[发明专利]质子交换膜燃料电池

说明书

本发明公开一种质子交换膜燃料电池，包括质子交换膜，质子交换膜的一侧由内而外依次设置阳极催化剂层、阳极气体扩散层和阳极板；质子交换膜的另一侧设置阴极催化剂层、输水气体扩散层和导流极板；所述输水气体扩散层设有双层的输水气体通道，所述导流极板靠近气体扩散层的一面设有导流气体通道，所述导流气体通道内包含至少一个导流直流道，导流直流道的两侧壁设有鳍状的导流结构。本发明结合输水气体扩散层的输水作用与导流双极板的导流作用，解决了气体扩散层液态水的去除与双极板的气体通道内液态水的传输之间的矛盾，提高电池的水管理能力，提升电池性能，延长膜电极及电池的使用寿命。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种质子交换膜燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种将氢气和氧气通过电化学反应产生电能的发电装置，以质子交换膜燃料电池组为例，其包含多个单电池，如图1所示。单电池1包含位于中央的一质子交换膜11，其两侧各设一阳极催化剂层12a与阴极催化剂层12c，该催化剂层12a、12c两外侧分别设置一阳极气体扩散层13a与阴极气体扩散层13c,该气体扩散层13a、13c两侧各分别设置一阳极板14a和一阴极板14c，上述各构件紧密结合后即形成该单电池1。

燃料电池组由多于一个单电池组合而成，如图2、图3所示。在一已知燃料电池组100中，分别作为两相邻电池单体1的阳极板与阴极板通常可结合统称为一双极板15，双极板15的两面设有许多沟槽式的阳极气体通道16a与阴极气体通道16c，以输送反应用气体，对于该已知燃料电池组100，阳极气体通道16a输送氢气，阴极气体通道16c输送空气或氧气。此外，质子交换膜11，催化剂层12a、12c以及气体扩散层13a、13c共同构成膜电极组件3。

由于该燃料电池组100的双极板15中的气体必须具有相当程度的湿度，才能将反应生成的离子携带并穿越质子交换膜11，实现质子导电。因此反应气体通入电池组100之前，通常会对其进行加湿，使反应气体具有一定程度的湿度。此外，在该燃料电池组100的工作过程中，阴极催化剂层12c内的电化学反应会产生水，水通过阴极气体扩散层13c扩散进入双极板15中的阴极气体通道16c，进而排出电池之外。在此过程中，当水蒸气饱和时，水蒸气会在特定条件下凝结成水滴。生成的水滴由于表面张力的作用会附着在阴极气体扩散层13c表面或阴极气体扩散层13c内孔隙的表面，堵塞气体扩散层13c的气体扩散通道，降低气体扩散效率，减慢电化学反应速率，从而对该燃料电池组100的性能产生负面影响。因此如何去除阴极气体扩散层13c表面及阴极气体扩散层13c的孔隙内表面的液态水，是燃料电池组100水管理面临的重要问题。

目前，加快气体扩散层13c内液态水的排出方法主要是采用疏水性梯度分布的气体扩散层。例如专利(CN111540921A)公开了一种集成流场的燃料电池气体扩散层，该方法通过在扩散层中由电极附近的强疏水性到双极板附近的弱疏水性的梯度分布，实现水在扩散层中由电极到流道的传输。然而，单纯靠强疏水性与弱疏水性的差异对于加快气体扩散层液态水排出效果较弱，且本技术没有考虑液态水在进入流道后从气体扩散层表面的去除以及在流道内的传输效率问题。

对于加快气体扩散层13c表面液态水的去除，目前的方法主要是通过将阴极气体扩散层13c表面进行疏水处理，而对双极板15表面进行亲水处理。由于亲水性壁面对水滴具有较强的毛细效应，能够将气体扩散层13c表面的液态水吸附到阴极气体通道16c的壁面，从而清除阴极气体扩散层13c表面。但是，亲水性壁面对水滴的吸附作用会产生较大的粘滞力，降低液态水在阴极气体通道16c内的传输速度。因此壁面亲水性的双极板15通常更容易引起阴极气体通道16c内液态水的聚集，产生水淹问题，严重影响燃料电池性能，甚至导致燃料电池失效，严重水淹还会缩短电池寿命。专利(CN107665999A)提出了一种整体式阴极流道的优化结构，其通过设置导流极板将气体扩散层表面的液态水转移到流道底部，但其无法对气体扩散层孔隙内液态水的排出起到促进作用，因此对电池性能的提升效果有限，并且结构复杂，需加工出整体式的导流极板放置入金属双极板的阴极流道内以实现导流功能，增加了双极板的加工成本，不利于实现工业化应用。

发明内容