專利名稱：一種運行穩(wěn)定性較高的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及一種運行穩(wěn)定性較高的燃料電池。
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)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(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械支撐，導(dǎo)流板上的導(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?？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(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。
質(zhì)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(zhì)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(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)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為減壓閥，4為空氣過濾裝置，5為空氣壓縮供應(yīng)裝置；6、6’分別為出電堆氫氣、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。
燃料電池工作需要對空氣側(cè)和氫氣側(cè)進行增濕，以保證燃料電池能正常工作。由于在燃料電池空側(cè)或氫側(cè)增濕器到燃料電池空側(cè)或氫側(cè)進口有一段距離，因此往往會有水滴從氣流中析出，然而小水滴之間的碰撞會生成較大的水滴，甚至成為一個水團懸在氣流中，如圖2所示。這種大水滴或懸在氣流中的水團一旦進入電堆就會對電堆中的導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流槽造成堵塞，對電極造成燃料或氧化劑的饑餓狀態(tài)，從而對電極的性能造成極大的影響，降低電極的使用壽命，嚴重時會使電極報廢。

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運行穩(wěn)定性較高的燃料電池，該燃料電池可使進入電堆參加反應(yīng)的增濕空氣或增濕氫氣中不含液態(tài)物質(zhì)，從而可提高其運行穩(wěn)定性，延長其使用壽命。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種運行穩(wěn)定性較高的燃料電池，包括燃料電池堆、儲氫裝置、氫減壓閥、氫氣增濕裝置、空氣過濾裝置、空氣壓縮供應(yīng)裝置、空氣增濕裝置、出電堆氫氣水—汽分離器、氫循環(huán)泵、出電堆空氣水—汽分離器、水箱、冷卻流體循環(huán)泵、散熱器，其特征在于，還包括增濕空氣水—汽分離器、增濕氫氣水—汽分離器，所述的增濕空氣水—汽分離器或增濕氫氣水—汽分離器包括殼體，在該殼體內(nèi)設(shè)有至少二層過濾層，所述的增濕空氣或氫氣水—汽分離器的一端與空氣或氫氣增濕裝置的出口端連通，另一端與燃料電池堆的空氣或氫氣進口端連通。
所述的過濾層為二層。
所述的過濾層由多孔性玻璃或者由多孔性塑料材料膜構(gòu)成。
所述的增濕空氣或氫氣水—汽分離器垂直設(shè)置，其殼體下側(cè)部設(shè)有增濕空氣或氫氣進口，殼體頂部設(shè)有濕空氣或氫氣出口，殼體底部設(shè)有出水口，該出水口設(shè)有一可控制定時排水的常閉電磁閥。
所述的出水口向上延伸呈倒喇叭狀。
所述的殼體呈圓柱形。
本發(fā)明采用特殊材料——多孔性玻璃(或采用聚四氟乙烯多孔膜)。氣流流過增濕空氣或增濕氫氣水—汽分離器時，氣體可以從第一層多孔性玻璃表面散開，而水分子則被其擋掉了。為提高過濾效果，這些經(jīng)過一層過濾的氣體再經(jīng)過第二層多孔性玻璃，將氣流中帶有的水份充分的過濾掉。這些過濾出來的水份通過排水管排掉，從而達到了汽水分離的目的。本發(fā)明能顯著提高燃料電池運行的穩(wěn)定性。


圖1為現(xiàn)有燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有燃料電池中空氣或氫氣增濕器出口與電堆空氣或氫氣進口之間的管道內(nèi)形成小水滴和懸浮水團的示意圖；圖3為本發(fā)明燃料電池增濕空氣或增濕氫氣水—汽分離器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
實施例1如圖3所示，一種運行穩(wěn)定性較高的1～200KW燃料電池，包括燃料電池堆1、儲氫裝置2、氫減壓閥3、空氣過濾裝置4、空氣壓縮供應(yīng)裝置5、出電堆氫氣水—汽分離器6、出電堆空氣水—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、增濕空氣或增濕氫氣水—汽分離器13。
所述的增濕空氣或增濕氫氣水—汽分離器13包括殼體131，在該殼體131內(nèi)設(shè)有二層過濾層132，該過濾層132為多孔性玻璃構(gòu)成。
所述的增濕空氣或增濕氫氣水—汽分離器13垂直設(shè)置，其殼體131呈圓柱形，該殼體131下側(cè)部設(shè)有增濕空氣或增濕氫氣進口133，殼體131頂部設(shè)有濕空氣或濕氫氣(無液體水)出口134，殼體131底部設(shè)有出水口135，該出水口135向上延伸呈倒喇叭狀，在該出水口135上設(shè)有常閉型電磁閥136以定時控制打開排水。
所述的增濕空氣或增濕氫氣水—汽分離器13的一端與空氣增濕裝置12或氫氣增濕裝置11的出口端連通，另一端與燃料電池堆1的空氣進口或氫氣進口端連通。
請參照圖2所示，本實施例中，從空氣增濕裝置12或氫氣增濕裝置11出口端出來的增濕空氣或增濕氫氣經(jīng)過一段管道121后不可避免地會凝結(jié)一些小水滴122或懸浮水團123，該增濕空氣或增濕氫氣進入本發(fā)明增濕空氣或增濕氫氣水—汽分離器13的增濕空氣或增濕氫氣進口133后，由下往上通過第一層多孔性玻璃過濾層132，這時大部分小水滴122及全部懸浮水團123均被擋住，只有濕空氣或濕氫氣通過，該濕空氣或濕氫氣再通過第二層多孔性玻璃過濾層132，這時幾乎全部液態(tài)水均被擋住，只有汽態(tài)水和空氣或氫氣所構(gòu)成的濕空氣或濕氫氣通過，該濕空氣或濕氫氣由濕空氣或濕氫氣出口134出來后立即進入燃料電池堆1的空氣或氫氣進口參加反應(yīng)。，實施例2請參照圖3所示，一種運行穩(wěn)定性較高的1～200KW燃料電池，包括燃料電池堆1、儲氫裝置2、氫減壓閥3、空氣過濾裝置4、空氣壓縮供應(yīng)裝置5、出電堆氫氣水—汽分離器6、出電堆空氣水—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、增濕空氣或增濕氫氣水—汽分離器13。
所述的增濕空氣或增濕氫氣水—汽分離器13包括殼體131，在該殼體131內(nèi)設(shè)有三層過濾層132，該過濾層132為多孔性聚四氟乙烯膜構(gòu)成，其余結(jié)構(gòu)與實施例1相同。
請參照圖1、圖2，本實施例是用于空氣增濕裝置12或氫氣增濕裝置11的出口端與燃料電池堆1的空氣或氫氣進口之間的連接管道121比較長、產(chǎn)生的小水滴122和懸浮水團123比較多的場合。
以此類推，還可以派生出過濾層132為四層、五層等更多實施例，這些實施例均為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種運行穩(wěn)定性較高的燃料電池，包括燃料電池堆、儲氫裝置、氫減壓閥、氫氣增濕裝置、空氣過濾裝置、空氣壓縮供應(yīng)裝置、空氣增濕裝置、出電堆氫氣水—汽分離器、氫循環(huán)泵、出電堆空氣水—汽分離器、水箱、冷卻流體循環(huán)泵、散熱器，其特征在于，還包括增濕空氣水—汽分離器、增濕氫氣水—汽分離器，所述的增濕空氣水—汽分離器或增濕氫氣水—汽分離器包括殼體，在該殼體內(nèi)設(shè)有至少二層過濾層，所述的增濕空氣或氫氣水—汽分離器的一端與空氣或氫氣增濕裝置的出口端連通，另一端與燃料電池堆的空氣或氫氣進口端連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種運行穩(wěn)定性較高的燃料電池，其特征在于，所述的過濾層為二層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種運行穩(wěn)定性較高的燃料電池，其特征在于，所述的過濾層由多孔性玻璃或者由多孔性塑料材料膜構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種運行穩(wěn)定性較高的燃料電池，其特征在于，所述的增濕空氣或氫氣水—汽分離器垂直設(shè)置，其殼體下側(cè)部設(shè)有增濕空氣或氫氣進口，殼體頂部設(shè)有濕空氣或氫氣出口，殼體底部設(shè)有出水口，該出水口設(shè)有一可控制定時排水的常閉電磁閥。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種運行穩(wěn)定性較高的燃料電池，其特征在于，所述的出水口向上延伸呈倒喇叭狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種運行穩(wěn)定性較高的燃料電池，其特征在于，所述的殼體呈圓柱形。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種運行穩(wěn)定性較高的燃料電池，包括燃料電池堆、儲氫裝置、氫減壓閥、氫氣增濕裝置、空氣過濾裝置、空氣壓縮供應(yīng)裝置、空氣增濕裝置、出電堆氫氣水－汽分離器、氫循環(huán)泵、出電堆空氣水－汽分離器、水箱、冷卻流體循環(huán)泵、散熱器、增濕空氣水－汽分離器、增濕氫氣水－汽分離器，該增濕空氣水－汽分離器或增濕氫氣水－汽分離器包括殼體，在該殼體內(nèi)設(shè)有至少二層過濾層，所述的增濕空氣或氫氣水－汽分離器的一端與空氣或氫氣增濕裝置的出口端連通，另一端與燃料電池堆的空氣或氫氣進口端連通。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可使進入電堆參加反應(yīng)的增濕空氣或氫氣中不含液態(tài)物質(zhì)，從而可提高燃料電池的運行穩(wěn)定性，延長其使用壽命。
文檔編號H01M8/10GK1815788SQ20051002373
公開日2006年8月9日 申請日期2005年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月1日
發(fā)明者夏建偉, 章波, 胡里清 申請人:上海神力科技有限公司