CN208189714U - 一种质子交换膜燃料电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种质子交换膜燃料电池，属于燃料电池技术领域。为了解决燃料电池内部流场气体稳定性差和分布不均的问题，提供一种质子交换膜燃料电池，包括供氢结构、阳极单极板、阴极单极板和供氧结构，阳极单极板具有若干平行且间隔设置的阳极隔板，阴极单极板具有一一对应阴极隔板；阳极隔板与阴极隔板之间具有单体电池单元，阴极单极板内设有氧气通道，氧气通道分别与供氧结构和单体电池单元的阴极隔板侧相连通；阳极单极板内设有氢气通道，氢气通道分别与供氢结构和单体电池单元的阳极隔板侧相连通。能够有效缓解流场内部气体分布不均匀的现象，提高内部气体分布的均匀性与稳定性。

Description

一种质子交换膜燃料电池

技术领域

本实用新型涉及一种质子交换膜燃料电池，属于燃料电池技术领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是最近几十年里备受青睐的燃料电池。它具备燃料电池的谱表特征同时兼具在低温状态下可快速启动与工作、无电解液流失、寿命长、比功率与比能量高等特点。由于质子交换膜燃料电池具有这些优异性，被视为汽车动力电源最理想替代者，其能被应用于多种场合：小至代步车电源、移动充电装置，大至兆瓦级发电站。如笔记本电脑、手机、收音机及电动汽车等。

质子交换膜燃料电池在膜电极两侧分布金属双极板，包括阳极与阴极单极板结构主要起到电流收集与传送、气体分布等作用。还需要设置气体通道、气体扩散层、催化剂层以及电解质层。但是，现有技术中双极板的气体流场区结构大多是采用有点状、蛇形、弧形等。如中国专利申请(公开号：CN103779595A)公开了一种质子交换燃料电池，包括一个或多个单体电池；所述单体电池包括阳极板和阴极板，阳极板和阴极板之间由质子交换膜分隔，阳极板和质子交换膜之间形成氢气通道，阴极板和质子交换膜之间形成氧气通道。该质子交换燃料电池的流场设计容易导致流道中间部位气体分布不均匀、气体稳定性差以及气体属性的变化等问题的产生。

发明内容

本实用新型针对以上现有技术中存在的缺陷，提供一种质子交换膜燃料电池，解决的问题是如何实现提高流道内部气体分布均匀性和稳定性。

本实用新型的目的是通过以下技术方案得以实现的，一种质子交换膜燃料电池，包括供氢结构、阳极单极板、阴极单极板和供氧结构，所述阳极单极板具有若干平行且间隔设置的阳极隔板，所述阴极单极板具有与阳极隔板一一对应的阴极隔板；对应的阳极隔板与阴极隔板之间具有单体电池单元，所述阴极单极板内设有氧气通道，所述氧气通道分别与供氧结构和单体电池单元的阴极隔板侧相连通；所述阳极单极板内设有氢气通道，所述氢气通道分别供氢结构和单体电池单元的阳极隔板侧相连通。

通过分别在阴极单极板和阳极单极板上设有相应的氧气通道和氢气通道，避免外部供气装置中的气体直接通过单体电池单元产生气体属性的变化，确保流入每个单体电池内的气体属性保持良好的一致性，使单体电池单元内的气体具有较好的稳定性与分布效果；同时，也有助于实现阴阳极侧气体流量的调控，充分利用流入的气体，提高资源的利用率以及改善燃料电池电堆的稳定性和使用寿命；此外，将氧气通道和氢气通道直接设在阴、阳电极单极板上还具有结构紧凑的优点，减少了电池内部空间的占有。

在上述质子交换膜燃料电池中，作为优选，每个阳极隔板和阴极隔板位于单体电池单元侧具有相对设置的凹凸槽结构，所述阴极单极板靠近每个阴极隔板具有凹凸槽结构侧开设有通气孔一，所述氧气通道通过通气孔一与单体电池单元位于阴极隔板侧相通；所述阳极单极板靠近每个阳极隔板具有凹凸槽结构侧开设有通气孔二；所述氢气通道能够通过通气孔二与单体电池单元位于阳极隔板侧相通。通过在阳极隔板和阴极隔板上设有呈相对设置的凹凸槽结构可在内部形成匀压腔，形成的匀压腔有助于平衡流道内部气压与氢气及氧气流量，起到较好的匀压作用，从氧气通道和氢气通道内流入的相应气体具有更好的平稳性，且能够缓解内部气体分布不均的现象，实现内部气体均匀分布，也解决了现有流场中采用平行流道与蛇形流道导致的内部气压分布不均的现象；同时，通气孔一和通气孔二分别靠近阳极隔板和阳极隔板具有凹凸槽结构侧的位置，能够使从氧气通道和氢气通道流入的气体在凹凸槽结构形成的匀压腔作用下具有更好的稳定性和均匀性。

在上述质子交换膜燃料电池中，所述阳极单极板内还设有氢气回流通道，所述氢气回流通道与氢气通道相通处设有滤膜，所述氢气回流通道的出气口与供氢结构相通。通过滤膜过滤处理之后，实现氢气的回收循环利用，避免氢气资源的浪费，且将氢气通道和氢气回流通道均设在阳极单极板上，减少内部空间占用率，达到结构紧凑的效果。

在上述质子交换膜燃料电池中，作为优选，所述凹凸槽结构呈梯形状交替设置，此结构可调控气体流动的稳定性，具有良好的匀压作用，从而实现单体电池单元内部气体均匀分布。

在上述质子交换膜燃料电池中，所述阳极隔板的外侧设有阳极散热板，所述阴极隔板的外侧设有阴极散热板。能够起到较好的冷却效果，提高电池的使用寿命。作为进一步的优选，所述阴极散热板和阳极散热板内均设有呈Z字型排列设置的散热管道，所述散热管道内填充有冷却剂。有利于提高冷却的效率。

在上述质子交换膜燃料电池中，所述单体电池单元从阳极隔板到阴极隔板方向依次包括阳极气体流道、阳极气体扩散层、阳极催化剂层、质子交换膜层、阴极催化剂层、阴极气体扩散层和阴极气体流道。所述质子交换膜层采用磺化聚合物材料制成。

综上所述，本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

1.通过在阴、阳极单极板上设置氧气通道和氢气通道，能够避免外部气体直接通入单体电池单元内部，能够实现均匀供气和提高气体稳定性的效果。

2.通过在对应的阳极隔板和阴极隔板上设有凹凸槽结构，相当于在内部形成匀压腔的结构，形成的匀压腔有助于平衡流道内部气压与氢气及氧气流量，能够起到较好的匀压作用，从而缓解内部气体分布不均的现象，达到内部气体分布均匀的效果。

3.通过设置氢气回流通道和氢气过滤膜结构，实现氢气的回收利用，提高资源的利用率。

附图说明

图1是本质子交换膜燃料电池的结构示意图。

图2是本质子交换膜燃料电池中阴极单极板的结构示意图。

图3是本质子交换膜燃料电池中阳极单极板的结构示意图。

图4是本质子交换膜燃料电池中阳极单极板和阴极单极板组合后的结构示意图。

图5是本质子交换膜燃料电池中单个单体电池的局部结构原理示意图。

图6是本质子交换膜燃料电池中单个单体电池的另一种局部结构原理示意图。

图7是图6中阴板散热板和阳极散热板采用一体式结构的放大结构示意图。

图中，1、供氢结构；2、阳极单极板；21、阳极隔板；22、氢气通道；221、进气口二；23、通气孔二；24、氢气回道通道； 241、出气口；3、阴极单极板；31、阴极隔板；32、氧气通道；321、进气口一；33、通气孔一；4、供氧结构；5、单体电池单元； 51、阳极气体流道；52、阳极气体扩散层；53、阳极催化剂层；54、质子交换膜层；55、阴极催化剂层；56、阴极气体扩散层；57、阴极气体流道；6、滤膜；7、阳极散热板；8、阴极散热板； 9、散热管道；10、外壳。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明，但是本实用新型并不限于这些实施例。如图1- 图5所示，一种质子交换膜燃料电池，包括供氢结构1、阳极单极板2、阴极单极板3和供氧结构4，这里的电池还具体外壳10，更重要的是，其中，阳极单极板2具有若干呈平行且间隔设置的阳极隔板21，即阳极隔板21与阳极单极板3之间相互垂直，阴极单极板3具有与阳极隔板21一一相对应的阴极隔板31；这里的阳极隔板21和阴极隔板31的数量相对应即可，对于具体的数量可以根据实际情况进行调整，同样，阴极隔板31与阴极单极板 3之间相互垂直，对应的阳极隔板21与阴极隔板31之间具有单体电池单元5，阴极单极板3内设有氧气通道32，最好使氧气通道32沿着单体电池单元5的排列方向沿伸，这样可以保证每个单体电池单元5与其相连通，氧气通道32分别与供氧结构4和单体电池单元5的阴极隔板31侧相连通；阳极单极板2内设有氢气通道22，氢气通道22沿着单体电池单元5的排列方向沿伸，氢气通道22分别与供氢结构1和单体电池单元5的阳极隔板21侧相连通。组装的电池阳极单极板2和阴极单极板3之间相互平行，与阳极隔板21和阴极隔板31之间形成密封的单元；上述具体可以使氧气通道32一端的进气口一323与供氧结构4相连通，供氧结构4可以供空气或氧气气体，对于供氧结构4这里仅为示意，没有具体画出；上述具体可以使氢气通道22一端的进气口二221 与供氢结构1相连通，这里供氢结构1仅为示意，没有具体画出，采用电池领域中常用的供氢结构1单元均可；氧气通道32能够与单体电池单元5位于阴极隔板31侧相通，这里只要在阴极单极板 3对应每个单体电池单元5的位置开设通孔与其相通即可，氢气通道22能够与单体电池单元5位于阳极隔板21侧相通，这里只要在阳极单极板2对应每个单体电池单元5的位置开设通孔与其相通即可。

进一步的讲，如图2、图3和图4所示，在每个对应的阳极隔板21和阴极隔板31位于单体电池单元5侧具有相对设置的凹凸槽结构，上述阴极单极板3靠近每个阴极隔板31具有凹凸槽结构侧开设有通气孔一33，氧气通道32通过通气孔一33与单体电池单元位5于阴极隔板31侧相通；阳极单极板2靠近每个阳极隔板21具有凹凸槽结构侧开设有通气孔二23；氢气通道22能够通过通气孔二23与单体电池单元5位于阳极隔板21侧相通。通过使通气孔一33和通气孔二23靠近凹凸槽结构侧，能够使从氧气通道32和氢气通道22进入的相应气体在凹凸槽结构所起到的匀压作用，实现气体的均匀分布的效果。还可以使凹凸槽结构呈梯形状交替设置，相当于使表面具有梯形状的平行凹槽沿着垂直于阳极单极板2的方向沿伸交替排列设置形成梯形状交替的结构，有利于提高单体电池单元5内气体分布的均匀性和压力稳定性。

进一步的讲，如图3所示，其中，阳极单极板2内还设有氢气回流通道24，可以使氢气回流通道24平行设有氢气通道22的下方，氢气回流通道24与氢气通道22相通处设有滤膜6，氢气回流通道24的出气口241与供氢结构1相通。在滤膜6的过滤作用下，对氢气进行一定的净化作用，实现氢气的回收利用，提高原料的利用率，减少浪费。

进一步的讲，如图6和图7所示，还可以使阳极隔板21的外侧设有阳极散热板7，阴极隔板31的外侧设有阴极散热板8可以阳极散热板7和阴极散热板8之间可以是分体式的，也可以是直接采用一体式的结构，作为优选，采用一体式的结构，如图7所示，使阳极散热板7和阴极散热板8内均设有若干呈Z字型排列设置的散热管道9，散热管道9内填充有冷却剂，提高冷却效率，有利于提高电池的使用寿命和性能的稳定性。

如图5所示，具体还可以使单体电池单元5从阳极隔板21 到阴极隔板31方向依次包括阳极气体流道51、阳极气体扩散层 52、阳极催化剂层53、质子交换膜层54、阴极催化剂层55、阴极气体扩散层56和阴极气体流道57。这里各层之间能够相互紧密贴合密封，阳极隔板21与阳极气体扩散层52之间形成密闭使它们之间形成的阳极气体流道51，而阴极隔板31与阴极气体扩散层56之间贴合形成密闭使它们之间形成阴极气体流道56。其中的质子交换膜层54采用磺化聚合物材料制成，具有电池性能优越的效果，有利于提高电池的使用寿命。

本质子交换膜燃料电池在工作时，反应气体氢气从相应的供氢结构1经进气口二221进入氢气通道22再从相应的通气孔二 23进入双极板的阳极气体流道51；反应气体氧气从相应的供氧结构3经进气口一321进入氧气通道32再从相应的通气孔一33进入双极板的相应阴极气体流道57；气体分布均匀后进入各单体电池经气体流道使得内部气压与流量均匀，提高气体使用效率，改善质子交换膜燃料电池的电性能及寿命。

本实用新型中所描述的具体实施例仅是对本实用新型的精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管对本实用新型已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本实用新型的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (7)

1.一种质子交换膜燃料电池，包括供氢结构(1)、阳极单极板(2)、阴极单极板(3)和供氧结构(4)，其特征在于，所述阳极单极板(2)具有若干平行且间隔设置的阳极隔板(21)，所述阴极单极板(3)具有与阳极隔板(21)一一对应的阴极隔板(31)；对应的阳极隔板(21)与阴极隔板(31)之间具有单体电池单元(5)，所述阴极单极板(3)内设有氧气通道(32)，所述氧气通道(32)分别与供氧结构(4)和单体电池单元(5)的阴极隔板(31)侧相连通；所述阳极单极板(2)内设有氢气通道(22)，所述氢气通道(22)分别与供氢结构(1)和单体电池单元(5)的阳极隔板(21)侧相连通。

2.根据权利要求1所述质子交换膜燃料电池，其特征在于，每个阳极隔板(21)和阴极隔板(31)位于单体电池单元(5)两侧具有相对设置的凹凸槽结构；所述阴极单极板(3)靠近每个阴极隔板(31)具有凹凸槽结构侧开设有通气孔一(33)，所述氧气通道(32)通过通气孔一(33)与单体电池单元(5)位于阴极隔板(31)侧相通；所述阳极单极板(2)靠近每个阳极隔板(21)具有凹凸槽结构侧开设有通气孔二(23)；所述氢气通道(22)通过通气孔二(23)与单体电池单元(5)位于阳极隔板(21)侧相通。

3.根据权利要求1所述质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述阳极单极板(2)内还设有氢气回流通道(24)，所述氢气回流通道(24)与氢气通道(22)相通处设有滤膜(6)，所述氢气回流通道(24)的出气口(241)与供氢结构(1)相通。

4.根据权利要求2所述质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述凹凸槽结构呈梯形状交替设置。

5.根据权利要求1-4任意一项所述质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述阳极隔板(21)的外侧设有阳极散热板(7)，所述阴极隔板(31)的外侧设有阴极散热板(8)。

6.根据权利要求5所述质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述阳极散热板(7)和阴极散热板(8)内均设有若干呈Z字型排列设置的散热管道(9)，所述散热管道(9)内填充有冷却剂。

7.根据权利要求1-4任意一项所述质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述单体电池单元(5)从阳极隔板(21)到阴极隔板(31)方向依次包括阳极气体流道(51)、阳极气体扩散层(52)、阳极催化剂层(53)、质子交换膜层(54)、阴极催化剂层(55)、阴极气体扩散层(56)和阴极气体流道(57)。