[发明专利]一种主动排水式燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种主动排水式燃料电池。

背景技术

氢氧型燃料电池是一种将氢气和氧气通过电池反应产生电能的装置，其包括端板、流场板、扩散层、催化层和质子交换膜几部分。氢气作为燃料，在膜电极中发生化学反应，具体反应如下：

阳极：H₂-2e=2H⁺，

阴极：1/2O₂+2H⁺+2e=H₂O

总反应：H₂+1/2O₂=H₂O

氢氧型燃料电池的反应物是水，并且主要存在于阴极，因此阴极最有可能产生水淹现象，在大电流密度下工作时水淹现象更严重,水淹现象严重影响了燃料电池的性。根据加拿大国家研究院JiujunZhang提出的目前缓解水淹的两种主要策略：一、基于整体系统设计，常常伴有巨大的寄生功率损失；二、基于MEA的设计，主要包括更改扩散层、阴极催化层、膜的材料和结构性能来控制水淹（如带有PTFE的GDL疏水处理，MEA中增加微孔层MPL）。除此之外，可以通过设计不同的流场板流道结构如蛇形流道。这些方法虽然在一定程度上缓解了电池中水淹的程度，但成本较高，加工复杂，在电池工作状态改变的过程中这些方法不再适用，所以寻求更高效的阴极排水措施变得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种结构简单、排水性能优越的主动排水式燃料电池。

本发明采用的技术方案为：一种主动排水式燃料电池，包括阳极结构、阴极结构、位于阳极结构和阴极结构之间的质子交换膜，以及排水装置；所述阳极结构包括自上而下依次布置的阳极流道板、阳极扩散层和阳极催化层，阳极催化层与质子交换膜相连；阳极流道板上开设有阳极进气口、阳极出气口，以及与阳极进气口连通的阳极流道，阳极流道与阳极扩散层连通；所述阴极结构包括依次布置的阴极催化层、阴极扩散层和阴极流道板，所述阴极催化层与质子交换膜相连；所述阴极流道板包括多孔碳芯层和石墨基底层，多孔碳芯层的上部与阴极扩散层相连，多孔碳芯层的下部与石墨基底层相连，多孔碳芯层的一端伸出，与排水装置相连；石墨基底层开设有阴极进气口和阴极出气口，在多孔碳芯层上开设有与阴极进气口连通的阴极气体流道，阴极气体流道与阴极扩散层连通。

按上述方案，所述排水装置包括壳体，壳体的一端开设有入口槽，所述多孔碳芯层的伸出端插入壳体内，与入口槽相连；壳体的中部设有主泵腔，主泵腔安设有上盖板，上盖板上开设有与主泵腔相适配的通孔，通孔上覆盖有振动薄膜组件；所述主泵腔通过单向入口阀片与入口槽连通，单向入口阀片可向主泵腔内翻转打开；壳体的另一端开设有出口泵腔，以及与出口泵腔连通的出口槽，出口泵腔通过单向出口阀片与主泵腔连通，单向出口阀片可向出口泵腔内翻转打开。

按上述方案，所述入口槽为梯形槽腔，入口槽的两端分别为入口端和出口端，入口端的尺寸大于出口端的尺寸；入口端与多孔碳芯层的伸出端相连，出口端与主泵腔相连。

按上述方案，所述出口泵腔上部开口，出口泵腔的上部覆盖有用于密封的小隔膜。

按上述方案，所述振动薄膜组件包括隔膜和压电振子，隔膜完全覆盖主泵腔的上部；所述压电振子粘结在隔膜的上部，压电振子单侧固定；压电振子的动力部分与外接电源相连。

按上述方案，所述压电振子包括金属基片和压电陶瓷片，压电陶瓷片的一侧通过金属基片连接固定。

按上述方案，所述多孔碳芯层上开有多个平行的阴极气体流道，相邻两个阴极气体流道之间通过肋板间隔，阴极气体流道的入口与阴极进气口连通，阴极气体流道的出口与阴极扩散层连通。

按上述方案，在质子交换膜的边沿设有密封垫圈。

本发明的有益效果为：

1.本发明的阴极流场板采用多孔碳芯层和石墨基底层，将燃料电池内反应产生液态水主动引出，可有效防止水淹；且与现有的在燃料电池内部安设排水机构相比，本发明所述燃料电池结构更加合理，方便拆卸与安装，不影响燃料电池电化学反应过程中的电子传递，内部无排水机构对燃料电池的性能无影响；且燃料电池具有良好的密封性能，保证安全；增加的排水装置结构简单，易于实现。