[发明专利]旋盘式质子交换膜燃料电池

说明书

技术领域：

本发明涉及一种采用固态电解质的燃料电池，特别是质子交换膜燃料电池。

背景技术：

公知的单个质子交换膜燃料电池主体结构包括依次层叠的阳极板、阳极、质子交换膜、阴极、阴极板。阳极和阴极统称电极，通常由可导电且具有良好气体透过性的碳纸或者碳布构成，与质子交换膜紧密相贴，并在各自紧贴质子交换膜的一面均匀涂覆有碳载铂催化剂。在质子交换膜燃料电池运行的过程中需要向电极供应反应气体。阳极反应气体一般是氢气，阴极反应气体一般是氧气，实际应用中通常以空气供应阴极。氢分子会在阳极的催化剂作用下离解为电子和氢离子，也即质子。氢离子可以穿过质子交换膜到达阴极，电子则可以通过与电极相接的导线从阳极流过负载再到达阴极而形成电流。在阴极，氧分子、氢离子和电子结合，放出热量，产生水。所产生的水往往以气态形式随着反应剩余的气体一起排出。

实际应用中，往往采用合适的工艺将电极和质子交换膜制成一体，称为膜电极。在多个质子交换膜燃料电池串联组成的电池堆之中，除去首尾两端的质子交换膜燃料电池外，每一质子交换膜燃料电池的阳极和相邻质子交换膜燃料电池的阴极之间由双极板相隔。所述双极板一方面紧密夹贴着膜电极，从而在电气方面达到将两相邻的质子交换膜燃料电池串联的目的；另一方面，双极板表面制有流场沟槽，在质子交换膜燃料电池的运行过程中，从位于流场沟槽始端的供气管道输入的反应气体会经过流场沟槽供应到电极表面。为了保证电极表面各处都有尽可能足量的反应气体，输入的反应气体一般是过量的。因此，所述流场沟槽的末端会和排出反应剩余气体的排气管道相连接。在大功率的质子交换膜燃料电池中，前述化学反应放出的热量不可忽略，因此在双极板内还需要设有冷却管道。

如前所述，现有的质子交换膜燃料电池主体结构具有导气与导电相结合的结构特征。对于具有较大横截面积的大功率质子交换膜燃料电池而言，现有的主体结构存在着下列不足：

首先，电极表面不同区域的供气难以达到完全均匀。为了较好地导通电流，双极板与电极之间必须有较大的接触面积，反应气体只能在双极板的流场沟槽中流动。虽然前述电极由透气的材料制成，但沿平行于电极表面方向的气体穿透阻力显然会大于沿垂直于电极表面方向的气体穿透阻力，因此，电极表面与双极板流场沟槽正对区域的反应气体浓度往往高于电极表面与双极板紧密相贴处的反应气体浓度。因此，即使在燃料电池的整体平均电流密度并不很大时，反应气体浓度较高区域的电流密度也可能已经达到了质子交换膜所允许的电流密度最大值。这一现象制约了大功率质子交换膜燃料电池性能的提高，同时也降低了膜电极的利用率。在现有的技术条件下，膜电极中的质子交换膜、电极等都具有较高的制造成本，因此，膜电极利用率的降低就相应地增加了质子交换膜燃料电池的单位功率成本。

相应地，排水和加湿不均匀也是前述具有较大横截面积的质子交换膜燃料电池的缺点。质子交换膜需要在适度润湿的情况下保持良好的质子传导能力，若水分不足，会使得质子交换膜过分干燥，从而增大质子交换膜燃料电池的等效内阻，这时往往需要采用外设的加湿装置增加输入的反应气体的湿度；而过多的水分会导致电极被水浸润，使得反应气体无法透入，这时就需要减小输入气体的湿度并希望质子交换膜燃料电池内部过多的水分可以被反应剩余的气体吹扫出去。与前述供气不匀的状况类似，电极表面与双极板流场沟槽正对的区域和紧密贴合于双极板表面的区域的含水量往往是不一致的，甚至流场沟槽始端和末端处的湿度通常也是有差别的，难以精确实现对整个质子交换膜燃料电池中湿度的平均调节。这样，就会造成不同区域的单位面积等效电阻各不相同，增大质子交换膜燃料电池在运行中的内耗；严重时，会导致质子交换膜燃料电池堆中某一或某几个单电池的失效，使得整个电池堆无法正常运行。

为解决上述问题，通常所采用的方法是对双极板流场沟槽的样式加以改进。然而，改善流场所能起到的效果是有限的，因为前述双极板的作用既包括导气又包括导电，若在某一方面特别地加以优化则往往使得另一方面的效能受到限制。并且，复杂的流场也常常会增加石墨双极板的制造难度，使成本升高。如果采用不锈钢等比较容易进行流场加工的金属材料制成双极板，则必须经过特殊的表面层处理以防止在质子交换膜燃料电池内部的酸性氛围中被腐蚀，大面积地进行表面层处理也是造成成本较高的一个原因。