專(zhuān)利名稱(chēng)：一種質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電方法及其專(zhuān)用裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池發(fā)電方法，尤其涉及一種工作更為安全穩(wěn)定可靠的質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電方法及專(zhuān)用裝置。
燃料電池(Fuel Cell)發(fā)電是繼水力、火力和核能發(fā)電之后的第四類(lèi)發(fā)電技術(shù)。它是一種不經(jīng)過(guò)燃燒過(guò)程直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿母咝Оl(fā)電裝置。從理論上講，只要連續(xù)供給燃料，燃料電池便能連續(xù)發(fā)電。從技術(shù)類(lèi)型看，燃料電池包括了五種基本類(lèi)型堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)以及質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。
質(zhì)子交換膜燃料電池器件能直接由燃料源，例如氫氣，和氧化劑，例如氧氣或空氣，發(fā)出電流。由于這種過(guò)程在“燒”燃料時(shí)不產(chǎn)生熱量，故其熱力學(xué)效率的極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的發(fā)電過(guò)程。從本質(zhì)上說(shuō)，質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電單元中設(shè)有兩個(gè)催化電極和將二者隔開(kāi)的質(zhì)子交換膜組成。其工作原理主要為燃料氣(例如氫)在另一個(gè)電極表面電離，然后氫離子(即質(zhì)子)擴(kuò)散超過(guò)導(dǎo)電膜，最后與另一個(gè)電極表面的氧離子重新結(jié)合。如果不讓電流從一個(gè)電極流到另一個(gè)電極，則會(huì)形成一定的電位梯度，于是氫離子便停止繼續(xù)擴(kuò)散。而假如讓一定的電流經(jīng)過(guò)外部負(fù)載從一個(gè)電極流到另一個(gè)電極，于是就產(chǎn)生了電能。
將電極隔開(kāi)的這種膜應(yīng)允許離子從一個(gè)電極擴(kuò)散到另一個(gè)電極，而同時(shí)又必須使燃料與氧化劑氣體保持分開(kāi)。它還必須能阻止電子的流動(dòng)。燃料或氧化劑氣體因擴(kuò)散或泄漏透過(guò)該層膜會(huì)導(dǎo)致爆炸和其他不希望的后果。如果電子能透過(guò)了該層膜，則該器件就會(huì)完全或部分地短路，發(fā)出的有用的電能會(huì)消失或減少。
目前，燃料電池發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法為首先在氫氣源室中的制備或儲(chǔ)存氫氣，所述氫氣通過(guò)一減壓閥后進(jìn)入發(fā)電單元，并于其中的質(zhì)子交換膜上按前述工作原理發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)從而產(chǎn)生電流。
所述的現(xiàn)有燃料電池發(fā)電技術(shù)中，氫氣從氫氣源室通過(guò)減壓閥直接進(jìn)入工作氣室，在質(zhì)子交換膜上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。由于目前的氫氣源主要采用儲(chǔ)氫金屬材料儲(chǔ)存氫氣或氫化物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生氫氣。在采用儲(chǔ)氫金屬材料時(shí)，氫氣源室內(nèi)部?jī)?chǔ)氫壓力較高，需要減壓閥將高壓氫氣減壓后才能進(jìn)入工作氣室。由于工作氣室容積有限，減壓閥需要頻繁開(kāi)關(guān)以及時(shí)給工作氣室補(bǔ)充氫氣，因此嚴(yán)重影響減壓閥的工作壽命。尤其在小型燃料電池的結(jié)構(gòu)中，其工作氣室容積更為狹小，由此對(duì)減壓閥工作頻度性能提出了更高的要求，從而使這方面的矛盾更為突出。
另外由于較高壓力的氫氣直接給入工作氣室，容易造成發(fā)電單元內(nèi)壓力波動(dòng)，工作不穩(wěn)定。在特殊情況下，由于減壓閥開(kāi)關(guān)過(guò)于頻繁以致不能完全關(guān)閉，導(dǎo)致質(zhì)子交換膜被擊穿。在采用氫化物作氫氣源時(shí)，還需要加裝專(zhuān)門(mén)裝置來(lái)啟動(dòng)氫氣源，這也將產(chǎn)生較大的壓力波動(dòng)。
長(zhǎng)期以來(lái)，質(zhì)子交換膜燃料電池的開(kāi)發(fā)主要以電動(dòng)車(chē)為目標(biāo)，由于成本昂貴，其商品化進(jìn)程緩慢。近年來(lái)，由于小型電器市場(chǎng)的擴(kuò)大，尤其是移動(dòng)電話、筆記本計(jì)算機(jī)等產(chǎn)品的普及，以及質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電單元性能的提高，小型質(zhì)子交換膜燃料電池的市場(chǎng)前景逐漸被人們重視，從而進(jìn)入了商品化進(jìn)程。小型燃料電池是指輸出功率在50W以下，具有良好可攜帶性的小功率燃料電池。通常，小型燃料電池均為PEM類(lèi)型的燃料電池。目前的小型質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)主要由質(zhì)子交換膜、工作氣室以及氫氣源室組成，按照前述原理進(jìn)行工作，故同樣存在工作不穩(wěn)定及減壓閥壽命短的問(wèn)題。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電方法，該方法可使燃料電池的工作更為穩(wěn)定可靠。
本發(fā)明的目的還在于提供一種實(shí)現(xiàn)所述質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電方法的專(zhuān)用裝置-小型質(zhì)子交換膜燃料電池，其結(jié)構(gòu)獨(dú)特，具備穩(wěn)定的工作性能。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電方法，其步驟為氫氣源室中的氫氣經(jīng)由氫氣緩存室緩存，緩存后的氫氣再進(jìn)入發(fā)電單元，并于其中的質(zhì)子交換膜上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流。本發(fā)明中的氫氣緩存室的氣體壓力接近或等于發(fā)電單元的工作氣體壓力。
本發(fā)明還提供一種實(shí)現(xiàn)所述質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電方法的專(zhuān)用裝置-一種小型質(zhì)子交換膜燃料電池，其發(fā)電單元由一質(zhì)子交換膜與鄰接于所述質(zhì)子交換膜一側(cè)表面的工作氣室組成，所述工作氣室與氫氣源室相連通，所述專(zhuān)用裝置還設(shè)有氫氣緩存室，所述氫氣緩存室與所述工作氣室相連通，所述氫氣源室與氫氣緩存室相連通。
本發(fā)明中，所述氫氣源室與氫氣緩存室之間通過(guò)流量控制裝置相連通。
本發(fā)明中，所述氫氣源室填充有金屬儲(chǔ)氫材料或裝設(shè)有一化學(xué)制氫裝置。
本發(fā)明中，所述氫氣緩存室填充有金屬儲(chǔ)氫材料。
本發(fā)明中，所述氫氣緩存室與所述工作氣室之間通過(guò)流量控制裝置或管道相連通。
本發(fā)明中，所述流量控制裝置為減壓閥或流量閥。
本發(fā)明中，所述小型質(zhì)子交換膜燃料電池為一整體部件。
本發(fā)明中，所述小型質(zhì)子交換膜燃料電池各構(gòu)成部件間為插拔式連接。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與效果在于1、本發(fā)明中，在將氫氣源室的氫氣導(dǎo)入發(fā)電單元之前，首先將氫氣經(jīng)由一氫氣緩存室緩存，緩存后氫氣再進(jìn)入發(fā)電單元的工作氣室，經(jīng)氫氣緩存室減壓后的氫氣其壓力接近于工作氣室中的氫氣壓力，避免了發(fā)電單元中壓力波動(dòng)，從而使燃料電池工作穩(wěn)定性更好。尤其對(duì)于氫氣源室設(shè)有金屬儲(chǔ)氫材料的情況，該方法大大減少了裝置中私設(shè)的減壓閥的開(kāi)關(guān)次數(shù)，延長(zhǎng)了減壓閥的使用壽命，降低了對(duì)減壓閥工作性能的要求。
2、采用本發(fā)明中質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電方法的小型質(zhì)子交換膜燃料電池，其結(jié)構(gòu)獨(dú)特，最大限度地優(yōu)化配置各工作單元，使燃料電池工作更為穩(wěn)定可靠，并擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。
3、由于氫氣緩存室設(shè)有儲(chǔ)氫金屬材料，其所能儲(chǔ)存的氫氣體積大于氫氣緩存室本身的體積，所以氫氣緩存室實(shí)際上擴(kuò)大了工作氣室的容積。減壓閥開(kāi)關(guān)一次所進(jìn)入氫氣緩存室的氫氣量得到提高，也就延長(zhǎng)了減壓閥開(kāi)關(guān)一次支持發(fā)電單元工作的時(shí)間，從而進(jìn)一步延長(zhǎng)了減壓閥的工作壽命。
4、由于本發(fā)明的特殊技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法，此處對(duì)所述氫氣緩存室的金屬儲(chǔ)氫材料的儲(chǔ)氫能力不作特別要求，可采用儲(chǔ)氫性能劣于氫氣源室中的金屬儲(chǔ)氫材料，從而可降低生產(chǎn)成本，有利于商品化。
5、由于采用了上述結(jié)構(gòu)，減壓閥的工作頻率得到下降，排除了減壓閥不能完全關(guān)閉的可能性，而且氫氣從減壓閥出來(lái)后首先進(jìn)入氫氣緩存室，避免了發(fā)電單元被高壓氫氣擊穿的可能。


圖1為本發(fā)明的質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電方法技術(shù)路線圖；圖2是本發(fā)明的小型質(zhì)子交換膜燃料電池俯視圖；圖3是本發(fā)明的小型質(zhì)子交換膜燃料電池側(cè)視圖。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
如圖1所示為本發(fā)明的一種質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電方法技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線，其具體步驟為將氫氣源中的氫氣經(jīng)由一氫氣緩存室中緩存，緩存的氫氣進(jìn)入發(fā)電單元，并于其中的質(zhì)子交換膜上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流。
如圖2、圖3所示為實(shí)現(xiàn)所述一種質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電方法技術(shù)的專(zhuān)用裝置-一種質(zhì)子交換膜燃料電池，其由氫氣源室1、減壓閥2、氫氣緩存室3、管道4、工作氣室5和質(zhì)子交換膜6組成。氫氣源室1和氫氣緩存室3之間互相隔離，僅通過(guò)減壓閥2相連通。氫氣緩存室3與工作氣室5之間互相隔離，僅通過(guò)管道相連通。小型質(zhì)子交換膜燃料電池工作時(shí)，氫氣從氫氣源室1通過(guò)流量控制裝置2進(jìn)入氫氣緩存室3，流量控制裝置2可為一減壓閥，所述氫氣緩存室3的氣體壓力保持在接近或等于工作氣室5的工作氣體壓力，然后再通過(guò)管道4或減壓閥進(jìn)入工作氣室5，從而在質(zhì)子交換膜6上實(shí)現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)。
其中，氫氣緩存室3是一個(gè)密封容器，內(nèi)部填充金屬儲(chǔ)氫材料。由于金屬儲(chǔ)氫材料的特性，它在較低壓力下所能儲(chǔ)存的氫氣體積要大于它本身的體積。由于本發(fā)明的特殊技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法，此處對(duì)所述的金屬儲(chǔ)氫材料的儲(chǔ)氫能力不作特別要求，氫氣緩存室中的金屬儲(chǔ)氫材料應(yīng)可在常溫、常壓下工作，并有較低的吸放氫壓力差，吸放氫曲線的吸放氫平臺(tái)段可具有較大的斜率，吸放氫平臺(tái)可以低于大氣壓力。其儲(chǔ)氫性能可劣于氫氣源室1中的金屬儲(chǔ)氫材料，從而可降低生產(chǎn)成本。目前，在技術(shù)指標(biāo)基本符合要求的商品品種包括Hystor公司的102、103、201、207等品牌。
當(dāng)然，本發(fā)明所指的氫氣源室除了可以采用金屬儲(chǔ)氫材料外，還可以采用化學(xué)制氫裝置，如利用氫化鈣和水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。由于氫化鈣與水反應(yīng)時(shí)，存在反應(yīng)過(guò)程不穩(wěn)定的情況，特別隨著反應(yīng)不斷進(jìn)行中，氫化鈣化合物的反應(yīng)產(chǎn)物將沉積或附著于化合物表面影響其反應(yīng)，從而使氫氣源室中產(chǎn)生較大的壓力波動(dòng)，若此時(shí)氫氣源室中的氫氣直接給入發(fā)電單元，將使發(fā)電單元的工作呈現(xiàn)較不穩(wěn)定的狀況，故于氫氣源室后經(jīng)由一氫氣緩存室，再進(jìn)入發(fā)電單元，從而避免此類(lèi)情況的產(chǎn)生，保證發(fā)電單元的穩(wěn)定工作。
同時(shí)，氫氣源室和氫氣緩存室之間、氫氣緩存室和工作氣室之間也不局限于用減壓閥和管道進(jìn)行連接，還可以采用其它方式，如流量閥等。另外，氫氣源室、氫氣緩存室和工作氣室也不局限于一整體結(jié)構(gòu)，還可以采用分體可插拔結(jié)構(gòu)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，本發(fā)明的實(shí)施例是實(shí)施性而非限制性的，任何依據(jù)本發(fā)明的變形或變換均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電方法，其具體步驟為氫氣源室中的氫氣經(jīng)由氫氣緩存室緩存，緩存后的氫氣進(jìn)入發(fā)電單元，并于其中的質(zhì)子交換膜上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流。
2.如權(quán)利要求1所述質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電方法，其特征在于所述氫氣緩存室的氣體壓力接近或等于發(fā)電單元的工作氣體壓力。
3.一種實(shí)現(xiàn)所述質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電方法的專(zhuān)用裝置，其發(fā)電單元由一質(zhì)子交換膜與鄰接于所述質(zhì)子交換膜一側(cè)表面的工作氣室組成，所述工作氣室與氫氣源室相連通，其特征在于所述專(zhuān)用裝置還設(shè)有氫氣緩存室，所述氫氣緩存室與所述工作氣室相連通，所述氫氣源室與氫氣緩存室相連通。
4.如權(quán)利要求3所述的專(zhuān)用裝置，其特征在于所述氫氣緩存室與所述氫氣源室之間通過(guò)流量控制裝置相連通。
5.如權(quán)利要求3或4所述的專(zhuān)用裝置，其特征在于所述氫氣源室填充有金屬儲(chǔ)氫材料或裝設(shè)有一化學(xué)制氫裝置。
6.如權(quán)利要求3或4所述的專(zhuān)用裝置，其特征在于所述氫氣緩存室填充有金屬儲(chǔ)氫材料。
7.如權(quán)利要求3所述的專(zhuān)用裝置，其特征在于所述氫氣緩存室與所述工作氣室之間通過(guò)流量控制裝置或管道相連通。
8.如權(quán)利要求4或7所述的專(zhuān)用裝置，其特征在于所述流量控制裝置為減壓閥或流量閥。
9.如權(quán)利要求8所述的專(zhuān)用裝置，其特征在于所述專(zhuān)用裝置為一整體部件。
10.如權(quán)利要求8所述的小型質(zhì)子交換膜燃料電池，其特征在于所述專(zhuān)用裝置各構(gòu)成部件間為插拔式連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電方法,其具體步驟為:氫氣源室中的高壓氫氣經(jīng)由一氫氣緩存室減壓并緩存,減壓后的氫氣進(jìn)入發(fā)電單元,并于其中的質(zhì)子交換膜上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流。該方法可使燃料電池的工作更為穩(wěn)定可靠。本發(fā)明還提供一種實(shí)現(xiàn)所述質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電方法的專(zhuān)用裝置,其結(jié)構(gòu)獨(dú)特,具備穩(wěn)定的工作性能。
文檔編號(hào)H01M8/10GK1345105SQ0012980
公開(kāi)日2002年4月17日 申請(qǐng)日期2000年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月29日
發(fā)明者許綱, 南宇玨 申請(qǐng)人:許綱, 南宇玨