專利名稱：一種具有較高運(yùn)行穩(wěn)定性的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及燃料電池，尤其涉及一種具有較高運(yùn)行穩(wěn)定性的燃料電池。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)浼把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡(jiǎn)稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細(xì)小分散的引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)發(fā)應(yīng)過(guò)程中生成的電子，通過(guò)外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽(yáng)極端，燃料可以通過(guò)滲透穿過(guò)多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過(guò)遷移穿過(guò)質(zhì)子交換膜，到達(dá)膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過(guò)滲透穿過(guò)多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離子。在陰極端形成的陰離子與陽(yáng)極端遷移過(guò)來(lái)的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽(yáng)極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽(yáng)極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來(lái)，使它們不會(huì)相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負(fù)離子，并與陽(yáng)極區(qū)遷移過(guò)來(lái)的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽(yáng)極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)
陽(yáng)極反應(yīng)陰極反應(yīng)在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)流極板與膜電極接觸的表面通過(guò)壓鑄、沖壓或機(jī)械銑刻，形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)流極板可以上金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導(dǎo)流極板上的流體孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽(yáng)極區(qū)與陰極區(qū)。在一個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個(gè)膜電極，膜電極兩邊分別是陽(yáng)極燃料的導(dǎo)流板與陰極氧化劑的導(dǎo)流板。這些導(dǎo)流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機(jī)械支撐，導(dǎo)流板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽(yáng)極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運(yùn)行過(guò)程中生成的水的通道。
為了增大整個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個(gè)或兩個(gè)以上的單電池通常可通過(guò)直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過(guò)平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個(gè)膜電極的陽(yáng)極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個(gè)相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過(guò)一定方式連在一起而組成一個(gè)電池組。電池組通常通過(guò)前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個(gè)典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個(gè)陽(yáng)極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個(gè)電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時(shí)，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開在燃料電池組的一個(gè)端板上或兩個(gè)端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池可用作車、船等運(yùn)載工具的動(dòng)力系統(tǒng)，又可用作移動(dòng)式、固定式的發(fā)電裝置。
質(zhì)子交換膜燃料電池可用作車、船動(dòng)力系統(tǒng)或移動(dòng)式和固定式發(fā)電站時(shí)，必須包括電池堆、燃料氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)子系統(tǒng)、冷卻散熱子系統(tǒng)、自動(dòng)控制及電能輸出各個(gè)部分。
圖1為目前典型的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，在圖1中1為燃料電池堆，2為儲(chǔ)氫瓶或其他儲(chǔ)氫裝置，3為氫氣減壓閥，4為空氣過(guò)濾裝置，5為空氣壓縮供應(yīng)裝置，6為氫氣水—汽分離器，6’為空氣水—汽分離器，7為水箱，8為冷卻流體循環(huán)泵，9為散熱器，10為氫循環(huán)泵，11、12分別為氫氣、空氣增濕裝置。
按照目前典型的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)集成與運(yùn)行原理，向燃料電池堆輸送的氫氣與空氣必須經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓并經(jīng)過(guò)增濕裝置11、12后，變成達(dá)到一定相對(duì)濕度與溫度的濕空氣、氫氣，然后該濕空氣、氫氣再進(jìn)入燃料電池堆中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。否則干燥的或增濕不充分的空氣、氫氣向燃料電池堆輸送時(shí)，過(guò)量的空氣、氫氣可以造成燃料電池堆中的核心部件—膜電極中的質(zhì)子交換膜失水，質(zhì)子交換膜失水將造成燃料電池內(nèi)阻急劇增加，運(yùn)行性能急劇下降。
但是目前的技術(shù)方案向燃料電池堆輸送的氫氣與空氣經(jīng)過(guò)增濕后變成達(dá)到一定相對(duì)濕度與溫度的濕空氣、氫氣后直接進(jìn)入燃料電池堆發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)有以下技術(shù)缺陷(1)當(dāng)向燃料電池堆輸送的氫氣與空氣流量發(fā)生較大變化時(shí)，比如在流量較小時(shí)，容易造成過(guò)增濕，那么當(dāng)溫度降低時(shí)進(jìn)入燃料電池堆前容易凝結(jié)出少量液態(tài)水，這種液態(tài)水將被濕氫氣、濕空氣分別帶入燃料電池氫氣導(dǎo)流槽、空氣導(dǎo)流槽中，造成導(dǎo)流槽的堵水。某個(gè)單電池中氫氣導(dǎo)流槽中堵水或空氣導(dǎo)流槽中堵水會(huì)造成該單電池處于燃料氫氣或空氣供應(yīng)不足的饑餓狀態(tài)，該單電池性能將急劇下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致該電極反極而燒毀。
(2)當(dāng)向燃料電池堆輸送的氫氣與空氣壓力發(fā)生波動(dòng)時(shí)，比如壓力增加時(shí)，容易造成原壓力較小時(shí)，相對(duì)濕度很高的增濕后的空氣，氫氣進(jìn)入燃料電池堆時(shí)造成凝結(jié)出少量液態(tài)水，造成的后果亦與上述(1)后果相同。
目前的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)集成與運(yùn)行原理為了防止上述冷凝水堵水問(wèn)題發(fā)生，一般選取將增濕裝置11、12盡量靠近燃料電池堆，并且將輸送空氣、氫氣的管道均實(shí)行絕熱層包裹，防止散熱冷凝現(xiàn)象發(fā)生。但這些措施仍無(wú)法完全防止上述問(wèn)題的發(fā)生，電池運(yùn)行仍不夠穩(wěn)定。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種可使原料氫氣與空氣增濕均勻的具有較高運(yùn)行穩(wěn)定性的燃料電池。
本實(shí)用新型的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種具有較高運(yùn)行穩(wěn)定性的燃料電池，包括燃料電池堆、儲(chǔ)氫裝置、氫氣減壓閥、氫氣穩(wěn)壓閥、空氣過(guò)濾裝置、空氣壓縮供應(yīng)裝置、第一氫氣水—汽分離器、第一空氣水—汽分離器、水箱、冷卻流體循環(huán)泵、散熱器、氫循環(huán)泵、氫氣增濕裝置、空氣增濕裝置，所述的第一氫氣水—汽分離器設(shè)在燃料電池堆的氫氣出口端，所述的第一空氣水—汽分離器設(shè)在燃料電池堆的空氣出口端，其特征在于，還包括第二氫氣水—汽分離器、第二空氣水—汽分離器，所述的第二氫氣水—汽分離器設(shè)在燃料電池堆的氫氣進(jìn)口端，所述的第二空氣水—汽分離器設(shè)在燃料電池堆的空氣進(jìn)口端。
所述的第二氫氣水—汽分離器設(shè)在氫氣增濕裝置與燃料電池堆進(jìn)氫氣口之間。
所述的第二氫氣水—汽分離器設(shè)在近燃料電池堆進(jìn)氫氣口處。
所述的第二空氣水—汽分離器設(shè)在空氣增濕裝置與燃料電池堆進(jìn)空氣口之間。
所述的第二空氣水—汽分離器設(shè)在近燃料電池堆進(jìn)空氣口處。
所述的第二氫氣水—汽分離器采用低流阻氫氣水—汽分離器。
所述的第二空氣水—汽分離器采用低流阻空氣水—汽分離器。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型采用了一種高效、流阻很小的水—汽分離器，安裝在盡量靠近燃料電池堆原料氣進(jìn)口，讓增濕后的氫氣、空氣先分別進(jìn)入這種水—汽分離器，然后馬上進(jìn)入燃料電池堆發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這樣，當(dāng)增濕后氫氣、空氣在進(jìn)入燃料電池堆以前，即使發(fā)生溫度下降，壓力波動(dòng)變大，可以較完全地在水—汽分離器中將冷凝水完全分離下來(lái)，保證進(jìn)入燃料電池堆時(shí)沒(méi)有液態(tài)水帶入，從而使原料氫氣、空氣增濕均勻適量，燃料電池運(yùn)行穩(wěn)定。


圖1為現(xiàn)有燃料電池運(yùn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型氫氣水—汽分離器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實(shí)用新型空氣水—汽分離器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例如圖2，并結(jié)合圖1所示，一種具有較高運(yùn)行穩(wěn)定性的燃料電池，包括燃料電池堆1、儲(chǔ)氫裝置2、氫氣減壓閥3、氫氣穩(wěn)壓閥23、空氣過(guò)濾裝置4、空氣壓縮供應(yīng)裝置5、第一氫氣水—汽分離器6、第一空氣水—汽分離器6’、水箱7、冷卻流體循環(huán)泵8、散熱器9、氫循環(huán)泵10、氫氣增濕裝置11、空氣增濕裝置12、第二氫氣水—汽分離器13、第二空氣水—汽分離器14，所述的第一氫氣水—汽分離器6設(shè)在燃料電池堆1的氫氣出口端，所述的第一空氣水—汽分離器6’設(shè)在燃料電池堆1的空氣出口端，所述的第二氫氣水—汽分離器13設(shè)在燃料電池堆1的氫氣進(jìn)口端，所述的第二空氣水—汽分離器14設(shè)在燃料電池堆1的空氣進(jìn)口端。
上述第二氫氣水—汽分離器13進(jìn)一步設(shè)在氫氣增濕裝置11與燃料電池堆1進(jìn)氫氣口之間，且該第二氫氣水—汽分離器13設(shè)在近燃料電池堆1進(jìn)氫氣口處。
上述第二空氣水—汽分離器14進(jìn)一步設(shè)在空氣增濕裝置12與燃料電池堆1進(jìn)空氣口之間，且該第二空氣水—汽分離器14設(shè)在近燃料電池堆1進(jìn)空氣口處。
上述第二氫氣水—汽分離器13采用高效、低流阻氫氣水—汽分離器。上述第二空氣水—汽分離器14采用高效、低流阻空氣水—汽分離器。
如圖3、圖4所示，上述第二氫氣、空氣水—汽分離器應(yīng)分別按照燃料電池堆功率大小及氫氣、空氣流量大小進(jìn)行別設(shè)計(jì)。在本實(shí)施例中，采用功率為50KW的燃料電池。該燃料電池的第二氫氣水—汽分離器13包括氫氣進(jìn)氣管131、分離器本體132、排水管133、排水電磁閥134、氫氣出氣管135，所述的分離器本體132呈圓柱狀，高100mm，直徑80mm，所述的排水管133設(shè)在分離器本體132的底部，所述的氫氣進(jìn)氣管131、氫氣出氣管135設(shè)在分離器本體132的頂部；從氫氣進(jìn)氣管131進(jìn)入的增濕氫氣中含有部分冷凝水，經(jīng)分離器本體132分離后，增濕氫氣中的冷凝水被完全分離下來(lái)，從氫氣出氣管135出去的氫氣(立即進(jìn)入燃料電池堆1參加反應(yīng))為不帶液態(tài)水的增濕氫氣，從而確保了燃料電池的運(yùn)行穩(wěn)定性。
該燃料電池的第二空氣水—汽分離器14包括空氣進(jìn)氣管141、分離器本體142、排水管143、排水電磁閥144、空氣出氣管145，所述的分離器本體142呈圓柱狀，高200mm，直徑150mm，所述的排水管143設(shè)在分離器本體142的底部，所述的空氣進(jìn)氣管141、空氣出氣管145設(shè)在分離器本體142的頂部；從空氣進(jìn)氣管141進(jìn)入的增濕空氣中含有部分冷凝水，經(jīng)分離器本體142分離后，增濕空氣中的冷凝水被完全分離下來(lái)，從空氣出氣管145出去的空氣(立即進(jìn)入燃料電池堆1參加反應(yīng))為不帶液態(tài)水的增濕空氣，從而確保了燃料電池的運(yùn)行穩(wěn)定性。
上述排水電磁閥134、144每隔1至360秒之間地一定間隔打開一次排水。
權(quán)利要求1.一種具有較高運(yùn)行穩(wěn)定性的燃料電池，包括燃料電池堆、儲(chǔ)氫裝置、氫氣減壓閥、氫氣穩(wěn)壓閥、空氣過(guò)濾裝置、空氣壓縮供應(yīng)裝置、第一氫氣水-汽分離器、第一空氣水-汽分離器、水箱、冷卻流體循環(huán)泵、散熱器、氫循環(huán)泵、氫氣增濕裝置、空氣增濕裝置，所述的第一氫氣水-汽分離器設(shè)在燃料電池堆的氫氣出口端，所述的第一空氣水-汽分離器設(shè)在燃料電池堆的空氣出口端，其特征在于，還包括第二氫氣水-汽分離器、第二空氣水-汽分離器，所述的第二氫氣水-汽分離器設(shè)在燃料電池堆的氫氣進(jìn)口端，所述的第二空氣水-汽分離器設(shè)在燃料電池堆的空氣進(jìn)口端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有較高運(yùn)行穩(wěn)定性的燃料電池，其特征在于，所述的第二氫氣水-汽分離器設(shè)在氫氣增濕裝置與燃料電池堆進(jìn)氫氣口之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種具有較高運(yùn)行穩(wěn)定性的燃料電池，其特征在于，所述的第二氫氣水-汽分離器設(shè)在近燃料電池堆進(jìn)氫氣口處。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有較高運(yùn)行穩(wěn)定性的燃料電池，其特征在于，所述的第二空氣水-汽分離器設(shè)在空氣增濕裝置與燃料電池堆進(jìn)空氣口之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種具有較高運(yùn)行穩(wěn)定性的燃料電池，其特征在于，所述的第二空氣水-汽分離器設(shè)在近燃料電池堆進(jìn)空氣口處。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有較高運(yùn)行穩(wěn)定性的燃料電池，其特征在于，所述的第二氫氣水-汽分離器采用低流阻氫氣水-汽分離器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有較高運(yùn)行穩(wěn)定性的燃料電池，其特征在于，所述的第二空氣水-汽分離器采用低流阻空氣水-汽分離器。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種具有較高運(yùn)行穩(wěn)定性的燃料電池，包括燃料電池堆、儲(chǔ)氫裝置、氫氣減壓閥、氫氣穩(wěn)壓閥、空氣過(guò)濾裝置、空氣壓縮供應(yīng)裝置、第一氫氣水－汽分離器、第二氫氣水－汽分離器、第一空氣水－汽分離器、第二空氣水－汽分離器、水箱、冷卻流體循環(huán)泵、散熱器、氫循環(huán)泵、氫氣增濕裝置、空氣增濕裝置，所述的第二氫氣水－汽分離器設(shè)在燃料電池堆的氫氣進(jìn)口端，所述的第二空氣水－汽分離器設(shè)在燃料電池堆的空氣進(jìn)口端。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型在燃料電池堆的原料氣進(jìn)口處設(shè)置了一種高效水－汽分離器，使進(jìn)入燃料電池堆的氫氣與空氣沒(méi)有液態(tài)水帶入，從而確保了燃料電池的運(yùn)行穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)H01M8/00GK2718795SQ200420081719
公開日2005年8月17日 申請(qǐng)日期2004年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月11日
發(fā)明者胡里清, 夏建偉, 章波, 郭偉良 申請(qǐng)人:上海神力科技有限公司