CN114361502B - 一种基于叶脉衍化的仿生学质子交换膜燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于叶脉衍化的仿生学质子交换膜燃料电池，燃料电池包括阳极部分和阴极部分，所述阳极部分包括阳极极板、阳极催化层和阳极气体扩散层；所述阴极部分包括阴极极板、阴极气体扩散层和阴极催化层，在阴极催化层与阳极催化层之间设置有质子交换膜，所述阳极极板和阴极极板上分别设有气体流道；所述气体流道包括气体进口流道和气体出口流道，所述气体进口流道通过扩散层的孔隙与气体出口流道连通；所述气体出口流道通内设有点状流场。本发明有利于减小流道内的压降，使流道内的压力分布也变得更加均匀，提高质子交换膜燃料电池的水热管理及电性能。

Description

一种基于叶脉衍化的仿生学质子交换膜燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，特别涉及一种基于叶脉衍化的仿生学质子交换膜燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池作为燃料电池中最常见的一种能量转换装置，以氢气或者富氢气体作为燃料，与纯氧或纯净空气反应，直接将化学能转化为电能，具有工作温度低、无污染、无腐蚀、比功率大、启动迅速和工作可靠性高等优点。质子交换膜燃料电池已经成为未来能源领域利用氢能的一种重要工具，极具开发价值。

质子交换膜燃料电池主要由双极板、催化层、扩散层和质子交换膜等重要部件组成。其中流场板是质子交换膜燃料电池的核心部件之一，其结构直接影响着反应气体的利用效率以及燃料电池的排水及散热性能。双极板具有隔离阴极和阳极反应物、提供反应气体流动通道、收集电流和提供膜电极支撑、防止水淹的重要作用。双极板传统流场主要有平行流场、蛇形流场、点状流场、交指型流场等，而新型流场主要分为仿生流场、螺旋流场和3D流场。交指型流场的流道是不连续的，气体在流动的过程中，由于通道堵死，迫使气体向周围流道扩散，这个过程可以提高反应气体进入催化层的速率，有利于提高气体利用率，增加膜的水合状态，加强质子交换膜的导电性，提高功率密度。

然而，质子交换膜燃料电池在技术方面仍然存在一些问题，比如氢气和氧气无法充分反应，流道设计不合理导致气体燃料利用率低，进而引起燃料电池实际效率低于燃料电池理论效率。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于叶脉衍化的仿生学质子交换膜燃料电池，仿生流场最大的特点在于使流体在整个活性反应面积上分布更加均匀且停留时间较长，有利于提高反应物的利用率，燃料电池的电流密度分布也会更加均匀。其次，合理的仿生流场也有利于减小流道内的压降，使流道内的压力分布也变得更加均匀，提高质子交换膜燃料电池的水热管理及电性能。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于叶脉衍化的仿生学质子交换膜燃料电池，燃料电池包括阳极部分和阴极部分，所述阳极部分包括阳极极板、阳极催化层和阳极气体扩散层；所述阴极部分包括阴极极板、阴极气体扩散层和阴极催化层，在阴极催化层与阳极催化层之间设置有质子交换膜，所述阳极极板和阴极极板上分别设有气体流道；所述气体流道包括气体进口流道和气体出口流道，所述气体进口流道通过扩散层的孔隙与气体出口流道连通；所述气体出口流道通内设有点状流场，用于增加反应气体在气体通道中的停留时间。

进一步，所述气体进口流道包括进口主流道和进口侧流道，所述进口主流道与气体进口流道的入口连通，所述进口主流道上均布若干进口侧流道。

进一步，所述进口主流道位于阳极极板或阴极极板的中心处，所述进口侧流道分布在进口主流道的两侧，向阳极极板或阴极极板的边缘延伸。

进一步，所述气体出口流道包括出口主流道和出口侧流道，两条所述出口主流道位于阳极极板或阴极极板的边缘，两条所述出口主流道交汇后与气体出口流道的出口连通，所述出口主流道上均布若干出口侧流道，且任意一条出口侧流道位于相邻的所述进口侧流道之间。

进一步，所述出口侧流道内设有点状流场。

进一步，所述点状流场由若干圆柱体均布构成，而圆柱体之间的间隙形成流场。

进一步，所述阳极极板的气体流道与阴极极板的气体流道对称设置。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的基于叶脉衍化的仿生学质子交换膜燃料电池，仿生流场最大的特点在于使流体在整个活性反应面积上分布更加均匀且停留时间较长，有利于提高反应物的利用率，燃料电池的电流密度分布也会更加均匀。其次，合理的仿生流场也有利于减小流道内的压降，使流道内的压力分布也变得更加均匀，提高质子交换膜燃料电池的水热管理及电性能。

2.本发明所述的基于叶脉衍化的仿生学质子交换膜燃料电池，阴极气体流道和阳极气体流道采用基于叶脉衍化的交指型流道结合点状流道构成的仿生学混合型流道结构。该质子交换膜燃料电池包括阴极极板、阳极极板，阴极极板和阳极极板中均有气体流道，该气体流道通过交指型流道结合点状流道构成的仿生学混合型流道结构设计而用来使氢气和氧气能够均匀地分散在双极板上，增加反应气体在气体通道中的停留时间，令其充分反应，进而使膜电流密度分布更加均匀。

3.本发明所述的基于叶脉衍化的仿生学质子交换膜燃料电池，不仅能够尽可能地使氢气和氧气尽可能长时间的停留在燃料电池中，能够使氢气和氧气能够充分反应，可明显提高燃料利用率，该结构同样具有很好的排水能力。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明所述的基于叶脉衍化的仿生学质子交换膜燃料电池三维图。

图2为本发明所述的阴极气体流道俯视图。

图3为本发明所述的阴极气体流道内部流道流向图，其中利用箭头形式标注了气体走向，在图中实线代表气体入口流道部分，虚线代表气体出口流道部分。

图中：

1-阴极气体进口流道；2-阴极气体出口流道；3-阴极气体扩散层；4-阴极催化层；5-质子交换膜；6-阳极催化层；7-阳极气体扩散层；8-阳极气体流道；9-阴极气体入口；10-阴极气体出口；11-点状流场；1-1-阴极气体进口主流道；1-2-阴极气体进口侧流道；2-1-阴极气体出口主流道；2-2-阴极气体出口侧流道。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明所述的基于叶脉衍化的仿生学质子交换膜燃料电池，燃料电池包括阳极部分和阴极部分，所述阳极部分包括阳极极板、阳极催化层6和阳极气体扩散层7；所述阴极部分包括阴极极板、阴极气体扩散层3和阴极催化层4，在阴极催化层4与阳极催化层6之间设置有质子交换膜5，质子交换膜5只允许氢离子通过。所述阳极极板上设有阳极气体流道8，阴极极板上设有阴极气体流道；阳极气体流道8和阴极气体流道均包括气体进口流道和气体出口流道，所述气体进口流道通过扩散层的孔隙与气体出口流道连通；所述气体出口流道内设有点状流场11，用于增加反应气体在气体通道中的停留时间，令两者进行充分反应，进而可以使膜电流密度分布更加均匀。

阳极气体流道8与阴极气体流道结构相同，如图2和图3所示，以阴极气体流道为例具体说明，所述阴极气体流道包括阴极气体进口流道1和阴极气体出口流道2，阴极极板一侧设有阴极气体入口9，所述阴极极板另一侧设有阴极气体出口10。阴极气体进口流道1与阴极气体出口流道2不能直接连通，这样可以使反应气体强制通过扩散层，可以提高气体传输能力，也使整个电池设计具有很好的排水能力。质子交换膜5位于电池阴极和阳极中间，并且只有氢离子可以通过质子交换膜。上文仅仅描述了阴极的气体出入口，阳极的气体出入口与之同理。

所述阴极气体进口流道1包括阴极气体进口主流道1-1和阴极气体进口侧流道1-2，所述阴极气体进口主流道1-1与阴极气体入口9连通，所述阴极气体进口主流道1-1上均布若干阴极气体进口侧流道1-2。所述阴极气体进口主流道1-1位于阴极极板的中心处，所述阴极气体进口侧流道1-2分布在阴极气体进口主流道1-1的两侧，向阴极极板的边缘延伸。所述阴极气体出口流道2包括阴极气体出口主流道2-1和阴极气体出口侧流道2-2，两条所述阴极气体出口主流道2-1位于阴极极板的边缘，两条所述阴极气体出口主流道2-1交汇后与阴极气体出口10连通，所述阴极气体出口主流道2-1上均布若干阴极气体出口侧流道2-2，且任意一条阴极气体出口侧流道2-2位于相邻的所述阴极气体进口侧流道1-2之间。所述阴极气体出口侧流道2-2内设有点状流场11。所述点状流场11由若干圆柱体均布构成，而圆柱体之间的间隙形成流场。阴极气体出口侧流道2-2根据电池的尺寸布置不同的点块形状、点块数和改变点块尺寸。

燃料电池结构中的仿生学混合型流道设计可根据具体电池的尺寸设计不同的流道分支数和流道尺寸，并且阴极气体进口侧流道1-2和阴极气体出口侧流道2-2的间距均为等距分布，有利于参加反应的气体在整个双极板上的均匀传输，阳极气体侧流道与之同理。阴极气体进口流道1、阴极气体出口流道2、阴极气体扩散层3、阴极催化层4、质子交换膜5、阳极催化层6、阳极扩散层7和阳极气体流道8之间通过一定的机械组装技术将所有部件组装到一起，最后形成可使用的燃料电池。质子交换膜燃料电池属于现有技术，对其结构以及原理在此不加以赘述。

需要指出的是，本案中，气体流道采用叶脉衍化的交指型结合点状型仿生学流道设计尽可能地使氢气和氧气尽可能长时间的停留在燃料电池中，能够使氢气和氧气能够充分反应，可明显提高燃料利用率。

另外，本实施例中图纸的出口流道部分略去了盖板，盖板的形式包括但不仅限于整体电池盖板或者仅仅覆盖出口流道局部的盖板。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于叶脉衍化的仿生学质子交换膜燃料电池，燃料电池包括阳极部分和阴极部分，所述阳极部分包括阳极极板、阳极催化层（6）和阳极气体扩散层（7）；所述阴极部分包括阴极极板、阴极气体扩散层（3）和阴极催化层（4），在阴极催化层（4）与阳极催化层（6）之间设置有质子交换膜（5），其特征在于，所述阳极极板和阴极极板上分别设有气体流道；所述气体流道包括气体进口流道和气体出口流道，所述气体进口流道通过扩散层的孔隙与气体出口流道连通；所述气体出口流道通内设有点状流场（11），用于增加反应气体在气体通道中的停留时间；所述气体进口流道包括进口主流道和进口侧流道，所述进口主流道与气体进口流道的入口连通，所述进口主流道上均布若干进口侧流道；所述进口主流道位于阳极极板或阴极极板的中心处，所述进口侧流道分布在进口主流道的两侧，向阳极极板或阴极极板的边缘延伸；所述气体出口流道包括出口主流道和出口侧流道，两条所述出口主流道位于阳极极板或阴极极板的边缘，两条所述出口主流道交汇后与气体出口流道的出口连通，所述出口主流道上均布若干出口侧流道，且任意一条出口侧流道位于相邻的所述进口侧流道之间；所述出口侧流道内设有点状流场（11）。

2.根据权利要求1所述的基于叶脉衍化的仿生学质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述点状流场（11）由若干圆柱体均布构成，而圆柱体之间的间隙形成流场。

3.根据权利要求1所述的基于叶脉衍化的仿生学质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述阳极极板的气体流道与阴极极板的气体流道对称设置。