一种质子交换膜燃料电池制造技术

本发明专利技术的质子交换膜燃料电池，一种质子交换膜燃料电池，包括，电池本体，所述电池本体包括中部的质子交换膜和设置在质子交换膜两侧的阳极和阴极；双向逆流式气体流通通道，向电池本体供给气体的气路，所述双向逆流式气体流通通道包括向阴极、阳极供给对应极性所需气体的交叉型流道组件和向交叉型流道组件分配气体的双极板。通过双向逆流交叉型流道的结构设计，改变传统流道进气方向，使得流道两端气体浓度变得均匀，使得气体反应更加充分，有效提高电池性能；同时通过优化单电池双极板上的通道结构，匹配双向逆流交叉型流道的进气方式，加快气体流速，提高燃料电池排水性能，达到优化电池性能的目的。

A proton exchange membrane fuel cell

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜燃料电池
本专利技术涉及燃料电池
，尤其是涉及一种质子交换膜燃料电池。
技术介绍
质子交换膜燃料电池是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。以氢氧燃料电池为例，其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为传递氢离子的介质，只允许氢离子通过，而氢气失去的电子则从导线通过，工作时相当于一直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极。由于质子交换膜只能传导质子，因此氢离子（即质子）可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆(简称电堆)。电堆的核心是MEA组件和双极板，MEA组件包括催化层和气体扩散层，而双极板的功能是提供气体流道，防止电池气室中的氢气与氧气串通，并在串联的阴阳两极之间建立电流通路。双极板的质量在质子交换膜燃料电池中超过60%，成本大于30%，是质子交换膜燃料电池的重要组成部件。双极流场在设计时需要考虑材质、流道等各项特征参数，并且直接关系到质子交换膜燃料电池的性能。据研究，科学有效的流道设计能使质子交换膜燃料电池性能提高，当前研究的流道形式主要是平行和蛇形，新型流道形式包括交指形、波浪形、网格、仿生及其组合形式等。可以看出，现有关于质子交换膜燃料电池流道的研究设计都围绕在流道的外形设计，大多都是通过改变流道的数目和改善流道的拐角以改善流道内供气均匀性、排水、压降情况，例如一种在中国专利文献上公布的“质子交换膜燃料电池分体式阴极流道的优化结构”，其公告号“CN107681175A”，包括阴极流道的总长度设置N组分体设置在阴极流道中的挡气板、侧边上水板和中间上水板，这种结构中挡气板顺时针倾斜30度与阴极流道的侧壁面接触，中间上水板为T形结构，侧边上水板和中间上水板引导液态水沿阴极流道的上壁面流出，从而促进阴极产生水的排出和氧气的传输。但是不能在根本上解决反应气体浓度沿流道方向逐渐降低带来水管理和供气不足等问题。由于电池流道内气压扩散随着流道的方向逐渐降低，单向流道的气体进口处气压较大，而在流道出口气压降低，导致进口处气体浓度大高，出口气体浓度较低，使得流道内气体浓度不均匀，在气体高浓度处，由于气体过多使得部分气体不能被催化剂催化；在气体低浓度处，由于气体不够充分，使得催化剂的作用不能充分发挥。所以反应气体浓度沿流道方向依然呈现逐渐降低的情况，局部供气不足、反应不充分的现象依然存在。因此质子交换膜流道的改善不能仅仅从外形及结构入手，还需要在流道进气方向上进行深入研究。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种质子交换膜燃料电池，解决了反应气体浓度沿流道方向逐渐降低，从而影响燃料电池催化反应效果而降低电池性能的问题：为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术的质子交换膜燃料电池，一种质子交换膜燃料电池，包括，电池本体，所述电池本体包括中部的质子交换膜和设置在质子交换膜两侧的阳极和阴极；双向逆流式气体流通通道，向电池本体供给气体的气路，所述双向逆流式气体流通通道包括向阴极、阳极供给对应极性所需气体的交叉型流道组件和向交叉型流道组件分配气体的双极板。所述交叉型流道组件配合电池双极板构成两组阴极、阳极双向逆流式气体流通通道，所述两组阴极、阳极双向逆流式气体流通通道内的气体流动方向完全相反，第一组阴极、阳极双向逆流式气体流通通道中的进气口与逆流向的第二组阴极、阳极双向逆流式气体流通通道的出气口相邻，根据气体扩散原理，高浓度气体会向低浓度处扩散，使得阴极、阳极气体浓度在整个流道上更加平均分布，从而降低了气体的浓度消耗，使催化层所接触的阴极、阳极气体更加均匀，进而确保气体反应更加充分，催化作用更加明显，最终提高电池性能。并且与其他流道类型相比，结构与加工制造更加简单。作为优选，所述交叉型流道组件包括交叉设置在阴极、阳极两侧并分别与阴极、阳极连通的阳极双向直线型流道和阴极双向直线型流道；所述双极板分设在交叉型流道组件上下两端并与交叉型流道组件连通；所述两组双向逆流式气体流通通道内部的气体流向相反。所述交叉型流道组件中的阳极双向直线型流道向阳极供给氧气，所述阴极双向直线型流道向电池本体的阴极供给氢气，确保电池阳极发生氧化还原反应，阴极发生氢气解离反应。作为优选，所述阳极双向直线型流道包括平行设置的流道一和流道二，所述阴极双向直线型流道包括平行设置的流道三和流道四；所述阴极双向直线型流道包括平行设置的流道三和流道四。所述流道一和流道二中气体流向相反且不连通，但共同组成与阳极连通的用于供给氧气的阳极双向直线型流道；相应的，所述流道三和流道四中气体流向相反且不连通，但共同组成与阴极连通的用于供给氢气的阴极双向直线型流道。作为优选，所述阳极包括贴合质子交换膜一侧设置的阳极电催化剂和贴合设置在阳极电催化剂外侧的阳极扩散层；所述阴极包括阴极电催化剂和贴合设置在阴极电催化剂外侧的阴极扩散层。所述阳极扩散层用以吸收来自阳极外侧流道提供的阳极气体，所述阳极催化剂用以将阳极扩散层吸收的阳极气体解离并产生质子和电子，并将质子输送至质子交换膜，将电子输送至外电路进而形成电流；所述阴极扩散层用以吸收来自阴极外侧流道提供的阴极气体，所述阴极催化剂用以配合来自质子交换膜的质子和来自外电路的电子将阴极气体还原。作为优选，所述阳极双向直线型流道设置在阳极扩散层外侧，所述阴极双向直线型流道设置在阴极扩散层外侧。由于双向直线型流道平行设置且两条流道的气体浓度分布相反，所以阳极双向直线型流道设置在阳极扩散层外侧，可确保阳极扩散层各段吸收的阳极气体浓度均匀；相应的，所述阴极双向直线型流道设置在阴极扩散层外侧，确保阴极扩散层各段吸收的阴极气体浓度均匀。作为优选，所述两双极板上设置有两组双层双排式结构的内部流场，所述两组内部流场将来自燃料电池外界的气体分配至交叉型流道组件的两组流道组中并将剩余气体导出燃料电池。所述交叉型流道组件两端双极板的内部流场相互配合形成连通于两条阴极、阳极双向逆流式气体流通通道的两组进、出气通道，所述两组进、出气通道交叉设置以配合交叉型流道组件，以确保实现两组双向逆流式气体流通通道中的交叉式逆流气体正常流动。作为优选，所述两组双向逆流式气体流通通道包括彼此配合设置的两组内部流场和两组交叉型流道组件，所述两组双向逆流式气体流通通道中的第一组包括阳极气体流通路线一和阴极气体流通路线一，第二组包括阳极气体流通路线二和阴极气体流通路线二，所述阳极气体流通路线一与阳极气体流通路线二的气体流动方向相反，所述阴极气体流通路线一与阴极气体流通路线二的气体流动方向相反。阳极气体流通路线一和阴极气体流通路线一组成的双向逆流式气体流通通道一与阳极气体流通路线二和阴极气体流通路线二组成的双向逆流式气体流通通道二共同形成气体流向相反的两条交叉双向逆流式气体流通通道，保证了扩散层气体浓度均匀，进而提高质子交换膜燃料电池内部的反应效果，从而有效提升电池性能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种质子交换膜燃料电池，其特征是包括，/n电池本体（101），所述电池本体（101）包括中部的质子交换膜（1）和设置在质子交换膜（1）两侧的阳极（2）和阴极（3）；/n双向逆流式气体流通通道（6），向电池本体（101）供给气体的气路，所述双向逆流式气体流通通道（6）包括向阴极（3）、阳极（2）供给对应极性所需气体的交叉型流道组件（4）和向交叉型流道组件（4）分配气体的双极板（5）。/n

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池，其特征是包括，
电池本体（101），所述电池本体（101）包括中部的质子交换膜（1）和设置在质子交换膜（1）两侧的阳极（2）和阴极（3）；
双向逆流式气体流通通道（6），向电池本体（101）供给气体的气路，所述双向逆流式气体流通通道（6）包括向阴极（3）、阳极（2）供给对应极性所需气体的交叉型流道组件（4）和向交叉型流道组件（4）分配气体的双极板（5）。


2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池，其特征是，所述交叉型流道组件（4）包括交叉设置在阴极（3）、阳极（2）两侧并分别与阴极（3）、阳极（2）连通的阳极双向直线型流道（41）和阴极双向直线型流道（42）；所述双极板（5）分设在交叉型流道组件（4）上下两端并与交叉型流道组件（4）连通；所述两组双向逆流式气体流通通道（6）内部的气体流向相反。


3.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池，其特征是，所述阳极双向直线型流道（41）包括平行设置的流道一（411）和流道二（412）；所述阴极双向直线型流道（42）包括平行设置的流道三（421）和流道四（422）。


4.根据权利要求2或3所述一种质子交换膜燃料电池，其特征是，所述阳极（2）包括贴合质子交换膜（1）一侧设置的阳极电催化剂（21）和贴合设置在阳极电催化剂（21）外侧的阳极扩散层（22）；所述阴极（3）包括阴极电催化剂（31）和贴合设置在阴极电催化剂（31）外侧的阴极扩散层（32）。


5.根据权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池，其特征是，所述阳极双向直线型流道（41）设置在阳极扩散层（22）外侧，所述阴极双向直线型流道（42）设置在阴极扩散层（32）外侧。


6.根据权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池，其特征是，所述两双极板（5）上设置有两组双层双排式结构的内...

【专利技术属性】
技术研发人员：温小飞，贾英杰，管慧敏，王曼丽，
申请(专利权)人：浙江海洋大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33