CN111864241A - 小型质子交换膜燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种小型质子交换膜燃料电池，涉及燃料电池技术领域。所述小型质子交换膜燃料电池包括依次层叠设置的阴极板、膜电极组件以及阳极板，其中：所述阴极板上贯设有供氧气通过的通孔；所述阳极板与所述膜电极组件围设形成供氢气流动的流道，所述流道的两端分别贯穿所述阳极板的表面，以分别形成进口和出口。本发明提出的小型质子交换膜燃料电池，结构简单、操作方便快捷，且可重复加氢，使用寿命长，可广泛用于小型设备需要电池的场合。

Description

小型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，特别涉及一种小型质子交换膜燃料电池。
背景技术
质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC)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、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极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，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。
质子交换膜燃料电池是一种把储存在燃料中的化学能直接转换成电能的发电装置，其反应产物仅仅是水，对环境十分友好。质子交换膜燃料电池已广泛应用于能源及交通领域。质子交换膜燃料电池对环境友好的优点可弥补生活中常规电池使用所产生的环境危害。
但是，现有质子交换膜燃料电池的输出功率或电储量均高于生活中常用的电池，如车用质子交换膜燃料电池的功率都在千瓦级。这些千瓦级以上大功率应用场合燃料电池系统通常结构复杂，维护困难。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种小型质子交换膜燃料电池，旨在提供一种结构简单、使用方便的小型质子交换膜燃料电池。
为实现上述目的，本发明提出一种小型质子交换膜燃料电池，包括依次层叠设置的阴极板、膜电极组件以及阳极板，其中：
所述阴极板上贯设有供氧气通过的通孔；
所述阳极板与所述膜电极组件围设形成供氢气流动的流道，所述流道的两端分别贯穿所述阳极板的表面，以分别形成进口和出口。
可选地，所述小型质子交换膜燃料电池还包括集流板，所述集流板设于所述阳极板背离所述膜电极组件的一侧并与所述阳极板电连接。
可选地，所述进口和所述出口分别位于所述阳极板的侧壁。
可选地，所述阳极板朝向所述膜电极组件的一侧设有朝向所述膜电极组件开口的氢气槽，所述氢气槽与所述膜电极组件的侧面共同限定出所述流道。
可选地，所述流道包括：
两个间隔设置的横向流道，两个所述横向流道其中之一的端部形成所述进口，其中另一的端部形成所述出口；以及，
多个间隔设置的纵向流道，设于两个所述横向流道之间，每一所述纵向流道的两端分别与两个所述横向流道连通。
可选地，所述流道包括依次连接的多个横段和多个纵段，所述横段和所述纵段交替布置。
可选地，所述通孔设置有多个；和/或，
所述通孔为沿纵向延伸的长形孔。
可选地，所述阴极板贯设有第一过孔，所述膜电极组件贯设有第二过孔，所述阳极板贯设有第三过孔，所述第一过孔、所述第二过孔及所述第三过孔共同限定出连接通道；
所述小型质子交换膜燃料电池还包括绝缘螺栓，所述绝缘螺栓穿设于所述连接通道，以使所述膜电极组件两侧分别与所述阴极板和所述阳极板抵接。
可选地，所述阳极板的材质为石墨。
可选地，所述通孔对应所述流道设置。
本发明的技术方案中，设计一种小型质子交换膜燃料电池，阴极板上贯设有供氧气通过的通孔，使得空气中的氧气可以直接进入小型质子交换膜燃料电池进行反应，阳极板与膜电极组件围设形成供氢气流动的流道，流道的两端分别贯穿所述阳极板的表面，以分别形成进口和出口，具体使用时，氢气通过进口进入流道，穿过气体扩散层到达膜电极组件的阳极催化层，多余的氢气从出口流出，在阳极催化剂的作用下，氢气分子解离出质子并释放出电子，之后，质子穿过膜电极组件的膜到达膜电极组件的阴极催化层，电子通过外电路到达阴极催化层，形成电流，质子与氧气、电子在阴极催化剂作用下反应，生成水。本发明提出的小型质子交换膜燃料电池，结构简单、使用方便快捷，且可重复加氢，使用寿命长，可广泛用于小型设备需要电池的场合。
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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提供的小型质子交换膜燃料电池的一实施例的示意图；
图2为图1所示的小型质子交换膜燃料电池的爆炸视图；
图3为图1所示的阳极板的一实施例的示意图；
图4为图1所示的阳极板的另一实施例的示意图。
附图标号说明：
Figure BDA0002610492530000031
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，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作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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、外、内……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
现有质子交换膜燃料电池的输出功率或电储量均高于生活中常用的电池，如车用质子交换膜燃料电池的功率都在千瓦级。这些千瓦级以上大功率应用场合燃料电池系统通常结构复杂，维护困难。
鉴于此，本发明提出一种小型质子交换膜燃料电池，旨在提供一种结构简单、使用方便的小型质子交换膜燃料电池。图1为本发明提供的小型质子交换膜燃料电池的一实施例的示意图；图2为图1所示的小型质子交换膜燃料电池的爆炸视图；图3为图1所示的阳极板的一实施例的示意图；图4为图1所示的阳极板的另一实施例的示意图。
请参照图1至图3，本发明实施例提供的小型质子交换膜燃料电池100，包括依次层叠设置的阴极板1、膜电极组件2以及阳极板3，其中，阴极板1上贯设有供氧气通过的通孔11；阳极板3与膜电极组件2围设形成供氢气流动的流道4，流道4的两端分别贯穿阳极板3的表面，以分别形成进口41和出口42。
本发明提出的小型质子交换膜燃料电池100，阴极板1上贯设有供氧气通过的通孔11，使得空气中的氧气可以直接进入小型质子交换膜燃料电池100进行反应，阳极板3与膜电极组件2围设形成供氢气流动的流道4，流道4的两端分别贯穿阳极板3的表面，以分别形成进口41和出口42，具体使用时，氢气通过进口41进入流道4，穿过气体扩散层到达膜电极组件2的阳极催化层，多余的氢气从出口42流出，在阳极催化剂的作用下，氢气分子解离出质子并释放出电子，之后，质子穿过膜电极组件2的膜到达膜电极组件2的阴极催化层，电子通过外电路到达阴极催化层，形成电流，质子与氧气、电子在阴极催化剂作用下反应，生成水。本发明提出的小型质子交换膜燃料电池100，无需专门设置氧气的流道，结构简单、使用方便快捷，且可重复加氢，使用寿命长，可广泛用于小型设备需要电池的场合。
此外，由于本发明提出的小型质子交换膜燃料电池100功率较小、结构简单，因此气体无需加湿，无需空气供给及流量控制系统，无相关设备的寄生功耗，简化了小型质子交换膜燃料电池100的结构，提高了小型质子交换膜燃料电池100效率。
进一步地，请参照图1和图2，小型质子交换膜燃料电池100还包括集流板5，集流板5设于阳极板3背离膜电极组件2的一侧并与阳极板3电连接。在本发明实施例中，集流板5由良导体材料制成，与阳极板3电连接，集流板5的作用主要是收集小型质子交换膜燃料电池100内部反应生成的电流，对外供电。
为了简化小型质子交换膜燃料电池100的结构，请参照图1至图4，进口41和出口42分别位于阳极板3的侧壁。这样，能够有效避免其他部件如集流板5遮挡到进口41或出口42，影响小型质子交换膜燃料电池100的运行。
需要说明的是，进口41和出口42可以位于相同的一个侧壁上，如图4所示，也可以位于不同的侧壁上，如图3所示，主要是取决于流道4的布置方式，下文详述。
请参照图3，阳极板3朝向膜电极组件2的一侧设有朝向膜电极组件2开口的氢气槽31，氢气槽31与膜电极组件2的侧面共同限定出流道4。氢气通过进口41进入到流道4中，之后穿过气体扩散层到达膜电极组件2的阳极催化层，进行反应。
在本发明的一实施例中，请参照图3，流道4包括两个间隔设置的横向流道43和多个间隔设置的纵向流道44，其中，两个横向流道43其中之一的端部形成进口41，其中另一的端部形成出口42；多个间隔设置的纵向流道44设于两个横向流道43之间，每一纵向流道44的两端分别与两个横向流道43连通。如此，氢气通过横向流道43进入，之后依次通过各个纵向流道44流向另一个横向流道43，最后，过剩的氢气从出口42流出。此时，进口41和出口42位于不同的侧壁上，如此，能够使氢气在流道4内分布均匀，增大了氢气的流通路径，即增大了氢气与膜电极组件2的接触面积，从而提高反应速率。
进一步地，在本发明的另一实施例中，请参照图4，流道4包括依次连接的多个横段45和多个纵段46，横段45和纵段46交替布置。如此，氢气依次通过横段45和纵段46，最后过剩的氢气从出口42排出，这种方式可将进口41和出口42设置在相同的一个侧壁上，同样也可增大氢气的流通路径，即增大了氢气与膜电极组件2的接触面积，从而提高反应速率。
为了使空气中的氧气更容易地进入到小型质子交换膜燃料电池100中参与反应，请参照图1和图2，通孔11设置有多个，进一步地，通孔11为沿纵向延伸的长形孔。这样，减小了氧气的扩散阻力，增大了反应速率。
此外，为了使氢气迅速失去电子形成质子，并与氧气反应，请参照图1和图2，通孔11对应流道4设置，这样能够使氢气形成的质子流与氧气充分接触反应。
阳极生成的电子需要依次经过膜电极组件2、阳极板3及集流板5导出，再进入到阴极板1、膜电极组件2的另一侧，参与反应，因此，请参照图1和图2，阴极板1贯设有第一过孔12，膜电极组件2贯设有第二过孔21，阳极板3贯设有第三过孔32，第一过孔12、第二过孔21及第三过孔32共同限定出连接通道；小型质子交换膜燃料电池100还包括绝缘螺栓6，绝缘螺栓6穿设于连接通道，以使膜电极组件2两侧分别与阴极板1和阳极板3抵接。如此既能将小型质子交换膜燃料电池100的各个部件装配在一起，又能传导电子。当然，集流板5上可对应也设有第四过孔，连接通道还包括第四过孔，最终，绝缘螺栓6将阴极板1、膜电极组件2、阳极板3及集流板5装配在一起。
优选地，阳极板3的材质为石墨，石墨化学性质稳定，石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种小型质子交换膜燃料电池，其特征在于，包括依次层叠设置的阴极板、膜电极组件以及阳极板，其中：
所述阴极板上贯设有供氧气通过的通孔；
所述阳极板与所述膜电极组件围设形成供氢气流动的流道，所述流道的两端分别贯穿所述阳极板的表面，以分别形成进口和出口。
2.如权利要求1所述的小型质子交换膜燃料电池，其特征在于，还包括集流板，所述集流板设于所述阳极板背离所述膜电极组件的一侧并与所述阳极板电连接。
3.如权利要求1所述的小型质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述进口和所述出口分别位于所述阳极板的侧壁。
4.如权利要求1所述的小型质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述阳极板朝向所述膜电极组件的一侧设有朝向所述膜电极组件开口的氢气槽，所述氢气槽与所述膜电极组件的侧面共同限定出所述流道。
5.如权利要求1所述的小型质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述流道包括：
两个间隔设置的横向流道，两个所述横向流道其中之一的端部形成所述进口，其中另一的端部形成所述出口；以及，
多个间隔设置的纵向流道，设于两个所述横向流道之间，每一所述纵向流道的两端分别与两个所述横向流道连通。
6.如权利要求1所述的小型质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述流道包括依次连接的多个横段和多个纵段，所述横段和所述纵段交替布置。
7.如权利要求1所述的小型质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述通孔设置有多个；和/或，
所述通孔为沿纵向延伸的长形孔。
8.如权利要求1所述的小型质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述阴极板贯设有第一过孔，所述膜电极组件贯设有第二过孔，所述阳极板贯设有第三过孔，所述第一过孔、所述第二过孔及所述第三过孔共同限定出连接通道；
所述小型质子交换膜燃料电池还包括绝缘螺栓，所述绝缘螺栓穿设于所述连接通道，以使所述膜电极组件两侧分别与所述阴极板和所述阳极板抵接。
9.如权利要求1所述的小型质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述阳极板的材质为石墨。
10.如权利要求1至9任意一项所述的小型质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述通孔对应所述流道设置。
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