325）。

4.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，所述氧区流场极板（31）和氢区流场极板（32）的封装边缘上均设有密封胶垫（5）。

5.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，所述阴极层（21）和阳极层（22）均为铂催化剂层。

6.根据权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述阴极层（21）对应氧气高浓度流道（314）、氧气低浓度流道（315）的一侧，以及阳极层（22）对应氢气高浓度流道（324）、氢气低浓度流道（325）的一侧均设有蛇形结构的凸起部（6），所述凸起部（6）呈纵向排列。

7.根据权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，所述凸起部（6）与氧区流场极板（31）和氢区流场极板（32）的内壁均预留空隙。

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