專利名稱：一種可使燃料電池的氫氣與氧氣充分利用的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及一種可使燃料電池的氫氣與氧氣充分利用的裝置。
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(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)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(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，正離子可通過遷移穿過質(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，通過滲透穿過多孔性擴(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(dá)
陽極反應(yīng)H2→2H++2e陰極反應(yīng)1/2O2+2H++2e→H2O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(jī)械銑刻，形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)流極板可以是金屬材料的極板，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(jī)械支撐，導(dǎo)流板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(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，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端板上或兩個端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池既可以用作車、船等運載工具的動力系統(tǒng)，又可以用作移動式或固定式發(fā)電站。
為了提高整個燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，在燃料、氧化劑供給和利用方面有如下要求(1)燃料、氧化劑供給燃料電池電極二側(cè)的壓力基本平衡。
(2)燃料供給燃料電池的計量比一般大于1.0。
(3)氧化劑供給燃料電池的計量比一般大于1.0。
(4)燃料(特別是純氫)、氧化劑(特別是純氧時)供給燃料電池時大于1.0計量比的過量部分不可以白白離開燃料電池放掉，而是應(yīng)設(shè)法循環(huán)充分利用。
質(zhì)子交換膜燃料電池是所有燃料電池中的一種，一般以純氫為燃料，以純氧(或空氣)為氧化劑。為了提高整個質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的燃料、氧化劑能量轉(zhuǎn)換效率，也必須滿足以上四個要求，特別是第四點，對充分利用燃料、氧化劑的要求意義重大。
為了達(dá)到燃料、氧化劑充分利用這一要求，目前有一專利技術(shù)，US Patent5,441,821上介紹的方法，如圖1所示，該技術(shù)采用了一種叫引射泵的裝置。該裝置利用高壓進(jìn)氣端(圖中126)高速通過狹長的流道及細(xì)小的道孔(圖中202)，噴射到低壓出氣端，并在吸氣端(圖中128)造成真空狀態(tài)，將燃料電池中大于計量比1.0的剩余燃料或氧化劑引射回來，達(dá)到循環(huán)充分利用的目的。
這一種引射泵技術(shù)與引射泵工作方法雖然可以達(dá)到燃料或氧化劑充分利用的目的，但存在以下不可克服的缺點(1)引射泵加工要求非常高，難度很大，對不同流量要求，及不同進(jìn)氣端，出氣端壓力要求及不同引射泵量要求；引射泵加工差別非常大，無法達(dá)到通用性。
(2)引射泵進(jìn)氣端往往要求燃料或氧化劑的壓力非常高，經(jīng)過引射泵后，又突然造成出氣端的壓力降低，導(dǎo)致引射泵進(jìn)氣端與出氣端壓力差很大。而燃料電池內(nèi)的燃料或氧化劑供給壓力一般必須保持相對恒定，所以必須在引射泵進(jìn)氣端前加一種控制要求非常高的壓力調(diào)節(jié)控制裝置，當(dāng)燃料電池消耗燃料、氧化劑量發(fā)生變化時，前端壓力可自動調(diào)節(jié)。當(dāng)這種壓力調(diào)節(jié)控制裝置失靈時，引射泵進(jìn)氣端壓力將與出氣端壓力相等，造成燃料電池內(nèi)承受超高壓而導(dǎo)致破損。
(3)這種壓力自動調(diào)節(jié)裝置主要由壓力傳感器及電磁閥、電動調(diào)節(jié)閥組成，是一種很昂貴的器件，容易導(dǎo)致失控。

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結(jié)構(gòu)簡單、操控方便、成本較低的可使燃料電池的氫氣與氧氣充分利用的裝置。
本發(fā)明的目的可以通過一下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種可使燃料電池的氫氣與氧氣充分利用的裝置，其特征在于，包括氫氣或氧氣進(jìn)氣主管道、氫氣或氧氣進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)閥、燃料電池堆，所述的氫氣或氧氣進(jìn)氣主管道與燃料電池堆的氫氣或氧氣進(jìn)口相連，所述的氫氣或氧氣進(jìn)氣主管道的同流向設(shè)有歧管，該歧管的另一端與燃料電池堆的氫氣或氧氣出口相連；所述的氫氣或氧氣進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)入燃料電池堆的氫氣或氧氣壓力，該氫氣或氧氣壓力應(yīng)確保供給燃料電池堆的氫氣或氧氣計量比大于1.0，從燃料電池堆氫氣或氧氣出口出來的多余氫氣或氧氣通過歧管吸引回氫氣或氧氣進(jìn)氣主管道循環(huán)使用。
所述的氫氣或氧氣進(jìn)氣主管道分為一支或一支以上，該一支或一支以上氫氣或氧氣進(jìn)氣主管道的同流向各設(shè)有歧管。
所述的一支以上氫氣或氧氣進(jìn)氣主管道的進(jìn)口連為一體，所述的一支以上氫氣或氧氣進(jìn)氣主管道的出口合流后與燃料電池堆的氫氣或氧氣進(jìn)口相連，所述的一支以上歧管合流后與燃料電池堆的氫氣或氧氣出口相連。
所述的氫氣或氧氣進(jìn)氣主管道與歧管的連接處呈狹喉道狀。
所述的氫氣或氧氣進(jìn)氣主管道與歧管的同流向呈銳角設(shè)置。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(1)燃料電池內(nèi)部燃料或氧化劑壓力很容易控制，僅需機(jī)械式穩(wěn)壓或調(diào)壓閥即可，價格便宜。
(2)這種新發(fā)明裝置與方法實施比較便利。
(3)燃料電池燃料或氧化劑可以充分得到利用。
(4)在歧管處主流道加工成狹喉道形狀，以增加流體流速，增強(qiáng)對歧管的流體的吸引力。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明燃料電池堆氫氣或氧氣進(jìn)氣管中狹喉道的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明燃料電池堆氫氣或氧氣進(jìn)氣管中另一種狹喉道的結(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(jìn)一步說明。
如圖4所示，當(dāng)流體I快速通過主管道5及狹喉道16時，歧管6內(nèi)的流體II將被吸致主管道5中。狹喉道16目的是增加流體對歧管處的流速，增強(qiáng)吸引力。將主管道5與燃料電池的燃料或氧化劑進(jìn)口相連，將歧管6與燃料電池中的燃料或氧化劑出口相連。并將主管道件的燃料或氧化劑向燃料電池供給的壓力通過調(diào)壓閥調(diào)節(jié)平衡，即可達(dá)到燃料電池內(nèi)部燃料或氧化劑運行壓力相對恒等，并將燃料或氧化劑大于1.0計量比的部分通過歧管循環(huán)吸引回來。
為了強(qiáng)化主管道中的流體對歧管中的流體吸引，可以通過以下措施達(dá)到目的如圖5所示，將主管道分為二支，使主管道管徑縮小，主管道內(nèi)流體分流為III，IV，使流體在分流后的主管道5，5’內(nèi)流速加快從而達(dá)到強(qiáng)化對歧管6，6’內(nèi)的流體吸引目的。
將主管道5，5，的進(jìn)口連為一體，并將主管道5，5’合流后與燃料電池的燃料或氧化劑進(jìn)口相連，將歧管6，6’合流后與燃料電池的燃料或氧化劑出口相連，可以達(dá)到提高燃料電池內(nèi)大于計量比1.0的燃料或氧化劑過余部分通過歧管吸回主管道。當(dāng)然，還可將主管道分流為數(shù)支(如3支，10支等)，將數(shù)支歧管道分別連于各分流主管道，并將數(shù)支主管道合流進(jìn)燃料電池進(jìn)口，將數(shù)支歧管道合流后連于燃料電池出口，可以達(dá)到提高燃料電池中燃料或氧化劑的運行計量比，并使100％充分利用。
實施例1如圖2所示，是一種氫空型10千瓦燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，氫氣壓縮容器1中可貯存2至1000個大氣壓的氫氣，經(jīng)過調(diào)壓穩(wěn)壓閥3后穩(wěn)壓在0.1至5個大氣壓的某個壓力下?？諝鈮嚎s泵2可供應(yīng)空氣壓力大小為0.1至8個大氣壓的某個特定工作壓力，經(jīng)調(diào)壓穩(wěn)壓閥4后，穩(wěn)壓在與上述氫氣減壓、穩(wěn)壓后的壓力大致對等。
氫氣經(jīng)過供應(yīng)主流道管5，在狹喉道16處流速提高，并對歧管6產(chǎn)生真空吸力。氫氣從燃料電池入口7進(jìn)入燃料電池，計量比為1.0的部分參與電化學(xué)反應(yīng)生成水，大于計量比為1.0的多余部分從燃料電池出口8處出來進(jìn)入水汽分離器9，分去水份后進(jìn)入歧管6，并重新循環(huán)吸入主流管道中。
空氣經(jīng)過穩(wěn)壓后，從燃料電池入口14進(jìn)入從燃料電池出口10處直接排出，沒有必要進(jìn)行循環(huán)充分利用。
另外，燃料電池20還需要冷氣流體經(jīng)流體泵13進(jìn)行循環(huán)，經(jīng)散熱器21散熱，達(dá)到冷卻目的。
燃料電池20以一定的速度消耗氫氣及穩(wěn)定輸出電壓、電流時，氫氣可以達(dá)到充分利用。
實施例2如圖3所示，是一種氫氧型10千瓦燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，氫氣壓縮容器1，氧氣壓縮容器2’各可貯存2至1000個大氣壓的氫氣和氧氣。經(jīng)過氫氣、氧氣供應(yīng)穩(wěn)壓閥3，4調(diào)壓穩(wěn)壓后，氫氣、氧氣供應(yīng)燃料電池壓力穩(wěn)定在0.1至5個大氣壓的某個壓力下，二個壓力大致對等。氫氣、氧氣各經(jīng)過供應(yīng)主流道管5，11后各在狹喉道16，15處流速提高，并各對歧管6，17產(chǎn)生真空吸力。氫氣、氧氣各從燃料電池入口7，14進(jìn)入燃料電池計量比為1.0的部分氫氣與氧氣參與電化學(xué)反應(yīng)生成水，并由燃料電池20向外輸出電流、電壓。大于計量比為1.0的多余部分的氫氣與氧氣各從燃料電池出口8，10出來各進(jìn)入水汽分離器9，12，分去水份后各進(jìn)入歧管6，17，并各重新循環(huán)吸入主流管道中。
另外，燃料電池20還需要冷卻流體經(jīng)流體泵13進(jìn)行循環(huán)，經(jīng)散熱器21散熱，達(dá)到冷卻目的。
燃料電池20以一定的速度消耗氫氣與氧氣及穩(wěn)定輸出電壓、電流時，氫氣與氧氣都可達(dá)到充分利用。
權(quán)利要求
1.一種可使燃料電池的氫氣與氧氣充分利用的裝置，其特征在于，包括氫氣或氧氣進(jìn)氣主管道、氫氣或氧氣進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)閥、燃料電池堆，所述的氫氣或氧氣進(jìn)氣主管道與燃料電池堆的氫氣或氧氣進(jìn)口相連，所述的氫氣或氧氣進(jìn)氣主管道的同流向設(shè)有歧管，該歧管的另一端與燃料電池堆的氫氣或氧氣出口相連；所述的氫氣或氧氣進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)入燃料電池堆的氫氣或氧氣壓力，該氫氣或氧氣壓力應(yīng)確保供給燃料電池堆的氫氣或氧氣計量比大于1.0，從燃料電池堆氫氣或氧氣出口出來的多余氫氣或氧氣通過歧管吸引回氫氣或氧氣進(jìn)氣主管道循環(huán)使用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可使燃料電池的氫氣與氧氣充分利用的裝置，其特征在于，所述的氫氣或氧氣進(jìn)氣主管道分為一支或一支以上，該一支或一支以上氫氣或氧氣進(jìn)氣主管道的同流向各設(shè)有歧管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種可使燃料電池的氫氣與氧氣充分利用的裝置，其特征在于，所述的一支以上氫氣或氧氣進(jìn)氣主管道的進(jìn)口連為一體，所述的一支以上氫氣或氧氣進(jìn)氣主管道的出口合流后與燃料電池堆的氫氣或氧氣進(jìn)口相連，所述的一支以上歧管合流后與燃料電池堆的氫氣或氧氣出口相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種可使燃料電池的氫氣與氧氣充分利用的裝置，其特征在于，所述的氫氣或氧氣進(jìn)氣主管道與歧管的連接處呈狹喉道狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種可使燃料電池的氫氣與氧氣充分利用的裝置，其特征在于，所述的氫氣或氧氣進(jìn)氣主管道與歧管的同流向呈銳角設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可使燃料電池的氫氣與氧氣充分利用的裝置，包括氫氣或氧氣進(jìn)氣主管道、氫氣或氧氣進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)閥、燃料電池堆，所述的氫氣或氧氣進(jìn)氣主管道與燃料電池堆的氫氣或氧氣進(jìn)口相連，所述的氫氣或氧氣進(jìn)氣主管道的同流向設(shè)有歧管，該歧管的另一端與燃料電池堆的氫氣或氧氣出口相連；所述的氫氣或氧氣進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)入燃料電池堆的氫氣或氧氣壓力，該氫氣或氧氣壓力應(yīng)確保供給燃料電池堆的氫氣或氧氣計量比大于1.0，從燃料電池堆氫氣或氧氣出口出來的多余氫氣或氧氣通過歧管吸引回氫氣或氧氣進(jìn)氣主管道循環(huán)使用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、操控方便、成本較低等優(yōu)點。
文檔編號H01M8/02GK1988235SQ200510111650
公開日2007年6月27日 申請日期2005年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月19日
發(fā)明者胡里清, 郭偉良, 胡卓滔 申請人:上海神力科技有限公司