CN116864755A - 一种高稳定性的燃料电池膜电极 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了应用于燃料电池领域的一种高稳定性的燃料电池膜电极，通过安装有调节气囊，使得阳极催化层与阳极气体扩散层、阴极催化层与阴极气体扩散层之间存在间隙，提高反应效率，在进气量增加时，充气管内部进气使得调节球囊增大，进而使得表面相互靠近的催化调节框之间的距离增加，以满足进气量增加状态时反应效率需同步提高的需求，针对阴极生成的水滴，在调节球囊释放内部气体导致催化调节框内部扇形排列的一号调节框和二号调节框复位后，附着在一号调节框和二号调节框以及催化调节框内壁的水滴在刮除作用和晃动作用下通过排液孔排出，减少气体在膜电极内残留影响气体正常传输，保证膜电极的供电稳定性。
Description
技术领域
本申请涉及燃料电池领域，特别涉及一种高稳定性的燃料电池膜电极。
背景技术
燃料电池的主要原理是将化学能转化为电能，燃料电池单体内部最重要的部件就是膜电极，在实际应用当中可以根据设计的需要将多个单电池组合成为燃料电池电堆以满足不同大小功率输出的需要，目前主要以氢气为主要燃料，相较于甲烷或石油气为原料时因反应不充分使得阳极发生积碳进而附着在阳极的催化剂活性位点表面，加速燃料电池的活性衰退，而氢气的好处在于反应生成水蒸气非常清洁。
在现有技术中，膜电极内部的催化层面积恒定，使得氢气和氧气在膜电极的阳极和阴极发生相应的催化反应时，为解决大体量气体进入未能及时反应之后排出造成燃料电池反应效率低下的问题，通常采取对进气量予以节流、延时的操作来保证气体与催化剂的充分反应，但是在实际使用时，为保证供电正常操作气源的供气量要大于消耗量，在耗电性需求大的情况时更加需要增加供气量，因此在气源与膜电极反应端的中途因节流、延时操作容易造成气路拥堵，且不利于燃料电池供电的稳定性。
为此我们提出一种高稳定性的燃料电池膜电极，通过伸缩膨胀的方式来灵活调整气体与催化剂之间的接触面积，进而在保证气路通畅的情况下，提升膜电池内部的反应效率，保证膜电极供电的稳定性。
发明内容
本申请目的在于通过灵活调整催化剂与膜电极反应时气体的接触面积，来解决调整气体供应量增加时催化率恒定导致的供电效率不足的问题，相比现有技术提供一种高稳定性的燃料电池膜电极，包括阳极气体扩散层、阳极催化层和调节球囊，阳极气体扩散层的内侧安装有阳极催化层，阳极催化层的内侧安装有质子交换膜，质子交换膜的内侧安装有阴极催化层，阴极催化层的内侧安装有阴极气体扩散层；
阳极催化层的正面和阴极催化层的背面均安装有弹性橡胶制成的调节球囊，调节球囊的表面安装有数个均匀分布的催化调节框，调节球囊的顶部表面设有释放口，调节球囊的表面设有内部安装有单向阀的充气管，且充气管位于数组催化调节框的中间，且充气管的直径小于释放口；
阳极气体扩散层和阴极气体扩散层的内部均设有进气口和出气口，且进气口和出气口呈对角线布置。
进一步的，催化调节框的表面布置有催化剂，催化调节框的内部安装有一号调节框，一号调节框的内部安装有二号调节框，且一号调节框和二号调节框通过轴杆与催化调节框的内壁活动连接，催化调节框的内壁与一号调节框的外壁贴合，一号调节框的内壁与二号调节框的外壁贴合。
进一步的，调节球囊的内顶壁连接有关于释放口对称布置的挡块一号和挡块二号，挡块一号的内部设有收纳槽，挡块二号靠近挡块一号的一侧表面安装有与收纳槽相互匹配的凸块。
进一步的，挡块一号和挡块二号在调节球囊未充气时相互扣合将释放口封堵，挡块一号和挡块二号在调节球囊膨胀时相互远离，且挡块一号和挡块二号在远离至极限时完全暴露释放口。
进一步的，催化调节框和一号调节框的内底壁均安装有半球形的硅胶球，且硅胶球为高弹性硅胶制成。
进一步的，催化调节框、一号调节框和二号调节框的底部均设有贯穿的排液孔，且排液孔的内壁涂覆有憎水涂层。
进一步的，催化调节框、一号调节框和二号调节框的底壁均安装有磁吸块，且催化调节框与一号调节框之间的磁吸块相互排斥，一号调节框与二号调节框之间的磁吸块相互排斥。
进一步的，相邻两组催化调节框在调节球囊内部未进气膨胀前内部二号调节框之间为贴合状态，在调节球囊内部进气后相邻两组催化调节框内的一号调节框与二号调节框为展开状态。
进一步的，充气管的内部安装有阻流板，阻流板的背面连接有微型弹簧，充气管的底部贯穿安装有延伸至调节球囊内部的导气管。
进一步的，阻流板在未受推力作用时位于导气管远离调节球囊的一端。
相比于现有技术，本申请的优点在于：
(1)调节球囊使得阳极催化层与阳极气体扩散层、阴极催化层与阴极气体扩散层之间存在间隙，方便气体充分接触，提高反应效率，此外在进气量增加时，充气管内部进气使得调节球囊增大，进而使得表面相互靠近的催化调节框之间的距离增加，方便扩大催化调节框的暴露面积，以满足进气量增加状态时反应效率需同步提高的需求。
(2)催化调节框相互远离时，一号调节框和二号调节框结合催化调节框以扇形呈现，有效增加催化接触面积，提高反应效率，在一号调节框和二号调节框返回至催化调节框内部的过程中，阴极催化层位置处一号调节框和二号调节框外壁表面的水滴被收纳的边框刮下，实现有效的排水操作。
(3)在复位过程中，一号调节框和二号调节框撞击硅胶球，产生晃动，使得催化调节框、一号调节框和二号调节框内壁的水滴被震落，进而通过排液孔排出，为排水提供便捷。
(4)磁吸排斥作用力小于相邻催化调节框靠近时的贴合挤压作用力，进而在催化调节框之间距离增加失去贴合挤压时，排斥作用能够确保催化调节框内部的一号调节框和二号调节框能够完全释放排出，在催化调节框复位时，一号调节框和二号调节框能够顺利收纳复位。
附图说明
图1为本申请的整体结构爆炸示意图；
图2为本申请的调节球囊、充气管、催化调节框和释放口安装图；
图3为本申请的调节球囊、充气管以及挡块一号和挡块二号内部仰视图；
图4为本申请的调节球囊、充气管以及挡块一号和挡块二号外部俯视图；
图5为本申请的催化调节框、一号调节框和二号调节框安装图；
图6为本申请的调节气囊充气膨胀前后催化调节框的变化状态图；
图7为本申请的复位过程中催化调节框、一号调节框和二号调节框外壁水滴被刮下示意图；
图8为本申请的催化调节框、一号调节框和二号调节框内部图；
图9为本申请的催化调节框、一号调节框的剖面框图；
图10为本申请的一号调节框复位过程中撞击硅胶球排水示意图；
图11为本申请的充气管剖视示意图。
图中标号说明：
1、阳极气体扩散层；2、进气口；3、出气口；4、阳极催化层；5、质子交换膜；6、阴极催化层；7、阴极气体扩散层；8、调节球囊；81、充气管；82、催化调节框；83、释放口；811、阻流板；812、微型弹簧；813、导气管；821、一号调节框；822、二号调节框；831、挡块一号；832、挡块二号；9、排液孔；10、磁吸块；11、硅胶球。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
实施例1：
本发明提供了一种高稳定性的燃料电池膜电极，请参阅图1-6，包括阳极气体扩散层1、阳极催化层4和调节球囊8，阳极气体扩散层1的内侧安装有阳极催化层4，阳极催化层4的内侧安装有质子交换膜5，质子交换膜5的内侧安装有阴极催化层6，阴极催化层6的内侧安装有阴极气体扩散层7；
具体的，质子交换膜5为质子提供从阳极到阴极的传递通道，进而使得在阳极催化层4和阴极催化层6在反应的同时被隔离，确保阳极和阴极能够独立进行相应的反应；
阳极催化层4的正面和阴极催化层6的背面均安装有弹性橡胶制成的调节球囊8，调节球囊8的表面安装有数个均匀分布的催化调节框82，调节球囊8的顶部表面设有释放口83，调节球囊8的表面设有内部安装有单向阀的充气管81，且充气管81位于数组催化调节框82的中间，且充气管81的直径小于释放口83；
具体的，调节球囊8使得阳极催化层4与阳极气体扩散层1之间存在间隙，方便气体充分接触，提高反应效率，此外在进气量增加时，充气管81内部进气使得调节球囊8增大，进而使得表面相互靠近的催化调节框82之间的距离增加，方便催化调节框82的暴露面积，以满足进气量增加状态时反应效率需同步提高的需求，在调节球囊8膨胀至极限时，释放口83开启将调节球囊8内部的充气予以释放，进而使得调节球囊8表面的催化调节框82恢复至原状，以便将位于阴极催化层6表面的催化调节框82表面的水滴抖落，方便排水的同时在氢气和空气的进气量增加时提高反应效率。
阳极气体扩散层1和阴极气体扩散层7的内部均设有进气口2和出气口3，且进气口2和出气口3呈对角线布置。
具体的，通过阳极气体扩散层1中的进气口2通入氢气，未反应完全的氢气则会通过阳极气体扩散层1中的出气口3排出本膜电极内部，同时通过阴极气体扩散层7中的进气口2通入空气，未反应完全的空气以及反应生成的水均通过阴极气体扩散层7中的出气口3排出膜电极内部。
请参阅图7，催化调节框82的表面布置有催化剂，催化调节框82的内部安装有一号调节框821，一号调节框821的内部安装有二号调节框822，且一号调节框821和二号调节框822通过轴杆与催化调节框82的内壁活动连接，催化调节框82的内壁与一号调节框821的外壁贴合，一号调节框821的内壁与二号调节框822的外壁贴合。
具体的，在调节球囊8因内部充气膨胀使得相互靠近的催化调节框82之间相互远离后，催化调节框82内部的一号调节框821和二号调节框822以扇形的方式释放出催化调节框82的内部，进而有效增加催化接触面积，以适应进气量增加的反应需求，在一号调节框821和二号调节框822返回至催化调节框82内部的过程中，阴极催化层6位置处一号调节框821外壁表面的水滴被催化调节框82的内边框、二号调节框822外壁表面的水滴被一号调节框821的内边框刮下，实现有效的排水操作。
调节球囊8的内顶壁连接有关于释放口83对称布置的挡块一号831和挡块二号832，挡块一号831的内部设有收纳槽，挡块二号832靠近挡块一号831的一侧表面安装有与收纳槽相互匹配的凸块。
挡块一号831和挡块二号832在调节球囊8未充气时相互扣合将释放口83封堵，挡块一号831和挡块二号832在调节球囊8膨胀时相互远离，且挡块一号831和挡块二号832在远离至极限时完全暴露释放口83。
具体的，挡块一号831和挡块二号832在调节球囊8未充气时，挡块一号831和挡块二号832能够将释放口83完全封堵遮挡，随着调节球囊8的充气膨胀，挡块一号831和挡块二号832逐渐远离，逐渐暴露释放口83，以便将调节球囊8内部的气体释放，方便调节球囊8表面远离状态的催化调节框82复位成相互贴合挤压状态。
请参阅图8-10，催化调节框82和一号调节框821的内底壁均安装有半球形的硅胶球11，且硅胶球11为高弹性硅胶制成。
具体的，在一号调节框821和二号调节框822复位过程中，一号调节框821撞击催化调节框82内底壁的硅胶球11，二号调节框822撞击一号调节框821内底壁的硅胶球11，进而使得一号调节框821和二号调节框822产生晃动，使得催化调节框82、一号调节框821和二号调节框822内壁的水滴被震落，进而通过排液孔9排出，为排水提供便捷。
催化调节框82、一号调节框821和二号调节框822的底部均设有贯穿的排液孔9，且排液孔9的内壁涂覆有憎水涂层。
具体的，排液孔9的设置，方便处在阴极催化层6位置调节球囊8表面催化调节框82内部反应水滴的排出，保证阴极催化层6和阴极气体扩散层7之间气体能够通畅传送。
催化调节框82、一号调节框821和二号调节框822的底壁均安装有磁吸块10，且催化调节框82与一号调节框821之间的磁吸块10相互排斥，一号调节框821与二号调节框822之间的磁吸块10相互排斥。
具体的，磁吸排斥作用力小于相邻催化调节框82靠近时的贴合挤压作用力，进而在催化调节框82之间距离增加失去贴合挤压时，排斥作用能够确保催化调节框82内部的一号调节框821和二号调节框822能够完全释放排出，在催化调节框82复位时，一号调节框821和二号调节框822能够顺利收纳复位。
相邻两组催化调节框82在调节球囊8内部未进气膨胀前内部二号调节框822之间为贴合状态，在调节球囊8内部进气后相邻两组催化调节框82内的一号调节框821与二号调节框822为展开状态。
请参阅图11，充气管81的内部安装有阻流板811，阻流板811的背面连接有微型弹簧812，充气管81的底部贯穿安装有延伸至调节球囊8内部的导气管813。
阻流板811在未受推力作用时位于导气管813远离调节球囊8的一端。
具体的，在膜电极内进气量正常未达到加量阈值时，阻流板811在微型弹簧812的作用下将导气管813的管口予以封堵，进而阻止充气操作，在进气量增加超过加量阈值时，阻流板811受到的气压作用大于微型弹簧812的抵抗作用，使得阻流板811压缩露出导气管813，进而实现相应的充气处理。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，根据本申请的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本申请的保护范围内。
Claims (10)
1.一种高稳定性的燃料电池膜电极，包括阳极气体扩散层(1)、阳极催化层(4)和调节球囊(8)，其特征在于，所述阳极气体扩散层(1)的内侧安装有阳极催化层(4)，所述阳极催化层(4)的内侧安装有质子交换膜(5)，所述质子交换膜(5)的内侧安装有阴极催化层(6)，所述阴极催化层(6)的内侧安装有阴极气体扩散层(7)；
所述阳极催化层(4)的正面和阴极催化层(6)的背面均安装有弹性橡胶制成的调节球囊(8)，所述调节球囊(8)的表面安装有数个均匀分布的催化调节框(82)，所述调节球囊(8)的顶部表面设有释放口(83)，所述调节球囊(8)的表面设有内部安装有单向阀的充气管(81)，且充气管(81)位于数组催化调节框(82)的中间，且充气管(81)的直径小于释放口(83)；
所述阳极气体扩散层(1)和阴极气体扩散层(7)的内部均设有进气口(2)和出气口(3)，且进气口(2)和出气口(3)呈对角线布置。
2.根据权利要求1所述的一种高稳定性的燃料电池膜电极，其特征在于，所述催化调节框(82)的表面布置有催化剂，所述催化调节框(82)的内部安装有一号调节框(821)，所述一号调节框(821)的内部安装有二号调节框(822)，且一号调节框(821)和二号调节框(822)通过轴杆与催化调节框(82)的内壁活动连接，所述催化调节框(82)的内壁与一号调节框(821)的外壁贴合，所述一号调节框(821)的内壁与二号调节框(822)的外壁贴合。
3.根据权利要求1所述的一种高稳定性的燃料电池膜电极，其特征在于，所述调节球囊(8)的内顶壁连接有关于释放口(83)对称布置的挡块一号(831)和挡块二号(832)，所述挡块一号(831)的内部设有收纳槽，所述挡块二号(832)靠近挡块一号(831)的一侧表面安装有与收纳槽相互匹配的凸块。
4.根据权利要求3所述的一种高稳定性的燃料电池膜电极，其特征在于，所述挡块一号(831)和挡块二号(832)在调节球囊(8)未充气时相互扣合将释放口(83)封堵，所述挡块一号(831)和挡块二号(832)在调节球囊(8)膨胀时相互远离，且挡块一号(831)和挡块二号(832)在远离至极限时完全暴露释放口(83)。
5.根据权利要求2所述的一种高稳定性的燃料电池膜电极，其特征在于，所述催化调节框(82)和一号调节框(821)的内底壁均安装有半球形的硅胶球(11)，且硅胶球(11)为高弹性硅胶制成。
6.根据权利要求2所述的一种高稳定性的燃料电池膜电极，其特征在于，所述催化调节框(82)、一号调节框(821)和二号调节框(822)的底部均设有贯穿的排液孔(9)，且排液孔(9)的内壁涂覆有憎水涂层。
7.根据权利要求1所述的一种高稳定性的燃料电池膜电极，其特征在于，所述催化调节框(82)、一号调节框(821)和二号调节框(822)的底壁均安装有磁吸块(10)，且催化调节框(82)与一号调节框(821)之间的磁吸块(10)相互排斥，一号调节框(821)与二号调节框(822)之间的磁吸块(10)相互排斥。
8.根据权利要求2所述的一种高稳定性的燃料电池膜电极，其特征在于，相邻两组所述催化调节框(82)在调节球囊(8)内部未进气膨胀前内部二号调节框(822)之间为贴合状态，在调节球囊(8)内部进气后相邻两组所述催化调节框(82)内的一号调节框(821)与二号调节框(822)为展开状态。
9.根据权利要求1所述的一种高稳定性的燃料电池膜电极，其特征在于，所述充气管(81)的内部安装有阻流板(811)，所述阻流板(811)的背面连接有微型弹簧(812)，所述充气管(81)的底部贯穿安装有延伸至调节球囊(8)内部的导气管(813)。
10.根据权利要求9所述的一种高稳定性的燃料电池膜电极，其特征在于，所述阻流板(811)在未受推力作用时位于导气管(813)远离调节球囊(8)的一端。
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