[發明專利]旋盤式質子交換膜燃料電池

無效

• 申請號: 200710051615.7
• 申請日: 2007-03-05
• 公開（公告）號: CN101262071A
• 公開（公告）日: 2008-09-10
• 發明（設計）人: 田浩
• 申請（專利權）人: 田浩
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10;H01M8/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域：

本發明涉及一種采用固態電解質的燃料電池，特別是質子交換膜燃料電池。

背景技術：

公知的單個質子交換膜燃料電池主體結構包括依次層疊的陽極板、陽極、質子交換膜、陰極、陰極板。陽極和陰極統稱電極，通常由可導電且具有良好氣體透過性的碳紙或者碳布構成，與質子交換膜緊密相貼，并在各自緊貼質子交換膜的一面均勻涂覆有碳載鉑催化劑。在質子交換膜燃料電池運行的過程中需要向電極供應反應氣體。陽極反應氣體一般是氫氣，陰極反應氣體一般是氧氣，實際應用中通常以空氣供應陰極。氫分子會在陽極的催化劑作用下離解為電子和氫離子，也即質子。氫離子可以穿過質子交換膜到達陰極，電子則可以通過與電極相接的導線從陽極流過負載再到達陰極而形成電流。在陰極，氧分子、氫離子和電子結合，放出熱量，產生水。所產生的水往往以氣態形式隨著反應剩余的氣體一起排出。

實際應用中，往往采用合適的工藝將電極和質子交換膜制成一體，稱為膜電極。在多個質子交換膜燃料電池串聯組成的電池堆之中，除去首尾兩端的質子交換膜燃料電池外，每一質子交換膜燃料電池的陽極和相鄰質子交換膜燃料電池的陰極之間由雙極板相隔。所述雙極板一方面緊密夾貼著膜電極，從而在電氣方面達到將兩相鄰的質子交換膜燃料電池串聯的目的；另一方面，雙極板表面制有流場溝槽，在質子交換膜燃料電池的運行過程中，從位于流場溝槽始端的供氣管道輸入的反應氣體會經過流場溝槽供應到電極表面。為了保證電極表面各處都有盡可能足量的反應氣體，輸入的反應氣體一般是過量的。因此，所述流場溝槽的末端會和排出反應剩余氣體的排氣管道相連接。在大功率的質子交換膜燃料電池中，前述化學反應放出的熱量不可忽略，因此在雙極板內還需要設有冷卻管道。

如前所述，現有的質子交換膜燃料電池主體結構具有導氣與導電相結合的結構特征。對于具有較大橫截面積的大功率質子交換膜燃料電池而言，現有的主體結構存在著下列不足：

首先，電極表面不同區域的供氣難以達到完全均勻。為了較好地導通電流，雙極板與電極之間必須有較大的接觸面積，反應氣體只能在雙極板的流場溝槽中流動。雖然前述電極由透氣的材料制成，但沿平行于電極表面方向的氣體穿透阻力顯然會大于沿垂直于電極表面方向的氣體穿透阻力，因此，電極表面與雙極板流場溝槽正對區域的反應氣體濃度往往高于電極表面與雙極板緊密相貼處的反應氣體濃度。因此，即使在燃料電池的整體平均電流密度并不很大時，反應氣體濃度較高區域的電流密度也可能已經達到了質子交換膜所允許的電流密度最大值。這一現象制約了大功率質子交換膜燃料電池性能的提高，同時也降低了膜電極的利用率。在現有的技術條件下，膜電極中的質子交換膜、電極等都具有較高的制造成本，因此，膜電極利用率的降低就相應地增加了質子交換膜燃料電池的單位功率成本。

相應地，排水和加濕不均勻也是前述具有較大橫截面積的質子交換膜燃料電池的缺點。質子交換膜需要在適度潤濕的情況下保持良好的質子傳導能力，若水分不足，會使得質子交換膜過分干燥，從而增大質子交換膜燃料電池的等效內阻，這時往往需要采用外設的加濕裝置增加輸入的反應氣體的濕度；而過多的水分會導致電極被水浸潤，使得反應氣體無法透入，這時就需要減小輸入氣體的濕度并希望質子交換膜燃料電池內部過多的水分可以被反應剩余的氣體吹掃出去。與前述供氣不勻的狀況類似，電極表面與雙極板流場溝槽正對的區域和緊密貼合于雙極板表面的區域的含水量往往是不一致的，甚至流場溝槽始端和末端處的濕度通常也是有差別的，難以精確實現對整個質子交換膜燃料電池中濕度的平均調節。這樣，就會造成不同區域的單位面積等效電阻各不相同，增大質子交換膜燃料電池在運行中的內耗；嚴重時，會導致質子交換膜燃料電池堆中某一或某幾個單電池的失效，使得整個電池堆無法正常運行。

為解決上述問題，通常所采用的方法是對雙極板流場溝槽的樣式加以改進。然而，改善流場所能起到的效果是有限的，因為前述雙極板的作用既包括導氣又包括導電，若在某一方面特別地加以優化則往往使得另一方面的效能受到限制。并且，復雜的流場也常常會增加石墨雙極板的制造難度，使成本升高。如果采用不銹鋼等比較容易進行流場加工的金屬材料制成雙極板，則必須經過特殊的表面層處理以防止在質子交換膜燃料電池內部的酸性氛圍中被腐蝕，大面積地進行表面層處理也是造成成本較高的一個原因。