[實用新型]一種質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極結(jié)構(gòu)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201420068167.7
• 申請日: 2014-02-17
• 公開（公告）號: CN203707257U
• 公開（公告）日: 2014-07-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王世學(xué);齊賀;邵光威
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 韓素琴

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池，更具體的說，本實用新型涉及一種對現(xiàn)有的質(zhì)子交換膜燃料電池陰極結(jié)構(gòu)的技術(shù)改進(jìn)。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的化石能源，在使人類社會得到巨大變革的同時，也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。為解決這一問題，近年來國內(nèi)外的相關(guān)研究也日益增多。

應(yīng)運(yùn)而生的質(zhì)子交換膜燃料電池，以氫氣和氧氣為原料，其最大的特點(diǎn)就是無污染，并且具有工作溫度低、能量密度高、啟動快、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，有希望廣泛應(yīng)用于便攜式電源、電動汽車等領(lǐng)域，其市場前景可觀。

圖1示意了現(xiàn)有的質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極結(jié)構(gòu)，該陰極結(jié)構(gòu)由設(shè)置有流道1的流場板2和設(shè)置在所述流場板2下部的膜電極3構(gòu)成，所述的膜電極3是由氣體擴(kuò)散層、催化劑層和質(zhì)子交換膜熱壓而成的三合一組件。當(dāng)向所述流場板2的陽極通入氫氣并向其陰極通入氧氣或者空氣時，即可使電池工作并產(chǎn)生電流，同時發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水并放出熱量。其化學(xué)反應(yīng)方程式為：

陽極：H₂→2H⁺+2e^-

陰極：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O。

圖2示意了現(xiàn)有的燃料電池其陰極空氣中氧氣濃度沿陰極流道變化的情況，它表明電池陰極的氧氣濃度將在陰極流道的長度方向上越來越低。

參照圖1、圖2，所述流場板2上的流道1與空氣進(jìn)入電池陰極的方向均為平直方向（如圖1中的箭頭所示），這樣的進(jìn)氣方式將使進(jìn)入流場的空氣沿所述的流道1平掠過氣體擴(kuò)散層的表面并進(jìn)入膜電極3，在此過程中，電池陰極的氧氣濃度將由于各種損失的影響如圖2所示的那樣沿流道1的長度方向越來越低，并使反應(yīng)生成的水分逐漸積累在所述的流道1中。

一般而言，理想情況下的質(zhì)子交換膜燃料電池的電壓為1.2V左右，但在實際使用中，由于活化損失、歐姆損失、傳質(zhì)損失和內(nèi)部短路電流這四個決定性的且不可逆轉(zhuǎn)的因素存在，往往達(dá)不到這個數(shù)值。

又由于氧氣的濃度會直接影響著PEM燃料電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)速率[1]，所以，當(dāng)以空氣作為氧化劑提供給燃料電池陰極反應(yīng)所需的氧氣時，隨著化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)生會自然的消耗掉部分氧氣，自然會使陰極方向上的氧氣濃度逐漸降低，從而造成反應(yīng)氣體濃度的分布不均。根據(jù)Tafel公式，對于氧的還原反應(yīng)，局部的電流密度與參與反應(yīng)的氧氣濃度(氧氣分壓)成正比[2]，那么，氧氣分布的不均勻性也就直接阻礙了燃料電池性能的提高。

另一方面，由于陰極反應(yīng)生成的水會逐漸積累在流道中，很容易堵塞氣體擴(kuò)散層的空隙，也因此直接阻礙了氧氣的擴(kuò)散，以至進(jìn)一步加劇燃料電池下游的反應(yīng)阻力。

[1]周方.PEM燃料電池的流場設(shè)計[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報.2011,33(3):414-417.

[2]吳金峰,衣寶廉等.直通道流場PEMFC電流密度分布測定實驗[J].化工學(xué)報.2004,55(5):837-841.

實用新型內(nèi)容

本實用新型所要解決的問題，就是克服現(xiàn)有的質(zhì)子交換膜燃料電池所存在的以上缺陷，并為此提供一種新型的質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極結(jié)構(gòu)，該陰極結(jié)構(gòu)的設(shè)置方式改變了傳統(tǒng)燃料電池的陰極進(jìn)氣方式，可使流道各處的氧氣濃度趨于均勻，從而達(dá)到降低陰極傳質(zhì)損失、提高電池性能的技術(shù)目的。

本實用新型的技術(shù)方案是：

一種質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極結(jié)構(gòu)，包括流場板和設(shè)置在所述流場板下部的膜電極，所述流場板接觸膜電極的一面設(shè)置有流道，其另外一面設(shè)置有凹槽，所述的流道與凹槽通過若干個圓孔相連通。

所述的流場板為兩面對稱的結(jié)構(gòu)，其接觸膜電極的一面所設(shè)置的流道為間隔均勻的若干個，其另外一面則設(shè)置有與若干個所述流道位置對應(yīng)的凹槽。

所述流場板的截面結(jié)構(gòu)為梯形齒狀，其接觸膜電極的一面以其凹向另外一面的梯形齒狀形成流道，其另外一面則以凹向膜電極一面的梯形齒狀形成與所述流道兩邊相鄰的凹槽。

所述的圓孔沿陰極空氣輸送的方向按直徑逐漸增大的順序排列在以其相連通的流道和凹槽上。

本實用新型通過改變空氣進(jìn)入陰極流道的方向以及陰極空氣與膜電極中氣體擴(kuò)散層之間的對流方式，加強(qiáng)了空氣向膜電極催化劑層的擴(kuò)散，相比于現(xiàn)有技術(shù)，其有益效果在于：使陰極流道內(nèi)各處的氧氣濃度分布趨于均勻，也使局部電流的分布狀態(tài)得到改善，從而有效的提高了電池的工作性能。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有的質(zhì)子交換膜燃料電池陰極結(jié)構(gòu)的示意圖。