專利名稱：燃料電池運(yùn)行中的去離子系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及燃料電池運(yùn)行中的去離子系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
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(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)反應(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)電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)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(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(jī)械支撐，導(dǎo)流極板上的導(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?？赏ㄟ^(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(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后進(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。
在陽(yáng)極區(qū)的正氫離子遷移穿過(guò)質(zhì)子交換膜，通常需要攜帶大量的水分子一起通過(guò)，所以膜的兩邊表面必須保持水分子存在，才能使正氫離子的遷移電導(dǎo)不受影響。因此，燃料與氧化劑氣體在進(jìn)入燃料電池活性區(qū)進(jìn)行反應(yīng)之前，必須進(jìn)行濕化，以便保證膜電極中的膜處于水濕化飽和狀態(tài)。
目前，在所有質(zhì)子交換膜燃料電池運(yùn)行系統(tǒng)中，都裝有去離子器，任何與膜電極有直接或間接接觸的流體，都應(yīng)不含任何對(duì)膜電極造成潛在危害的離子，包括正離子與負(fù)離子。在燃料電池運(yùn)行過(guò)程中，由于各種流體對(duì)管路及各種控制閥門的磨損與侵蝕，也會(huì)產(chǎn)生額外的對(duì)膜電極有危害的離子，所以，裝去離子器非常重要。目前燃料電池運(yùn)行系統(tǒng)中的去離子器均是直接接入流體循環(huán)管路中，如圖1所示，這種工藝方法存在以下缺陷1).去離子器直接納入循環(huán)管道中，增加了管道阻力，從而增加了額外的能耗，如要減少阻力必然增大了去離子器的體積。
2).一般來(lái)說(shuō)循環(huán)冷卻水溫度較高接近80℃，而這樣的冷卻水直接進(jìn)入去離子器會(huì)使去離子器內(nèi)部的樹脂變性，加速分解失效。

發(fā)明內(nèi)容
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減少管路的循環(huán)阻力、提高去離子器使用壽命的燃料電池運(yùn)行中的去離子系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)燃料電池運(yùn)行中的去離子系統(tǒng)，包括燃料電池、主熱交換器、流體循環(huán)泵、去離子器以及連接上述各操作單元的流體管路、在該管路內(nèi)流動(dòng)的流體，所述的主熱交換器設(shè)在燃料電池出口端與流體循環(huán)泵進(jìn)口端之間的流體管路上，其特點(diǎn)是，還包括輔熱交換器、節(jié)流閥，所述的輔熱交換器設(shè)在去離子器之前構(gòu)成去離子管路，所述的節(jié)流閥與該去離子管路并聯(lián)后接入流體管路，所述的流體循環(huán)泵設(shè)在主熱交換器出口端與該并聯(lián)流體管路進(jìn)口端之間的流體管路上，所述的流體從燃料電池出來(lái)后經(jīng)主熱交換器散熱降溫，再經(jīng)流體循環(huán)泵打入節(jié)流閥與去離子管路構(gòu)成的并聯(lián)管路，大部分流體經(jīng)節(jié)流閥直接進(jìn)入燃料電池循環(huán)，少部分流體經(jīng)輔熱交換器散熱降溫后進(jìn)入去離子器去除離子再進(jìn)入燃料電池循環(huán)。
所述的流體為循環(huán)冷卻水。
所述的流體從燃料電池出來(lái)后經(jīng)主熱交換器散熱降溫至80℃。
所述的流體經(jīng)輔熱交換器散熱降溫至40℃。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1).冷卻水只是部分進(jìn)入去離子器，進(jìn)入去離子器部分多少，用節(jié)流閥來(lái)控制，從而減少了管路中冷卻水的循環(huán)阻力。
2).在去離子器前面加一個(gè)外散熱器，使冷卻水進(jìn)外散熱器之后溫度從80℃降至40℃，從而使去離子器內(nèi)的樹脂能延長(zhǎng)壽命，高效使用。
3).這種設(shè)計(jì)能保證內(nèi)部循環(huán)冷卻水內(nèi)的離子濃度一直保持很低，而且顆粒性雜質(zhì)也很少。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的去離子系統(tǒng)示意圖；圖2為本發(fā)明的去離子系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例燃料電池運(yùn)行中的去離子系統(tǒng)，包括燃料電池1、主熱交換器2、冷卻水循環(huán)泵3、輔熱交換器4、節(jié)流閥5、去離子器6以及連接上述各操作單元的冷卻水管路7、在該管路內(nèi)流動(dòng)的冷卻水(圖未示)，所述的主熱交換器2設(shè)在燃料電池1出口端與冷卻水循環(huán)泵3進(jìn)口端之間的冷卻水管路上，所述的輔熱交換器4設(shè)在去離子器6之前構(gòu)成去離子管路，所述的節(jié)流閥5與該去離子管路并聯(lián)后接入冷卻水管路7；所述的冷卻水從燃料電池1出來(lái)后經(jīng)主熱交換器2散熱降溫至80℃，再經(jīng)冷卻水循環(huán)泵3打入節(jié)流閥與去離子管路構(gòu)成的并聯(lián)管路，大部分冷卻水經(jīng)節(jié)流閥5直接進(jìn)入燃料電池循環(huán)，少部分冷卻水經(jīng)輔熱交換器4散熱降溫至40℃后進(jìn)入去離子器6去除離子再進(jìn)入燃料電池循環(huán)。按這種工藝方法，冷卻水的離子濃度從10μs可以降至1μs。
權(quán)利要求
1.燃料電池運(yùn)行中的去離子系統(tǒng)，包括燃料電池、主熱交換器、流體循環(huán)泵、去離子器以及連接上述各操作單元的流體管路、在該管路內(nèi)流動(dòng)的流體，所述的主熱交換器設(shè)在燃料電池出口端與流體循環(huán)泵進(jìn)口端之間的流體管路上，其特征在于，還包括輔熱交換器、節(jié)流閥，所述的輔熱交換器設(shè)在去離子器之前構(gòu)成去離子管路，所述的節(jié)流閥與該去離子管路并聯(lián)后接入流體管路，所述的流體循環(huán)泵設(shè)在主熱交換器出口端與該并聯(lián)流體管路進(jìn)口端之間的流體管路上，所述的流體從燃料電池出來(lái)后經(jīng)主熱交換器散熱降溫，再經(jīng)流體循環(huán)泵打入節(jié)流閥與去離子管路構(gòu)成的并聯(lián)管路，大部分流體經(jīng)節(jié)流閥直接進(jìn)入燃料電池循環(huán)，少部分流體經(jīng)輔熱交換器散熱降溫后進(jìn)入去離子器去除離子再進(jìn)入燃料電池循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池運(yùn)行中的去離子系統(tǒng)，其特征在于，所述的流體為循環(huán)冷卻水。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池運(yùn)行中的去離子系統(tǒng)，其特征在于，所述的流體從燃料電池出來(lái)后經(jīng)主熱交換器散熱降溫至80℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池運(yùn)行中的去離子系統(tǒng)，其特征在于，所述的流體經(jīng)輔熱交換器散熱降溫至40℃。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃料電池運(yùn)行中的去離子系統(tǒng)，包括燃料電池、流體循環(huán)泵、去離子器、節(jié)流閥、主輔熱交換器，以及連接上述各操作單元的流體管路、在該管路內(nèi)流動(dòng)的流體，所述的輔熱交換器設(shè)在去離子器之前構(gòu)成去離子管路，所述的流體經(jīng)主熱交換器降溫，再經(jīng)流體循環(huán)泵打入節(jié)流閥與去離子管路構(gòu)成的并聯(lián)管路后進(jìn)入燃料電池循環(huán)使用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可減少管路的循環(huán)阻力、提高去離子器使用壽命。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1393952SQ01113249
公開日2003年1月29日 申請(qǐng)日期2001年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月4日
發(fā)明者胡里清 申請(qǐng)人:上海神力科技有限公司