空間mea結(jié)構(gòu)燃料電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種空間結(jié)構(gòu)的MEA燃料電池，包括空間結(jié)構(gòu)MEA、擴散層、反應(yīng)氣體流道、極板、水流道?？臻g結(jié)構(gòu)MEA為井字型、十字型或蜂巢型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；擴散層呈現(xiàn)方形管狀結(jié)構(gòu)，相嵌在MEA內(nèi)部或被MEA與極板合圍；反應(yīng)氣體流道內(nèi)壁設(shè)置有螺旋導(dǎo)流板；反應(yīng)氣體在流道內(nèi)壁順著螺旋導(dǎo)流板流動，并通過壁面設(shè)置的小孔進入氣體擴散層；擴散層分為反應(yīng)氣體擴散層和水汽吸附層；極板在擴散層的外部；水流道包括冷卻水流道和排水流道，產(chǎn)生的水被水汽吸附層吸附進入排水流道。本發(fā)明能有效增加反應(yīng)活性面積、提高反應(yīng)氣體傳輸能力和單位體積的功率密度、減少水淹，使氣體利用的更充分；用于電堆可減少電堆的單片數(shù)量，縮小電堆體積，增加電堆布置的靈活性，擴展了燃料電池的實際應(yīng)用。
【專利說明】
空間MEA結(jié)構(gòu)燃料電池
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，特別涉及MEA的空間結(jié)構(gòu)燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0002] 燃料電池是一種將燃料中的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)釋放出電能的發(fā)電裝置。與傳 統(tǒng)的熱機相比，燃料電池不存在燃燒放熱環(huán)節(jié)，不受卡諾循環(huán)的限制，能量利用率能夠達到 50%以上，而普通的熱機的能量利用率在40%以下。只要有持續(xù)的燃料輸入，燃料電池就可 以連續(xù)不斷的輸出電能，不存在電池的充電過程。
[0003] 質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有低溫冷啟動，轉(zhuǎn)換效率高，體積比功率密度高， 產(chǎn)物無污染等優(yōu)點，備受各國青睞。近年來，隨著電動汽車的發(fā)展，質(zhì)子交換膜燃料電池逐 步成為零排放電動汽車的動力源。體積比功率密度大小、電池轉(zhuǎn)換效率高低是評價燃料電 池效能的兩個重要指標(biāo)。其中，體積比功率密度直接影響了電堆尺寸的大小，在滿足車用功 率的情況下，其體積越小，多余的空間越多，有利于汽車內(nèi)部系統(tǒng)的布置。此外，多余的空間 可用于儲存更多的氫氣，使汽車的續(xù)航能力得到提高。隨著技術(shù)的進步，PEMFC模塊的體積 功率密度大幅提升，國外日本豐田Sedan燃料電池汽車用PEMFC模塊的功率密度達到3kW/L; 英國IntelligentEnergy的新一代EC200-192模塊的功率密度達到5kW/L。而國內(nèi)的燃料電 池模塊功率密度一般小于1.5kW/L。就目前的研究來說，提高功率密度的方法主要是通過提 高催化劑活性、流場板設(shè)計和優(yōu)化操作條件，而采用MEA結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式來提高體積功率密 度的較少。
[0004] 電池在大功率密度、大電流運行時，生成水增加，使得液態(tài)水也相應(yīng)增加，導(dǎo)致MEA 水淹，阻塞孔隙，造成氧氣傳質(zhì)受阻，引起濃差極化增大，從而導(dǎo)致電池性能大幅度下降。若 能將生成的水及時排出，可使電池性能得到提高。一般來說，都是通過增加反應(yīng)氣體流量、 控制濕度、優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)等方式。最近，豐田的MARIA電堆采用了 3D流場的設(shè)計，既能有利于 氣體進入擴散層，又能將生成的水汽及時帶走。
[0005] 在燃料電池流場的設(shè)計中，氣體和冷卻水流場的設(shè)計非常重要，反應(yīng)氣體進出口 受堵，氣體不能順利到達電堆每片電極處，引起電流密度不均勻，電池性能下降，如果冷卻 流體進出口設(shè)計不合理，導(dǎo)致冷卻流體進口受阻或出口受堵，都會導(dǎo)致電極反應(yīng)中的產(chǎn)物 水無法順利排出，致使電池局部受熱，影響電池電堆性能。對傳統(tǒng)燃料電池，其流場板與擴 散層接觸，冷卻水流道與反應(yīng)氣體流道相間排布，這會使得會使得部分氣體流道的接觸面 被水流道壁面占據(jù)，如圖6,增加了氣體進入擴散層的傳輸阻力，影響了氣體的直接傳輸量。
[0006] 基于以上背景，近年來，PEM燃料電池的大量研究和發(fā)展致力于燃料電池的結(jié)構(gòu)設(shè) 計，但大多數(shù)是流場板的設(shè)計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供了一種通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化， 既能提高燃料電池的體積比功率、增加反應(yīng)面積，也能提高反應(yīng)氣體傳輸及擴散能力、減少 水淹的空間MEA結(jié)構(gòu)燃料電池。
[0008] 本發(fā)明為達到上述目的采用的技術(shù)方案為：
[0009] 一種空間結(jié)構(gòu)的MEA燃料電池，它包括空間結(jié)構(gòu)MEA、擴散層(GDL)、反應(yīng)氣體流道、 極板、水流道；
[0010]所述的空間結(jié)構(gòu)MEA為井字型、十字型或蜂巢型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；從中心到兩側(cè)依次按照 質(zhì)子交換膜、催化層、微孔層的方式排布；
[0011]所述的擴散層呈現(xiàn)管狀結(jié)構(gòu)，外部為方形結(jié)構(gòu)，相嵌在MEA內(nèi)部或被MEA與極板合 圍，包括氣體擴散層和水汽吸附層；
[0012] 所述的反應(yīng)氣體流道包括陽極流道和陰極流道，在擴散層內(nèi)部，被擴散層包圍，反 應(yīng)氣體流道內(nèi)壁設(shè)置有螺旋導(dǎo)流板;反應(yīng)氣體在流道內(nèi)壁順著螺旋導(dǎo)流板流動，并通過壁 面設(shè)置的小孔進入氣體擴散層、微孔層、催化層；
[0013] 所述的極板在擴散層的外部，包圍著被MEA分割后處于外圍的擴散層；
[0014] 所述的水流道在極板內(nèi)部，包括冷卻水流道和排水流道，循環(huán)水在冷卻水流道內(nèi) 流動對電池進行冷卻，電池內(nèi)產(chǎn)生的水被水汽吸附層吸附進入排水流道并被排出。
[0015] 按上述方案，其特征在于對井字形或蜂巢型結(jié)構(gòu)的MEA燃料電池，完全被MEA包圍 的氣體擴散層中的反應(yīng)氣體流道，它同時起極板的作用傳導(dǎo)電流。
[00?6]按上述方案，所述空間結(jié)構(gòu)MEA的質(zhì)子交換膜膜厚為10um-200um;催化層厚度為 5um-50um〇
[0017] 按上述方案，所述的極板配合擴散層設(shè)計為嵌入GDL長方形、嵌入GDL倒角長方形 或者GDL與極板曲面配合型。
[0018] 按上述方案，所述的反應(yīng)氣體流道在壁面設(shè)置的小孔為圓孔、方形孔、流線型孔或 其混合。
[0019]按上述方案，所述的反應(yīng)氣體流道為圓管或方管或半圓管型;通過氣體的流向來 設(shè)置壁面上小孔的位置及開口大小，控制氣體的擴散。
[0020] 按上述方案，氣體燃料在陽極流道中流動，氣體氧化劑在陰極流道中流動;且陽極 流道與陰極流道呈中心對稱分布。
[0021] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0022]本發(fā)明空間結(jié)構(gòu)MEA為井字型、十字形或蜂巢型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能有效增加反應(yīng)活性面 積、提高單位體積的功率密度(對于十字型增加了一倍，見后面實施的計算），使氣體利用的 更充分，減少燃料的浪費。
[0023] 反應(yīng)氣體流道包括陽極流道和陰極流道，在擴散層內(nèi)部，被擴散層包圍，該結(jié)構(gòu)形 式的擴散層把中間流道中的氣體包圍住，使得氣體可以向四周擴散，參與反應(yīng)，它能有效增 強氣體傳輸，減少氣體的浪費。反應(yīng)氣體流道內(nèi)壁的螺旋導(dǎo)流板產(chǎn)生的螺旋氣流在擴散層 中回旋，帶走擴散層中的水汽，氣流在經(jīng)過水汽吸附層時，水汽被吸附，并順著吸附層進入 排水流道。
[0024] 本發(fā)明反應(yīng)氣體流道的截面是帶有一定傾斜角的流線型面、截距可根據(jù)傾角調(diào) 節(jié)。流道中氣體沿著螺旋狀導(dǎo)流板的方向流動，在離心力的作用下，會使得進入流道的氣體 在導(dǎo)流板的作用下更貼緊壁面，使氣流沿著壁面徑向向外擴散。一方面，能有效的使反應(yīng)氣 體進入擴散層，另一方面，在貼近壁面氣體的剪切力作用下，使靠近壁面的生成水被帶走， 能降低水淹現(xiàn)象。
【附圖說明】
[0025]圖1十字形燃料電池正視圖、軸側(cè)圖；
[0026]圖2井字型MEA燃料電池形正視圖、軸側(cè)圖；
[0027] 圖3MEA構(gòu)成圖；
[0028] 圖4 MEA不同的空間結(jié)構(gòu)；
[0029] 圖5極板與氣體擴散層的配合形式；
[0030] 圖6傳統(tǒng)燃料電池的水、氣流道排布；
[0031 ]圖7反應(yīng)氣體流道與螺旋導(dǎo)流板配合圖；
[0032]圖8內(nèi)部螺旋導(dǎo)流板；
[0033]圖9螺旋導(dǎo)流板截面；
[0034]圖10傳統(tǒng)燃料電池截面；
[0035] 圖11空間MEA燃料電池截面；
[0036] 其中，1-MEA，2-冷卻水流道，3-水汽吸附層，4-極板，5-排水流道，6-反應(yīng)氣體流 道，7-氣體擴散層，8-質(zhì)子交換膜，9-催化層，10-微孔層，11 -雙極板，12-接觸面，13-流道壁 面，14-小孔，15-螺旋導(dǎo)流板，16-螺旋的直徑，17-螺旋的截距，18-氣體進口處，19-傾斜角， 20-導(dǎo)流壁的厚度。
【具體實施方式】
[0037] 以下實施例進一步闡釋本發(fā)明的技術(shù)方案，但不作為對本發(fā)明保護范圍的限制。 [0038]本發(fā)明十字型MEA燃料電池，如附圖1所示，它包括空間結(jié)構(gòu)MEA1、擴散層(GDL) (3 和7)、反應(yīng)氣體流道6、極板4、水流道(2和5);
[0039]空間結(jié)構(gòu)MEA可以為井字型、十字型或蜂巢型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，參照附圖4所示;MEA從中 心到兩側(cè)依次按照質(zhì)子交換膜8、催化層9、微孔層10的方式排布，參照附圖3所示。空間結(jié)構(gòu) MEA為井字或蜂巢型結(jié)構(gòu)時，反應(yīng)氣體流道既運輸氣體也起極板的作用傳導(dǎo)電流。
[0040] 擴散層呈現(xiàn)管狀結(jié)構(gòu)，外部為方形結(jié)構(gòu)，相嵌在MEA內(nèi)部(井字型或蜂巢型網(wǎng)狀結(jié) 構(gòu)MEA會有部分擴散層完全被MEA包圍）或被MEA與極板合圍（十字型），擴散層包括氣體擴散 層7和水汽吸附層3，水汽吸附層能將電池生成水及時吸收，能減少水淹現(xiàn)象。
[0041] 反應(yīng)氣體流道6包括陽極流道和陰極流道，在擴散層內(nèi)部被擴散層包圍，為圓管 型，也可以設(shè)置成方管型如圖2。反應(yīng)氣體流道為圓管或方管;通過設(shè)置壁面上小孔的位置 及開口大小控制氣體的擴散方向。還可以根據(jù)氣體需求的方位，如反應(yīng)面只有兩個面，設(shè)置 成半圓管型，并且在半圓管的直角邊上不開孔，可以避免氣體向其他方向擴散減少損耗。井 字型或蜂巢型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)MEA會有部分擴散層完全被MEA包圍，此部分擴散層中包圍的反應(yīng)氣 體流道既運輸氣體也起極板的作用傳導(dǎo)電流。
[0042]極板4在擴散層的外部，包圍著被MEA1分割后處于外圍的擴散層。為滿足電池的散 熱、導(dǎo)電，減少極板4與擴散層的接觸電阻，極板4可以設(shè)計成多種形式，嵌入GDL長方形、嵌 入GDL倒角長方形、GDL與極板曲面配合型等(如圖5)。
[0043]水流道(包括冷卻水流道2和排水流道5)在極板4內(nèi)部，循環(huán)水在冷卻水流道內(nèi)流 動對電池進行冷卻，電池內(nèi)產(chǎn)生的水被水汽吸附層3吸附進入排水流道并被排出。水流道的 截面形狀可以設(shè)計多種形式，如長方形、倒角長方形、橢圓形等。其次，流道沿著長度方向的 形式，可以設(shè)計成直流型，交叉型、波浪形等多種形式。
[0044] 如圖6所示傳統(tǒng)燃料電池的水、氣流道排布，傳統(tǒng)的金屬流場板是將水流道和氣流 道相間排布，這會使得部分氣體流道的接觸面12被雙極板11占據(jù)。本發(fā)明則將兩種流道分 離開，可以讓反應(yīng)氣體的直接擴散面增大，使反應(yīng)氣體傳輸更容易進行。
[0045] 參照附圖7、8、9所示，反應(yīng)氣體流道內(nèi)壁設(shè)置有螺旋導(dǎo)流板15;反應(yīng)氣體在流道內(nèi) 壁順著螺旋導(dǎo)流板15流動，并通過流道壁面13設(shè)置的小孔14進入氣體擴散層7、微孔層10、 催化層9。流道壁面13上的小孔14可以設(shè)計成多種孔的形式，如圓孔、方形孔狀、流線型孔、 混合孔等，也可以根據(jù)圓管中氣體的流向來設(shè)置孔的位置及孔的開口大小，使氣體既容易 進入擴散層，同時又能通過氣體回流將水吹掃進入流道。
[0046] 參照附圖7、8、9所示，反應(yīng)氣體流道內(nèi)壁設(shè)置的螺旋導(dǎo)流板15類似于DNA的螺旋結(jié) 構(gòu)，其截面是帶有一定傾斜角β(傾斜角19)和厚度(導(dǎo)流壁的厚度20)的流線型面，其截距17 可根據(jù)傾角β(傾斜角19)、厚度(導(dǎo)流壁的厚度20)、外徑16調(diào)節(jié)。反應(yīng)氣體流道中的氣體沿 著標(biāo)注18所指的方向流動，由于螺旋導(dǎo)流板15是呈螺旋狀，在離心力的作用下，會使得進入 流道的氣體在導(dǎo)流板的作用下貼緊流道壁面13,穿過小孔14徑向向外傳輸。一方面，能有效 的使反應(yīng)氣體進入擴散層，另一方面，在貼近壁面氣體的剪切力作用下，可以使生成的水更 容易被帶走，也能預(yù)防水淹現(xiàn)象。
[0047] 空間ΜΕΑ燃料電池與傳統(tǒng)燃料電池的單位體積功率密度比較：
[0048]單位體積功率密度計算公式：
[0050] 其中，I為電流密度(A/cm2)，S為反應(yīng)的活性面積(cm2)，U為電壓(V)，V為電池的體 積(m 3)。
[0051] 假設(shè)兩種電池的電壓U、電流密度I相同，參照附圖10和11所示得符號標(biāo)識，
[0052]對傳統(tǒng)燃料電池有：
[0053] S = LXaO = LX(2Xal+a2)
[0054] V = aOXHXL=(2Xal+a2)X[2X( H_GDL+H_ch+H_c c) +H_MEA ] X L
[0056] 對空間MEA燃料電池有：
[0057] S = LXaOX4 = LX(2Xal+a2)
[0058] V = Hi2XL=[2XaO+H_MEA]2XL
[0062]按照現(xiàn)有電池的結(jié)構(gòu)尺寸，取
[0063] al = 0 · 5mm，a2 = lmm，H_cc = lmm，H_ch = lmm，H_GDL = 0 · 2mm，H_MEA = 0 · 065mm，算 得比值:α = 2.162。
【主權(quán)項】
1. 一種空間結(jié)構(gòu)的MEA燃料電池，其特征在于包括空間結(jié)構(gòu)MEA、擴散層、反應(yīng)氣體流 道、極板、水流道； 所述的空間結(jié)構(gòu)MEA為井字型、十字型或蜂巢型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);從中心到兩側(cè)依次按照質(zhì)子 交換膜、催化層、微孔層的方式排布； 所述的擴散層呈現(xiàn)方形管狀結(jié)構(gòu)，相嵌在MEA內(nèi)部或被MEA與極板合圍，包括氣體擴散 層和水汽吸附層； 所述的反應(yīng)氣體流道包括陽極流道和陰極流道，被擴散層包圍，反應(yīng)氣體流道內(nèi)壁設(shè) 置有螺旋導(dǎo)流板;反應(yīng)氣體在流道內(nèi)壁順著螺旋導(dǎo)流板流動，并通過壁面設(shè)置的小孔進入 氣體擴散層、微孔層、催化層； 所述的極板在擴散層的外部，包圍著處于外圍的擴散層； 所述的水流道在極板內(nèi)部，包括冷卻水流道和排水流道，循環(huán)水在冷卻水流道內(nèi)流動 對電池進行冷卻，電池內(nèi)產(chǎn)生的水被水汽吸附層吸附進入排水流道并被排出。2. 如權(quán)利要求1所述空間結(jié)構(gòu)的MEA燃料電池，其特征在于對井字形或蜂巢型結(jié)構(gòu)的 MEA燃料電池，完全被MEA包圍的氣體擴散層中的反應(yīng)氣體流道，它同時起極板的作用傳導(dǎo) 電流。3. 如權(quán)利要求1所述空間結(jié)構(gòu)的MEA燃料電池，其特征在于所述空間結(jié)構(gòu)MEA的質(zhì)子交 換膜膜厚為l〇um-200um;催化層厚度為5um-50um〇4. 如權(quán)利要求1所述空間結(jié)構(gòu)的MEA燃料電池，其特征在于所述的極板配合擴散層設(shè)計 為嵌入長方形、嵌入倒角長方形或者曲面配合型。5. 如權(quán)利要求1所述空間結(jié)構(gòu)的MEA燃料電池，其特征在于所述的反應(yīng)氣體流道在壁面 設(shè)置的小孔為圓孔、方形孔、流線型孔或其混合。6. 如權(quán)利要求1所述空間結(jié)構(gòu)的MEA燃料電池，其特征在于所述的反應(yīng)氣體流道為圓管 或方管或半圓管型;通過氣體的流向來設(shè)置壁面上小孔的位置及開口大小，控制氣體的擴 散。
【文檔編號】H01M8/10GK106025309SQ201610583423
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月22日
【發(fā)明人】詹志剛, 何曉波, 張洪凱, 馮軍, 帥露, 潘牧, 隋邦杰
【申請人】武漢理工大學(xué)