[发明专利]设有多个独立反应区域的燃料电池

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及的燃料电池的反应区域设计。

背景技术

燃料电池通常由多个电池单元构成，每个电池单元包括两个电极(双极 板)，该两个电极被电解质元件隔开，并且彼此串联地组装，形成燃料电池堆。 通过给每个电极供给适当的反应物，即给一个电极供给燃料而另一个供给氧化 剂，实现电化学反应，从而在电极之间形成电位差，并且因此产生电能。

为提高满足较大功率输出的需要，通常采用增大每个电池单元的膜电极组 件(MEA)中反应区域(催化剂层)面积的方式实现。如图1所示，图1中质子 交换膜1的两面(图1中只示出一侧的正面)均设有催化剂层2，反应物从通道 4中进入双极板的流道，流道中释放反应物在膜电极组件(MEA)的催化剂层2 上发生电化学反应。

与之前的技术相比，虽然目前双极板的流道设计已经有了相当的进步，但 是随着膜电极组件(MEA)中反应区域面积的增加，在电化学反应过程中，双极 板上的流道不并能保证其能够均匀地输送反应物。如图1所示的膜电极组件 (MEA)中，针对整个电池设定的流道区域，从进口到出口，或者说，在不同的 局部区域内，气流分配是不均匀的。另外在这些总体或局部的区域里，燃料和 氧化剂的浓度也是不均匀的，在工作状态下，反应物的供给的波动所产生的电 瞬态效应，其电压V与纵向的同一个流道长度I的关系如图2所示。在长度为L 一个流道中，在流道两端可能产生较大的电压差ΔV；同理，在膜电极组件(MEA) 反映区域的横向上也可能产生这种较大电压差的现象，并且在流道之间也可能 存在因反应物不均匀释放产生电压差的现象，导致每个电池单元内部产生较大 的横向(Inplane)电流，造成膜电极的电化学腐蚀，这将极大地缩减燃料电池 的使用寿命。并且反应物供给量大的区域受限于反应物供给量小的区域，这种 关联效应还会导致反应物供给量大的区域输出电压被拉低，影响燃料电池的输 出功率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种设有多个独立反应区域的燃料电池，以解决现 有燃料电池的每个电池单元易产生横向电流导致燃料电池的腐蚀的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种设有多个独立反应区域的燃料电池，包括多个燃料电池单元，每个所 述燃料电池单元包括双极板和位于所述双极板之间的膜电极组件，所述膜电极 组件包括质子交换膜和位于该质子交换膜两侧的催化剂层，至少所述质子交换 膜一侧的催化剂层为多个相互独立的催化剂层；对应于每个所述催化剂层的位 置处，所述催化剂外层设有一透气层；所述双极板包括非电化学反应区域和多 个电化学反应区域，所述电化学反应区域与所述催化剂层的位置相对应。与现 有的尽可能使反应物在整个反应区域分配均均匀的设计理念不同的是，本发明 采用将整体电池分割成多个独立的反应区域，消除反应区域之间的关联性，分 割并减小了可能出现的电压差的幅度，减少了电化学腐蚀现象的发生，最大限 度地发挥了自个独立区域乃至整个燃料电池的效能。

进一步地，所述质子交换膜两侧均对称设有相互独立的催化剂层。

进一步地，所述电化学反应区域和非电化学反应区域拼接连接。

进一步地，所述非电化学反应区域的材料为非导电材料。

进一步地，每个所述燃料电池单元的催化剂层的位置相同，同一催化剂层位 置处的质子交换膜、催化剂层、透气层和双极板依次叠加构成一个燃料电池子 单元，多个所述燃料电池单元相同位置处的燃料电池子单元串联连接构成燃料 电池子单元组，所述燃料电池子单元组之间并联连接。

进一步地，所述质子交换膜的两侧横向对称设有多个相互分隔的催化剂层。

进一步地，所述质子交换膜的两侧纵向对称设有多个相互分隔的催化剂层。

进一步地，同一个所述燃料电池单元内的所述催化剂层之间的间隙和透气 层之间的间隙处设有绝缘的填充物。

进一步地，所述填充物与所述非电化学反应区域为一体结构。

本发明将燃料电池的膜电极组件中的催化剂层设计成多个独立的区域，并 进一步地将透气层、双板等等相应地分开设计，这样可以有效地避免分别在催 化剂层、透气层以及双极板上产生较大的横向电流，有效减轻了燃料电池的腐 蚀，提高了燃料电池的寿命。最大限度地发挥了自个独立区域乃至整个燃料电 池的效能。

以下结合附图及实施例进一步说明本发明。

附图说明