CN112331878B - 质子交换膜燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种质子交换膜燃料电池，包括质子交换膜，质子交换膜的一侧由内而外依次设置阳极催化剂层、阳极气体扩散层和阳极板；质子交换膜的另一侧设置阴极催化剂层、输水气体扩散层和导流极板；所述输水气体扩散层设有双层的输水气体通道，所述导流极板靠近气体扩散层的一面设有导流气体通道，所述导流气体通道内包含至少一个导流直流道，导流直流道的两侧壁设有鳍状的导流结构。本发明结合输水气体扩散层的输水作用与导流双极板的导流作用，解决了气体扩散层液态水的去除与双极板的气体通道内液态水的传输之间的矛盾，提高电池的水管理能力，提升电池性能，延长膜电极及电池的使用寿命。

Description

质子交换膜燃料电池
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种质子交换膜燃料电池。
背景技术
燃料电池是一种将氢气和氧气通过电化学反应产生电能的发电装置，以质子交换膜燃料电池组为例，其包含多个单电池，如图1所示。单电池1包含位于中央的一质子交换膜11，其两侧各设一阳极催化剂层12a与阴极催化剂层12c，该催化剂层12a、12c两外侧分别设置一阳极气体扩散层13a与阴极气体扩散层13c,该气体扩散层13a、13c两侧各分别设置一阳极板14a和一阴极板14c，上述各构件紧密结合后即形成该单电池1。
燃料电池组由多于一个单电池组合而成，如图2、图3所示。在一已知燃料电池组100中，分别作为两相邻电池单体1的阳极板与阴极板通常可结合统称为一双极板15，双极板15的两面设有许多沟槽式的阳极气体通道16a与阴极气体通道16c，以输送反应用气体，对于该已知燃料电池组100，阳极气体通道16a输送氢气，阴极气体通道16c输送空气或氧气。此外，质子交换膜11，催化剂层12a、12c以及气体扩散层13a、13c共同构成膜电极组件3。
由于该燃料电池组100的双极板15中的气体必须具有相当程度的湿度，才能将反应生成的离子携带并穿越质子交换膜11，实现质子导电。因此反应气体通入电池组100之前，通常会对其进行加湿，使反应气体具有一定程度的湿度。此外，在该燃料电池组100的工作过程中，阴极催化剂层12c内的电化学反应会产生水，水通过阴极气体扩散层13c扩散进入双极板15中的阴极气体通道16c，进而排出电池之外。在此过程中，当水蒸气饱和时，水蒸气会在特定条件下凝结成水滴。生成的水滴由于表面张力的作用会附着在阴极气体扩散层13c表面或阴极气体扩散层13c内孔隙的表面，堵塞气体扩散层13c的气体扩散通道，降低气体扩散效率，减慢电化学反应速率，从而对该燃料电池组100的性能产生负面影响。因此如何去除阴极气体扩散层13c表面及阴极气体扩散层13c的孔隙内表面的液态水，是燃料电池组100水管理面临的重要问题。
目前，加快气体扩散层13c内液态水的排出方法主要是采用疏水性梯度分布的气体扩散层。例如专利(CN111540921A)公开了一种集成流场的燃料电池气体扩散层，该方法通过在扩散层中由电极附近的强疏水性到双极板附近的弱疏水性的梯度分布，实现水在扩散层中由电极到流道的传输。然而，单纯靠强疏水性与弱疏水性的差异对于加快气体扩散层液态水排出效果较弱，且本技术没有考虑液态水在进入流道后从气体扩散层表面的去除以及在流道内的传输效率问题。
对于加快气体扩散层13c表面液态水的去除，目前的方法主要是通过将阴极气体扩散层13c表面进行疏水处理，而对双极板15表面进行亲水处理。由于亲水性壁面对水滴具有较强的毛细效应，能够将气体扩散层13c表面的液态水吸附到阴极气体通道16c的壁面，从而清除阴极气体扩散层13c表面。但是，亲水性壁面对水滴的吸附作用会产生较大的粘滞力，降低液态水在阴极气体通道16c内的传输速度。因此壁面亲水性的双极板15通常更容易引起阴极气体通道16c内液态水的聚集，产生水淹问题，严重影响燃料电池性能，甚至导致燃料电池失效，严重水淹还会缩短电池寿命。专利(CN107665999A)提出了一种整体式阴极流道的优化结构，其通过设置导流极板将气体扩散层表面的液态水转移到流道底部，但其无法对气体扩散层孔隙内液态水的排出起到促进作用，因此对电池性能的提升效果有限，并且结构复杂，需加工出整体式的导流极板放置入金属双极板的阴极流道内以实现导流功能，增加了双极板的加工成本，不利于实现工业化应用。
发明内容
针对现有的质子交换膜燃料电池的导流结构无法有效地促进阴极气体扩散层表面及阴极气体扩散层的孔隙内表面的液态水排出的上述问题，本发明提供一种质子交换膜燃料电池，通过输水气体扩散层与导流极板的结合解决了气体扩散层液态水的去除与双极板的气体通道内液态水的传输之间的矛盾，提高电池的水管理能力，提升电池性能，延长膜电极及电池的使用寿命。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种质子交换膜燃料电池，包括质子交换膜，质子交换膜的一侧由内而外依次设置阳极催化剂层、阳极气体扩散层和阳极板；质子交换膜的另一侧设置阴极催化剂层；所述阴极催化剂层的外侧依次设置输水气体扩散层和导流极板；所述导流极板靠近气体扩散层的一面设有进气口、导流气体通道和出气口，且进气口、导流气体通道和出气口依次连通；所述导流气体通道内包含至少一个导流直流道，导流直流道的两侧壁设有鳍状的导流结构；
所述导流结构为四棱锥形，包括导流侧壁与导流正壁，所述导流正壁与流道侧壁垂直，导流正壁与该导流直流道在物质传输方向的夹角为导流角，所述导流角为锐角，导流正壁5325与流道侧壁有一条共同的边，该边与该导流直流道的物质传输方向之间的夹角构成导流角，该导流角为锐角；
所述输水气体扩散层由上气体扩散层与下气体扩散层贴合而成，上气体扩散层与下气体扩散层均为导电材料；上气体扩散层设有均匀排列的输水孔，下气体扩散层设有均匀排列的输水槽，各列输水孔与各输水槽位置一一对应，并上下连通构成输水气体通道；
所述上气体扩散层靠近阴极催化剂层，下气体扩散层靠近导流极板，每条导流直流道对应两条输水槽，两条输水槽分别位于导流结构的上方，输水槽的开口表面一部分与导流极板接触，一部分与导流槽连通；该输水气体通道与导流气体通道组合构成输水导流流场。
进一步的，所述输水气体扩散层的上气体扩散层的孔隙率小于或等于下气体扩散层的孔隙率。
进一步的，所述输水气体扩散层内输水孔的截面尺寸小于输水槽的截面尺寸，且输水槽的宽度小于导流极板上导流槽的宽度。
进一步的，所述输水气体扩散层与导流极板的材料表面均做疏水处理，接触角均大于90°，且输水气体扩散层的材料表面接触角大于或等于导流极板的材料表面接触角。
进一步的，所述导流结构为导流槽，包括导流侧壁与导流正壁，所述导流正壁与流道侧壁垂直，导流正壁与该导流直流道在物质传输方向的夹角为导流角，所述导流角为锐角，导流正壁与流道侧壁有一条共同的边，该边与该导流直流道的物质传输方向之间的夹角为锐角。
进一步的，所述导流结构为导流块，其顶面与极板的表面齐平，其两个侧壁凸出于导流直流道的内壁，该两个侧壁分别为三角形的导流侧壁与导流正壁，导流正壁与流道侧壁垂直，导流正壁与流道侧壁有一条的共同边，该边与导流直流道的物质传输方向之间的夹角为锐角。
进一步的，所述导流极板的导流气体通道为平行流场、蛇形流场、多蛇形流场或交趾型流场。
进一步的，该电池为若干电池单体组成的电池组，两相邻电池单体的阳极板与导流极板结合为导流双极板。
在该燃料电池组进行反应时，会在阴极催化剂层内产生水并扩散进入输水气体扩散层中。输水气体扩散层中的原有孔隙尺寸小于输水孔尺寸，输水孔尺寸小于输水槽尺寸，而输水气体扩散层的材料表面为疏水性的，因此，输水气体扩散层内的液态水会在表面张力的作用下，从原有孔隙到输水孔，从原有孔隙到输水槽，以及从输水孔到输水槽进行主动迁移。输水槽的开口表面一部分与导流极板接触，一部分与导流槽连通，因此，输水槽中的液态水会在内部进行迁移，并从与导流槽连通的位置溢出，并形成水滴。水滴在气流的剪切作用下向前运动并接触导流正壁，导流正壁对水滴的托举作用和气流对水滴的剪切作用能够引导水滴脱离气体扩散层表面，转移到流道底面。接触流道底面后的水滴将沿流道底面继续向前输送，直至排出导流气体通道，不会再次接触气体扩散层表面而影响气体扩散效率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.输水气体扩散层内的输水导流通道，与气体扩散层材料的疏水性结合，可以加快气体扩散层内液态水的迁移，提高气体扩散层的气体扩散效率。
2.导流极板的导流块或导流槽可以将气体通道内位于气体扩散层表面的液态水转移至流道底部，减小气体扩散层表面的水覆盖率，提高气体扩散层的气体扩散效率。
3.表面疏水的导流极板可以大幅加快液态水在气体通道内的传输速度，提高排水能力，防止发生水淹。
4.输水气体扩散层与导流极板的结合，解决了气体扩散层内部及表面液态水的去除效率与导流极板的气体通道内液态水的传输效率之间的矛盾，大幅提高电池的水管理能力，提升电池性能。
5.水淹的预防，保证了电池运行的稳定性，可省去电池的吹扫系统，降低系统的复杂性，同时延长膜电极及电池的使用寿命。
附图说明
图1为已知燃料电池单电池的剖面示意图；
图2为已知燃料电池组部分结构的剖面示意图；
图3为图2中A-A截面的剖面图；
图4为本发明燃料电池的单电池结构示意图；
图5为本发明燃料电池导流极板的结构示意图
图6为本发明实施例1导流极板局部的结构示意图；
图7为本发明实施例1的输水气体扩散层的结构示意图；
图8为本发明实施例1输水导流流场的结构示意图；
图9为本发明实施例1输水气体扩散层与导流极板贴合后的局部结构示意图；
图10为本发明实施例2导流极板的局部结构示意图；
图11为本发明实施例2输水导流流场的结构示意图；
图12为本发明实施例2输水气体扩散层与导流极板贴合后的局部结构示意图。
图中：1-单电池，11-质子交换膜，12a-阳极催化剂层，12c-阴极催化剂层，13a-阳极气体扩散层，13c-阴极气体扩散层，14a-阳极板，14c-阴极板，15-双极板，16a-阳极气体通道，16c-阴极气体通道，100-燃料电池组，2-水滴，3-膜电极组件，4-输水气体扩散层，40-输水气体通道，41-上气体扩散层，410-输水孔，42-下气体扩散层，420-输水槽，43-气体扩散层表面，5-导流极板，51-进气口，52-出气口，53-导流气体通道，531-主流道，532-导流直流道，5321-流道底面，5322-流道侧壁，5323-导流槽，5324-导流侧壁，5325-导流正壁，5326-导流角，5327-导流块，533-流道转角。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细说明。
实施例1
本发明一种质子交换膜燃料电池，以单电池为例，如图4所示，单电池1由阳极板14a、阳极气体扩散层13a、阳极催化剂层12a、质子交换膜11、阴极催化剂层12c、输水气体扩散层4、导流极板5组成。质子交换膜11位于单电池1中央，质子交换膜11的一侧由内至外依次设置阳极催化剂层12a、阳极气体扩散层13a和阳极板14a。质子交换膜11的另一侧由内至外依次设置阴极催化剂层12c、输水气体扩散层4和导流极板5，上述各构件紧密结合即形成该单电池1。对于由若干单电池(电池单体)组合而成的燃料电池组，两相邻电池单体的阳极板14a与导流极板5可结合为一导流双极板。
导流极板5具有阴极板的作用，同时还具有导流的作用，其结构如图5所示，导流极板5靠近气体扩散层4的一面设有进气口51、导流气体通道53和出气口52，且进气口51、导流气体通道53和出气口52依次连通。导流气体通道53以平行流场形式排布，由两条主流道531和两条以上的导流直流道532构成，导流直流道532相互之间平行排列，且两侧各与一条主流道531连通。如图6所示，导流直流道532由两流道侧壁5322和一流道底面5321围成，两流道侧壁5322上均设有鳍状的导流槽5323，该导流槽5323的导流侧壁5324与导流正壁5325均呈三角形，并且导流正壁5325与流道侧壁5322垂直，导流正壁5325与流道侧壁5322有一条共同边，该边与该导流直流道532的物质传输方向之间的夹角构成导流角5326，该导流角5326为锐角。
该输水气体扩散层4为阴极气体扩散层，由上气体扩散层41与下气体扩散层42贴合而成，如图7所示，上气体扩散层41与下气体扩散层42均为具有一定孔隙率的导电材料。上气体扩散层41设有均匀排列的输水孔410，下气体扩散层42设有均匀排列的输水槽420，各列输水孔410与各输水槽420位置一一对应，并上下连通构成输水气体通道40。
上气体扩散层41靠近阴极催化剂层12c，下气体扩散层42靠近导流极板5。如图8、图9所示，输水气体扩散层4与导流极板5贴合后，输水气体扩散层4的输水气体通道40与导流极板5内导流气体通道53的各导流直流道532位置相互对应，每条导流直流道532对应两条输水槽420，且两条输水槽420分别位于两流道侧壁5322的导流槽5323的上方，输水槽420的开口表面一部分与导流极板5接触，一部分与导流槽5323连通。该输水气体通道40与导流气体通道53组合构成输水导流流场。
该输水气体扩散层4的上气体扩散层41的孔隙率小于或等于下气体扩散层42的孔隙率。
该输水气体扩散层4内输水孔410的截面尺寸小于输水槽420的截面尺寸，且输水槽420的宽度小于导流极板5内导流槽5323的宽度。
该输水气体扩散层4与导流极板5的材料表面均做疏水处理，接触角均大于90°，且输水气体扩散层4的材料表面接触角大于或等于导流极板5的材料表面接触角。
在该燃料电池组进行反应时，会在阴极催化剂层12c内产生水并扩散进入输水气体扩散层4中。输水气体扩散层4中的原有孔隙尺寸小于输水孔410尺寸，输水孔410尺寸小于输水槽420尺寸，如图9所示，而输水气体扩散层4的材料表面为疏水性的，因此，输水气体扩散层4内的液态水会在表面张力的作用下，从原有孔隙到输水孔410，从原有孔隙到输水槽420，以及从输水孔410到输水槽420进行主动迁移。输水槽420的开口表面一部分与导流极板5接触，一部分与导流槽5323连通，因此，输水槽420中的液态水会在内部进行迁移，并从与导流槽5323连通的位置溢出，并形成水滴2。水滴2在气流的剪切作用下向前运动并接触导流正壁5325，导流正壁5325对水滴2的托举作用和气流对水滴2的剪切作用能够引导水滴2脱离气体扩散层表面43，转移到流道底面5321。接触流道底面5321后的水滴将沿流道底面5321继续向前输送，直至排出导流气体通道53，不会再次接触气体扩散层表面43而影响气体扩散效率。
实施例2
与实施1不同之处在于导流直流道532的导流结构。该导流结构为导流块5327，如10图所示，该导流块5327为四棱锥形，其顶面与极板的表面齐平，其两个侧壁凸出于导流直流道的内壁，该两个侧壁分别为三角形的导流侧壁5324与导流正壁5325，导流正壁5325与流道侧壁5322垂直，导流正壁5325与流道侧壁5322有一条的共同边，该边与导流直流道532的物质传输方向之间的夹角构成导流角5326，该导流角5326为锐角。
如图12所示，基于该导流直流道532的输水气体扩散层4，其输水气体通道40与导流极板5内的各导流直流道532位置相互对应，每条导流直流道532对应两条输水槽420，且两条输水槽420分别位于两流道侧壁5322的导流块5327的上方，输水槽420的开口表面一部分与导流块5327接触，一部分与导流直流道532连通。
在该燃料电池组进行反应时，进入导流直流道532内的水滴2在气流的剪切作用下向前运动并接触导流块5327的导流正壁5325，导流正壁5325对水滴2的托举作用和气流对水滴2的剪切作用能够引导水滴2脱离气体扩散层表面43，转移到流道底面5321。接触流道底面5321后的水滴将沿流道底面5321继续向前输送，直至排出导流气体通道53。
实施例3
与实施例1或2不同之处在于，导流极板5的导流气体通道53的排布形式。该导流极板5的导流气体通道53不局限于平行流场排布形式，也可为包含直流道的其他种类的流场形式，包括蛇形流场、多蛇形流场和交趾型流场等。图11所示为导流气体通道53为蛇形流场排布形式下的输水导流流场结构示意图，导流气体通道53内导流槽5323或导流块5327的导流角5326保持为锐角。根据导流气体通道53的蛇形排布形式，输水槽420排布形式调整为双蛇形排布。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种质子交换膜燃料电池，包括质子交换膜，质子交换膜的一侧由内而外依次设置阳极催化剂层、阳极气体扩散层和阳极板；质子交换膜的另一侧设置阴极催化剂层；其特征在于，所述阴极催化剂层的外侧依次设置输水气体扩散层和导流极板；所述导流极板靠近气体扩散层的一面设有进气口、导流气体通道和出气口，且进气口、导流气体通道和出气口依次连通；所述导流气体通道内包含至少一个导流直流道，所述导流直流道由两侧壁和一底壁环绕而成，该两侧壁存在鳍状的导流槽，该鳍状的导流槽靠近底壁的截面积小于靠近气体扩散层表面的截面积；
该鳍状的导流槽包括导流侧壁与导流正壁，所述导流正壁与流道侧壁垂直，导流正壁与流道侧壁有一条共同的边，该边与该导流直流道的物质传输方向之间的夹角构成导流角，该导流角为锐角；
所述输水气体扩散层由上气体扩散层与下气体扩散层贴合而成，上气体扩散层与下气体扩散层均为导电材料；上气体扩散层设有均匀排列的输水孔，下气体扩散层设有均匀排列的输水槽，各列输水孔与各输水槽位置一一对应，并上下连通构成输水气体通道；
所述上气体扩散层靠近阴极催化剂层，下气体扩散层靠近导流极板，每条导流直流道对应两条输水槽，两条输水槽分别位于导流槽的上方，输水槽的开口表面一部分与导流极板接触，一部分与导流槽连通；该输水气体通道与导流气体通道组合构成输水导流流场。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池，其特征在于：所述输水气体扩散层的上气体扩散层的孔隙率小于或等于下气体扩散层的孔隙率。
3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池，其特征在于：所述输水气体扩散层内输水孔的截面尺寸小于输水槽的截面尺寸，且输水槽的宽度小于导流极板上导流槽的宽度。
4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池，其特征在于：所述输水气体扩散层与导流极板的材料表面均做疏水处理，材料表面与水的接触角均大于90°，且输水气体扩散层的材料表面接触角大于或等于导流极板的材料表面接触角。
5.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池，其特征在于：所述导流极板的导流气体通道为平行流场、蛇形流场、多蛇形流场或交趾型流场。
6.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池，其特征在于：该电池为若干电池单体组成的电池组，两相邻电池单体的阳极板与导流极板结合为导流双极板。
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