專利名稱：燃料電池極板及使用該極板的燃料電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池極板，特別是一種質子交換膜燃料電池的極板 及使用該極板的燃料電池。
背景技術：
近年來，燃料電池技術有了許多重大突破，其中質子交換膜燃料電池
(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)受到相當大的關注，世界各國 政府以及企業界無不投入相當大的研發能量。
質子交換膜燃料電池除了具有無污染，能量轉換效率高等一般燃料電池 的優點外，更具備接近常溫操作以及激活迅速的特性，特別適合運輸動力， 可攜式電力以及家用發電。
構成質子交換膜燃料電池的關鍵組件包括電極(electrode),質子交換膜 (electrolyte membrane)與極板(polar plate)等。在采用氫氣為燃料，空氣為氧化 劑(或純氧為氧化劑)的質子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區的催化劑作 用下發生電化學反應產生質子。質子交換膜幫助質子從陽極區遷移到陰極區。 在陰極區，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成氧負離子，并與陽極區遷移 過來的質子反應，生成產物水。陽極反應與陰極反應可以用以下方程式表達
陽才及反應H2 —2H++2e
陰極反應1 /202 + 2H+ +2e ^ H20
在反應過程中，燃料電池中的質子交換膜需要有水份存在以保持一定的 濕度，使得質子可以自由地穿過質子交換膜，從電極的陽極區到達陰極區參 加電化學反應。否則當大量干燥的空氣或燃料氫氣向燃料電池供應并離開燃 料電池時，容易將質子交換膜中的水份帶走，這樣質子交換膜就會處于一種 干燥失水狀態，質子無法自由地穿過質子交換膜，從而導致電極內阻急劇增 加，電池性能急劇下降。所以向燃料電池供應的空氣或燃料氫氣一般來說需 要經過增濕，即提高進入燃料電池的氣體的濕度，以避免質子交換膜失水。
因此，適當的水管理對于質子交換膜燃料電池的性能具有關4建性的影響。 在現有技術中， 一般通過在燃料電池外設置一增濕裝置對進入燃料電池的氣體預先進行增濕。然而該單獨設置的增濕裝置不僅會增加燃料電池的制造成 本，而且會增加燃料電池所占據的體積。

發明內容
有鑒于此，有必要提供一種具有增濕功能并且結構簡單的燃料電池極板 及使用該極板的燃料電池。
一種燃料電池極板，該極板的其中一表面上設有流道，所述流道包括至 少一組進氣流道及至少一組出氣流道，所述進氣流道與出氣流道中部分流道 通過增濕膜間隔相鄰設置，所述增濕膜具有隔氣透水性，將出氣流道中的水 分透過所述增濕膜傳遞至進氣流道中。
一種燃料電池，包括至少一極板及與所述極板相鄰的氣體擴散層，該極 板于鄰接氣體擴散層的表面上設有流道，所述流道包括至少一組進氣流道及 至少一組出氣流道，所述進氣流道與出氣流道之間設有呈蛇形彎折的隔板及 與隔板相連接的增濕膜，所述增濕膜具有隔氣透水性，將出氣流道中的水分 傳遞至進氣流道中。
與現有技術相比，該燃料電池通過所述隔板及增濕膜的設置，迫使極板 上的氣流以強制對流方式進入與隔板相鄰的氣體擴散層，該強制對流效應產
氣流道中的氣流具有較高濕度。通過所述增濕膜的設置，可有效增加進入極 板的氣流的濕度，提高該燃料電池的工作性能。由于不需單獨在燃料電池外 設置增濕裝置，該極板還具有結構簡單的優點。


下面參照附圖結合實施例作進一步的描述
圖l為本發明燃料電池其中一實施例的結構示意圖。
圖2為圖l所示燃料電池中極板的立體圖。
圖3為圖1所示燃料電池中極板的俯視圖。
圖4為本發明燃料電池中極板第二實施例的俯視圖。
具體實施例方式
圖1所示為本發明燃料電池其中一實施例的結構示意圖。該燃料電池100 包括一下極板10、 一膜電4及組20及一上極板30，該膜電才及組20夾i殳于該下極板10與該上極板30之間。該膜電極組20包括一質子交換膜21、兩催化劑 層22、 23及兩氣體擴散層24、 25，該兩催化劑層22、 23分別夾設于該質子 交換膜21與該兩氣體擴散層24、 25之間。該上極板30與該下極板10在燃 料電池100中主要起導氣、導電和導水的作用。該兩氣體擴散層24、 25由多 孔性材料制成。由上極板30和下極板IO進入的氣體(如氫氣或者空氣)通過擴 散作用進入該兩氣體擴散層24、 25及該兩催化劑層22、 23，分別參與該燃料 電池100的電化學反應。該下極板IO及上極板30可由導電金屬制成，例如 銅金屬；亦可由導電非金屬制成，例如石墨。
請參照圖1至圖3，該下極板IO為一長方體板狀結構，其上設有兩組進 氣流道12、 14及一組出氣流道16。該出氣流道16位于該下才及板10的中央， 該兩進氣流道12、 14分別位于該出氣流道16的兩側并分別被該出氣流道16 包圍(如圖2所示)。這些進氣流道12、 14分別具有一進氣口 121、 141。該出 氣流道16具有兩出氣口 161、 162。該進氣口 121與該出氣口 161相鄰，該進 氣口 141與該出氣口 162相鄰(如圖3所示)。
該兩進氣流道12、 14與該出氣流道16之間分別設有一 隔板11及一增濕 膜13,使得該進氣流道12與出氣流道16以及該進氣流道14與出氣流道16 中的部分流道通過該增濕膜13間隔相鄰設置。該增濕膜13為一隔氣透水膜， 其由與質子交換膜21相同的全氟磺酸型質子交換膜制成。該增濕膜13利用 其隔氣透水性，以薄膜兩側水分子的濃度差作為驅動力進行水份傳遞。該增 濕膜13的兩側分別貼附有吸水棉絮(圖未示)，以利用吸水棉絮的毛細作用增 強水份傳遞。該兩隔板11均為蛇形彎折結構(如圖2及圖3所示)。該兩增濕 膜13均為L型彎折結構，其高度與隔板ll的高度相同。每一增濕膜13分別 與一隔板ll相連接，這些增濕膜13及隔板11將進氣流道12、 14與出氣流 道16分隔開來。同時這些增濕膜13還分別分隔該進氣口 121與出氣口 161， 進氣口 141與出氣口 162。每一隔板11在各個彎折處形成一擋止部112，該 擋止部112為平板狀結構。該兩進氣流道12、 14的進氣口 121、 141位于該 下核il IO的同一側。
圖1所示燃料電池IOO僅為單體結構，為獲得足夠的發電功率，可以將 多個電池單體串聯起來，以形成電池組。其中，相鄰的兩個電池單體可以共 享一個極板。因此，該下極板IO相對的另一表面上也可設有與上述進氣流道 12、 14及出氣流道16結構相同的流道，,人而構成一雙才及一反。
請參照圖l及圖3,使用時，對下極板10而言，氣流40分別通過進氣口121、 141進入該下極板IO的進氣流道12、 14。當氣流40在上游時，其主要 通過擴散效應而進入氣體擴散層25參與燃料電池100內的電化學反應。當氣 流40流至擋止部112處時，其纟皮擋止部112所阻隔，該擋止部112迫使氣流 40以強制對流方式進入氣體擴散層25。進入氣體擴散層25的氣流40會尋求 最短路徑越過隔板11進入出氣流道16中，于是就產生一強制對流效應。該 強制對流效應可使更多的氣流40進入氣體擴散層25,增加電化學反應的速 度，提高該燃料電池100的發電效率。同時，該強制對流效應可產生強大的 剪應力以帶走氣體擴散層25中電化學反應產生的過多的水份，即出氣流道16 中的氣流40具有較高的濕度。在氣流40沿著出氣流道16排出的過程中，氣 流40中的部分水份因冷卻而凝結在增濕膜13的吸水棉絮上，并通過擴散方 式穿過該增濕膜13而到達進氣流道12、 14一側。而增濕膜13位于進氣流道 12、 14一側的吸水棉絮通過與氣流40的接觸而提高進氣流道12、 14中氣流 40的濕度，從而達成該燃料電池100的自增濕效果。
請參照圖4,其所示為本發明燃料電池極板第二實施例的示意圖，其與 第一實施例的不同之處在于，該增濕膜13a為直板結構。由于氣流40上游的 濕度較低，而下游經過強制對流效應后濕度較高，故將增濕膜13a設置為直 板狀，僅對上游的氣流40進行增濕，從而有效平衡整體的濕度。
綜上所述，通過這些隔板ll的設置，對行進中的氣流40產生阻擋作用， 使得氣流40在進氣流道12、 14與出氣流道16之間以強制對流方式進入氣體 擴散層25,產生強制對流效應。該強制對流效應可產生強大的剪應力以帶走 氣體擴散層25中電化學反應產生的過多的水份，使得出氣流道16中的氣流 40具有較高濕度。通過這些增濕膜13、 13a的設置，可將出氣流道16中的氣 流40的水份有效傳遞至進氣流道12、 14中，增加進入氣流的濕度，達成該 燃料電池100的自增濕效果。由于不需額外的增濕裝置，該極板還具有結構 簡單的優點。
通過該兩進氣流道12、 14及該出氣流道16的設計，相對傳統單進氣流 道的設計而言，有效縮短進氣氣流40的流動路徑，減少附面層的屏蔽作用， 利用該兩進氣流道12、 14產生的雙重強制對流效果增加出氣流道16中的氣 流40的濕度，并通過內置的增濕膜13、 13a將水份回收，從而使該燃料電池 100具有良好的增濕效果。
權利要求
1. 一種燃料電池極板，該極板的其中一表面上設有流道，其特征在于， 所述流道包括至少一組進氣流道及至少一組出氣流道，所述進氣流道與出氣 流道中部分流道通過增濕膜間隔相鄰設置，所述增濕膜具有隔氣透水性，將 出氣流道中的水分透過所述增濕膜傳遞至進氣流道中。
2. 根據權利要求1所述的燃料電池極板，其特征在于，所述進氣流道與出氣流道之間設有隔板，所述隔板與所述增濕膜相連接并將進氣流道與出氣 流道分隔開來，所述隔板呈蛇形彎折結構。
3. 根據權利要求2所述的燃料電池極板，其特征在于，所述增濕膜呈L 形彎折結構。
4. 根據權利要求2所述的燃料電池極板，其特征在于，所述增濕膜呈直 板結構。
5. 根據權利要求1所述的燃料電池極板，其特征在于，所述流道包括兩 組進氣流道及一組出氣流道，該兩組進氣流道分別位于該出氣流道兩側且與 出氣流道相互分隔。
6. 根據權利要求1所述的燃料電池極板，其特征在于，所述每一組進氣 流道均具有進氣口，所述出氣流道對應每一進氣口設有出氣口，所述進氣口 與所述出氣口相鄰且被該增濕膜分隔。
7. 根據權利要求l所述的燃料電池極板，其特征在于，所述增濕膜兩側 貼設有吸水棉絮。
8. 根據權利要求1所述的燃料電池極板，其特征在于，該極板相對另一 表面上也設有相同構造的上述流道，從而構成雙極板。
9. 一種燃料電池，包括至少一極板及與所述極板相鄰的氣體擴散層，該 極板于鄰接氣體擴散層的表面上設有流道，其特征在于，所述流道包括至少 一組進氣流道及至少一組出氣流道，所述進氣流道與出氣流道之間設有呈蛇 形彎折的隔板及與隔板相連接的增濕膜，所述增濕膜具有隔氣透水性，將出 氣流道中的水分傳遞至進氣流道中。
10. 根據權利要求9所述的燃料電池，其特征在于，所述增濕膜兩側貼設 有吸水棉絮。
11. 根據權利要求9所述的燃料電池，其特征在于，所述流道包括兩組進 氣流道"、一組出氣流道，該兩組進氣流道分別4立于該出氣流道兩側。
12.根據權利要求9所述的燃料電池，其特征在于，所述每一組進氣流道 均具有進氣口，所述出氣流道對應每一進氣口設有出氣口，所述進氣口與所 述出氣口相鄰且^L該增濕膜分隔。
全文摘要
一種燃料電池極板及使用該極板的燃料電池，該燃料電池極板的其中一表面上設有流道，所述流道包括至少一組進氣流道及至少一組出氣流道，所述進氣流道與出氣流道中部分流道通過增濕膜間隔相鄰設置，所述增濕膜具有隔氣透水性，將出氣流道中的水分透過所述增濕膜傳遞至進氣流道中。通過所述增濕膜的設置，可利用增濕膜的隔氣透水性對進入極板的氣體進行增濕。
文檔編號H01M8/10GK101312247SQ200710074590
公開日2008年11月26日 申請日期2007年5月25日 優先權日2007年5月25日
發明者陳名恩 申請人:富準精密工業(深圳)有限公司;鴻準精密工業股份有限公司