專利名稱：一種可使燃料電池中的質(zhì)子交換膜得到均勻水分布的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可使燃料電池中的質(zhì)子交換膜得到均勻水分布的方法。
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)淙剂霞把趸瘎┺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)反應(yīng)過程中生成的電子，通過外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(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，正離子可通過遷移穿過質(zhì)子交換膜，到達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，通過滲透穿過多孔性擴散材料(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極端遷移過來的正離子發(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，使它們不會相互混合而產(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，并與陽極區(qū)遷移過來的氫正離子反應(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，陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達陽極反應(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)電極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機械銑刻，形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)電極板可以是金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導(dǎo)電極板上的導(dǎo)流孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導(dǎo)流極板與陰極氧化劑的導(dǎo)流極板。這些導(dǎo)流極板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通常可通過直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(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膜電極的陽極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個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一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、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)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內(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后進行散熱；(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，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、冷卻流體的進出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
為了使質(zhì)子交換膜燃料電池處于高性能的工作狀態(tài)，必須始終保持其中質(zhì)子交換膜處于濕化不失水的狀態(tài)。因為當(dāng)質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜時必須是水化質(zhì)子，并且水化質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜時要攜帶許多水分子，如果質(zhì)子交換膜處于失水的干狀態(tài)，則質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜時的阻力很大，體現(xiàn)在燃料電池中的工作性能降低，嚴(yán)重時無法輸出電流。
為了保持質(zhì)子交換膜燃料電池中的質(zhì)子交換膜處于不失水狀態(tài)或處于濕化狀態(tài)，目前有以下幾種技術(shù)
1.外增濕技術(shù)就是讓燃料氫氣，氧化劑如氧氣、空氣先進行增濕，使燃料氫氣、氧化劑氣體含有一定的水蒸汽(達到一定的相對濕度)，然后再進入燃料電池反應(yīng)，如美國專利US.Patent 6,106,964(2000年8月)所述的那樣。
2.內(nèi)增濕技術(shù)內(nèi)增濕技術(shù)的基本原理與外增濕一樣，只不過將燃料電池堆分為增濕段與活性段，將二級融合在一個電池堆里，以增強電池的緊湊性與提高能量利用效率。這樣燃料氫氣與氧化劑空氣也是先經(jīng)過電池堆增濕段先增濕，后再進入電池堆活性段反應(yīng)。
但是，以上的兩種技術(shù)都有以下缺點第一種技術(shù)額外地增加了燃料電池的外增濕裝置，不但額外增加了燃料的電池外圍系統(tǒng)的重量與體積，而且浪費了大量材料與人工制造成本。
第二種技術(shù)也有類似的缺點，雖然整體緊湊性比第一種技術(shù)高，但也增大了整個電池堆的體積與重量，并浪費了大量的制作材料與人工費用。
本發(fā)明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燃料電池中的質(zhì)子交換膜得到均勻水分布的方法，用該方法制得的燃料電池濕化性能好、結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種可使燃料電池中的質(zhì)子交換膜得到均勻水分布的方法，其特點是，對燃料電池導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)進行改進，具體是在燃料電池導(dǎo)流板的上、下端或左、右端各設(shè)一氣體進口，同時在燃料電池導(dǎo)流板的上、下端或左、右端也各設(shè)一氣體出口，所述的設(shè)在導(dǎo)流板上端的氣體進口通過至少一條導(dǎo)流槽與設(shè)在導(dǎo)流板下端的氣體出口連通，所述的設(shè)在導(dǎo)流板下端的氣體進口也通過至少一條導(dǎo)流槽與設(shè)在導(dǎo)流板上端的氣體出口連通，分別從導(dǎo)流板上、下端的氣體進口進來的氣體沿各自的導(dǎo)流槽相對逆向行走，再分別從導(dǎo)流板上、下端的氣體出口出去；所述的從導(dǎo)流板上端氣體進口進來的氣體剛進入電極時處于干燥狀態(tài)，容易將電極中的質(zhì)子交換膜里的水帶走，隨著電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，到達電極中部與下半部時就有大量的水生成，使質(zhì)子交換膜的下半部得到濕化，所述的從導(dǎo)流板下端的氣體進口進來的氣體剛進入電極時也處于干燥狀態(tài)，容易將電極中的質(zhì)子交換膜里的水帶走，隨著電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，到達電極中部與上半部時就有大量的水生成，使質(zhì)子交換膜的上半部得到濕化，這種綜合效應(yīng)使整個質(zhì)子交換膜處于均勻水分布狀態(tài)。
所述的氣體為氧化劑氣體或燃料氫氣。
所述的氧化劑氣體為空氣或氧氣。
所述的從導(dǎo)流板上、下端或左、右端的氣體進口進來的氣體來自同一氣源，統(tǒng)一進氣。
所述的從導(dǎo)流板上、下端或左、右端的氣體出口出來的氣體合并統(tǒng)一出氣。
本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，使燃料氫氣或氧化劑(氧氣、空氣)可以同時在二個進口進氣，但在導(dǎo)流板上按逆向行走，最后可以合并統(tǒng)一出氣，這種逆向行走有以下優(yōu)點第一路氣體剛進入電極時處于干燥狀態(tài)，容易將電極中的質(zhì)子交換膜里面的水帶走；隨著電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，到達電極中部與下半部時就有大量的水生成去濕化膜的下半部；而第二路氣體則正好相反，是從電極的下半部進入電極，則進入時也處于干燥狀態(tài)，容易將電極中的膜里面的水帶走，隨著電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，到達電極中部與上半部時就大量的水生成去濕化膜的上半部，這樣就使質(zhì)子交換膜始終保持濕化，從而使燃料電池的性能保持在較佳狀態(tài)。


圖1為本發(fā)明實施例1的導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例2的導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)示意圖。
下面結(jié)合附圖及具體實施例，對本發(fā)明作進一步說明。
實施例1請參閱圖1，一種可使燃料電池中的質(zhì)子交換膜得到均勻水分布的方法，其特點是，對燃料電池導(dǎo)流板(導(dǎo)氫氣流板)的結(jié)構(gòu)進行改進，具體是，在燃料電池導(dǎo)流板1的上、下端各設(shè)一氫氣進口A，同時在燃料電池導(dǎo)流板1的上、下端也各設(shè)一氫氣出口B，所述的設(shè)在導(dǎo)流板上端的氫氣進口A通過兩條導(dǎo)流槽2與設(shè)在導(dǎo)流板下端的氫氣出口B連通，所述的設(shè)在導(dǎo)流板下端的氫氣進口A也通過兩條導(dǎo)流槽2與設(shè)在導(dǎo)流板上端的氫氣出口B連通，從導(dǎo)流板上端的氫氣進口進來的氫氣稱為第一路氫氣，從導(dǎo)流板下端的氫氣進口進來的氫氣稱為第二路氫氣，所述的第一路氫氣與第二路氫氣沿各自的導(dǎo)流槽相對逆向行走，再分別從導(dǎo)流板上、下端的氫氣出口出去，所述的從導(dǎo)流板上、下端的氫氣進口進來的氫氣來自同一氣源Q統(tǒng)一進氣，所述的從導(dǎo)流板上、下端的氫氣出口出來的氫氣合并從管道W統(tǒng)一出氣；所述的從導(dǎo)流板上端氫氣進口進來的氫氣剛進入電極時處于干燥狀態(tài)，容易將電極中的質(zhì)子交換膜里的水帶走，隨著電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，到達電極中部與下半部時就有大量的水生成，使質(zhì)子交換膜的下半部得到濕化，所述的從導(dǎo)流板下端的氫氣進口進來的氫氣剛進入電極時也處于干燥狀態(tài)，容易將電極中的質(zhì)子交換膜里的水帶走，隨著電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，到達電極中部與上半部時就有大量的水生成，使質(zhì)子交換膜的上半部得到濕化，這種綜合效應(yīng)使整個質(zhì)子交換膜處于均勻水分布狀態(tài)。
實施例2請參閱圖2，一種可使燃料電池中的質(zhì)子交換膜得到均勻水分布的方法，其特點是，對燃料電池導(dǎo)流板(導(dǎo)空氣流板)的結(jié)構(gòu)進行改進，具體是，在燃料電池導(dǎo)流板1的上、下端各設(shè)一空氣進口A，同時在燃料電池導(dǎo)流板1的上、下端也各設(shè)一空氣出口B，所述的設(shè)在導(dǎo)流板上端的空氣進口A通過三條導(dǎo)流槽2與設(shè)在導(dǎo)流板下端的空氣出口B連通，所述的設(shè)在導(dǎo)流板下端的空氣進口A也通過三條導(dǎo)流槽2與設(shè)在導(dǎo)流板上端的空氣出口B連通，從導(dǎo)流板上端的空氣進口進來的空氣稱為第一路空氣，從導(dǎo)流板下端的空氣進口進來的空氣稱為第二路空氣，所述的第一路空氣與第二路空氣沿各自的導(dǎo)流槽相對逆向行走，再分別從導(dǎo)流板上、下端的空氣出口出去，所述的從導(dǎo)流板上、下端的空氣進口進來的空氣來自同一氣源Q統(tǒng)一進氣，所述的從導(dǎo)流板上、下端的空氣出口出來的空氣合并從管道W統(tǒng)一出氣；所述的從導(dǎo)流板上端空氣進口進來的空氣剛進入電極時處于干燥狀態(tài)，容易將電極中的質(zhì)子交換膜里的水帶走，隨著電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，到達電極中部與下半部時就有大量的水生成，使質(zhì)子交換膜的下半部得到濕化，所述的從導(dǎo)流板下端的空氣進口進來的空氣剛進入電極時也處于干燥狀態(tài)，容易將電極中的質(zhì)子交換膜里的水帶走，隨著電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，到達電極中部與上半部時就有大量的水生成，使質(zhì)子交換膜的上半部得到濕化，這種綜合效應(yīng)使整個質(zhì)子交換膜處于均勻水分布狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種可使燃料電池中的質(zhì)子交換膜得到均勻水分布的方法，其特征在于，對燃料電池導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)進行改進，具體是在燃料電池導(dǎo)流板的上、下端或左、右端各設(shè)一氣體進口，同時在燃料電池導(dǎo)流板的上、下端或左、右端也各設(shè)一氣體出口，所述的設(shè)在導(dǎo)流板上端的氣體進口通過至少一條導(dǎo)流槽與設(shè)在導(dǎo)流板下端的氣體出口連通，所述的設(shè)在導(dǎo)流板下端的氣體進口也通過至少一條導(dǎo)流槽與設(shè)在導(dǎo)流板上端的氣體出口連通，分別從導(dǎo)流板上、下端的氣體進口進來的氣體沿各自的導(dǎo)流槽相對逆向行走，再分別從導(dǎo)流板上、下端的氣體出口出去；所述的從導(dǎo)流板上端氣體進口進來的氣體剛進入電極時處于干燥狀態(tài)，容易將電極中的質(zhì)子交換膜里的水帶走，隨著電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，到達電極中部與下半部時就有大量的水生成，使質(zhì)子交換膜的下半部得到濕化，所述的從導(dǎo)流板下端的氣體進口進來的氣體剛進入電極時也處于干燥狀態(tài)，容易將電極中的質(zhì)子交換膜里的水帶走，隨著電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，到達電極中部與上半部時就有大量的水生成，使質(zhì)子交換膜的上半部得到濕化，這種綜合效應(yīng)使整個質(zhì)子交換膜處于均勻水分布狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可使燃料電池中的質(zhì)子交換膜得到均勻水分布的方法，其特征在于，所述的氣體為氧化劑氣體或燃料氫氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種可使燃料電池中的質(zhì)子交換膜得到均勻水分布的方法，其特征在于，所述的氧化劑氣體為空氣或氧氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可使燃料電池中的質(zhì)子交換膜得到均勻水分布的方法，其特征在于，所述的從導(dǎo)流板上、下端或左、右端的氣體進口進來的氣體來自同一氣源，統(tǒng)一進氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可使燃料電池中的質(zhì)子交換膜得到均勻水分布的方法，其特征在于，所述的從導(dǎo)流板上、下端或左、右端的氣體出口出來的氣體合并統(tǒng)一出氣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可使燃料電池中的質(zhì)子交換膜得到均勻水分布的方法，該方法是對燃料電池導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)進行改進，具體是在燃料電池導(dǎo)流板的上、下端各設(shè)一氣體進、出口，該上、下氣體進口通過至少一條導(dǎo)流槽與設(shè)在導(dǎo)流板下、上端的氣體出口連通，分別從導(dǎo)流板上、下端的氣體進口進來的氣體延各自的導(dǎo)流槽相對逆向行走，隨著電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，使整個質(zhì)子交換膜都處于均勻水分布狀態(tài)。
文檔編號H01M8/04GK1393951SQ0111315
公開日2003年1月29日 申請日期2001年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月29日
發(fā)明者胡里清 申請人:上海神力科技有限公司