專利名稱：一種具有較高運行穩(wěn)定性的燃料電池的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及燃料電池，尤其涉及一種具有較高運行穩(wěn)定性的燃料電池。
背景技術：
電化學燃料電池是一種能夠將氫及氧化劑轉化成電能及反應產物的裝置。該裝置的內部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細小分散的引發(fā)電化學反應的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導電物體將發(fā)生電化學發(fā)應過程中生成的電子，通過外電路引出，構成電流回路。
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)生電化學反應，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質子交換膜，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)生電化學反應得到電子，形成負離子。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，形成反應產物。
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)的質子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)的催化電化學反應就產生了氫正離子(或叫質子)。質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生爆發(fā)式反應。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負離子，并與陽極區(qū)遷移過來的氫正離子反應，生成反應產物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質子交換膜燃料電池中，陽極反應與陰極反應可以用以下方程式表達
陽極反應陰極反應在典型的質子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導電的極板中間，每塊導流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流槽。這些導流極板可以上金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導流極板上的流體孔道與導流槽分別將燃料和氧化劑導入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個質子交換膜燃料電池單電池的構造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導流板與陰極氧化劑的導流板。這些導流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導流板上的導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。
為了增大整個質子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通?？赏ㄟ^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流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面，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流進口和導流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經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、陰極面的導流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內冷卻通道中，將燃料電池內氫、氧電化學放熱反應生成的熱吸收并帶出電池組進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應的導流通道，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。
質子交換膜燃料電池可用作車、船等運載工具的動力系統(tǒng)，又可用作移動式、固定式的發(fā)電裝置。
質子交換膜燃料電池可用作車、船動力系統(tǒng)或移動式和固定式發(fā)電站時，必須包括電池堆、燃料氫氣供應系統(tǒng)、空氣供應子系統(tǒng)、冷卻散熱子系統(tǒng)、自動控制及電能輸出各個部分。
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為儲氫瓶或其他儲氫裝置，3為氫氣減壓閥，4為空氣過濾裝置，5為空氣壓縮供應裝置，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)集成與運行原理，向燃料電池堆輸送的氫氣與空氣必須經過穩(wěn)壓并經過增濕裝置11、12后，變成達到一定相對濕度與溫度的濕空氣、氫氣，然后該濕空氣、氫氣再進入燃料電池堆中發(fā)生電化學反應。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，過量的空氣、氫氣可以造成燃料電池堆中的核心部件—膜電極中的質子交換膜失水，質子交換膜失水將造成燃料電池內阻急劇增加，運行性能急劇下降。
但是目前的技術方案向燃料電池堆輸送的氫氣與空氣經過增濕后變成達到一定相對濕度與溫度的濕空氣、氫氣后直接進入燃料電池堆發(fā)生電化學反應有以下技術缺陷(1)當向燃料電池堆輸送的氫氣與空氣流量發(fā)生較大變化時，比如在流量較小時，容易造成過增濕，那么當溫度降低時進入燃料電池堆前容易凝結出少量液態(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流槽、空氣導流槽中，造成導流槽的堵水。某個單電池中氫氣導流槽中堵水或空氣導流槽中堵水會造成該單電池處于燃料氫氣或空氣供應不足的饑餓狀態(tài)，該單電池性能將急劇下降，嚴重時會導致該電極反極而燒毀。
(2)當向燃料電池堆輸送的氫氣與空氣壓力發(fā)生波動時，比如壓力增加時，容易造成原壓力較小時，相對濕度很高的增濕后的空氣，氫氣進入燃料電池堆時造成凝結出少量液態(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)集成與運行原理為了防止上述冷凝水堵水問題發(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、氫氣的管道均實行絕熱層包裹，防止散熱冷凝現象發(fā)生。但這些措施仍無法完全防止上述問題的發(fā)生，電池運行仍不夠穩(wěn)定。
實用新型內容本實用新型的目的就是為了克服上述現有技術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行穩(wěn)定性的燃料電池。
本實用新型的目的可以通過以下技術方案來實現一種具有較高運行穩(wěn)定性的燃料電池，包括燃料電池堆、儲氫裝置、氫氣減壓閥、氫氣穩(wěn)壓閥、空氣過濾裝置、空氣壓縮供應裝置、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—汽分離器設在燃料電池堆的氫氣進口端，所述的第二空氣水—汽分離器設在燃料電池堆的空氣進口端。
所述的第二氫氣水—汽分離器設在氫氣增濕裝置與燃料電池堆進氫氣口之間。
所述的第二氫氣水—汽分離器設在近燃料電池堆進氫氣口處。
所述的第二空氣水—汽分離器設在空氣增濕裝置與燃料電池堆進空氣口之間。
所述的第二空氣水—汽分離器設在近燃料電池堆進空氣口處。
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。
與現有技術相比，本實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口，讓增濕后的氫氣、空氣先分別進入這種水—汽分離器，然后馬上進入燃料電池堆發(fā)生化學反應。這樣，當增濕后氫氣、空氣在進入燃料電池堆以前，即使發(fā)生溫度下降，壓力波動變大，可以較完全地在水—汽分離器中將冷凝水完全分離下來，保證進入燃料電池堆時沒有液態(tài)水帶入，從而使原料氫氣、空氣增濕均勻適量，燃料電池運行穩(wěn)定。


圖1為現有燃料電池運行系統(tǒng)的結構示意圖；圖2為本實用新型燃料電池的結構示意圖；圖3為本實用新型氫氣水—汽分離器的結構示意圖；圖4為本實用新型空氣水—汽分離器的結構示意圖。
具體實施方式
下面將結合具體實施例對本實用新型作進一步說明。
實施例如圖2，并結合圖1所示，一種具有較高運行穩(wěn)定性的燃料電池，包括燃料電池堆1、儲氫裝置2、氫氣減壓閥3、氫氣穩(wěn)壓閥23、空氣過濾裝置4、空氣壓縮供應裝置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設在燃料電池堆1的氫氣進口端，所述的第二空氣水—汽分離器14設在燃料電池堆1的空氣進口端。
上述第二氫氣水—汽分離器13進一步設在氫氣增濕裝置11與燃料電池堆1進氫氣口之間，且該第二氫氣水—汽分離器13設在近燃料電池堆1進氫氣口處。
上述第二空氣水—汽分離器14進一步設在空氣增濕裝置12與燃料電池堆1進空氣口之間，且該第二空氣水—汽分離器14設在近燃料電池堆1進空氣口處。
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—汽分離器應分別按照燃料電池堆功率大小及氫氣、空氣流量大小進行別設計。在本實施例中，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設在分離器本體132的底部，所述的氫氣進氣管131、氫氣出氣管135設在分離器本體132的頂部；從氫氣進氣管131進入的增濕氫氣中含有部分冷凝水，經分離器本體132分離后，增濕氫氣中的冷凝水被完全分離下來，從氫氣出氣管135出去的氫氣(立即進入燃料電池堆1參加反應)為不帶液態(tài)水的增濕氫氣，從而確保了燃料電池的運行穩(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設在分離器本體142的底部，所述的空氣進氣管141、空氣出氣管145設在分離器本體142的頂部；從空氣進氣管141進入的增濕空氣中含有部分冷凝水，經分離器本體142分離后，增濕空氣中的冷凝水被完全分離下來，從空氣出氣管145出去的空氣(立即進入燃料電池堆1參加反應)為不帶液態(tài)水的增濕空氣，從而確保了燃料電池的運行穩(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。
權利要求1.一種具有較高運行穩(wěn)定性的燃料電池，包括燃料電池堆、儲氫裝置、氫氣減壓閥、氫氣穩(wěn)壓閥、空氣過濾裝置、空氣壓縮供應裝置、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-汽分離器設在燃料電池堆的氫氣進口端，所述的第二空氣水-汽分離器設在燃料電池堆的空氣進口端。
2.根據權利要求1所述的一種具有較高運行穩(wěn)定性的燃料電池，其特征在于，所述的第二氫氣水-汽分離器設在氫氣增濕裝置與燃料電池堆進氫氣口之間。
3.根據權利要求1或2所述的一種具有較高運行穩(wěn)定性的燃料電池，其特征在于，所述的第二氫氣水-汽分離器設在近燃料電池堆進氫氣口處。
4.根據權利要求1所述的一種具有較高運行穩(wěn)定性的燃料電池，其特征在于，所述的第二空氣水-汽分離器設在空氣增濕裝置與燃料電池堆進空氣口之間。
5.根據權利要求1或4所述的一種具有較高運行穩(wěn)定性的燃料電池，其特征在于，所述的第二空氣水-汽分離器設在近燃料電池堆進空氣口處。
6.根據權利要求1所述的一種具有較高運行穩(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.根據權利要求1所述的一種具有較高運行穩(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。
專利摘要本實用新型涉及一種具有較高運行穩(wěn)定性的燃料電池，包括燃料電池堆、儲氫裝置、氫氣減壓閥、氫氣穩(wěn)壓閥、空氣過濾裝置、空氣壓縮供應裝置、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－汽分離器設在燃料電池堆的氫氣進口端，所述的第二空氣水－汽分離器設在燃料電池堆的空氣進口端。與現有技術相比，本實用新型在燃料電池堆的原料氣進口處設置了一種高效水－汽分離器，使進入燃料電池堆的氫氣與空氣沒有液態(tài)水帶入，從而確保了燃料電池的運行穩(wěn)定性。
文檔編號H01M8/00GK2718795SQ200420081719
公開日2005年8月17日 申請日期2004年8月11日 優(yōu)先權日2004年8月11日
發(fā)明者胡里清, 夏建偉, 章波, 郭偉良 申請人:上海神力科技有限公司