專利名稱：一種質子交換膜燃料電池的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種質子交換膜燃料電池，特別適合于氫/空質子交 換膜燃料電池。
背景技術：
質子交換膜燃料電池具有能量轉換效率高、適應不同功率要求、低溫 起動快、以及對環境沒有污染和無噪聲等優點，所以能很好地應用于電動 汽車、潛艇和可移動電源。質子交換膜燃料電池工作過程中H2由陽極極板 流場通道進入擴散層，然后通過陽極擴散層到達陽極催化層。在陽極催化 劑作用下，H2解離為H+和帶負電的電子。H+穿過質子交換膜到達陰極，電 子則通過外電路到達陰極。02由陰極極板通道進入擴散層，再通過陰極擴 散層到達陰極催化層。在陰極催化劑作用下02分解為氧離子并與『和電子 反應生成水。質子在膜中的傳導需要水的存在。膜中的水含量下降造成它的電導率 線性下降，就會導致電池性能下降。這種情況在電池組中更嚴重。當電池 組中某個單電池的膜失水干涸，膜失去傳導質子的能力，這樣失水面積就 向旁邊擴散，最后導致整個單電池的失效。但剩下的單電池還在工作，就 會有電流繼續流過這層電池，它就相當于一個電阻發熱使臨近層的膜失 水，最后導致整個電池組失效。為了解決質子交換膜燃料電池組中膜的失水難題， 一般通過增濕系 統給反應氣體增濕，如采用直接液態水注射增濕，增濕水隨著反應氣體 進入電池組。由于電池組采用公共的供氣通道給所有單電池供氣，這很 難保證每層氣體的流速是一樣，以至于增濕水在電池組的內部不均勻分 布。發明內容本實用新型的目的在于，克服現有電池組內部的水分布不均勻的缺 點，提供一種對陰極流場結構進行改進的、質子交換膜燃料電池組采用 附加增濕系統、陰極能夠對增濕水進行均勻分布的、適應范圍廣、工作 穩定可靠、效率高、使用壽命長的質子交換膜燃料電池。本實用新型的技術方案是 一種質子交換膜燃料電池，它包括若干 單電池，每個單電池包括陽極板、陽極擴散層，陰極板，陰極擴散層， 膜電極；所述的陰極板上包括a、用于實現氧化劑氣體導通的具有氧化 劑進氣口和氧化劑出氣口的導通槽道；b、用于給質子交換膜增濕的具有 進口而無出口的封閉槽道；C、用于還原劑進出的還原劑進口和還原劑出口； d、用于冷卻的冷卻劑進口和冷卻劑出口 。在上述技術方案的基礎上具有附加技術特征的進一步的技術方案是所述封閉槽道的進口是導通槽道的氧化劑進氣口 。所述的封閉槽道均勻分布于陰極板上，且與導通槽道間隔均勻分布， 其首端在氧化劑入口處，終端為封閉端，位置相對于導通槽道的尾部或者 中部，該封閉槽道用于使液態水蒸發為氣態水通過多孔的擴散層向膜進行擴散。所述封閉槽道的終端封閉位置相對于導通槽道的尾部的氧化劑出口 之前相隔一段距離。所述封閉槽道的終端封閉位置相對于導通槽道的尾部的氧化劑出口 之前相隔的距離為3 10亳米。所述的封閉槽道的終端封閉位置相對于氧化劑入口與氧化劑出口的 中部。所述的氧化劑氣體是空氣，還原劑氣體是氫氣，冷卻劑為去離子水。 所述的導通槽道和封閉槽道形狀為蛇形或平行直線形。 所述的封閉槽道橫截面幾何尺寸小于導通槽道橫截面幾何尺寸。 所述的封閉槽道橫截面幾何尺寸為導通槽道橫截面幾何尺寸的一半。本實用新型的效果在于本實用新型燃料電池適應范圍廣、工作穩 定可靠、效率高、使用壽命長。具體表現在a、燃料電池工作時候，封 閉槽道聚集的增濕水通過擴散層給質子交換膜增濕，實現對增濕水的二 次分配，均勻分布；b、負載功率變化時候，電池對增濕水量也在變化, 封閉槽道相當于一個蓄水池起到一個調節增濕水量；C、封閉流槽中增濕水在電池中均勻分布；d、電池在高溫工作時，增濕水的蒸發實現電池組 溫度的均勻分布和冷卻功能。
圖l為本實用新型陰極板的主視圖 圖2為圖1的A—A剖視圖 圖3為單電池橫截面示意圖具體實施方式
如圖1-3所示，所述一種質子交換膜燃料電池，它由若干個(可以 是數十至數百個)單電池串聯組成，每個單電池包括陽極板13、陽極擴 散層12，陰極板14，陰極擴散層10，膜電極11;單電池串連后成為組 合體，兩端以鎖緊固定板固定；單電池個數按不同場合需要而定；所述的 陰極板14上有a、用于實現氧化劑氣體導通的具有氧化劑進氣口 l和 氧化劑出氣口 6的導通槽道4; b、用于給質子交換膜增濕的具有進口而 無出口的封閉槽道5; c、用于還原劑進出的還原劑進口 3和還原劑出口 8; d、用于冷卻的冷卻劑進口 2和冷卻劑出口 7。所述封閉槽道5的進口 是導通槽道4的氧化劑進氣口 1。所述的封閉槽道5均勻分布于陰極板 14上，且與導通槽道4間隔均勻分布，其首端在氧化劑入口 I處，終端為 封閉端，位置相對于導通槽道4的尾部或者中部，該封閉槽道5用于使 液態水蒸發為氣態水通過多孔的擴散層向膜進行擴散。另外的實施例是 所述封閉槽道5的終端封閉位置相對于導通槽道4的尾部的氧化劑出口 6 之前相隔一段距離，該距離為3 10毫米，優選為5毫米，或者選為3毫米，或迭為10毫米。還有實施例是所述的封閉槽道5的終端封閉位置 相對于氧化劑入口 1與氧化劑出口 6的中部。所述的氧化劑氣體是空氣， 還原劑氣體是氫氣，冷卻劑為去離子水。所述的導通槽道4和封閉槽道5 形狀為平行直線，還有實施例是選為蛇形。所述的封閉槽道5橫截面幾 何尺寸一般設計中是小于導通槽道4橫截面幾何尺寸，優選是封閉槽道 5橫截面幾何尺寸為導通槽道4橫截面幾何尺寸的一半,根據實際應用情 況決定封閉槽道5尺寸。氣體槽道可通過不同加工手段、如機加工工藝、注塑工藝等制作出來。 如一個20KW的總共100個(層)單電池的燃料電池組的陰極流場，它的長 為300毫米，寬為150亳米，導通槽道4的橫截面幾何尺寸為IOXIO毫米， 封閉槽道5的橫截面幾何尺寸為5X5毫米。導通槽道4從氧化劑入口 1 到氧化劑出口 6。封閉槽道5從氧化劑入口 1開始，離氧化劑出口 6之前 5毫米或選為IO毫米封閉。如圖3所示，單電池陰極擴散層10中的孔都是疏水的孔。導通槽道 4和封閉槽道5壓力差很小，此時增濕水很難直接通過疏水處理過碳紙， 只能通過蒸發生成水蒸汽才能通過擴散層到達膜電極。因此增濕機理為 封閉槽道中的液態水蒸發為氣態水通過多孔的擴散層向膜進行擴散。封 閉流槽5與導通槽道4間隔分布，盡量在流場表面分布均勻。本實用新型的權利保護范圍不限于上述實施例。
權利要求1、一種質子交換膜燃料電池，它包括若干單電池，每個單電池包括陽極板(13)、陽極擴散層(12)，陰極板(14)，陰極擴散層(10)，膜電極(11)，其特征在于，所述的陰極板(14)上包括a、用于實現氧化劑氣體導通的具有氧化劑進氣口(1)和氧化劑出氣口(6)的導通槽道(4)；b、用于給質子交換膜增濕的具有進口而無出口的封閉槽道(5)；c、用于還原劑進出的還原劑進口(3)和還原劑出口(8)；d、用于冷卻的冷卻劑進口(2)和冷卻劑出口(7)。
2、 如權利要求1所述的質子交換膜燃料電池，其特征在于，所述 封閉槽道(5)的進口是導通槽道(4)的氧化劑進氣口 (1)。
3、 如權利要求1所述的質子交換膜燃料電池，其特征在于，所述的 封閉槽道(5)均勻分布于陰極板(14)上，且與導通槽道(4)間隔均 勻分布，其首端在氧化劑入口 (1)處，終端為封閉端，位置相對于導通 槽道(4)的尾部或者中部，該封閉槽道(5)用于使液態水蒸發為氣態 水通過多孔的擴散層向膜進行擴散。
4、 如權利要求1所述的質子交換膜燃料電池，其特征在于，所述封 閉槽道(5)的終端封閉位置相對于導通槽道(4)的尾部的氧化劑出口(6)之前相隔一段距離。
5、 如權利要求4所述的質子交換膜燃料電池，其特征在于，所述封 閉槽道(5)的終端封閉位置相對于導通槽道(4)的尾部的氧化劑出口(6)之前相隔的距離為3 10毫米。
6、 如權利要求1所述的質子交換膜燃料電池，其特征在于，所述的 封閉槽道(5)的終端封閉位置相對于氧化劑入口 (1)與氧化劑出口 (6) 的中部。
7、 如權利要求1所述的質子交換膜燃料電池，其特征在于，所述的 氧化劑氣體是空氣，還原劑氣體是氫氣，冷卻劑為去離子水。
8、 如權利要求1所述的質子交換膜燃料電池，其特征在于，導通槽 道(4)和封閉槽道(5)形狀為蛇形或平行直線形。
9、 如權利要求1所述的質子交換膜燃料電池，其特征在于，封閉槽 道(5)橫截面幾何尺寸小于導通槽道(4)橫截面幾何尺寸。
10、 如權利要求9所述的質子交換膜燃料電池，其特征在于，封閉 槽道(5)橫截面幾何尺寸為導通槽道(4)橫截面幾何尺寸的一半。
專利摘要本實用新型涉及一種質子交換膜燃料電池，特別適于氫/空氣質子交換膜燃料電池。它包括若干單電池，每個單電池包括陽極板、陽極擴散層，陰極板，陰極擴散層，膜電極；所述的陰極板上包括a、用于實現氧化劑氣體導通的具有氧化劑進氣口和氧化劑出氣口的導通槽道；b、用于給質子交換膜增濕的具有進口而無出口的封閉槽道；c、用于還原劑進出的還原劑進口和還原劑出口；d、用于冷卻的冷卻劑進口和冷卻劑出口。本實用新型燃料電池陰極能夠對增濕水進行均勻分布，具有適應范圍廣、工作穩定可靠、效率高、使用壽命長的優點。
文檔編號H01M8/24GK201122629SQ20072008777
公開日2008年9月24日 申請日期2007年10月29日 優先權日2007年10月29日
發明者丁剛強, 岳四安, 張傳喜, 管道安, 錢志剛 申請人:中國船舶重工集團公司第七一二研究所