专利名称：燃料电池极板及使用该极板的燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池极板，特别是一种质子交换膜燃料电池的极板 及使用该极板的燃3牛电池。
背景技术：
近年来，燃料电池技术有了许多重大突破，其中质子交换膜燃料电池
(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)受到相当大的关注，世界各国 政府以及企业界无不投入相当大的研发能量。
质子交换膜燃料电池除了具有无污染，能量转换效率高等一般燃料电池 的优点外，更具备接近常温操作以及激活迅速的特性，特别适合运输动力， 可携式电力以及家用发电。
构成质子交换膜燃料电池的关键组件包括电极(electrode)、质子交换膜 (electrolytemembrane)与极板(polarplate)等。在采用氢气为燃料，空气为氧化 剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化剂作 用下发生电化学反应产生质子并释放出电子。质子交换膜帮助质子从阳极区 迁移到阴极区。在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成氧负离子， 并与阳极区迁移过来的质子反应，生成产物水并释放出热量。与此同时，电 子在外电路的连接下形成电流，通过适当连接可以向负载输出电能。阳极反 应与阴才及反应可以用以下方程式表达
阳极反应H2^2H+ + 2e
阴极反应l/202 + 2H+ +2e1120+热量
由以上的反应式可以看出，质子交换膜燃料电池直接将氢气的化学能经 与氧气电化学反应转化为电能、热能和反应产物水。因此，有效管理质子交 换膜燃料电池运行时产生的水和热，对提高质子交换膜燃料电池的性能起着 至关重要的作用。特别地，质子交换膜燃料电池中一般约有40%~50%的能量 耗散为热能，从而使质子交换膜燃料电池的温度升高。如果不能将质子交换
膜燃料电池运行时产生的热量及时散发，将导致质子交换膜缺水、干燥，这
将严重降低质子交换膜的质子传递能力和质子交换膜燃料电池的整体效能。 因此有关质子交换膜燃料电池的散热是目前业界亟需克服的难题。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种具有散热功能的燃料电池极板及使用该极板 的燃料电池。
一种燃料电池极板，该极板的一表面上设有流道。其中，该极板内设有 若干槽道，这些槽道从该极板的一侧延伸至该极板的另 一侧且未与极板上的
流道相通o
一种燃料电池，括一下极板、 一上极板、 一中4及板和二膜电极组，这两
中，该中极板的相对两表面上分别设有流道，该中极板内还设有若干槽道， 这些槽道从该中极板的 一侧延伸至该中极板的另 一侧且未与该中极板上的流 道相通。
与现有技术相比，本发明在极板上设置槽道，可令冷却气体、液体流经 该极板进而将燃料电池产生的热量及时散发，以确保整个燃料电池工作于正 常的温度范围内，从而可确保整个燃料电池正常、稳定地工作。
下面参照附图，结合具体实施例对本发明作进一步的描述。
图1为本发明燃料电池一实施例的结构示意图。
图2为图1所示燃料电池中的一下极板的立体图。 图3为图2中下招il的俯^L图。 图4为图1所示燃料电池中的一中极板的立体图。 图5是沿图4中的中极板的中部截开的剖面图。
图6是为本发明燃料电池另一实施例中的中极板的剖面图以及一分流结 构和一汇流结构。
具体实施例方式
图1所示为本发明燃料电池一实施例的结构示意图。该燃料电池100包 括一下极板IO、 一上极板30、 一中极板90和二膜电极组20，这两个膜电极 组20位于该中极板90的相对两侧并夹设于该下极板10与该上极板30之间。 换言之，该燃料电池IOO是由该下极板10、 一个膜电极组20、该中极板90、 另 一个膜电才及组20及该上极^反30自下向上依次叠加而成。
每一膜电极组20包括一质子交换膜21、两催化剂层22、 23及两气体扩 散层24、 25,该两催化剂层22、 23分别夹设于该质子交换膜21与该两气体 扩散层24、 25之间。该两气体扩散层24、 25由多孔性材料制成。
该上极板30、该中极板90和该下极板10在燃料电池100中主要起导气、 导电和导水的作用。由上极板30、中极板90和下极板IO进入的气体(如氢气 或者空气)通过扩散作用进入相应地气体扩散层24、 25及催化剂层22、 23, 分别参与该燃料电池100的电化学反应。该上极板30、该中极板90和该下 极板10可由导电金属制成，例如铜；亦可由导电非金属制成，例如石墨。特 别地，该上极板30和该下极板10的结构相同，以下以该下极板10为例进行 说明。
请参照图2和图3，该下极板10为一长方体板状结构，其上设有两组进 气流道12、 14及一组出气流道16。该出气流道16位于该下极板10的中央， 该两进气流道12、 14分别位于该出气流道16的两侧并分别净皮该出气流道16 包围(如图2所示)。这些进气流道12、 14分别具有一进气口 121、 141。该出 气流道16具有两出气口 161、 162。该进气口 121与该出气口 161相邻，该 进气口 141与该出气口 162相邻(如图3所示)。
该两进气流道12、 14与该出气流道16之间分别设有一隔板11及一增湿 膜13,使得该进气流道12与出气流道16以及该进气流道14与出气流道16 中的部分流道通过该增湿膜13间隔相邻设置。该增湿膜13为一隔气透水膜， 其由与质子交换膜21相同的全氟磺酸型质子交换膜制成。该增湿膜13利用 其隔气透水性，以薄膜两侧水分子的浓度差作为驱动力进行水份传递。该增 湿膜13的两侧分别贴附有吸水棉絮(图未示)，以利用吸水棉絮的毛细作用增 强7jcf分传递。该两隔板11均为蛇形弯折结构(如图2及图3所示)。该两增湿 膜13均为L型弯折结构，其高度与隔板11的高度相同。每一增湿膜13分别 与一隔板11的顶部末端相连接，这些增湿膜13及隔板11将进气流道12、 14 与出气流道16分隔开来。同时这些增湿膜13还分别分隔该进气口 121与出 气口 161以及该进气口 141与出气口 162。每一隔板11在各个弯折处形成一
挡止部112，该挡止部112为平板状结构。该两进气流道12、 14的进气口 121、 141位于该下核il 10的同一侧。
请参照图4，该中极板90为一长方体板状结构，在其相对的顶部和底部 上分别设有与上述进气流道12、 14及出气流道16结构相同的流道，从而构 成一双极板。换言之，该中极板90的顶部和底部的流道结构与该下极板10 的流道结构相同。如此设计，使得该中极板90的顶部、该上极板30和位于 该上极板30与该中极板90顶部之间的膜电极组20共同组成一个电池单元； 同时，该中极板90的底部、该下极板10和位于该下极板10与该中极板90 底部之间的膜电极组20共同组成另一个电池单元。
此外，在该中极板90的中部设有若干槽道92，这些槽道92从该中极板 90的一侧延伸至中极板90的另一侧且未与该中相il 90上的流道相通，从而 可以令冷却气流或液体等沿着这些槽道92流过该中才及板90，将该燃料电池 IOO运行中产生的热量及时散发，降低燃料电池100的温度，确保整个燃料 电池100的正常运行。
在燃料电池100运行过程中，上极板30上的流道用以提供燃料如氢气， 或氧化剂如空气、纯氧等，而中极板90顶部上的流道则相应地提供氧化剂或 燃料。相似地，中极板90底部的流道用以提供氧化剂或燃料，该下极板IO 上的流道则相应地提供燃料或氧化剂。气体在上极板30、中极板90和下极 板IO上的流道内的运行方式相似，以下以下极板10为例，对气体在下极板 10内的流动过程进行说明。
请参照图1及图3，使用时，气流40分别通过进气口 121、 141进入该 下招_板10的进气流道12、 14。当气流40在上游时，其主要通过扩散效应而 进入气体扩散层25参与燃料电池100内的电化学反应。当气流40流至挡止 部112处时，其#1挡止部112所阻隔，该挡止部112迫^f吏气流40以强制对流 方式进入气体扩散层25。进入气体扩散层25的气流40会寻求最短路径越过 隔板11进入出气流道16中，于是就产生一强制对流效应。该强制对流效应 可使更多的气流40进入气体扩散层25,增加电化学反应的速度，提高该燃 料电池100的发电效率。同时，该强制对流效应可产生强大的剪应力以带走 气体扩散层25中电化学反应产生的过多的水份，即出气流道16中的气流40 具有较高的湿度。在气流40沿着出气流道16排出的过程中，气流40中的部 分水份因冷却而凝结在增湿膜13的吸水棉絮上，并通过扩散方式穿过该增湿
膜13而到达进气流道12、 14 一侧。而增湿膜13位于进气流道12、 14 一侧 的吸水棉絮通过与气流40的接触而提高进气流道12、 14中气流40的湿度， 从而达成该燃料电池100的自增湿效果。
与此同时，该燃料电池100也将产生热量，这些热量被流经中极板90上 的槽道92的冷却气体或液体吸收，并携带至燃料电池100外部，以确保燃料 电池100在正常的温度范围内运行。
特别地，如图5所示，当利用冷却气体对燃料电池100进行散热时，可 令中极板90a上的槽道92a曾交叉状排布。此时，这些槽道92a沿着该中极 板90a的横向和纵向贯穿该中极板90a;换言之，这些槽道92a自该中极板 90a中部的四周的外侧向内延伸并相互交叉，使得外部冷却气体可以从该中极 板90a的四周流入、流出该中极板90，从而增强冷却气体和该中极板90a之 间的热交换作用。
如图6所示，当利用冷却液体对燃料电池100进行散热时，可令该中极 板90b上的槽道92b自该中极板90b的一侧延伸至该中极板90的相对另 一侧。 换言之，这些槽道92b自该中极板90b中部的相对两外侧向内延伸并相互交
进口94b和出口96b。此时，冷却液体可从该中极板90b—侧的进口 94b流 入该中极板90b ，再从该中极板90b另 一侧的出口 96b流出。
为便于冷却液体流入、流出该中极板90b,可在该中极板90b两侧设置 一分流结构98b和一汇流结构99b。该分流结构98b具有一进液口 982b和与 该进液口 982b连通的若干分流出液口 984b。该汇流结构99b具有一出液口 992b和与该出液口 992b连通的若干汇流入口 994b。该中极板90b —侧的进 口 94b分别与分流结构98b的分流出液口 984b连通；而该中极板90b另一侧 的出口 96b与汇流结构99b的汇流入口 994b连通。换言之，分流结构98b的 分流出液口 984b和对应的汇流结构99b的汇流入口 994b通过该中极板90b 上的槽道92b连通。使用时，冷却液体沿进液口 982b流入分流结构98b并在 分流出液口 984b处分为十个支流。然后，这十个支流沿该中极板90b上的槽 道92b向汇流结构99b的汇流入口 994b流动，并在汇流结构99b内汇流重新 形成一股液体。之后，液体经汇流出液口 992b流出该中极板90b。这样，冷 却液体即可沿着中极板90b上的槽道92b流动从而将燃料电池的热量转移到 燃料电池的外部。
综上所述，该燃料电池IOO可有效管理燃料电池IOO运行时产生的水份 和热量，有效地提高了燃料电池100的性能。针对燃料电池100的水份，利 用进气流道12、 14产生的双重强制对流效果增加出气流道16中的气流40的 湿度，并通过内置的增湿膜13将水份回收，增加进入气流的湿度，达成该燃 料电池100的自增湿效果，从而使该燃料电池100具有良好的增湿效果。
针对燃料电池IOO产生的热量，通过在中极板90、 90a、 90b上设置槽道 92、 92a、 92b，可令冷却气体、液体等流过该中极板90、 90a、 90b,将燃料 电池100产生的热量散发到外部环境中，降低燃料电池100的温度。
在上述实施例中，只有在中极板90、 90a、 90b上设有槽道92、 92a、 92b; 此外，根据实际状况，也可以在上极板30、下极板10上设置槽道，以增强 燃料电池的散热性能，提升燃料电池的效能。
权利要求
1. 一种燃料电池极板，该极板的一表面上设有流道，其特征在于该极板内设有若干槽道，这些槽道从该极板的一侧延伸至该极板的另一侧且未与极板上的流道相通。
2. 如权利要求1所述的燃料电池极板，其特征在于这些槽道自该极板 的四周的外侧向内延伸。
3. 如权利要求2所述的燃料电池极板，其特征在于这些槽道相互交叉。
4. 如权利要求1所述的燃料电池极板，其特征在于这些槽道自该极板 的两外侧向内延伸并相互交叉。
5. 如权利要求1所述的燃料电池极板，其特征在于还包括一分流结构 和一汇流结构；该分流结构具有一进液口和与该进液口连通的若干分流出液 口 ；该汇流结构上具有一出液口和与该出液口连通的若干汇流入口 ；这些槽 道分别设有进口和出口，这些分流出液口分别与该极板的进口连接，这些汇 流入口分别与该极板的出口连接。
6. 如权利要求1至5中任何一项所述的燃料电池极板，其特征在于该 极板的相对的二表面上均设有流道，这些槽道位于这些流道之间。
7. 如权利要求1至5中任何一项所述的燃料电池极板，其特征在于所 述流道包括至少一组进气流道及至少一组出气流道，该进气流道与出气流道 之间设有呈蛇形弯折的隔板及与隔板相连接的增湿膜，该增湿膜具有隔气透 水性，将出气流道中的水分传递至进气流道中。
8. —种燃料电池，括一下极板、 一上核il、 一中极板和二膜电极组，这 两个膜电极组位于该中极板的相对两侧并夹i殳于该下极板与该上极板之间， 其特征在于该中极板的相对两表面上分别设有流道，该中极板内还设有若 干槽道，这些槽道从该中极板的一侧延伸至该中才及板的另 一侧且未与该中极 4反上的流道相通。
9. 如权利要求8所述的燃料电池，其特征在于这些槽道自该中极板的 四周的外侧向内延伸。
10. 如权利要求8所述的燃料电池，其特征在于这些槽道自该中极板 的两外側向内延伸并相互交叉。
11. 如权利要求8所述的燃料电池，其特征在于还包括一分流结构和 一汇流结构；该分流结构具有一进液口和与该进液口连通的若干分流出液口 ； 该汇流结构具有一出液口和与该出液口连通的若干汇流入口；这些槽道分别 设有进口和出口，这些分流出液口分别与该中极板的进口连接，这些汇流入 口分别与该中极板的出口连接。
12.如权利要求8所述的燃料电池，其特征在于所述流道包括至少一 组进气流道及至少一组出气流道，该进气流道与出气流道之间设有呈蛇形弯 折的隔板及与隔板相连接的增湿膜，该增湿膜具有隔气透水性，将出气流道 中的水分传递至进气流道中。
全文摘要
一种燃料电池极板，该极板的一表面上设有流道。其中，该极板内设有若干槽道，这些槽道从该极板的一侧延伸至该极板的另一侧且未与极板上的流道相通。一种燃料电池，括一下极板、一上极板、一中极板和二膜电极组，这两个膜电极组位于该中极板的相对两侧并夹设于该下极板与该上极板之间。其中，该中极板的相对两表面上分别设有流道，该中极板内还设有若干槽道，这些槽道从该中极板的一侧延伸至该中极板的另一侧且未与该中极板上的流道相通。由于在极板上设置槽道，可令冷却气体、液体流经该极板进而将燃料电池产生的热量及时散发，以确保整个燃料电池工作于正常的温度范围内。
文档编号H01M8/10GK101388465SQ20071007699
公开日2009年3月18日 申请日期2007年9月14日 优先权日2007年9月14日
发明者陈名恩 申请人:富准精密工业(深圳)有限公司;鸿准精密工业股份有限公司