专利名称：一种质子交换膜燃料电池的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种质子交换膜燃料电池，特别适合于氢/空质子交 换膜燃料电池。
背景技术：
质子交换膜燃料电池具有能量转换效率高、适应不同功率要求、低温 起动快、以及对环境没有污染和无噪声等优点，所以能很好地应用于电动 汽车、潜艇和可移动电源。质子交换膜燃料电池工作过程中H2由阳极极板 流场通道进入扩散层，然后通过阳极扩散层到达阳极催化层。在阳极催化 剂作用下，H2解离为H+和带负电的电子。H+穿过质子交换膜到达阴极，电 子则通过外电路到达阴极。02由阴极极板通道进入扩散层，再通过阴极扩 散层到达阴极催化层。在阴极催化剂作用下02分解为氧离子并与『和电子 反应生成水。质子在膜中的传导需要水的存在。膜中的水含量下降造成它的电导率 线性下降，就会导致电池性能下降。这种情况在电池组中更严重。当电池 组中某个单电池的膜失水干涸，膜失去传导质子的能力，这样失水面积就 向旁边扩散，最后导致整个单电池的失效。但剩下的单电池还在工作，就 会有电流继续流过这层电池，它就相当于一个电阻发热使临近层的膜失 水，最后导致整个电池组失效。为了解决质子交换膜燃料电池组中膜的失水难题， 一般通过增湿系 统给反应气体增湿，如采用直接液态水注射增湿，增湿水随着反应气体 进入电池组。由于电池组采用公共的供气通道给所有单电池供气，这很 难保证每层气体的流速是一样，以至于增湿水在电池组的内部不均匀分 布。发明内容本实用新型的目的在于，克服现有电池组内部的水分布不均匀的缺 点，提供一种对阴极流场结构进行改进的、质子交换膜燃料电池组采用 附加增湿系统、阴极能够对增湿水进行均匀分布的、适应范围广、工作 稳定可靠、效率高、使用寿命长的质子交换膜燃料电池。本实用新型的技术方案是 一种质子交换膜燃料电池，它包括若干 单电池，每个单电池包括阳极板、阳极扩散层，阴极板，阴极扩散层， 膜电极；所述的阴极板上包括a、用于实现氧化剂气体导通的具有氧化 剂进气口和氧化剂出气口的导通槽道；b、用于给质子交换膜增湿的具有 进口而无出口的封闭槽道；C、用于还原剂进出的还原剂进口和还原剂出口； d、用于冷却的冷却剂进口和冷却剂出口 。在上述技术方案的基础上具有附加技术特征的进一步的技术方案是所述封闭槽道的进口是导通槽道的氧化剂进气口 。所述的封闭槽道均匀分布于阴极板上，且与导通槽道间隔均匀分布， 其首端在氧化剂入口处，终端为封闭端，位置相对于导通槽道的尾部或者 中部，该封闭槽道用于使液态水蒸发为气态水通过多孔的扩散层向膜进行扩散。所述封闭槽道的终端封闭位置相对于导通槽道的尾部的氧化剂出口 之前相隔一段距离。所述封闭槽道的终端封闭位置相对于导通槽道的尾部的氧化剂出口 之前相隔的距离为3 10亳米。所述的封闭槽道的终端封闭位置相对于氧化剂入口与氧化剂出口的 中部。所述的氧化剂气体是空气，还原剂气体是氢气，冷却剂为去离子水。 所述的导通槽道和封闭槽道形状为蛇形或平行直线形。 所述的封闭槽道横截面几何尺寸小于导通槽道横截面几何尺寸。 所述的封闭槽道横截面几何尺寸为导通槽道横截面几何尺寸的一半。本实用新型的效果在于本实用新型燃料电池适应范围广、工作稳 定可靠、效率高、使用寿命长。具体表现在a、燃料电池工作时候，封 闭槽道聚集的增湿水通过扩散层给质子交换膜增湿，实现对增湿水的二 次分配，均匀分布；b、负载功率变化时候，电池对增湿水量也在变化, 封闭槽道相当于一个蓄水池起到一个调节增湿水量；C、封闭流槽中增湿水在电池中均匀分布；d、电池在高温工作时，增湿水的蒸发实现电池组 温度的均匀分布和冷却功能。
图l为本实用新型阴极板的主视图 图2为图1的A—A剖视图 图3为单电池横截面示意图具体实施方式
如图1-3所示，所述一种质子交换膜燃料电池，它由若干个(可以 是数十至数百个)单电池串联组成，每个单电池包括阳极板13、阳极扩 散层12，阴极板14，阴极扩散层10，膜电极11;单电池串连后成为组 合体，两端以锁紧固定板固定；单电池个数按不同场合需要而定；所述的 阴极板14上有a、用于实现氧化剂气体导通的具有氧化剂进气口 l和 氧化剂出气口 6的导通槽道4; b、用于给质子交换膜增湿的具有进口而 无出口的封闭槽道5; c、用于还原剂进出的还原剂进口 3和还原剂出口 8; d、用于冷却的冷却剂进口 2和冷却剂出口 7。所述封闭槽道5的进口 是导通槽道4的氧化剂进气口 1。所述的封闭槽道5均匀分布于阴极板 14上，且与导通槽道4间隔均匀分布，其首端在氧化剂入口 I处，终端为 封闭端，位置相对于导通槽道4的尾部或者中部，该封闭槽道5用于使 液态水蒸发为气态水通过多孔的扩散层向膜进行扩散。另外的实施例是 所述封闭槽道5的终端封闭位置相对于导通槽道4的尾部的氧化剂出口 6 之前相隔一段距离，该距离为3 10毫米，优选为5毫米，或者选为3毫米，或迭为10毫米。还有实施例是所述的封闭槽道5的终端封闭位置 相对于氧化剂入口 1与氧化剂出口 6的中部。所述的氧化剂气体是空气， 还原剂气体是氢气，冷却剂为去离子水。所述的导通槽道4和封闭槽道5 形状为平行直线，还有实施例是选为蛇形。所述的封闭槽道5横截面几 何尺寸一般设计中是小于导通槽道4横截面几何尺寸，优选是封闭槽道 5横截面几何尺寸为导通槽道4横截面几何尺寸的一半,根据实际应用情 况决定封闭槽道5尺寸。气体槽道可通过不同加工手段、如机加工工艺、注塑工艺等制作出来。 如一个20KW的总共100个(层)单电池的燃料电池组的阴极流场，它的长 为300毫米，宽为150亳米，导通槽道4的横截面几何尺寸为IOXIO毫米， 封闭槽道5的横截面几何尺寸为5X5毫米。导通槽道4从氧化剂入口 1 到氧化剂出口 6。封闭槽道5从氧化剂入口 1开始，离氧化剂出口 6之前 5毫米或选为IO毫米封闭。如图3所示，单电池阴极扩散层10中的孔都是疏水的孔。导通槽道 4和封闭槽道5压力差很小，此时增湿水很难直接通过疏水处理过碳纸， 只能通过蒸发生成水蒸汽才能通过扩散层到达膜电极。因此增湿机理为 封闭槽道中的液态水蒸发为气态水通过多孔的扩散层向膜进行扩散。封 闭流槽5与导通槽道4间隔分布，尽量在流场表面分布均匀。本实用新型的权利保护范围不限于上述实施例。
权利要求1、一种质子交换膜燃料电池，它包括若干单电池，每个单电池包括阳极板(13)、阳极扩散层(12)，阴极板(14)，阴极扩散层(10)，膜电极(11)，其特征在于，所述的阴极板(14)上包括a、用于实现氧化剂气体导通的具有氧化剂进气口(1)和氧化剂出气口(6)的导通槽道(4)；b、用于给质子交换膜增湿的具有进口而无出口的封闭槽道(5)；c、用于还原剂进出的还原剂进口(3)和还原剂出口(8)；d、用于冷却的冷却剂进口(2)和冷却剂出口(7)。
2、 如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述 封闭槽道(5)的进口是导通槽道(4)的氧化剂进气口 (1)。
3、 如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述的 封闭槽道(5)均匀分布于阴极板(14)上，且与导通槽道(4)间隔均 匀分布，其首端在氧化剂入口 (1)处，终端为封闭端，位置相对于导通 槽道(4)的尾部或者中部，该封闭槽道(5)用于使液态水蒸发为气态 水通过多孔的扩散层向膜进行扩散。
4、 如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述封 闭槽道(5)的终端封闭位置相对于导通槽道(4)的尾部的氧化剂出口(6)之前相隔一段距离。
5、 如权利要求4所述的质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述封 闭槽道(5)的终端封闭位置相对于导通槽道(4)的尾部的氧化剂出口(6)之前相隔的距离为3 10毫米。
6、 如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述的 封闭槽道(5)的终端封闭位置相对于氧化剂入口 (1)与氧化剂出口 (6) 的中部。
7、 如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述的 氧化剂气体是空气，还原剂气体是氢气，冷却剂为去离子水。
8、 如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，其特征在于，导通槽 道(4)和封闭槽道(5)形状为蛇形或平行直线形。
9、 如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，其特征在于，封闭槽 道(5)横截面几何尺寸小于导通槽道(4)横截面几何尺寸。
10、 如权利要求9所述的质子交换膜燃料电池，其特征在于，封闭 槽道(5)横截面几何尺寸为导通槽道(4)横截面几何尺寸的一半。
专利摘要本实用新型涉及一种质子交换膜燃料电池，特别适于氢/空气质子交换膜燃料电池。它包括若干单电池，每个单电池包括阳极板、阳极扩散层，阴极板，阴极扩散层，膜电极；所述的阴极板上包括a、用于实现氧化剂气体导通的具有氧化剂进气口和氧化剂出气口的导通槽道；b、用于给质子交换膜增湿的具有进口而无出口的封闭槽道；c、用于还原剂进出的还原剂进口和还原剂出口；d、用于冷却的冷却剂进口和冷却剂出口。本实用新型燃料电池阴极能够对增湿水进行均匀分布，具有适应范围广、工作稳定可靠、效率高、使用寿命长的优点。
文档编号H01M8/24GK201122629SQ20072008777
公开日2008年9月24日 申请日期2007年10月29日 优先权日2007年10月29日
发明者丁刚强, 岳四安, 张传喜, 管道安, 钱志刚 申请人:中国船舶重工集团公司第七一二研究所