催化层强制流通型燃料电池的制作方法

本申请涉及一种燃料电池装置，特别是一种创新的催化层强制流通型燃料电池装置。

背景技术：

1、燃料电池是一种化学能转化为电能的装置，由若干组双极板组件和若干组膜电极组件依次层叠而成。燃料进入燃料电池装置内的阳极完成氧化反应，氧化剂进入燃料电池装置内的阴极完成还原反应。阳极和阴极的电化学反应，共同实现燃料电池装置对外输出电能的作用。

2、每一组膜电极组件通常由离子交换膜、分置于离子交换膜两侧的阳极催化层和阴极催化层、以及与阳极催化层贴合的阳极气体扩散层、与阴极催化层贴合的阴极气体扩散层层叠而成。一般来说，双极板组件由阳极板和阴极板组成，阳极板和阴极板之间有冷却液流道，双极板组件朝外的两个侧面分别布置有阳极流道和阴极流道，工质进、排气均是同一个流道中完成。

3、在阳极，燃料经由一组双极板组件的阳极流道，通过阴气体扩散层到达阴催化层，在催化层中的催化剂作用下完成氧化反应，解离为带负电的电子和带正电的离子，电子通过外电路输出至阴极催化层，而离子通过离子交换膜直接迁移至阴极催化层。

4、氧化剂由另一组双极板组件的阴极流道，通过阴极扩散层达到阴极催化层，与前述阳极氧化反应后输送过来的电子和离子一起，在阴极催化层中的催化剂作用下完成还原反应，反应生成物（水）穿过阴极催化层和阴极扩散层输出至阴极流道，最终排出至燃料电池的外部。

5、催化剂一般为贵金属，成本较高。为提高催化剂表面积利用率、降低催化剂使用量，通常会将催化剂细微颗粒通过一定的方法均匀分布在多孔的碳载体孔隙内，形成一种三维立体式的空间结构。

6、燃料电池装置内参与反应的工质包括新鲜工质与反应后工质，新鲜工质包括新鲜燃料和氧化剂，反应后工质包括反应后多余的燃料和氧化剂以及反应生成物。

7、现有技术中，鉴于双极板流道和气体扩散层的结构特点，工质在催化层内部的流动方向以径向（即催化层表面垂直方向）为主，横向（即催化层表面平行方向）流动是非强制性的、流量极少。

8、工质在燃料电池内部的流动，只能依靠浓度差异扩散和双极板流道内高速流动产生的微弱压差，而且新鲜工质与反应后工质的流动方向相反，因此流动速度缓慢，造成反应速度缓慢。为提高反应速度，需要较高的工质压力和流量，这又会造成泵送功耗增加，降低了整个燃料电池装置的效率。

9、申请号cn2023104828053和cn2023210196253给出了一种创新方案，通过取消气体扩散层，双极板组件与催化层直接接触，通过双极板组件上交指状流道设计，使工质进入催化层后在横向产生强制流通，极大加快了工质流速、提高电化学反应速度，以提高燃料电池装置效率、减少装置厚度尺寸，结构更简单且成本更低。然而，这个技术方案，阳极和阴极两侧的气体扩散层同时被取消，阳极催化层和阴极催化层同时引入了工质强制流通模式。该方案的膜电极组件受到双极板的支撑保护作用较弱，存在寿命隐患。

10、另外，现有技术中，因阳极和阴极中的新鲜工质的输入量无法降低到极低，在用电需求低（如怠速）但燃料电池最低输出功率不能有效适应，因而需要提高动力二次电池的容量，以吸收燃料电池输出的多余的电量，导致系统成本增加。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种燃料电池装置，取消阴极气体扩散层，双极板组件与阴极催化层直接接触，通过双极板组件上交指状流道设计，使工质进入阴极催化层后在横向产生强制流通，极大加快了阴极工质流速，同时保留了阳极气体扩散层，膜电极组件得到了更好的支撑保护，燃料电池装置寿命更有保障。另外，通过引入阴极排气口的废气再循环，将阴极排气口的废气再循环至阳极进气口和/或阴极进气口，可拓宽燃料电池装置的使用范围。

2、为达此目的，本申请采用以下技术方案。

3、本申请提供一种燃料电池装置，由若干组双极板组件和若干组膜电极组件依次层叠而成。

4、膜电极组件包括离子交换膜、阳极催化层、阴极催化层和阳极气体扩散层，阳极催化层与阳极气体扩散层贴合接触；离子交换膜为离子可穿透但电子不可穿透的非金属薄膜；阳极催化层和阴极催化层为多孔结构，内部孔隙中布置有贵金属催化剂颗粒和离子聚合物电解质。

5、双极板组件朝向阴极催化层的外侧表面上设置有至少两组凹槽形流道，其中至少一组流道为阴极进气流道，另外至少一组为阴极排气流道；所有的阴极进气流道的一端汇总连通到阴极进气口，另一端被堵死；所有的阴极排气流道的一端汇总连通到阴极排气口，另一端被堵死；阴极进气流道与阴极排气流道并列依次排布、呈交指状布置、互不连通。

6、双极板组件设有阴极进气流道和阴极排气流道的侧面，与相邻的膜电极组件的阴极催化层外表面贴合接触并保持电连通。

7、双极板组件朝向阳极气体扩散层的外侧表面上设置有凹槽形阳极流道；双极板组件设有所述阳极流道的侧面，与相邻的膜电极组件的阳极气体扩散层外表面贴合接触并保持电连通。

8、优选地，燃料电池装置还包括第一阀门，第一阀门一端连通阴极排气口，另一端连通阳极进气口。燃料电池装置还包括第二阀门，第二阀门一端连通阴极排气口，另一端连通阴极进气口。阴极排气口排出的废气，再循环至阳极进气口和/或阴极进气口，对此处的新鲜工质进行稀释，有助于降低燃料电池装置最低输出功率，拓宽了燃料电池装置的使用范围，也降低了对动力二次电池的需求，即降低了系统总体成本。

9、在大功率应用中，燃料电池装置工作中会产生大量有害的热量。为顺利排出这些热量，优选地，双极板组件由导电的阳极板和阴极板贴合而成，阳极板和阴极板之间设置有冷却液流道。

10、本申请的有益效果：本申请提供了一种燃料电池装置，取消阴极气体扩散层，双极板组件与阴极催化层直接接触，通过双极板组件上交指状流道设计，使工质进入阴极催化层后在横向产生强制流通，极大加快了阴极工质流速，同时保留了阳极气体扩散层，膜电极组件得到了更好的支撑保护，燃料电池装置寿命更有保障。通过引入阴极排气口的废气再循环，将阴极排气口的废气再循环至阳极进气口和/或阴极进气口，拓宽了燃料电池装置的使用范围，也降低了对动力二次电池的需求，即降低了系统总体成本。

技术特征：

1.一种燃料电池装置（100），由若干组双极板组件（200）和若干组膜电极组件（300）依次层叠而成，其特征在于：

2.权利要求1所述的一种燃料电池装置（100），其特征在于：所述燃料电池装置（100）还包括第一阀门（401），第一阀门（401）一端连通所述阴极排气口（24），另一端连通所述阳极进气口（13）。

3.权利要求1所述的一种燃料电池装置（100），其特征在于：所述燃料电池装置（100）还包括第二阀门（402），第二阀门（402）一端连通所述阴极排气口（24），另一端连通所述阴极进气口（23）。

技术总结
本发明公开了一种燃料电池装置，燃料电池装置由若干组双极板组件和若干组膜电极组件依次层叠而成，膜电极组件包括离子交换膜、阳极催化层、阴极催化层和阳极气体扩散层。取消阴极气体扩散层，双极板组件与阴极催化层直接接触，通过双极板组件上交指状流道设计，使工质进入阴极催化层后在横向产生强制流通，极大加快了阴极工质流速，同时保留了阳极气体扩散层，膜电极组件得到了更好的支撑保护，燃料电池装置寿命更有保障。通过引入阴极排气口的废气再循环，将阴极排气口的废气再循环至阳极进气口和/或阴极进气口，拓宽了燃料电池装置的使用范围，也降低了对动力二次电池的需求，即降低了系统总体成本。

技术研发人员：袁辉,袁梓玉,袁梓彤
受保护的技术使用者：苏州辉美汽车科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15