CN1564352A - 质子交换膜燃料电池u型集气－平行流组合流道 - Google Patents

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Abstract

一种质子交换膜燃料电池U型集气－平行流组合流道，阴极采用U型集气流道，阳极采用平行流道，阴极U型集气流道分为并行的进气流道和U型排气流道两部分，阴极U型排气流道布置在电池端面的两侧和最下方，且将阴极进气流道包围，阳极气体入口和阳极气体出口之间为平行的阳极气体流道。本发明的阴极U型集气流道便于排出电化学反应产生的液态水，气体密封性也得到了加强，阳极平行流道便于气体输送，还能减少阳极流道内部气体流动阻力，阴阳极工质压差的存在，便于部分生成物水从阴极向阳极扩散，不断为质子交换膜增湿。

Description

质子交换膜燃料电池U型集气—平行流组合流道
技术领域
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池U型集气—平行流组合流道，是一种新型的质子交换膜燃料电池气体流道，属于能源利用燃料电池技术领域。
背景技术
随着资源的日益紧张和环境的逐渐恶化，世界各国都在研究与发展新型的发电技术。燃料电池能将化学能直接转化为电能而不受卡诺循环的限制，效率很高，而且对环境很友好。质子交换膜燃料电池具有结构紧凑、重量轻、电流密度大、工作温度低、启动速度快等优点，且使用无毒性的固态电解质膜，在航空、交通、移动电源等领域都有广泛的应用前景，因此已经成为近年来发展最快的燃料电池。
一个典型的质子交换膜燃料电池包括：阴极和阳极气体流道，阴极和阳极气体扩散层，阴极和阳极催化层，质子交换膜。在运行时，反应气体沿着气体流道流动，通过气体扩散层，到达催化剂表面发生反应，通常采用的气体流场是平行流场。但在大功率工作条件下，阴极气道产生的部分液态水无法及时排出，会“淹没”扩散层表面，在电池末端形成气液两相流动，增大了气体扩散阻力。
燃料电池的阴阳极反应特点也不同，阳极侧需要产生氢离子和保持一定的湿度，防止质子交换膜的蒸干；阴极侧需要将生成的水快速排出。因此，阴阳极工质流道有着不同的特点，应该分别设计。
最近一些文献中提出了一种交指型流场(Trung V.Nguyen.A gasdistributor design for proton-exchange-membrane fuel cells.Journal ofElectrochemical Society，1996，143(5)：L103-L105)。交指型流场将进气流道末端封死，通过强迫对流机理强迫反应气体深入扩散层内部，提高了扩散速度，大大提高反应速率，而且可以通过气流把扩散层中聚集的液态水带出，减少了阴极淹没程度，从而改善质子交换膜燃料电池的工作性能。但是在交指型流场中，进气和排气的大部分流道相互交叉平行排列，进气流道只有实际电池面积的一半，实际反应面积并不大，因此电池的有效面积较小。
另外，由于质子交换膜属于水合物，工作时需要保持一定的湿度，运行时采取在阳极气体中加入部分水蒸气，水蒸气用来湿润质子交换膜，起到增湿的作用。但是水蒸气的加入，降低了反应气体的浓度，增加了反应气体的扩散阻力。因此，保持一定的阴阳极压差，形成压力驱动下，部分反应生成水从阴极向阳极输运，对燃料电池的安全运行十分有益。
发明内容
本发明的目的在于针对现有流场存在的不足，提供一种质子交换膜燃料电池U型集气—平行流组合流道，使反应更为充分，提高工质利用率，提高工作性能。
为实现这样的目的，本发明的技术方案中，电池阴极采用U型集气流道，便于排出电化学反应产生的液态水；阳极采用平行流道，便于气体输送，还能减少阳极流道内部的气体流动阻力。阴极U型集气流道在电池上方，阳极平行流道在电池的下方。
本发明的阴极U型集气流道分为并行的阴极进气流道和阴极U型排气流道两部分，阴极U型排气流道布置在电池端面的两侧和最下方，且将阴极进气流道包围。阳极采用平行流道，即阳极气体入口和阳极气体出口之间为平行的气体流道。
本发明燃料电池阴极采用U型环绕的结构，排气流道将进气流道包围。这种流场的原理和交指型流道的原理有些类似。两者都属于强迫流动，当气体工质流动到气道的末端后，由于气道受阻，则通过和气道接触的气体扩散层内部微孔进入U型集气流道。但交指型流场气道中的气体会向左右两边扩散，因此会对电池的密封性带来不好的影响。而采用U型环绕的结构之后，通过扩散层向两边扩散的气体可以进入环绕的U型集气流道排出，而不会再向电池外面扩散，因此采用U型环绕型电池的密封性得到了加强。
本发明这种组合流场的阴极U型集气流道与交指型流道类似但不相同，下面从流场方面说明一下它优于交指型的方面。交指型流场中，进气流道和排气流道相互交叉平行排列，进气流道只有实际电池面积的一半，因此有效反应面积并不大。本发明流场中，只有进气流道平行排列，排气流道设计在末端，这样，进气流道占据了整个电池面积，实际反应面积就大大增大了。如果交指型流场和本发明流场进气流量相同的情况下，由于本发明流场的进气流道面积比交指型流场的多一倍，进气速度比交指型流场的小，因此气体在流道内的停留时间比交指型流场的长，反应更加充分，工质利用率更高。
另外，由于流道末端被堵死，反应气体被强迫进到气体扩散层内部参加反应，反应速率得到提高，而且强迫对流进入的气体可以将扩散层中生成并聚集的液态水带出，减少了阴极淹没程度，因此其工作性能优于平行流场。
同时，采用质子交换膜燃料电池U型集气—平行流组合流道，由于阴极采用强迫流动，气体流动阻力大，造成流道内压力增加，而阳极的流动阻力小，压力相对阴极小，阴阳气体压差的存在，便于水从阴极向阳极扩散，有益于质子交换膜的增湿，保证了燃料电池的安全运行。
附图说明
图1为本发明的质子交换膜燃料电池阴极U型集气流道的结构示意图。
图1中，1为燃料电池阴极气体入口，2为燃料电池阴极板外边框，3为燃料电池阴极进气流道，4为燃料电池阴极U型排气流道，5为燃料电池阴极气体出口。
图2为本发明的质子交换膜燃料电池阳极平行流道的结构示意图。
图2中，6为燃料电池阳极气体入口，7为燃料电池阳极板外边框，8为燃料电池阳极气体流道，9为燃料电池阳极气体出口。
图3为本发明的质子交换膜燃料电池U型集气—平行流组合流道的结构示意图。
图3中，10为燃料电池阴极U型集气流道，11为燃料电池阳极平行流道，12为阴极气体扩散层，13为阴极催化层，14为质子交换膜，15为阳极催化层，16为阳极气体扩散层。
具体实施方式
为更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图作进一步描述。
本发明提供的质子交换膜燃料电池U型集气—平行流组合流道结构如图3所示。所谓的组合流道就是根据燃料电池阴阳极的工作特点，选取不同形态的流道。本发明的电池阴极采用U型集气流道10，阳极采用平行流道11，阴极U型集气流道10在电池上方，阳极平行流道11在电池的下方。
本发明的阴极U型集气流道10结构如图1所示，分为并行的阴极进气流道3和阴极U型排气流道4两部分。阴极U型排气流道4布置在电池端面的两侧和最下方，且将阴极进气流道3包围。由于阴极进气流道3的末端堵死，反应工质从阴极气体入口1进入，流到阴极进气流道3末端时，携带电化学反应生成的液态水，渗透到阴极气体扩散层12，进一步渗透到阴极催化层13、质子交换膜14、阳极催化层15，然后经过阳极气体扩散层16内部的微孔输送到阴极U型排气流道4，经过阴极U型排气流道4汇集后，从阴极气体出口5排出电池。
本发明的电池阳极采用平行流道，结构如图2所示，即阳极气体入口6和阳极气体出口9之间为平行的阳极气体流道8，便于气体输送，还能减少阳极流道内气体的流动阻力。
本发明采用质子交换膜燃料电池U型集气—平行流组合流道，阴极U型集气流道10在电池上方，阳极平行流道11在电池的下方。由于阴极采用强迫流动，气体流动阻力大，造成流道内压力增加，而阳极的流动阻力小，压力相对阴较小。工作时，阴阳极工质之间存在一定的压力差，气体压差的存在，增加了电化学反应产物水从阴极向阳极扩散，起到了自动对质子交换膜进行增湿的作用。

Claims (1)

1、一种质子交换膜燃料电池U型集气—平行流组合流道，其特征在于阴极采用U型集气流道(10)，阳极采用平行流道(11)，阴极U型集气流道(10)在电池上方，阳极平行流道(11)在电池的下方，阴极U型集气流道(10)分为并行的阴极进气流道(3)和阴极U型排气流道(4)两部分，阴极U型排气流道(4)布置在电池端面的两侧和最下方，且将阴极进气流道(3)包围，阳极气体入口(6)和阳极气体出口(9)之间为平行的阳极气体流道(8)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN100413134C (zh) * 2005-12-30 2008-08-20 新源动力股份有限公司 一种质子交换膜燃料电池无增湿操作条件的遴选方法
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