专利名称：质子交换膜燃料电池交指－平行组合流场的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池交指—平行组合流场，是一种新型的质子交换膜燃料电池气体流场，属于能源利用燃料电池技术领域。
背景技术：
随着能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。燃料电池通过电化学反应将燃料的化学能直接转化为电能而不受卡诺循环的限制，效率高，环境友好。质子交换膜燃料电池具有环境友好、寿命长、运行温度低、比功率高、能量效率高、冷启动快、结构紧凑、重量轻、易维护等优点，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，因此越来越受到人们的关注，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场，阴极和阳极气体扩散层，阴极和阳极催化层，质子交换膜。燃料电池运行时，反应气体沿着气体流场的流道流动，透过气体扩散层，到达催化剂表面发生电化学反应，通常采用的气体流场是平行流场。但在大功率工作条件下，阴极流道产生的液态水无法及时完全排出，会“淹没”扩散层及其表面，在燃料电池末端形成气液两相流动，增大了气体扩散阻力，降低了反应气体的利用率，减小了燃料电池的电流密度。
为了解决阴极扩散层及其表面的“淹没”问题，一些文献中提出了一种交指型流场(Trung V.Nguyen.A gas distributor design forproton-exchange-membrane fuel cells.Journal of Electrochemical Society，1996，143(5)L103-L105)。交指型流场将进气流道的末端封死，排气流道的首端封死，反应气体由流道通过气体扩散层向催化层传递的机理由平行流场的扩散变成了强制对流，提高了反应气体的传递速度和利用率，而且可以通过气流把扩散层中凝聚的液态水带出，减小阴极“淹没”程度，从而改善质子交换膜燃料电池的工作性能。但是，当燃料电池在小功率条件下工作或以氧气为氧化剂时，常规的交指型流场对阴极“淹没”问题的解决程度不够理想。
燃料电池的阴/阳极反应特点不同，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及时排出。因此，阴/阳极工质流场也应有着不同的特点，应该分别设计。
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水蒸气以湿润质子交换膜，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，形成在压力驱动下，部分反应生成水从阴极向阳极输运的现象，对燃料电池的安全、高效运行十分有利。
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交指—平行组合流场，能及时、高效地排出燃料电池阴极生成物水，减小反应气体的输运阻力，使反应更为充分，提高工质利用率，提高燃料电池工作性能。
为实现这样的目的，本发明的技术方案中，燃料电池阴极采用进气流道渐扩/排气流道渐缩的新型交指型流场，便于排出电化学反应产生的液态水；阳极采用平行流场，便于气体输运，同时减少阳极流场内部的气体流动阻力。阴极进气流道渐扩/排气流道渐缩的交指型流场在燃料电池阴极气体扩散层的上方，阳极平行流场在燃料电池阳极气体扩散层的下方。
本发明的阴极交指型流场分为渐扩的阴极进气流道和渐缩的阴极排气流道两部分，这两部分流道并行交替排列。阳极采用平行流场，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渐扩的进气流道和渐缩的排气流道并行交替排列的结构。这种流场的原理和常规的交指型流场的原理类似。两者都属于强制对流，由于进气流道的末端被封死，其中的气体工质流动过程中通过和气道接触的气体扩散层内部微孔进入首端封死的排气流道。但燃料电池在小功率条件下工作或以氧气为氧化剂时，工质的流量较小，常规交指型流场不足以较多地带出凝聚于气道末端多孔介质气体扩散层中和其表面的液态水。而采用进气流道渐扩/排气流道渐缩的交指型流场的结构之后，在流道的末端，一方面，进气流道较宽而排气流道较窄，气体扩散层中的气体工质速度变大，利于凝聚于气体扩散层中的液态水的带出；另一方面，由于排气流道变窄，流道中的气体工质速度变大，有利于带出气体扩散层表面的液态水。从而，本发明的阴极进气流道渐扩/排气流道渐缩的交指型流场比常规交指型流场更有利于解决阴极“淹没”问题，减小气体工质的扩散阻力，提高工质的反应速度，改善燃料电池的输出性能。
另外，本发明的质子交换膜燃料电池交指—平行组合流场，由于阴极采用进气流道渐扩/排气流道渐缩的交指型流场，属于强制对流，气体工质流动阻力大，造成流场内压力增加，而阳极采用平行流场，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，有利于质子交换膜的增湿，保证了燃料电池的安全、稳定、高效运行。
图1为本发明的质子交换膜燃料电池阴极交指型流场的结构示意图。
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为渐扩的燃料电池阴极进气流道，4为渐缩的燃料电池阴极排气流道，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场的结构示意图。
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交指—平行组合流场的结构示意图。
图3中，10为燃料电池阴极交指型流场，11为燃料电池阳极平行流场，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。
具体实施例方式
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交指—平行组合流场结构如图3所示。图3中，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。所谓组合流场就是根据燃料电池阴/阳极的工作特点，选取不同形态的流场。本发明的燃料电池阴极采用交指型流场10，阳极采用平行流场11，阴极交指型流场10在燃料电池阴极气体扩散层12的上方，阳极平行流场11在燃料电池阳极气体扩散层16的下方。
本发明的阴极交指型流场10的结构如图1所示，由渐扩的阴极进气流道3和渐缩的阴极排气流道4两部分并行交替排列构成。渐扩的阴极进气流道3的末端封死，其首端相通并与阴极气体入口1相连。渐缩的阴极排气流道4的首端封死，其末端相通并与阴极气体出口5相连。
在渐扩的阴极进气流道3和渐缩的阴极排气流道4的末端，一方面，渐扩的阴极进气流道3较宽而渐缩的阴极排气流道4较窄，阴极气体扩散层12中的气体工质速度变大，利于凝聚于阴极气体扩散层12中的液态水的带出；另一方面，由于渐缩的阴极排气流道4变窄，其中的气体工质速度变大，有利于带出阴极气体扩散层12表面的液态水。从而，本发明的阴极进气流道渐扩/排气流道渐缩的新型交指型流场10比常规交指型流场更有利于解决阴极“淹没”问题，减小气体工质的扩散阻力，提高气体工质的反应速度，改善燃料电池的输出性能。
本发明的燃料电池阳极采用平行流场，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，还能减少阳极流场内气体的流动阻力。
本发明采用质子交换膜燃料电池交指一平行组合流场，阴极交指型流场10在燃料电池上方，阳极平行流场11在燃料电池下方。由于阴极交指型流场10采用强制对流，气体工质流动阻力大，造成流场内压力增加，而阳极平行流场11的流动阻力小，压力相对较小。工作时，阴/阳极气体工质之间存在一定的压力差，气体工质压差的存在，有利于电化学反应产物水从阴极催化层13经质子交换膜14向阳极催化层15的扩散，起到了自动对质子交换膜14进行增湿的作用。
权利要求
1.一种质子交换膜燃料电池交指—平行组合流场，其特征在于阴极采用进气流道渐扩/排气流道渐缩的交指型流场(10)，阳极采用平行流场(11)，阴极交指型流场(10)在燃料电池阴极气体扩散层(12)的上方，阳极平行流场(11)在燃料电池阳极气体扩散层(16)的下方，阴极交指型流场(10)中，渐扩的阴极进气流道(3)和渐缩的阴极排气流道(4)并行交替排列，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)。
全文摘要
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池交指－平行组合流场，阴极采用进气流道渐扩/排气流道渐缩的交指型流场，阳极采用平行流场，阴极交指型流场中，渐扩的阴极进气流道和渐缩的阴极排气流道并行交替排列，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。本发明的阴极交指型流场便于排出电化学反应产生的液态水，阳极平行流场便于气体输运，还能减少阳极流场内部气体工质的流动阻力，阴/阳极气体工质压差的存在，便于部分生成物水从阴极向阳极扩散，自动为质子交换膜加湿。
文档编号H01M4/86GK1949571SQ20061011813
公开日2007年4月18日 申请日期2006年11月9日 优先权日2006年11月9日
发明者秦明俊, 任庚坡, 于立军, 姜秀民, 孙恺, 刘建国 申请人:上海交通大学