一種氫燃料電池雙極板結構的制作方法

本實用新型涉及氫燃料電池領域，特別是涉及到一種氫燃料電池雙極板結構。

背景技術：

燃料電池(Fuel Cell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。燃料和空氣分別送進燃料電池，產生電流。它從外表上看有正負極和電解質等，像一個蓄電池，但實質上不能“儲電”而是一個“發電廠”，需要電極和電解質以及氧化還原反應才能發電。燃料電池是把化學能轉化為電能的能量轉換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應，反應物不斷輸入，反應產物不斷產生，燃料電池連續地發電。以氫-氧燃料電池為例：

氫-氧燃料電池反應原理這個反應是電解水的逆過程，電極為：

燃料極：H₂＝＝2H⁺+2e^- (1)

空氣極：2H⁺+1/2O₂+2e^-＝＝H₂O (2)

全體：H₂+1/2O₂＝＝H₂O (3)

燃料電池的優勢在于，目前的科技手段中，尚沒有一項能源生成技術能如燃料電池一樣將諸多優點集合于一身。它只排放水，完全沒有污染，可以廣泛應用于固定式電站和移動式發電裝置，如海陸空等交通、運輸行業，特別是汽車，非常能發揮其優勢，受到各國政府的重視、支持。

但是，燃料電池產業化導入階段中，轉化效率尚待進一步提高，使用壽命延長、降低成本等成為諸多迫切急需解決的問題。燃料電池的研發、生產集聚多學科、多領域的尖端技術，任何在轉化效率、使用壽命和降低成本方面的改進，都具有很大的經濟價值和社會效益。

技術實現要素：

本實用新型的目的是要提供一種能夠提高性能、延長使用壽命的氫燃料電池雙極板結構。

本實用新型的目的是由如下方案來實現的：

一種氫燃料電池雙極板結構，由氫氣單極板、氧氣單極板和位于兩極板之間的膜電極構成電池單元，

所述電池單元的氫氣單極板與膜電極的一側形成氫氣腔，所述氫氣腔的兩端分別是氫氣入口和氫氣出口，氧氣單極板與膜電極的另一側形成空氣腔，所述空氣腔的兩端分別是空氣入口和空氣出口；

所述氫氣入口的截面積大于氫氣出口的截面積，所述空氣入口的截面積大于或等于空氣出口的截面積，

所述氫氣入口的氫氣導入量大于其反應當量。

進一步的，所述氫氣出口的截面積不小于氫氣入口的截面積的1/4。

進一步的，所述空氣出、入口和氫氣出、入口的截面積的改變采用改變出入口寬度的方式。

采用本實用新型所述結構的氫燃料電池，其氫氣入口的截面積大于氫氣出口的截面積，空氣入口的截面積大于空氣出口的截面積，同時增加氫氣的導入量，使其導入量大于其反應當量，反應剩余的氫氣會通過氫氣出口循環使用，減小氫燃料電池氣體進出口的壓差，增加氫氣腔內氣體濃度的均勻性，增加氫燃料電池的性能，延長膜電極的壽命。

與現有技術相比，本實用新型的優點在于：

1.充分利用了膜電極催化劑，提高了氫燃料電池的發電效率。

2.平衡了氫氣出口處附近的膜電極受到的兩側壓力，提高了膜電極的使用壽命、進而提高了氫燃料電池的使用壽命，也即降低了氫燃料電池的成本。

附圖說明

圖1為氫燃料電池雙極板的部分截面示意圖；

圖2為現有技術雙極板的結構示意圖；

圖3為本實用新型雙極板的結構示意圖。

圖4為現有技術的氫燃料電池的反應公式。

圖5為本實用新型所述的氫燃料電池的反應公式。

圖6為本實用新型所述的電池單元的結構示意圖。

圖7為本實用新型所述的實施例1的壓力梯度示意圖。

圖8為本實用新型所述的實施例2的壓力梯度示意圖。

圖9為本實用新型一種實施方式的氫氣入口和氫氣出口的示意圖。

圖10為本實用新型一種實施方式的空氣入口和空氣出口的示意圖。

圖中：a1是氫氣入口、a2氫氣出口、a3是空氣入口、a4是空氣出口、c1是氫氣單極板、c2是膜電極、c3是氧氣單極板、b1是氫氣入口、b2是氫氣出口，b3是空氣入口、b4是空氣出口、d1是氫氣腔、d2是空氣腔。

具體實施方式

以下結合附圖進一步詳細說明本實用新型的結構。

參見圖2，傳統的氫燃料電池本體主要由氫氣單極板c1、氧氣單極板c3和膜電極c2組成，氫氣和空氣分別從氫氣單極板的氫氣入口a1和氧氣單極板的空氣入口a3流入，且分別流經膜電極的兩側，在膜電極催化劑的作用下，氫氣分子失去電子，被氧化為氫氣質子，并穿過質子膜與空氣中的氧分子進行反應，生成對應的氧化物。在上述反應過程中，氧氣單極板和氫氣單極板之間產生電壓，負載與電池形成閉環后產生電流。

出于成本方面的考量，傳統氫燃料電池使用時都會導入足量或過量的空氣，根據空氣中含有的氧氣與氫氣的反應當量，在該種情況下氫氣在氫氣出口a2處附近接近全部消耗，氫氣單極板c1一側給予膜電極的壓力會降低，因此此處膜電極受到的氧氣單極板c3一側的壓力和受到的氫氣單極板c1一側的壓力差值會增大，膜電極會被逐漸壓向氫氣單極板一側，從而影響該處的膜電極催化劑的催化作用，并影響氫燃料電池發電。

參見圖1、圖3和圖6，本實用新型所述的一種氫燃料電池雙極板氣體出入口的非對稱結構，由氫氣單極板、氧氣單極板和位于兩極板之間的膜電極構成電池單元，

所述電池單元的氫氣單極板與膜電極的一側形成氫氣腔d1，所述氫氣腔的兩端分別是氫氣入口和氫氣出口，氧氣單極板與膜電極的另一側形成空氣腔d2，所述空氣腔的兩端分別是空氣入口和空氣出口；

由如圖4所示的氫燃料電池的反應公式可知，在完全反應的情況下，空氣含有的氧氣會在空氣出口b4處附近接近完全消耗，空氣的體積約為原有的80％(假設此處導入的空氣中氧氣的占比為20％)。由以上可知，空氣出口b1的寬度和截面積在變為原先的4/5的情況下，即可滿足需求。

實施例1

本實用新型通過將原先空氣出口a4的截面積減小，并將減小的這部分截面積增加到原先氫氣入口a1處，在沒有改變氫氣單極板c1和氧氣單極板c3總體尺寸的前提下，得到了具有新的截面積的空氣出口b4和氫氣入口b1。在本實施例中，通過改變空氣出口a4和氫氣入口a1的寬度實現改變截面積。

此時，所述氫氣入口b1的截面積大于氫氣出口b2的截面積，所述空氣入口b3的截面積大于空氣出口b4的截面積。

由于氫氣入口b1的截面積增大，單位時間內氫氣的流入量也增大，同時通過增大氫氣泵的功率，使得氫氣的導入量大于其反應當量，將原先氫燃料電池的過氧反應改變為過氫反應。

參見圖5，在過氫反應的條件下，氫氣出口b2處則會有較多的剩余，并通過氫氣出口排出。此處膜電極受到的氧氣單極板c3側壓力和受到的氫氣單極板c1側壓力的差值較小，從而有效的減輕了膜電極的偏移現象，提高了膜電極催化劑的利用率，充分發揮了氫燃料電池的發電能力。

實施例2

本實用新型在保持原先空氣出口a4截面積不變的前提下，僅通過增加氫氣入口b1的寬度來增加其截面積。

此時，此時，所述氫氣入口b1的截面積大于氫氣出口b2的截面積，所述空氣入口b3的截面積等于空氣出口b4的截面積。

由于氫氣入口b1的截面積增大，單位時間內氫氣的流入量也增大，同時通過增大氫氣泵的功率，使得氫氣的導入量大于其反應當量，將原先氫燃料電池的過氧反應改變為過氫反應。

參見圖5，在過氫反應的條件下，氫氣出口b2處則會有較多的剩余，并通過氫氣出口排出。此處膜電極受到的氧氣單極板c3側壓力和受到的氫氣單極板c1側壓力的差值較小，從而有效的減輕了膜電極的偏移現象，提高了膜電極催化劑的利用率，充分發揮了氫燃料電池的發電能力。

參見圖7和圖8，采用實施例1和實施例2方案的氫燃料電池，與傳統氫燃料電池相比，其膜電極兩側受到的壓力梯度曲線有了明顯的改善。