质子交换膜燃料电池阴极直交错—阳极平行流组合流道 【技术领域】
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池阴极直交错—阳极平行流组合流道，是一种新型的质子交换膜燃料电池气体流道，属于能源利用中燃料电池技术领域。
背景技术
随着资源的日益紧张和环境的逐渐恶化，世界各国都在研究与发展新型的发电技术。燃料电池能将化学能直接转化为电能而不受卡诺循环的限制，效率很高，而且对环境很友好。质子交换膜燃料电池，因为其结构紧凑、重量轻、电流密度大、工作温度低、启动速度快，且使用无毒性的固态电解质膜，在航空、交通、移动电源等领域都有广泛的应用前景，已经成为近年来发展最快的燃料电池。
一个典型的质子交换膜燃料电池包括：阴极和阳极气体流道，阴极和阳极气体扩散层，阴极和阳极催化层，质子交换膜。在运行时，反应气体在气体流道内流动，通过气体扩散层，到达催化层发生电化学反应，产生电能。通常采用的气体流场是平行流场，气体在流道里直接流动，通过扩散传递原理扩散至气体扩散层表面。大电流情况下，在阴极产生的部分液态水无法及时通过气道排出，造成“淹没”扩散层表面的情况，并且增大了气体扩散阻力。
另外，燃料电池的阴阳极反应特点也不同，阳极侧需要产生氢离子和保持一定的湿度，防止质子交换膜的蒸干；阴极侧需要生成物水的快速排出。因此，输送阴阳极工质的气道应该根据各自的特点分别设计。
最近一些文献中提出了一种交指型流场(Trung V.Nguyen.A gasdistributor design for proton-exchange-membrane fuel cells.Journal ofElectrochemical Society，1996，143(5)：L103-L105)。该种流场采用将进气流道末端封死地结构，通过强迫对流机理强迫反应气体深入扩散层内部，提高了扩散速度，大大提高了反应速率，而且气流可将扩散层中聚集的液态水带出，减少了阴极淹没程度，从而改善了质子交换膜燃料电池的工作性能。但是，由于气体到达气道末端时，向四周扩散的几率一样，容易造成反应气体从电池两侧的边框泄漏到外界，存在安全方面的隐患。
另外，由于质子交换膜属于水合物，工作时需要保持一定的湿度，运行时需要在阳极气体中加入部分水蒸气，水蒸气用来湿润质子交换膜，起到增湿的作用。但是水蒸气的加入，降低了反应气体的浓度，增加了反应气体的扩散阻力。因此，保持一定的阴阳极压差，形成压力驱动下，部分反应生成的水从阴极向阳极输运，对于燃料电池的安全运行十分有益。尤其急需能够通过合理的结构设计，自动起到上述作用。
【发明内容】
本发明的目的在于针对现有流场存在的不足，提供一种质子交换膜燃料电池阴极直交错—阳极平行流组合流道，使气体工质反应更加充分，提高工质的利用率。
本发明设计的质子交换膜燃料电池阴极直交错—阳极平行流组合流道，电池阴极采用直交错型流道，便于排出电化学反应产生的液态水；阳极采用平行流道，便于气体输送，还能减少阳极流道内部的气体流动阻力。阴极直交错流道在电池上方，阳极平行流道在电池的下方，其中阴极进气流道为平行流道，且末端堵死，阴极排气流道为水平直流道，布置在阴极电池的最下端，阳极气体入口与阳极气体出口之间为平行的阳极气体流道。
燃料电池阴极采用直交错结构，流道加工比交指型容易。本发明与采用交指型流道的原理类似，两者都属于强迫流动，当气体工质流动到气道的末端后，由于气道受阻，则通过与气道接触的气体扩散层内部微孔进入排气流道。
本发明的阴极直交错流道与交指型流道类似但不相同，下面从流场方面说明一下它优于交指型的地方。交指型流场中，进气流道和排气流道相互交叉平行排列，进气流道只有实际电池面积的一半，因此实际反应面积并不大。而在本发明的新型流场中，只有进气流道平行排列，排气流道设计在末端。这样，进气流道占据了整个电池面积，实际反应面积就大大增大了。而且如果交指型流场和新型流场进气流量相同的情况下，由于本发明新型流场的进气流道比交指型流场的多一倍，则进气速度比交指型流场的小，因此气体在流道内的停留时间比交指型流场的长，反应更加充分，工质利用率更高。
另外，由于进气流道末端被堵死，反应气体被强迫进入到气体扩散层内部参加反应，反应速率得到提高，而且强迫对流进入的气体可以将扩散层中生成并聚集的液态水带出，减少阴极淹没程度，因此其工作性能优于平行流道。
同时，采用质子交换膜燃料电池直交错—平行流组合流道，由于阴极采用强迫流动，气体流动阻力大，造成流道内压力增加，而阳极的流动阻力小，压力相对阴极小，阴阳气体压差的存在，便于水从阴极向阳极扩散，有益于质子交换膜的增湿。
【附图说明】
图1为本发明的质子交换膜燃料电池阴极直交错流道的结构示意图。
图1中，1为燃料电池阴极气体入口，2为燃料电池阴极板外边框，3为燃料电池阴极进气流道，4为燃料电池阴极直排气流道，5为燃料电池阴极气体出口。
图2为本发明的质子交换膜燃料电池阳极平行流道的结构示意图。
图2中，6为燃料电池阳极气体入口，7为燃料电池阳极板外边框，8为燃料电池阳极气体流道，9为燃料电池阳极气体出口。
图3为本发明的质子交换膜燃料电池直交错—平行流组合流道的结构示意图。
图3中，10为燃料电池阴极直交错流道，11为燃料电池阳极平行流道，12为阴极气体扩散层，13为阴极催化层，14为质子交换膜，15为阳极催化层，16为阳极气体扩散层。
【具体实施方式】
为更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图作进一步描述。
本发明提供的质子交换膜燃料电池阴极直交错—阳极平行流组合流道结构如图3所示。所谓的组合流道就是根据燃料电池阴阳极的工作特点，选取不同形态的流道。本发明的组合流道中，电池阴极采用直交错流道10，阳极采用平行流道11，阴极直交错流道10在电池上方，阳极平行流道11在电池的下方，从上至下为阴极气体扩散层12、阴极催化层13、质子交换膜14、阳极催化层15以及阳极气体扩散层16。
本发明的电池阴极采用直交错集气流道，结构如图1所示。阴极直交错流道10分为阴极进气流道3和阴极排气流道4两部分，其中阴极进气流道3为平行流道，且末端堵死，阴极排气流道4为水平直流道，布置在阴极电池的最下端。由于阴极进气流道3的末端堵死，使得从阴极气体入口1进入的反应工质，流到阴极进气流道3的末端时，将所携带的电化学反应生成的液态水，由阴极气体扩散层12渗透到阴极催化层13、质子交换膜14、阳极催化层15，然后经过阳极气体扩散层16内部的微孔输送到阴极排气流道4，经过阴极排气流道4汇集，最后从阴极气体出口5排出。
本发明的阳极采用平行流道，结构如图2所示。阳极气体入口6与阳极气体出口9之间为平行的阳极气体流道8。采用平行流道便于气体输送，还能减少阳极流道内部的气体流动阻力。
本发明的质子交换膜燃料电池阴极直交错—阳极平行流组合流道，阴极直交错流道10在电池上方，阳极平行流道11在电池的下方。由于阴极采用强迫流动，气体流动阻力大，造成流道内压力增加，而阳极的流动阻力小，压力相对阴较小。工作时，阴阳极工质之间存在一定的压力差，气体压差的存在，增加了电化学反应产物水从阴极向阳极扩散，起到了自动对质子交换膜进行增湿的作用。