本實(shí)用新型涉及氫燃料電池領(lǐng)域，特別是涉及到一種氫燃料電池雙極板結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

燃料電池(Fuel Cell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，產(chǎn)生電流。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個(gè)蓄電池，但實(shí)質(zhì)上不能“儲(chǔ)電”而是一個(gè)“發(fā)電廠”，需要電極和電解質(zhì)以及氧化還原反應(yīng)才能發(fā)電。燃料電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機(jī)器。電池工作時(shí)，燃料和氧化劑由外部供給，進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷產(chǎn)生，燃料電池連續(xù)地發(fā)電。以氫-氧燃料電池為例：

氫-氧燃料電池反應(yīng)原理這個(gè)反應(yīng)是電解水的逆過(guò)程，電極為：

燃料極：H₂＝＝2H⁺+2e^- (1)

空氣極：2H⁺+1/2O₂+2e^-＝＝H₂O (2)

全體：H₂+1/2O₂＝＝H₂O (3)

燃料電池的優(yōu)勢(shì)在于，目前的科技手段中，尚沒(méi)有一項(xiàng)能源生成技術(shù)能如燃料電池一樣將諸多優(yōu)點(diǎn)集合于一身。它只排放水，完全沒(méi)有污染，可以廣泛應(yīng)用于固定式電站和移動(dòng)式發(fā)電裝置，如海陸空等交通、運(yùn)輸行業(yè)，特別是汽車(chē)，非常能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，受到各國(guó)政府的重視、支持。

但是，燃料電池產(chǎn)業(yè)化導(dǎo)入階段中，轉(zhuǎn)化效率尚待進(jìn)一步提高，使用壽命延長(zhǎng)、降低成本等成為諸多迫切急需解決的問(wèn)題。燃料電池的研發(fā)、生產(chǎn)集聚多學(xué)科、多領(lǐng)域的尖端技術(shù)，任何在轉(zhuǎn)化效率、使用壽命和降低成本方面的改進(jìn)，都具有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是要提供一種能夠提高性能、延長(zhǎng)使用壽命的氫燃料電池雙極板結(jié)構(gòu)。

本實(shí)用新型的目的是由如下方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：

一種氫燃料電池雙極板結(jié)構(gòu)，由氫氣單極板、氧氣單極板和位于兩極板之間的膜電極構(gòu)成電池單元，

所述電池單元的氫氣單極板與膜電極的一側(cè)形成氫氣腔，所述氫氣腔的兩端分別是氫氣入口和氫氣出口，氧氣單極板與膜電極的另一側(cè)形成空氣腔，所述空氣腔的兩端分別是空氣入口和空氣出口；

所述氫氣入口的截面積大于氫氣出口的截面積，所述空氣入口的截面積大于或等于空氣出口的截面積，

所述氫氣入口的氫氣導(dǎo)入量大于其反應(yīng)當(dāng)量。

進(jìn)一步的，所述氫氣出口的截面積不小于氫氣入口的截面積的1/4。

進(jìn)一步的，所述空氣出、入口和氫氣出、入口的截面積的改變采用改變出入口寬度的方式。

采用本實(shí)用新型所述結(jié)構(gòu)的氫燃料電池，其氫氣入口的截面積大于氫氣出口的截面積，空氣入口的截面積大于空氣出口的截面積，同時(shí)增加氫氣的導(dǎo)入量，使其導(dǎo)入量大于其反應(yīng)當(dāng)量，反應(yīng)剩余的氫氣會(huì)通過(guò)氫氣出口循環(huán)使用，減小氫燃料電池氣體進(jìn)出口的壓差，增加氫氣腔內(nèi)氣體濃度的均勻性，增加氫燃料電池的性能，延長(zhǎng)膜電極的壽命。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于：

1.充分利用了膜電極催化劑，提高了氫燃料電池的發(fā)電效率。

2.平衡了氫氣出口處附近的膜電極受到的兩側(cè)壓力，提高了膜電極的使用壽命、進(jìn)而提高了氫燃料電池的使用壽命，也即降低了氫燃料電池的成本。

附圖說(shuō)明

圖1為氫燃料電池雙極板的部分截面示意圖；

圖2為現(xiàn)有技術(shù)雙極板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實(shí)用新型雙極板的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為現(xiàn)有技術(shù)的氫燃料電池的反應(yīng)公式。

圖5為本實(shí)用新型所述的氫燃料電池的反應(yīng)公式。

圖6為本實(shí)用新型所述的電池單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本實(shí)用新型所述的實(shí)施例1的壓力梯度示意圖。

圖8為本實(shí)用新型所述的實(shí)施例2的壓力梯度示意圖。

圖9為本實(shí)用新型一種實(shí)施方式的氫氣入口和氫氣出口的示意圖。

圖10為本實(shí)用新型一種實(shí)施方式的空氣入口和空氣出口的示意圖。

圖中：a1是氫氣入口、a2氫氣出口、a3是空氣入口、a4是空氣出口、c1是氫氣單極板、c2是膜電極、c3是氧氣單極板、b1是氫氣入口、b2是氫氣出口，b3是空氣入口、b4是空氣出口、d1是氫氣腔、d2是空氣腔。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)。

參見(jiàn)圖2，傳統(tǒng)的氫燃料電池本體主要由氫氣單極板c1、氧氣單極板c3和膜電極c2組成，氫氣和空氣分別從氫氣單極板的氫氣入口a1和氧氣單極板的空氣入口a3流入，且分別流經(jīng)膜電極的兩側(cè)，在膜電極催化劑的作用下，氫氣分子失去電子，被氧化為氫氣質(zhì)子，并穿過(guò)質(zhì)子膜與空氣中的氧分子進(jìn)行反應(yīng)，生成對(duì)應(yīng)的氧化物。在上述反應(yīng)過(guò)程中，氧氣單極板和氫氣單極板之間產(chǎn)生電壓，負(fù)載與電池形成閉環(huán)后產(chǎn)生電流。

出于成本方面的考量，傳統(tǒng)氫燃料電池使用時(shí)都會(huì)導(dǎo)入足量或過(guò)量的空氣，根據(jù)空氣中含有的氧氣與氫氣的反應(yīng)當(dāng)量，在該種情況下氫氣在氫氣出口a2處附近接近全部消耗，氫氣單極板c1一側(cè)給予膜電極的壓力會(huì)降低，因此此處膜電極受到的氧氣單極板c3一側(cè)的壓力和受到的氫氣單極板c1一側(cè)的壓力差值會(huì)增大，膜電極會(huì)被逐漸壓向氫氣單極板一側(cè)，從而影響該處的膜電極催化劑的催化作用，并影響氫燃料電池發(fā)電。

參見(jiàn)圖1、圖3和圖6，本實(shí)用新型所述的一種氫燃料電池雙極板氣體出入口的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，由氫氣單極板、氧氣單極板和位于兩極板之間的膜電極構(gòu)成電池單元，

所述電池單元的氫氣單極板與膜電極的一側(cè)形成氫氣腔d1，所述氫氣腔的兩端分別是氫氣入口和氫氣出口，氧氣單極板與膜電極的另一側(cè)形成空氣腔d2，所述空氣腔的兩端分別是空氣入口和空氣出口；

由如圖4所示的氫燃料電池的反應(yīng)公式可知，在完全反應(yīng)的情況下，空氣含有的氧氣會(huì)在空氣出口b4處附近接近完全消耗，空氣的體積約為原有的80％(假設(shè)此處導(dǎo)入的空氣中氧氣的占比為20％)。由以上可知，空氣出口b1的寬度和截面積在變?yōu)樵鹊?/5的情況下，即可滿足需求。

實(shí)施例1

本實(shí)用新型通過(guò)將原先空氣出口a4的截面積減小，并將減小的這部分截面積增加到原先氫氣入口a1處，在沒(méi)有改變氫氣單極板c1和氧氣單極板c3總體尺寸的前提下，得到了具有新的截面積的空氣出口b4和氫氣入口b1。在本實(shí)施例中，通過(guò)改變空氣出口a4和氫氣入口a1的寬度實(shí)現(xiàn)改變截面積。

此時(shí)，所述氫氣入口b1的截面積大于氫氣出口b2的截面積，所述空氣入口b3的截面積大于空氣出口b4的截面積。

由于氫氣入口b1的截面積增大，單位時(shí)間內(nèi)氫氣的流入量也增大，同時(shí)通過(guò)增大氫氣泵的功率，使得氫氣的導(dǎo)入量大于其反應(yīng)當(dāng)量，將原先氫燃料電池的過(guò)氧反應(yīng)改變?yōu)檫^(guò)氫反應(yīng)。

參見(jiàn)圖5，在過(guò)氫反應(yīng)的條件下，氫氣出口b2處則會(huì)有較多的剩余，并通過(guò)氫氣出口排出。此處膜電極受到的氧氣單極板c3側(cè)壓力和受到的氫氣單極板c1側(cè)壓力的差值較小，從而有效的減輕了膜電極的偏移現(xiàn)象，提高了膜電極催化劑的利用率，充分發(fā)揮了氫燃料電池的發(fā)電能力。

實(shí)施例2

本實(shí)用新型在保持原先空氣出口a4截面積不變的前提下，僅通過(guò)增加氫氣入口b1的寬度來(lái)增加其截面積。

此時(shí)，此時(shí)，所述氫氣入口b1的截面積大于氫氣出口b2的截面積，所述空氣入口b3的截面積等于空氣出口b4的截面積。

由于氫氣入口b1的截面積增大，單位時(shí)間內(nèi)氫氣的流入量也增大，同時(shí)通過(guò)增大氫氣泵的功率，使得氫氣的導(dǎo)入量大于其反應(yīng)當(dāng)量，將原先氫燃料電池的過(guò)氧反應(yīng)改變?yōu)檫^(guò)氫反應(yīng)。

參見(jiàn)圖5，在過(guò)氫反應(yīng)的條件下，氫氣出口b2處則會(huì)有較多的剩余，并通過(guò)氫氣出口排出。此處膜電極受到的氧氣單極板c3側(cè)壓力和受到的氫氣單極板c1側(cè)壓力的差值較小，從而有效的減輕了膜電極的偏移現(xiàn)象，提高了膜電極催化劑的利用率，充分發(fā)揮了氫燃料電池的發(fā)電能力。

參見(jiàn)圖7和圖8，采用實(shí)施例1和實(shí)施例2方案的氫燃料電池，與傳統(tǒng)氫燃料電池相比，其膜電極兩側(cè)受到的壓力梯度曲線有了明顯的改善。