燃料電池極板及使用該極板的燃料電池的製作方法
2023-06-08 08:57:21
專利名稱：燃料電池極板及使用該極板的燃料電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池極板，特別是一種質子交換膜燃料電池的極板 及使用該極板的燃料電池。
背景技術：
近年來，燃料電池技術有了許多重大突破，其中質子交換膜燃料電池
(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)受到相當大的關注，世界各國 政府以及企業界無不投入相當大的研發能量。
質子交換膜燃料電池除了具有無汙染，能量轉換效率高等一般燃料電池 的優點外，更具備接近常溫操作以及激活迅速的特性，特別適合運輸動力， 可攜式電力以及家用發電。
構成燃料電池的關鍵組件包括電極(electrode)，質子交換膜(electrolyte membrane)與極板(bipolar plate)等。而極板具有進氣導流與收集電流兩項主要 功能。在極板上所加工的各種形狀的流道的主要目的是提供反應氣流及產物 進出燃料電池的流道。所以在一定的反應氣體供應下，如何能夠使得電極各 處均能充分獲得反應氣體，其關鍵在於流道的設計。
圖5所示為一種現有燃料電池極板的俯-現圖。該;f及板50為一長方體板狀 結構，該極板50上設有一進氣流道52、 一出氣流道54及若干條擴散流道56。 這些擴散流道56之間被若干平行排列的壁板51間隔。這些擴散流道56的一 端與該進氣流道52連通，另一端與該出氣流道54連通。使用時，氣流60從 進氣流道52經擴散流道56進行擴散流動，在擴散流動的過程中參與燃料電 池內部的電化學反應，而未參與反應的剩餘氣體及反應的產物則傳遞至出氣 流道54排出。其中，氣流60主要通過擴散效應進入多孔性的氣體擴散層(圖 未示)發生電化學反應。
然而，氣流60在該進氣流道52、出氣流道54及擴散流道56內的流動基 本為層流流動，難於通過擴散效應充分地進入氣體擴散層參與電化學反應， 使得燃料電池的發電效率不高。另外，電化學反應產生的過多的水分也不能 通過出氣流道54及時排放出來，而這些過多的水分將會聚集並堵塞氣體擴散層內的孔隙，影響氣體的傳輸，從而進一步阻礙電化學反應的進行。
發明內容
有鑑於此，有必要提供一種具有增強氣體擴散效果、防止過多水分在氣 體擴散層內聚集的燃料電池極板及使用該極板的燃料電池。
一種燃料電池極板，該極板的其中一表面上設有流道，所述流道包括兩 組進氣流道及一組出氣流道，該兩組進氣流道分別位於該出氣流道兩側，所 述每一組進氣流道與該出氣流道之間設有隔板，所述隔板將進氣流道與出氣 流道分隔開來。
一種燃料電池，包括至少一極板及與所述極板相鄰的氣體擴散層，該極 板於鄰接氣體擴散層的表面上設有流道，所述流道包括兩組進氣流道及一組 出氣流道，該兩組進氣流道分別位於該出氣流道兩側，所述每一組進氣流道 與該出氣流道之間設有呈蛇形彎折的隔板。
與現有技術相比，該燃料電池通過所述進氣流道、出氣流道及隔板的設 置，迫使極板上的氣流以強制對流方式進入氣體擴散層，增加電化學反應的 速度。同時，該強制對流效應產生的強大的剪應力還可帶走氣體擴散層中電 化學反應產生的過多的水分，提高燃料電池的發電效率。
下面參照附圖結合實施例作進一步的描述
圖l為本發明燃料電池第一實施例的結構示意圖。
圖2為圖l所示燃料電池中極板的立體圖。
圖3為圖1所示燃料電池中極板的俯視圖。
圖4為本發明燃料電池中極板第二實施例的俯一見圖。
圖5為現有燃料電池中極板的俯視圖。
具體實施例方式
圖1所示為本發明燃料電池其中一實施例的結構示意圖。該燃料電池100 包括一下極板10、 一膜電極組20及一上極板30,該膜電極組20夾設於該下 極板10與該上極板30之間。該膜電極組20包括一質子交換膜21 、兩催化劑 層22、 23及兩氣體擴散層24、 25,該兩催化劑層22、 23分別夾設於該質子 交換膜21與該兩氣體擴散層24、 25之間。該上極板30與該下極板10在燃料電池100中主要起導氣、導電和導水的作用。該兩氣體擴散層24、 25由多 孔性材料製成。由上極板30和下極板IO進入的氣體(如氫氣或者空氣)通過擴 散作用進入該兩氣體擴散層24、 25及該兩催化劑層22、 23,分別參與該燃料 電池100的電化學反應。該下極板IO及上極板30可由導電金屬製成，例如 銅金屬；亦可由導電性非金屬製成，例如石墨。
請參照圖1至圖3，該下極板IO為一長方體板狀結構，其上設有兩組進 氣流道12、 14及一組出氣流道16。該出氣流道16位於該下極板IO的中央， 該兩進氣流道12、 14分別位於該出氣流道16的兩側。該兩進氣流道12、 14 與該出氣流道16之間分別設有一隔板11,該兩隔板11分別將進氣流道12、 14與出氣流道16分隔開來。該兩隔板ll均為蛇形彎折結構(如圖2及圖3所 示)。每一隔板ll在各個彎折處形成一擋止部112,該擋止部112為平板狀結 構。該兩進氣流道12、 14的進氣口 121、 141位於該下相j反IO的同一側。該 出氣流道16設有一出氣口 161，該出氣口 161位於與進氣口 121、 141相對的 另一側。該上極^反30上的流道結構與該下才及板IO相同。
圖1所示燃料電池IOO僅為單體結構，為獲得足夠的發電功率，可以將 多個電池單體串聯起來，以形成電池組。其中，相鄰的兩個電池單體可以共 享一個極板。因此，該下極板IO或上極板30相對的另一表面上也可設有與 上述進氣流道12、 14及出氣流道16結構相同的流道，從而構成一雙極板。
請參照圖l及圖3，使用時，對下招i!10而言，氣流40(比如氫氣或者 空氣)分別通過進氣口 121、 141進入該下極板10的進氣流道12、 14。當氣流 40在上遊時，其主要通過擴散效應而進入氣體擴散層25參與燃料電池100 內的電化學反應。當氣流40流至擋止部112處時，其^皮擋止部112所阻隔， 該擋止部112迫使氣流40以強制對流方式進入氣體擴散層25。進入氣體擴散 層25的氣流40會尋求最短路徑越過隔板11進入出氣流道16中，於是就產 生一強制對流效應。該強制對流效應可使更多的氣流40進入氣體擴散層25, 增加電化學反應的速度，提高該燃料電池100的發電效率。同時，該強制對 流效應可產生強大的剪應力以帶走氣體擴散層25中電化學反應產生的過多 的水分。另外，當氣流40進入出氣流道16內時，出氣流道16依然可以繼續 為氣流40提供擴散效應，直至氣流40通過出氣口 161離開下極板10，使得 氣流40可以更加均勻地進入氣體擴散層25 。
請參照圖4,其所示為本發明第二實施例的俯視圖，其與第一實施例的 不同之處在於，該兩進氣流道12、 14的進氣口 121、 141a分別位於該下極板10a的對角處。由於進氣口 121、 141a處氣流40的流速壽交高，相應擴散效應、 強制對流效應也較強，通過將進氣口 121、 141a設置與該下極板10a的對角 處，可以使得進入氣體擴散層25的氣流40的分布更加均勻，提高燃料電池 IOO內電化學反應的速度，進而提高整體的發電效率。
綜上所述，通過該隔板ll的設置，對行進中的氣流40產生阻擋作用， 使得氣流40在進氣流道12、 14與出氣流道16之間以強制對流方式進入氣體 擴散層25，產生強制對流效應。該強制對流效應可使更多的氣流40進入氣體 擴散層25,並產生強大的剪應力以帶走氣體擴散層25中電化學反應產生的過 多的水分。
通過該兩進氣流道12、 14與該位於中央的出氣流道16的設置，相對於 傳統單進氣流道的設計而言，可使更多的氣流40經強制對流進入氣體擴散層 25。由於進氣口 121、 141處的氣流40比較容易進入氣體擴散層25,故進氣 流道12、 14的設計相比傳統單進氣流道而言，可使氣流40以更均勻的方式 進入氣體擴散層25參與電化學反應。
另外，通過該兩進氣流道12、 14及該出氣流道16的設計，相對現有技 術有效縮短進氣氣流40的流動路徑，有效地減少附面層的屏蔽作用，從而提 高電化學反應速度，提高燃料電池的發電效率。
權利要求
1.一種燃料電池極板，該極板的其中一表面上設有流道，其特徵在於，所述流道包括兩組進氣流道及一組出氣流道，該兩組進氣流道分別位於該出氣流道兩側，所述每一組進氣流道與該出氣流道之間設有隔板，所述隔板將進氣流道與出氣流道分隔開來。
2. 根據權利要求1所述的燃料電池極板，其特徵在於，所述隔板呈蛇形 彎折結構。
3. 根據權利要求1所述的燃料電池極板，其特徵在於，所述兩組進氣流 道的進氣口位於該4及板的同一側。
4. 根據權利要求1所述的燃料電池極板，其特徵在於，所述兩組進氣流 道的進氣口分別位於該極板的對角處。
5. 根據權利要求3所述的燃料電池極板，其特徵在於，該出氣流道的出 氣口位於與所述兩進氣流道的進氣口相對的另 一側。
6. 根據權利要求1所述的燃料電池極板，其特徵在於，該出氣流道位於 該極板中央，該兩組進氣流道分別位於該核j反的兩側。
7. 根據權利要求1所述的燃料電池極板，其特徵在於，該極板相對另一 表面上也設有相同構造的上述流道，從而構成雙極板。
8. —種燃料電池，包括至少一極板及與所述極板相鄰的氣體擴散層，該 極板於鄰接氣體擴散層的表面上設有流道，其特徵在於，所述流道包括兩組 進氣流道及一組出氣流道，該兩組進氣流道分別位於該出氣流道兩側，所述 每一組進氣流道與該出氣流道之間設有呈蛇形彎折的隔板。
9. 根據權利要求8所述的燃料電池，其特徵在於，所述兩組進氣流道的 進氣口位於該極板的同 一側。
10. 根據權利要求8所述的燃料電池，其特徵在於，所述兩組進氣流道的 進氣口分別位於該核il的對角處。
11. 根據權利要求9所述的燃料電池，其特徵在於，該出氣流道的出氣口 位於與所述兩流道進氣口相對的另 一側。
12. 根據權利要求8所述的燃料電池，其特徵在於，該極板相對的另一表 面上也i殳有相同構造的上述流道，/人而構成雙才及板。
全文摘要
一種燃料電池極板，該極板的其中一表面上設有流道，所述流道包括兩組進氣流道及一組出氣流道，該兩組進氣流道分別位於該出氣流道兩側，所述每一組進氣流道與該出氣流道之間設有隔板，所述隔板將進氣流道與出氣流道分隔開來，促使氣體以強制對流方式進入與隔板相鄰的氣體擴散層。通過該兩組進氣流道及該隔板的設置，可以有效增強極板流道內氣流的強制對流擴散效果，並帶走氣體擴散層中聚集的過多的水分，提高燃料電池的發電效率。
文檔編號H01M8/10GK101304094SQ20071007432
公開日2008年11月12日 申請日期2007年5月9日 優先權日2007年5月9日
發明者陳名恩 申請人:富準精密工業(深圳)有限公司;鴻準精密工業股份有限公司