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3牛電池。
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 (electrolytemembrane)與極板(polarplate)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并釋放出電子。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，生成產物水并釋放出熱量。與此同時，電 子在外電路的連接下形成電流，通過適當連接可以向負載輸出電能。陽極反 應與陰才及反應可以用以下方程式表達
陽極反應H2^2H+ + 2e
陰極反應l/202 + 2H+ +2e1120+熱量
由以上的反應式可以看出，質子交換膜燃料電池直接將氫氣的化學能經 與氧氣電化學反應轉化為電能、熱能和反應產物水。因此，有效管理質子交 換膜燃料電池運行時產生的水和熱，對提高質子交換膜燃料電池的性能起著 至關重要的作用。特別地，質子交換膜燃料電池中一般約有40%~50%的能量 耗散為熱能，從而使質子交換膜燃料電池的溫度升高。如果不能將質子交換
膜燃料電池運行時產生的熱量及時散發，將導致質子交換膜缺水、干燥，這
將嚴重降低質子交換膜的質子傳遞能力和質子交換膜燃料電池的整體效能。 因此有關質子交換膜燃料電池的散熱是目前業界亟需克服的難題。

發明內容
有鑒于此，有必要提供一種具有散熱功能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，該極板的一表面上設有流道。其中，該極板內設有 若干槽道，這些槽道從該極板的一側延伸至該極板的另 一側且未與極板上的
流道相通o
一種燃料電池，括一下極板、 一上極板、 一中4及板和二膜電極組，這兩
中，該中極板的相對兩表面上分別設有流道，該中極板內還設有若干槽道， 這些槽道從該中極板的 一側延伸至該中極板的另 一側且未與該中極板上的流 道相通。
與現有技術相比，本發明在極板上設置槽道，可令冷卻氣體、液體流經 該極板進而將燃料電池產生的熱量及時散發，以確保整個燃料電池工作于正 常的溫度范圍內，從而可確保整個燃料電池正常、穩定地工作。
下面參照附圖，結合具體實施例對本發明作進一步的描述。


圖1為本發明燃料電池一實施例的結構示意圖。
圖2為圖1所示燃料電池中的一下極板的立體圖。 圖3為圖2中下招il的俯^L圖。 圖4為圖1所示燃料電池中的一中極板的立體圖。 圖5是沿圖4中的中極板的中部截開的剖面圖。
圖6是為本發明燃料電池另一實施例中的中極板的剖面圖以及一分流結 構和一匯流結構。
具體實施例方式
圖1所示為本發明燃料電池一實施例的結構示意圖。該燃料電池100包 括一下極板IO、 一上極板30、 一中極板90和二膜電極組20，這兩個膜電極 組20位于該中極板90的相對兩側并夾設于該下極板10與該上極板30之間。 換言之，該燃料電池IOO是由該下極板10、 一個膜電極組20、該中極板90、 另 一個膜電才及組20及該上極^反30自下向上依次疊加而成。
每一膜電極組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。該兩氣體擴散層24、 25由多孔性材料制成。
該上極板30、該中極板90和該下極板10在燃料電池100中主要起導氣、 導電和導水的作用。由上極板30、中極板90和下極板IO進入的氣體(如氫氣 或者空氣)通過擴散作用進入相應地氣體擴散層24、 25及催化劑層22、 23, 分別參與該燃料電池100的電化學反應。該上極板30、該中極板90和該下 極板10可由導電金屬制成，例如銅；亦可由導電非金屬制成，例如石墨。特 別地，該上極板30和該下極板10的結構相同，以下以該下極板10為例進行 說明。
請參照圖2和圖3，該下極板10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位于該下極板10的中央， 該兩進氣流道12、 14分別位于該出氣流道16的兩側并分別凈皮該出氣流道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7jcf分傳遞。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11的高度相同。每一增濕膜13分別 與一隔板11的頂部末端相連接，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以及該進氣口 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 10的同一側。
請參照圖4，該中極板90為一長方體板狀結構，在其相對的頂部和底部 上分別設有與上述進氣流道12、 14及出氣流道16結構相同的流道，從而構 成一雙極板。換言之，該中極板90的頂部和底部的流道結構與該下極板10 的流道結構相同。如此設計，使得該中極板90的頂部、該上極板30和位于 該上極板30與該中極板90頂部之間的膜電極組20共同組成一個電池單元； 同時，該中極板90的底部、該下極板10和位于該下極板10與該中極板90 底部之間的膜電極組20共同組成另一個電池單元。
此外，在該中極板90的中部設有若干槽道92，這些槽道92從該中極板 90的一側延伸至中極板90的另一側且未與該中相il 90上的流道相通，從而 可以令冷卻氣流或液體等沿著這些槽道92流過該中才及板90，將該燃料電池 IOO運行中產生的熱量及時散發，降低燃料電池100的溫度，確保整個燃料 電池100的正常運行。
在燃料電池100運行過程中，上極板30上的流道用以提供燃料如氫氣， 或氧化劑如空氣、純氧等，而中極板90頂部上的流道則相應地提供氧化劑或 燃料。相似地，中極板90底部的流道用以提供氧化劑或燃料，該下極板IO 上的流道則相應地提供燃料或氧化劑。氣體在上極板30、中極板90和下極 板IO上的流道內的運行方式相似，以下以下極板10為例，對氣體在下極板 10內的流動過程進行說明。
請參照圖1及圖3，使用時，氣流40分別通過進氣口 121、 141進入該 下招_板10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#1擋止部112所阻隔，該擋止部112迫^f吏氣流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。
與此同時，該燃料電池100也將產生熱量，這些熱量被流經中極板90上 的槽道92的冷卻氣體或液體吸收，并攜帶至燃料電池100外部，以確保燃料 電池100在正常的溫度范圍內運行。
特別地，如圖5所示，當利用冷卻氣體對燃料電池100進行散熱時，可 令中極板90a上的槽道92a曾交叉狀排布。此時，這些槽道92a沿著該中極 板90a的橫向和縱向貫穿該中極板90a;換言之，這些槽道92a自該中極板 90a中部的四周的外側向內延伸并相互交叉，使得外部冷卻氣體可以從該中極 板90a的四周流入、流出該中極板90，從而增強冷卻氣體和該中極板90a之 間的熱交換作用。
如圖6所示，當利用冷卻液體對燃料電池100進行散熱時，可令該中極 板90b上的槽道92b自該中極板90b的一側延伸至該中極板90的相對另 一側。 換言之，這些槽道92b自該中極板90b中部的相對兩外側向內延伸并相互交
進口94b和出口96b。此時，冷卻液體可從該中極板90b—側的進口 94b流 入該中極板90b ，再從該中極板90b另 一側的出口 96b流出。
為便于冷卻液體流入、流出該中極板90b,可在該中極板90b兩側設置 一分流結構98b和一匯流結構99b。該分流結構98b具有一進液口 982b和與 該進液口 982b連通的若干分流出液口 984b。該匯流結構99b具有一出液口 992b和與該出液口 992b連通的若干匯流入口 994b。該中極板90b —側的進 口 94b分別與分流結構98b的分流出液口 984b連通；而該中極板90b另一側 的出口 96b與匯流結構99b的匯流入口 994b連通。換言之，分流結構98b的 分流出液口 984b和對應的匯流結構99b的匯流入口 994b通過該中極板90b 上的槽道92b連通。使用時，冷卻液體沿進液口 982b流入分流結構98b并在 分流出液口 984b處分為十個支流。然后，這十個支流沿該中極板90b上的槽 道92b向匯流結構99b的匯流入口 994b流動，并在匯流結構99b內匯流重新 形成一股液體。之后，液體經匯流出液口 992b流出該中極板90b。這樣，冷 卻液體即可沿著中極板90b上的槽道92b流動從而將燃料電池的熱量轉移到 燃料電池的外部。
綜上所述，該燃料電池IOO可有效管理燃料電池IOO運行時產生的水份 和熱量，有效地提高了燃料電池100的性能。針對燃料電池100的水份，利 用進氣流道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將水份回收，增加進入氣流的濕度，達成該燃 料電池100的自增濕效果，從而使該燃料電池100具有良好的增濕效果。
針對燃料電池IOO產生的熱量，通過在中極板90、 90a、 90b上設置槽道 92、 92a、 92b，可令冷卻氣體、液體等流過該中極板90、 90a、 90b,將燃料 電池100產生的熱量散發到外部環境中，降低燃料電池100的溫度。
在上述實施例中，只有在中極板90、 90a、 90b上設有槽道92、 92a、 92b; 此外，根據實際狀況，也可以在上極板30、下極板10上設置槽道，以增強 燃料電池的散熱性能，提升燃料電池的效能。
權利要求
1. 一種燃料電池極板，該極板的一表面上設有流道，其特征在于該極板內設有若干槽道，這些槽道從該極板的一側延伸至該極板的另一側且未與極板上的流道相通。
2. 如權利要求1所述的燃料電池極板，其特征在于這些槽道自該極板 的四周的外側向內延伸。
3. 如權利要求2所述的燃料電池極板，其特征在于這些槽道相互交叉。
4. 如權利要求1所述的燃料電池極板，其特征在于這些槽道自該極板 的兩外側向內延伸并相互交叉。
5. 如權利要求1所述的燃料電池極板，其特征在于還包括一分流結構 和一匯流結構；該分流結構具有一進液口和與該進液口連通的若干分流出液 口 ；該匯流結構上具有一出液口和與該出液口連通的若干匯流入口 ；這些槽 道分別設有進口和出口，這些分流出液口分別與該極板的進口連接，這些匯 流入口分別與該極板的出口連接。
6. 如權利要求1至5中任何一項所述的燃料電池極板，其特征在于該 極板的相對的二表面上均設有流道，這些槽道位于這些流道之間。
7. 如權利要求1至5中任何一項所述的燃料電池極板，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，該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，該增濕膜具有隔氣透 水性，將出氣流道中的水分傳遞至進氣流道中。
8. —種燃料電池，括一下極板、 一上核il、 一中極板和二膜電極組，這 兩個膜電極組位于該中極板的相對兩側并夾i殳于該下極板與該上極板之間， 其特征在于該中極板的相對兩表面上分別設有流道，該中極板內還設有若 干槽道，這些槽道從該中極板的一側延伸至該中才及板的另 一側且未與該中極 4反上的流道相通。
9. 如權利要求8所述的燃料電池，其特征在于這些槽道自該中極板的 四周的外側向內延伸。
10. 如權利要求8所述的燃料電池，其特征在于這些槽道自該中極板 的兩外側向內延伸并相互交叉。
11. 如權利要求8所述的燃料電池，其特征在于還包括一分流結構和 一匯流結構；該分流結構具有一進液口和與該進液口連通的若干分流出液口 ； 該匯流結構具有一出液口和與該出液口連通的若干匯流入口；這些槽道分別 設有進口和出口，這些分流出液口分別與該中極板的進口連接，這些匯流入 口分別與該中極板的出口連接。
12.如權利要求8所述的燃料電池，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，該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，該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。
全文摘要
一種燃料電池極板，該極板的一表面上設有流道。其中，該極板內設有若干槽道，這些槽道從該極板的一側延伸至該極板的另一側且未與極板上的流道相通。一種燃料電池，括一下極板、一上極板、一中極板和二膜電極組，這兩個膜電極組位于該中極板的相對兩側并夾設于該下極板與該上極板之間。其中，該中極板的相對兩表面上分別設有流道，該中極板內還設有若干槽道，這些槽道從該中極板的一側延伸至該中極板的另一側且未與該中極板上的流道相通。由于在極板上設置槽道，可令冷卻氣體、液體流經該極板進而將燃料電池產生的熱量及時散發，以確保整個燃料電池工作于正常的溫度范圍內。
文檔編號H01M8/10GK101388465SQ20071007699
公開日2009年3月18日 申請日期2007年9月14日 優先權日2007年9月14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