[0001] 本发明涉及燃料电池领域，特别涉及一种质子交换膜燃料电池结构。

[0002] 燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置。燃料电池的分类众多，常用的是根据电解质类型进行分类，包括质子交换膜燃料电池(PEMFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)。

[0003] 质子交换膜燃料电池(PEMFC)也被称作聚合物电解质膜燃料电池，由通用电气公司在20世纪50年末发明，用于NASA的太空任务。在该种类型的电池中，电解质是一片很薄的聚合物膜，这种聚合物膜能通质子但不通电子，这样就能保证电极之间的离子交换。一般质子交换膜燃料电池采用的都是碳载铂(Pt/C)作为催化阴阳极反应的催化剂，该种电池可以在室温下快速启动，产物水容易排出，寿命较长，具有较大的比功率，比能量高，体积小，是电动汽车和家用分布式发电装置的理想电源；并且具有较高的工作效率，能达到40％～60％，理论上可以达到90％，远远高于目前使用的传统内燃机。质子交换膜整个放电过程只存在化学效应，属于静态能量转化设备，噪音小，无嘈杂声，对环境污染程度极低。

[0004] 虽然质子交换膜燃料电池(PEMFC)具备上述优点，但是在使用过程中，仍有不足之处。氢气中的CO、CO2、NH3以及含硫化合物等杂质会对PEMFC的性能造成严重的损害作用并降低其使用寿命。为了保证燃料电池系统在较好的性能以及较高的耐久性下正常运作，它所需的燃料气体(氢气)需要具备极高的纯度要求及CO、硫化物等杂质含量的要求，现在使用的大多皆为99.999％的超高纯度氢，现有工业氢气无法满足燃料电池的使用需求，需要对工业氢气进行进一步提纯，但是氢气的提纯本身需要较高的能量使用，费时费力，成本较高，如何直接利用低纯度工业氢气来运行燃料电池是我们需要探索的方向。

[0022] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

[0023] 如图1‑3所示，本发明所提供的质子交换膜燃料电池结构，包括阳极板10以及与阳极板10对应设置的阴极板20，所述阳极板10与阴极板20之间设有提纯电极30和反应电极40，所述提纯电极30与反应电极40之间电连接设置有负载电路，所述提纯电极30与阳极板
10贴合设置，所述反应电极40与阴极板20贴合设置，通过阳极板10向提纯电极30输入低纯度工业氢气，经过提纯电极30对低纯度工业氢气进行提纯，提纯后的氢气传输至反应电极
40，通过氢氧化还原反应进行放电。所述低纯度工业氢气中氢气纯度(摩尔分数)低于
99.97％。氢气被分离出的电子经过负载电路迁移至反应电极40一侧，与氢离子、氧气发生氧化还原反应生成水。

[0024] 如图1所示的，提纯电极30结构及工作原理示意图，提纯电极30与阳极板10贴合设置，阳极板10朝向提纯电极30的一侧设有阳极流道(附图中未显示)，所述阴极流道用于外部燃料气体(主要成分为氢气)向提纯电极30的传输，所述提纯电极30包括依次设置的第一气体扩散层31、第一催化剂层32、第一质子交换膜33、第二催化剂层34、第二气体扩散层35；通过阳极流道将低纯度工业氢气均匀输送至第一气体扩散层31表面，在氢泵效应作用下，氢气分子穿过第一气体扩散层31，扩散至第一催化剂层32，氢气分子在催化剂作用下分解为氢离子(H+)和电子(e‑)，其中，电子通过外部电路流向提纯电极30，形成电势差，氢离子在外部浓差电势的作用下，穿过第一质子交换膜33到达第二催化剂层34，与并与游离电子进行结合还原成氢气，经过提纯电极30提纯后的氢气输送至反应电极40。低纯度工业氢气中的杂质气体(如CO、硫化物等)无法被催化剂催化生成质子，即无法通过质子交换膜到达第二催化剂层34，所述杂质部分残留在第一催化剂层32表面，大部分则在气体压力作用下经过阳极流道排出至提纯电极30外部。

[0025] 如图2所示，第一个实施例中的质子交换膜燃料电池结构中，与阳极板10贴合设置的提纯电极30包括依次设置的第一气体扩散层31、第一催化剂层32、第一质子交换膜33、第二催化剂层34、第二气体扩散层35，其中，第一气体扩散层31与阳极板10邻接设置；与阴极板20贴合设置的反应电极40包括依次设置的第三气体扩散层41、第三催化剂层42、第二质子交换膜43、第四催化剂层44、第四气体扩散层45，其中，所述第四气体扩散层45与阴极板20邻接设置，阴极板20朝向第四气体扩散层45的一侧设有阴极流道(附图中未显示)，所述阴极流道用于外部空气向反应电极40的传输，所述第二气体扩散层35与所述第三气体扩散层41邻接设置。

[0026] 使用时，阳极板10一端输入低纯度工业氢气，从阴极板20一端输入空气，包含杂质气体的低纯度工业氢气经阳极流道均匀输送至第一气体扩散层31，经第一气体扩散层31扩散至第一催化剂层32表面，其中氢气在第一催化剂层32的催化作用下氧化分离为氢离子(H+)和电子(e‑)，杂质气体无法分离出质子(H+)，被第一质子交换膜33阻挡，部分吸附在第一催化剂层32表面，大部分在气体压力作用下经阳极流道循环排出至外部；其中，分离出的电子通过外部负载电路到达第四催化剂层44，在电子迁移带来电势差的情况下，第一质子交换膜33相当于电解质，氢离子穿过第一质子交换膜33扩散至第二催化剂层34，与自由电子结合被还原成纯净氢气；被还原后的氢气经第二气体扩散层35、第三气体扩散层41的扩散至第三催化剂层42，在催化剂的作用下分解成带正电的质子(H+)和带负电的电子(e‑)，质子通过第二质子交换膜43到达第四催化剂层44，同时，空气经阴极流道均匀输送至第四扩散层，空气中的氧气通过扩散作用到达第四催化剂层44表面，在催化剂的作用下，通过外部电路到达第四催化剂层44的电子、质子和氧气发生氧化还原反应生成水。通过以上氢气在质子交换膜燃料电池结构中不断的氧化分离及氧化还原反应，从而持续对外放电。

[0027] 在这个实施例中，所述提纯电极30与反应电极40之间为可分离的连接关系，当提纯电极30因低纯度工业氢气中杂质气体毒化导致性能下降时，可以单独将提纯电极30进行更换，为了方便提纯电极30的更换，所述提纯电极30与反应电极40分别进行集成设置。

[0028] 如图3所示，第二个实施例中的质子交换膜燃料电池结构中，提纯电极30包括依次设置的第一气体扩散层31、第一催化剂层32、第一质子交换膜33、第二催化剂层34，其中，第一气体扩散层31与阳极板10邻接设置；反应电极40包括依次设置的第三气体扩散层41、第三催化剂层42、第二质子交换膜43、第四催化剂层44、第四气体扩散层45，其中，所述第四气体扩散层45与阴极板20邻接设置，第三气体扩散层41与第二催化剂层34邻接。

[0029] 与第一个实施例中质子交换膜燃料电池结构相比，精简去掉了第二气体扩散层35，所述提纯电极30与反应电极40作为一个整体进行集成封装，由此，可以提高质子交换膜燃料电池结构的整体密封性，减小体积，减小接触电阻，提高放电效率，节约成本。

[0030] 本发明中所提供的质子交换膜燃料电池结构中，第一催化剂层32、第二催化剂层34、第三催化剂层42、第四催化剂层44所使用的材料、结构、密度可以是一致的，也可以根据使用需求，选择不同的材料、结构、密度制作，常用的催化剂层可以选用的材料包括但不限于铂催化剂、铂合金催化剂、Pt‑C催化剂。如，由于低纯度工业氢气中杂质气体的存在，导致第一催化剂层32比较容易受到毒化，性能下降，因此，第一催化剂层32可以优先采用抗毒化性能较强的催化剂材料进行制备，而第二催化剂层34可以适当降低贵金属催化剂的使用量或者采用非贵金属催化剂材料，从而能够有效降低成本。

[0031] 本发明还提供一种质子交换膜燃料电池模组，包括串联设置的上述质子交换膜燃料电池结构，以及位于质子交换膜燃料电池模组两个端部的端板，所述端板上设有流体通道出入口及电气接口。低纯度工业氢气经过提纯后的氢气纯度(摩尔分数)接近100％，不含CO、硫化物，能够提升质子交换膜燃料电池模组的使用寿命，维持高性能。

[0032] 本发明所提供的质子交换膜燃料电池结构及质子交换膜燃料电池模组，相对于现有技术，通过在阳极板和阴极板之间设置反应电极和提纯电极的方式，对低纯度工业氢气及时提纯后输送至反应电极参与放电反应，有效降低质子交换膜燃料电池氢燃料气体成本，同时，提纯后的氢气不包含CO、硫化物，能够有效提升质子交换膜燃料电池模组的使用寿命，维持高性能。

[0033] 本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。