專利名稱：一種自增濕燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是屬于燃料電池領(lǐng)域，尤其是指使用無(wú)外加濕的質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種將外部供給的燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的連續(xù)發(fā)電裝置。目前的燃料電池技術(shù)主要根據(jù)電解質(zhì)的不同分作幾種類型，堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池等。發(fā)展得比較成熟而且應(yīng)用前景最為廣泛的是質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane FuelCell, PEMFC)。在質(zhì)子交換膜燃料電池中，電解質(zhì)為具有質(zhì)子傳遞性能的質(zhì)子交換膜，目前廣泛 采用的是全氟磺酸膜。質(zhì)子在電解質(zhì)膜中的傳遞要依靠水分子作為傳導(dǎo)載體，所以，質(zhì)子交換膜中的水含量對(duì)燃料電池的性能有非常大的影響，膜中水處于飽和狀態(tài)時(shí)具有最佳的質(zhì)子導(dǎo)電性，燃料電池也能發(fā)揮最好的發(fā)電性能。所以，對(duì)于質(zhì)子交換膜進(jìn)行增濕或者保濕是質(zhì)子交換膜燃料電池中的必然選擇。目前，傳統(tǒng)的PEMFC增濕技術(shù)為有源增濕方式，即從外界提供水源。增濕方法有鼓泡增濕、膜增濕、露點(diǎn)加濕、直接注水等，按與電池堆的集成緊密程度可分為外增濕與內(nèi)增濕兩類外增濕是將增濕子系統(tǒng)與電池分開，在反應(yīng)氣體進(jìn)入電池之前進(jìn)行增濕；內(nèi)增濕是將增濕子系統(tǒng)與電池集成為一體，在反應(yīng)氣體進(jìn)入電池之后進(jìn)行增濕。加拿大的巴拉德能源系統(tǒng)公司提出了在電堆中構(gòu)建增濕器的方案，使用電堆的冷卻水增濕反應(yīng)氣體(W0 01/67533)。這樣的電池系統(tǒng)通常用膜來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)增濕作用，加濕器膜材質(zhì)目前普遍選用杜邦公司生產(chǎn)的Nafion 系列離子交換膜，也有利用超濾膜(UF)和反滲透膜(RO)作為增濕膜的研究報(bào)道(Journal of Power Sources, 1998, 74:146-150)。對(duì)于膜增濕器，實(shí)用采用外部水循環(huán)提供增濕水，同時(shí)電堆冷卻需要冷卻水，由于水質(zhì)要求不同，兩種水又不能合二為一，系統(tǒng)中需要構(gòu)建兩套水循環(huán)系統(tǒng)，造成系統(tǒng)復(fù)雜，輔機(jī)功耗高。直接注水加濕能讓用戶定制在反應(yīng)氣體中的增濕量，可注入液態(tài)水或注入水蒸氣。前者是依靠增壓泵加壓噴射水流，使水流通過高壓噴嘴為反應(yīng)氣體注水。美國(guó)DynEco公司開發(fā)出一種112B4型濕氫氣循環(huán)器，額定功率為30W，能很好地配合直接注水增濕技術(shù)(US6268074)，增壓泵(12Vdc，48W)能使水壓提升到60 145Psi。美國(guó)專利US5958613公開了一種為PEMFC陽(yáng)極直接注入液態(tài)水的技術(shù)，既能為電池發(fā)電提供水量，又可利用液態(tài)水的蒸發(fā)潛熱來(lái)冷卻電堆。美國(guó)專利US5432020公開的增濕器使用高速的反應(yīng)氣流與水霧共混來(lái)達(dá)到增濕的目的，尤其適合于對(duì)空氣的增濕，因?yàn)榭諝庠谶M(jìn)入PEMFC之前經(jīng)過壓縮處理后溫度會(huì)升高，加入液態(tài)水有利于降溫。液態(tài)水直接增濕能夠簡(jiǎn)化增濕系統(tǒng)，但是進(jìn)入電池的液態(tài)水量需要精細(xì)控制。利用外加水源對(duì)燃料電池電堆進(jìn)行增濕必須要構(gòu)建水路系統(tǒng)，至少需要水箱、水循環(huán)管路、泵、閥門等相關(guān)組件，同時(shí)需要對(duì)水位進(jìn)行監(jiān)控，在水箱水位不足時(shí)進(jìn)行補(bǔ)水。然而，由于燃料電池在工作時(shí)氫氣和氧氣反應(yīng)生成水，產(chǎn)生的水可以經(jīng)過汽水分離后循環(huán)到水箱。從這一點(diǎn)來(lái)看，外加水增濕帶來(lái)了系統(tǒng)的復(fù)雜性。對(duì)于燃料電池而言，水所起的作用在于保持膜的潤(rùn)濕性，以保持良好的離子導(dǎo)電性能，其實(shí)反應(yīng)產(chǎn)生的水就足夠了。所以，回收燃料電池尾氣中的水蒸氣給進(jìn)氣進(jìn)行增濕就非常重要了，特別是燃料電池陰極尾氣?；厥瘴矚庵械乃魵庥糜谠鰸襁M(jìn)氣，有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)，降低系統(tǒng)內(nèi)部輔機(jī)功耗，提高功率密度。美國(guó)Emprise公司開發(fā)了ー種利用電堆的反應(yīng)尾氣對(duì)反應(yīng)氣體進(jìn)行增濕的外增濕器(US6013385)，其核心是ー塊圓盤狀的陶瓷多孔材料，化學(xué)成分為堇青石(2Mg0-2Al203-5Si02),該材料氣體傳遞阻カ小，具有高機(jī)械強(qiáng)度和強(qiáng)吸水性。增濕器分為兩個(gè)腔體，從電堆中排放出的尾氣含有一定的廢熱和大量的水分，流經(jīng)堇青石材料時(shí)，釋放出熱量并被脫水，這樣當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)堇青石圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，在另ー側(cè)的干反應(yīng)氣體就被增濕。水量回收率可達(dá)到85-90%，其壽命測(cè)試已超過了 10000小時(shí)。美國(guó)專利US 6471195公開了ー種中空纖維增濕器，采用直徑為2_，長(zhǎng)250_的中空纖維管作為水分交換材料。當(dāng)燃料電池陰極排放的廢氣流經(jīng)這些中空纖維隔膜材料時(shí)，廢氣中的大量水分被凝結(jié)下來(lái)，并通過管壁上的毛細(xì)管傳遞到外部的新鮮空氣，達(dá)到增濕的目的。
以上兩種增濕方法都是利用陰極尾氣來(lái)增濕空氣進(jìn)氣，采用Nafion管增濕器回收陰極尾氣中的水蒸氣進(jìn)行空氣加濕效果良好，這種增濕器已經(jīng)取得商業(yè)化應(yīng)用。在燃料電池系統(tǒng)中，采用外增濕器的能夠取得良好的加濕效果，不管是采用有外部水源加濕方式還是無(wú)外部水源的水蒸氣回收方式。但是，反應(yīng)氣體經(jīng)過外部增濕器增濕后，需要通過保溫管道輸送到燃料電池，避免水蒸氣冷凝。同時(shí)，增濕后的反應(yīng)氣體進(jìn)入電堆的氣體分配管道中，再通過單電池上的氣體通道進(jìn)入到單電池的氣體分配流場(chǎng)中。由于增濕后的反應(yīng)氣體從氣體分配管道進(jìn)入到電池流場(chǎng)的過程中水蒸氣會(huì)在氣體分配管中部分凝結(jié)，要保持進(jìn)入每個(gè)單體電池的氣體保持在相同的濕度水平是很難做到的。由于氣體分配的不均勻性，容易造成單體電池性能的差異，這種差異在電堆長(zhǎng)時(shí)間工作后會(huì)得到放大。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，處于燃料電池兩端的單體電池性能衰減的幾率和幅度都要比處于中部的單體電池要大。所以，如何保持每個(gè)單體電池中的氣體和水分布的均勻性是燃料電池長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。在燃料電池電堆中，由于是通過串聯(lián)連接，每節(jié)單體電池流過的電流是相同的，所產(chǎn)生的水量是相同的。也就是說，如果通過流場(chǎng)優(yōu)化使進(jìn)入每節(jié)單體電池的反應(yīng)氣體量大致相同的話，流出單體電池的氣體濕度也是大致相同的。如果利用流出每節(jié)單體電池的尾氣來(lái)為流入該節(jié)單體電池的進(jìn)氣進(jìn)行增濕，就能夠保證每節(jié)單體電池都處于相近的濕度水平，使得燃料電池保持較好的一致性。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上不足，本發(fā)明的目的g在提供ー種自增濕燃料電池，每個(gè)燃料電池單體內(nèi)部有增濕區(qū)和反應(yīng)區(qū)，進(jìn)入燃料電池單體的反應(yīng)氣體首先經(jīng)過增濕區(qū)進(jìn)行增濕，然后再進(jìn)入反應(yīng)區(qū)參加電化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)過反應(yīng)區(qū)后的高濕度尾氣流過增濕區(qū)來(lái)為進(jìn)氣進(jìn)行增濕。通過這種增濕方式，能夠使得進(jìn)入每節(jié)單體燃料電池的反應(yīng)氣體保持一致的濕度，有利于燃料電池長(zhǎng)期穩(wěn)定操作，同時(shí)，利用這種內(nèi)增濕方式，簡(jiǎn)化了燃料電池系統(tǒng)的水管理，能使電池結(jié)構(gòu)更加緊湊，提高系統(tǒng)能量密度。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種自增濕燃料電池，它由至少兩個(gè)燃料電池單體疊加而成，每個(gè)燃料電池單體依次含有陽(yáng)極流場(chǎng)板、膜電極和陰極流場(chǎng)板，其特征在干每個(gè)燃料電池單體膜電極至少由增濕區(qū)和反應(yīng)區(qū)兩部分構(gòu)成，每個(gè)燃料電池單體陽(yáng)極流場(chǎng)板至少由陽(yáng)極增濕流場(chǎng)和陽(yáng)極氣體反應(yīng)流場(chǎng)兩部分構(gòu)成，每個(gè)燃料電池單體陰極流場(chǎng)板至少由陰極增濕流場(chǎng)和陰極氣體反應(yīng)流場(chǎng)兩部分構(gòu)成；陽(yáng)極增濕流場(chǎng)、膜電極增濕區(qū)、陰極增濕流場(chǎng)位置相互對(duì)應(yīng)；陰極反應(yīng)氣體流經(jīng)陰極氣體反應(yīng)流場(chǎng)后穿過膜電極流經(jīng)陽(yáng)極增濕流場(chǎng)后流出電池；經(jīng)過膜電極反應(yīng)區(qū)的陰極反應(yīng)尾氣所攜帯的水蒸氣能夠透過膜電極增濕區(qū)為陰極反應(yīng)氣體和陽(yáng)極反應(yīng)氣體中至少ー種進(jìn)行增濕。所述的燃料電池單體膜電極包含增濕區(qū)和反應(yīng)區(qū)，反應(yīng)區(qū)至少由陽(yáng)極擴(kuò)散層、陽(yáng)極催化層、質(zhì)子交換膜、陰極催化層、陰極擴(kuò)散層五層構(gòu)成，增濕區(qū)至少由陽(yáng)極支撐層、質(zhì)子交換膜、陰極支撐層等三層組成，膜電極上布置有氣體通孔，能夠使陰極反應(yīng)氣體從陰極流場(chǎng)板上的陰極氣體反應(yīng)流場(chǎng)進(jìn)入到陽(yáng)極流場(chǎng)板上的陽(yáng)極增濕流場(chǎng)。
所述的陽(yáng)極流場(chǎng)板上的陽(yáng)極增濕流場(chǎng)和陽(yáng)極氣體反應(yīng)流場(chǎng)通過陽(yáng)極密封件相互隔離以避免陽(yáng)極氣體與陰極氣體相互混合，所述的陰極流場(chǎng)板上的陰極增濕流場(chǎng)和陰極氣體反應(yīng)流場(chǎng)通過陰極密封件相互隔離以保證陰極氣體按照設(shè)計(jì)的流動(dòng)方式流動(dòng)。所述的陽(yáng)極流場(chǎng)板面向膜電極的一側(cè)有陽(yáng)極增濕流場(chǎng)和陽(yáng)極氣體反應(yīng)流場(chǎng)，背向膜電極ー側(cè)上有燃料電池冷卻流場(chǎng)。所述的陰極流場(chǎng)板面向膜電極的一側(cè)有陰極增濕流場(chǎng)和陰極氣體反應(yīng)流場(chǎng)，背向膜電極ー側(cè)上有燃料電池冷卻流場(chǎng)。所述的陽(yáng)極流場(chǎng)板面向膜電極的一側(cè)有陽(yáng)極增濕流場(chǎng)和陽(yáng)極氣體反應(yīng)流場(chǎng)，背向膜電極ー側(cè)上有上一個(gè)單體電池的陰極增濕流場(chǎng)和陰極氣體反應(yīng)流場(chǎng)，此陽(yáng)極流場(chǎng)板又同時(shí)作為上ー個(gè)單體電池的陰極流場(chǎng)板。所述的陰極流場(chǎng)板面向膜電極的一側(cè)有陰極增濕流場(chǎng)和陰極氣體反應(yīng)流場(chǎng)，背向膜電極ー側(cè)上有下一個(gè)單體電池的陽(yáng)極增濕流場(chǎng)和陽(yáng)極氣體反應(yīng)流場(chǎng)，此陰極流場(chǎng)板又同時(shí)作為下ー個(gè)單體電池的陽(yáng)極流場(chǎng)板。所述的陽(yáng)極反應(yīng)氣體為氫氣或含氫氣的混合氣體，所述的陰極反應(yīng)氣體為氧氣或空氣。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果①同一個(gè)燃料電池單體膜電極上包含反應(yīng)區(qū)和增濕區(qū)，直接利用流過反應(yīng)區(qū)的高濕度反應(yīng)尾氣在增濕區(qū)對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行增濕，能夠使電堆中各個(gè)單體燃料電池反應(yīng)氣濕度保持一致，有利于提高燃料電池穩(wěn)定性。②燃料電池增濕區(qū)集成到膜電極中，避免了使用外部增濕器，降低了燃料電池系統(tǒng)復(fù)雜性，減少了水管理輔機(jī)功耗，提高了燃料電池的功率密度與能量密度。③增濕區(qū)與反應(yīng)區(qū)集成在ー個(gè)膜電極中，只在陽(yáng)極流場(chǎng)板和陰極流場(chǎng)板上對(duì)相應(yīng)的氣體流道進(jìn)行一定設(shè)計(jì)，組堆方式與傳統(tǒng)燃料電池完全一致，方便簡(jiǎn)單。


圖I是本發(fā)明的立體分解圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例I的側(cè)面示意圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例2的側(cè)面示意圖。圖中100-陽(yáng)極流場(chǎng)板，101-陽(yáng)極流場(chǎng)板上的空氣進(jìn)氣分配管，102-陽(yáng)極增濕流場(chǎng)，103-陽(yáng)極反應(yīng)流場(chǎng)，104-從陰極流場(chǎng)板進(jìn)入陽(yáng)極流場(chǎng)板的空氣進(jìn)ロ，105-陽(yáng)極流場(chǎng)板上的空氣排氣分配管，106-陽(yáng)極密封件，107-陽(yáng)極流場(chǎng)板上的氫氣進(jìn)氣分配管，108-陽(yáng)極流場(chǎng)板上的氫氣排氣分配管，200-膜電極，201-膜電極上的空氣進(jìn)氣孔，202-增濕區(qū)，203-反應(yīng)區(qū)，204-膜電極上的氣體通孔，205-膜電極上的空氣排氣孔，207-膜電極上的氫氣進(jìn)氣孔，208-膜電極上的氫氣排氣孔,211-膜電極陽(yáng)極擴(kuò)散層,212-膜電極陽(yáng)極催化層，213-質(zhì)子交換膜，214-膜電極陰極催化層，215-膜電極陰極擴(kuò)散層，216-膜電極增濕區(qū)陽(yáng)極支撐層，217-膜電極增濕區(qū)陰極支撐層，300-陰極流場(chǎng)板，301-陰極流場(chǎng)板上的空氣進(jìn)氣分配管，302-陰極增濕流場(chǎng)，303-陰極反應(yīng)流場(chǎng)，304-從陰極流場(chǎng)板流向陽(yáng)極流場(chǎng)板的空氣出口，305-陰極流場(chǎng)板上的空氣排氣分配管，306-陰極密封件，307-陰極流場(chǎng)板上的 氫氣進(jìn)氣分配管，308-陰極流場(chǎng)板上的氫氣排氣分配管。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和具體實(shí)施方式
作進(jìn)ー步的說明。實(shí)施例一
圖I和圖2中顯示了本發(fā)明ー種自增濕燃料電池的一種實(shí)施方式，圖I為該發(fā)明燃料電池立體分解結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為側(cè)面示意圖。從圖I中可知，自增濕燃料電池由兩個(gè)燃料電池單體疊加而成，每個(gè)燃料電池單體依次含有陽(yáng)極流場(chǎng)板100、膜電極200和陰極流場(chǎng)板300，在燃料電池單體的下部為燃料電池增濕部分，上部為燃料電池反應(yīng)部分。膜電極200的上部設(shè)有氫氣進(jìn)氣孔207和氫氣排氣孔208，下部設(shè)有空氣進(jìn)氣孔201和空氣排氣孔205。燃料電池的單體膜電極200的增濕區(qū)202和反應(yīng)區(qū)203中，反應(yīng)區(qū)203至少由陽(yáng)極擴(kuò)散層211、陽(yáng)極催化層212、質(zhì)子交換膜213、陰極催化層214、陰極擴(kuò)散層215等五層構(gòu)成，增濕區(qū)202至少由陽(yáng)極支撐層216、質(zhì)子交換膜213、陰極支撐層217三層組成，膜電極200上布置有氣體通孔204，能夠使陰極反應(yīng)氣體從陰極流場(chǎng)板300上的陰極氣體反應(yīng)流場(chǎng)303進(jìn)入到陽(yáng)極流場(chǎng)板100上的陽(yáng)極增濕流場(chǎng)102 ;單體膜電極200的上部設(shè)有氫氣進(jìn)氣孔207和氫氣排氣孔208，下部設(shè)有空氣進(jìn)氣孔201和空氣排氣孔205。本發(fā)明的增濕部分，包括有陽(yáng)極增濕流場(chǎng)102，膜電極增濕區(qū)202以及陰極增濕流場(chǎng)302。空氣從電堆的空氣入口進(jìn)入陽(yáng)極流場(chǎng)板上的空氣進(jìn)氣分配管101，從陰極流場(chǎng)板上的空氣進(jìn)氣分配管301處進(jìn)入?yún)g體燃料電池流場(chǎng)，首先流經(jīng)陰極流場(chǎng)板300上的增濕流場(chǎng)302，在此處，水蒸氣透過膜電極增濕區(qū)的陽(yáng)極支撐層216、質(zhì)子交換膜213以及陰極支撐層217從陽(yáng)極增濕流場(chǎng)102傳遞到陰極增濕流場(chǎng)302，使進(jìn)入燃料電池的空氣濕度得以增加。增濕后的反應(yīng)空氣再流入陰極流場(chǎng)板上的陰極反應(yīng)流場(chǎng)303。在反應(yīng)區(qū)，由于燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，在陰極生成水，隨著陰極空氣在流道中的流動(dòng)，空氣的濕度隨之増大。經(jīng)過反應(yīng)區(qū)的空氣最后通過陰極流場(chǎng)板流向陽(yáng)極流場(chǎng)板的空氣出ロ 304流出陰極流場(chǎng)板300，穿過膜電極上的氣體通孔204，流道陽(yáng)極流場(chǎng)板上的空氣進(jìn)ロ 104而進(jìn)入陽(yáng)極流場(chǎng)板的增濕流場(chǎng)中。在陽(yáng)極增濕流場(chǎng)中，空氣尾氣中的水蒸汽能夠透過膜電極增濕區(qū)進(jìn)入陰極增濕流場(chǎng)302為空氣進(jìn)氣進(jìn)行增濕，同時(shí)，空氣尾氣中的熱量以及空氣尾氣水蒸汽在凝結(jié)過程中釋放出的潛熱也透過膜電極增濕區(qū)傳遞給空氣進(jìn)氣，起到熱交換的作用，這樣能夠讓空氣進(jìn)入反應(yīng)區(qū)之前先得到預(yù)熱。由于增濕區(qū)設(shè)置在燃料電池的下部，反應(yīng)過程中如果陰極空氣過飽和，凝結(jié)成的液態(tài)水也能通過氣體流道被空氣帶到增濕區(qū)，保持膜電極增濕區(qū)質(zhì)子交換膜的高濕度。在陽(yáng)極增濕流場(chǎng)102發(fā)生充分的水和熱的交換后，空氣尾氣進(jìn)入陽(yáng)極流場(chǎng)板上的空氣排氣分配管105，最后經(jīng)過電堆的空氣出口排出電堆。電堆中過量的液態(tài)水也通過陽(yáng)極流場(chǎng)板上的空氣排氣分配管105流出電池。氫氣從電堆氫氣入口進(jìn)入電堆氫氣進(jìn)氣分配管后，從陽(yáng)極流場(chǎng)板上的氫氣進(jìn)氣分配管107進(jìn)入單體燃料電池，流經(jīng)陽(yáng)極反應(yīng)流場(chǎng)103后從陽(yáng)極流場(chǎng)板上的氫氣排氣分配管108流出単體燃料電池，再?gòu)碾姸褮錃馀艢獬隹诹鞒鋈剂想姵仉姸?。本?shí)施例中，僅利用空氣尾氣對(duì)空氣進(jìn)氣進(jìn)行增濕，沒有對(duì)氫氣進(jìn)氣進(jìn)行增濕。由于空氣流量要比氫氣流量大2 5倍，如果空氣以干氣進(jìn)氣，極其容易把燃料電池內(nèi)部水分全以氣態(tài)形式帶出，使得膜電極反應(yīng)區(qū)被吹干，電池性能及壽命都會(huì)下降。這種情況對(duì)于常壓操作的燃料電池而言是非常重要的，所以，對(duì)空氣進(jìn)氣的加濕非常必要。而氫氣流量較小，也可以采用陽(yáng)極封閉操作，配合以間歇排氣方法，燃料電池性能不會(huì)有太大降低，故可以只對(duì)空氣進(jìn)氣進(jìn)行增濕，不對(duì)氫氣進(jìn)氣進(jìn)行增濕。 陽(yáng)極流場(chǎng)板100上的陽(yáng)極增濕流場(chǎng)102和陽(yáng)極氣體反應(yīng)流場(chǎng)103通過陽(yáng)極密封件106相互隔離以避免陽(yáng)極氣體與陰極氣體相互混合，陰極流場(chǎng)板300上的陰極增濕流場(chǎng)302和陰極氣體反應(yīng)流場(chǎng)303通過陰極密封件306相互隔離以保證陰極氣體按照設(shè)計(jì)的流動(dòng)方式流動(dòng)。陽(yáng)極流場(chǎng)板100面向膜電極200的ー側(cè)有陽(yáng)極增濕流場(chǎng)102和陽(yáng)極氣體反應(yīng)流場(chǎng)103，背向膜電極ー側(cè)上有燃料電池冷卻流場(chǎng)。陰極流場(chǎng)板300面向膜電極200的一側(cè)有陰極增濕流場(chǎng)302和陰極氣體反應(yīng)流場(chǎng)303，背向膜電極ー側(cè)上有燃料電池冷卻流場(chǎng)，陰極流場(chǎng)板300的下部設(shè)有空氣進(jìn)氣分配管301和空氣排氣分配管305，上部設(shè)有氫氣進(jìn)氣分配管307和氫氣排氣分配管308。陽(yáng)極流場(chǎng)板100面向膜電極200的ー側(cè)有陽(yáng)極增濕流場(chǎng)102和陽(yáng)極氣體反應(yīng)流場(chǎng)103，背向膜電極ー側(cè)上有上一個(gè)單體電池的陰極增濕流場(chǎng)302和陰極氣體反應(yīng)流場(chǎng)303，此陽(yáng)極流場(chǎng)板100又同時(shí)作為上ー個(gè)單體電池的陰極流場(chǎng)板300，所述的陰極流場(chǎng)板300面向膜電極200的ー側(cè)有陰極增濕流場(chǎng)302和陰極氣體反應(yīng)流場(chǎng)303，背向膜電極ー側(cè)上有下一個(gè)單體電池的陽(yáng)極增濕流場(chǎng)102和陽(yáng)極氣體反應(yīng)流場(chǎng)103，此陰極流場(chǎng)板300又同時(shí)作為下ー個(gè)單體電池的陽(yáng)極流場(chǎng)板100。陽(yáng)極反應(yīng)氣體為氫氣或含氫氣的混合氣體，陰極反應(yīng)氣體為氧氣或空氣。從圖I中可以看到，本實(shí)施例陽(yáng)極流場(chǎng)板100、膜電極200和陰極流場(chǎng)板300所共同的上部所設(shè)的氫氣進(jìn)氣分配管、氫氣排氣分配管和共同的下部的空氣進(jìn)氣分配管、空氣排氣分配管是相通的，位置相對(duì)應(yīng)。實(shí)施例ニ
圖3顯示的是另ー種實(shí)施方式，即利用空氣尾氣同時(shí)對(duì)氫氣和空氣進(jìn)氣進(jìn)行增濕。在本實(shí)施方式中，空氣的流動(dòng)方式與實(shí)施例一相同，不同的是，氫氣進(jìn)入單體燃料電池時(shí)，首先流經(jīng)陰極流場(chǎng)板上陰極增濕流場(chǎng)302。此時(shí)陰極流場(chǎng)板300上的增濕流場(chǎng)分為兩部分，一部分為空氣增濕流場(chǎng)，另一部分為氫氣增濕流場(chǎng)，空氣增濕流場(chǎng)與氫氣增濕流場(chǎng)之間通過陰極密封件306相互隔開，避免氫氣與空氣相互混合。對(duì)應(yīng)膜電極增濕區(qū)也分做氫氣增濕區(qū)和空氣增濕區(qū)兩個(gè)部分。氫氣進(jìn)入陰極流場(chǎng)板300上的氫氣增濕區(qū)后，吸收了從陽(yáng)極增濕流場(chǎng)中經(jīng)膜電極氫氣增濕區(qū)傳遞過來(lái)的水分和熱量后，濕度得以增加，然后再經(jīng)過膜電極上的氫氣通孔從陰極流場(chǎng)板上的氫氣增濕流場(chǎng)流到陽(yáng)極流場(chǎng)板上的陽(yáng)極反應(yīng)流場(chǎng)，在膜電極反應(yīng)區(qū)參與電化學(xué)反應(yīng)，最后流進(jìn)氫氣排氣分配管再流出電池。本實(shí)施例中，空氣和氫氣進(jìn)氣都通過空氣尾氣進(jìn)行增濕和預(yù)熱，更加有利于燃料電池的反應(yīng)。但是，由于氫氣和空氣都需要經(jīng)過增濕，流場(chǎng)板上必須對(duì)兩種氣體進(jìn)行分隔，需要増加密封件，結(jié)構(gòu)上復(fù)雜程度増加了，膜電極制作更麻煩了。同時(shí)，由于空氣和氫氣分享同一增濕區(qū)域，為了保證充分增 濕，增濕區(qū)的面積需要響應(yīng)増大。
權(quán)利要求
1.一種自增濕燃料電池，它由至少兩個(gè)燃料電池單體疊加而成，每個(gè)燃料電池單體依次含有陽(yáng)極流場(chǎng)板(100)、膜電極(200)和陰極流場(chǎng)板(300)，其特征在于每個(gè)燃料電池單體膜電極(200)至少由增濕區(qū)(202)和反應(yīng)區(qū)(203)兩部分構(gòu)成，每個(gè)燃料電池單體陽(yáng)極流場(chǎng)板(100)至少由陽(yáng)極增濕流場(chǎng)(102)和陽(yáng)極氣體反應(yīng)流場(chǎng)(103)兩部分構(gòu)成，每個(gè)燃料電池單體陰極流場(chǎng)板(300)至少由陰極增濕流場(chǎng)(302)和陰極氣體反應(yīng)流場(chǎng)(303)兩部分構(gòu)成；陽(yáng)極增濕流場(chǎng)(102)、膜電極增濕區(qū)(102)、陰極增濕流場(chǎng)(302)位置相互對(duì)應(yīng)；陰極反應(yīng)氣體流經(jīng)陰極氣體反應(yīng)流場(chǎng)(303)后穿過膜電極流經(jīng)陽(yáng)極增濕流場(chǎng)(102)后流出電池；經(jīng)過膜電極反應(yīng)區(qū)(203)的陰極反應(yīng)尾氣所攜帶的水蒸氣能夠透過膜電極增濕區(qū)(202)為陰極反應(yīng)氣體和陽(yáng)極反應(yīng)氣體中至少一種進(jìn)行增濕。
2.按照權(quán)利要求I所述的一種自增濕燃料電池，其特征在于所述的燃料電池單體膜電極(200)包含增濕區(qū)(202)和反應(yīng)區(qū)(203)，反應(yīng)區(qū)(203)至少由陽(yáng)極擴(kuò)散層(211)、陽(yáng)極催化層(212)、質(zhì)子交換膜(213)、陰極催化層(214)、陰極擴(kuò)散層(215)五層構(gòu)成，增濕區(qū)(202)至少由陽(yáng)極支撐層(216)、質(zhì)子交換膜(213)、陰極支撐層(217)三層組成，膜電極(200)上布置有氣體通孔(204)，能夠使陰極反應(yīng)氣體從陰極流場(chǎng)板(300)上的陰極氣體反應(yīng)流場(chǎng)(303 )進(jìn)入到陽(yáng)極流場(chǎng)板(100 )上的陽(yáng)極增濕流場(chǎng)(102 )。
3.按照權(quán)利要求I所述的一種自增濕燃料電池，其特征在于所述的陽(yáng)極流場(chǎng)板(100)上的陽(yáng)極增濕流場(chǎng)(102)和陽(yáng)極氣體反應(yīng)流場(chǎng)(103)通過陽(yáng)極密封件(106)相互隔離以避免陽(yáng)極氣體與陰極氣體相互混合，所述的陰極流場(chǎng)板(300)上的陰極增濕流場(chǎng)(302)和陰極氣體反應(yīng)流場(chǎng)(303)通過陰極密封件(306)相互隔離以保證陰極氣體按照設(shè)計(jì)的流動(dòng)方式流動(dòng)。
4.按照權(quán)利要求3所述的一種自增濕燃料電池，其特征在于所述的陽(yáng)極流場(chǎng)板(100)面向膜電極(200)的一側(cè)有陽(yáng)極增濕流場(chǎng)(102)和陽(yáng)極氣體反應(yīng)流場(chǎng)(103)，背向膜電極一側(cè)上有燃料電池冷卻流場(chǎng)。
5.按照權(quán)利要求3所述的一種自增濕燃料電池，其特征在于所述的陰極流場(chǎng)板(300)面向膜電極(200)的一側(cè)有陰極增濕流場(chǎng)(302)和陰極氣體反應(yīng)流場(chǎng)(303)，背向膜電極一側(cè)上有燃料電池冷卻流場(chǎng)。
6.按照權(quán)利要求I或3所述的一種自增濕燃料電池，其特征在于所述的陽(yáng)極流場(chǎng)板(100)面向膜電極(200)的一側(cè)有陽(yáng)極增濕流場(chǎng)(102)和陽(yáng)極氣體反應(yīng)流場(chǎng)(103)，背向膜電極一側(cè)上有上一個(gè)單體電池的陰極增濕流場(chǎng)(302)和陰極氣體反應(yīng)流場(chǎng)(303)，此陽(yáng)極流場(chǎng)板(100)又同時(shí)作為上一個(gè)單體電池的陰極流場(chǎng)板(300)。
7.按照權(quán)利要求I或3所述的一種自增濕燃料電池，其特征在于所述的陰極流場(chǎng)板(300)面向膜電極(200)的一側(cè)有陰極增濕流場(chǎng)(302)和陰極氣體反應(yīng)流場(chǎng)(303)，背向膜電極一側(cè)上有下一個(gè)單體電池的陽(yáng)極增濕流場(chǎng)(102)和陽(yáng)極氣體反應(yīng)流場(chǎng)(103)，此陰極流場(chǎng)板(300)又同時(shí)作為下一個(gè)單體電池的陽(yáng)極流場(chǎng)板(100)。
8.按照權(quán)利要求I所述的一種自增濕燃料電池，其特征在于所述的陽(yáng)極反應(yīng)氣體為氫氣或含氫氣的混合氣體，所述的陰極反應(yīng)氣體為氧氣或空氣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自增濕燃料電池。這種燃料電池由多個(gè)單體疊加而成，每個(gè)單體包含陰極流場(chǎng)板、陽(yáng)極流場(chǎng)板、密封件及膜電極，該膜電極由反應(yīng)區(qū)和增濕區(qū)構(gòu)成，在陽(yáng)極流場(chǎng)板和陰極流場(chǎng)板中也包含相應(yīng)的反應(yīng)區(qū)和增濕區(qū)，陰極反應(yīng)空氣進(jìn)入燃料電池單體后先經(jīng)過陰極流場(chǎng)板增濕區(qū)，然后進(jìn)入反應(yīng)區(qū)參與電化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)完畢的空氣再通過膜電極上設(shè)置的氣體通道進(jìn)入陽(yáng)極流場(chǎng)板上的增濕區(qū)；經(jīng)過反應(yīng)區(qū)的空氣濕度較高，水能夠透過膜電極上增濕區(qū)的質(zhì)子交換膜為陰極反應(yīng)空氣進(jìn)氣進(jìn)行加濕。本發(fā)明直接利用空氣尾氣為空氣進(jìn)氣進(jìn)行增濕，增濕區(qū)與反應(yīng)區(qū)在同一個(gè)膜電極上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不影響電堆的集成，能夠大大簡(jiǎn)化燃料電池的水管理問題，提高了燃料電池系統(tǒng)的功率密度。本發(fā)明公開的燃料電池可以應(yīng)用于各種電子設(shè)備電源、不間斷電源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H01M8/04GK102800876SQ20121032622
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月6日
發(fā)明者朱浩, 朱艾成, 劉發(fā)喜, 董文超, 王益軍 申請(qǐng)人:江蘇冰城電材股份有限公司