可使進(jìn)入反應(yīng)的氫氣或空氣溫度與濕度穩(wěn)定的燃料電池制造技術(shù)

可使進(jìn)入反應(yīng)的氫氣或空氣溫度與濕度穩(wěn)定的燃料電池，包括燃料電池堆、儲(chǔ)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、氫氣水－汽分離器、氫循環(huán)泵、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，還包括空氣或氫氣溫度與濕度穩(wěn)定裝置，該空氣或氫氣溫度與濕度穩(wěn)定裝置設(shè)置在空氣或氫氣增濕裝置與空氣或氫氣進(jìn)入燃料電池堆的入口之間。（*該技術(shù)在2014年保護(hù)過期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本技術(shù)涉及燃料電池，尤其涉及可使進(jìn)入反應(yīng)的氫氣或空氣溫度與濕度穩(wěn)定的燃料電池。
技術(shù)介紹
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(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)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(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(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(yùn)行過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(gè)膜電極的陽極導(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一定方式連在一起而組成一個(gè)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(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。質(zhì)子交換膜燃料電池可用作車、船等運(yùn)載工具的動(dòng)力系統(tǒng)，又可用作移動(dòng)式、固定式的發(fā)電裝置。質(zhì)子交換膜燃料電池用作車、船動(dòng)力系統(tǒng)或移動(dòng)式和固定式發(fā)電站時(shí)，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(dòng)控制及電能輸出各個(gè)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(chǔ)氫瓶或其他儲(chǔ)氫裝置，3為減壓閥，4為空氣過濾慮裝置，5為空氣壓縮供應(yīng)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為氫氣增濕裝置，12為空氣增濕裝置。按照目前典型的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)集成與運(yùn)行原理，向燃料電池堆輸送的氫氣與空氣必須經(jīng)過穩(wěn)壓并經(jīng)過增濕裝置(11，12)后，變成達(dá)到一定相對(duì)濕度與溫度的濕空氣、氫氣然后再進(jìn)入燃料電池堆中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。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(shí)，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(zhì)子交換膜失水，質(zhì)子交換膜失水將造成燃料電池內(nèi)阻急劇增加，運(yùn)行性能急劇下降。目前應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池增濕裝置主要有以下幾種1.干空氣、燃料氫氣進(jìn)入燃料電池前，在增濕裝置中與純凈水進(jìn)行直接接觸、碰撞后使水分子與空氣分子呈混合均勻的氣態(tài)，空氣、水分子進(jìn)入燃料電池時(shí)，是達(dá)到一定相對(duì)濕度的空氣。2.干空氣或燃料氫氣與純凈水進(jìn)入燃料電池前，在增濕裝置中并沒有直接接觸，而是由一層可以讓水分子自由透過但不讓氣體分子透過的膜分隔開來，當(dāng)膜一邊流過干空氣或氫氣，而膜另一邊流過純凈水時(shí)，水分子就會(huì)自動(dòng)從膜一邊透過膜另一邊，使空氣分子與水分子混合達(dá)到一定的相對(duì)濕度的空氣。這種膜可以是質(zhì)子交換膜，如杜邦公司的Nafion膜等。3.上海神力科技有限公司專利技術(shù)的一種利用進(jìn)入燃料電池前的干空氣與出燃料電池的濕空氣進(jìn)行水交換的增濕裝置(專利申請(qǐng)?zhí)?2217654.3)，該增濕裝置由一個(gè)旋轉(zhuǎn)內(nèi)膽構(gòu)成，內(nèi)填充吸水材料，當(dāng)干空氣通過時(shí)，把內(nèi)膽中填充材料表面的水分子帶走，而濕空氣與水通過內(nèi)膽中填充材料表面重新吸附水分子。但是目前的技術(shù)方案向燃料電池堆輸送的氫氣與空氣經(jīng)過增濕后變成達(dá)到一定相對(duì)濕度與溫度的濕空氣、氫氣后直接進(jìn)入燃料電池堆發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)有以下技術(shù)缺陷1.一般來說，上述增濕裝置都是為燃料電池在額定工作狀態(tài)時(shí)的工作條件而設(shè)計(jì)的。當(dāng)向燃料電池堆輸送的氫氣與空氣流量發(fā)生較大變化時(shí)，比如在流量較小時(shí)，容易造成過增濕，過增濕的氫氣或空氣容易冷凝出少量液態(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(dǎo)流槽、空氣導(dǎo)流槽中。造成導(dǎo)流槽的堵水。某個(gè)單電池中氫氣導(dǎo)流槽中堵水或空氣導(dǎo)流槽中堵水會(huì)造成該單電池處于燃料氫或空氣供應(yīng)不足的饑餓狀態(tài)，該單電池性能將急劇下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致該電極反極而燒毀。2.上述增濕裝置的設(shè)計(jì)一般都是按燃料電池的額定工作狀態(tài)下，如額定工作溫度下，額定氫氣、空氣流量通過增濕裝置后可以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的氫氣、空氣相對(duì)濕度的控制。但當(dāng)外界溫度變化及外界空氣相對(duì)濕度變化較大時(shí)，經(jīng)過上述增濕裝置的氫氣、空氣相對(duì)濕度就會(huì)偏離目標(biāo)控制值，即要么過濕、要么過干，引起燃料電池運(yùn)行性能不穩(wěn)定。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本技術(shù)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有利于提高運(yùn)行穩(wěn)定性的可使進(jìn)入反應(yīng)的氫氣或空氣溫度與濕度穩(wěn)定的燃料電池。本技術(shù)的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)可使進(jìn)入反應(yīng)的氫氣或空氣溫度與濕度穩(wěn)定的燃料電池，包括燃料電池堆、儲(chǔ)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、氫氣水-汽分離器、氫循環(huán)泵、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，還包括空氣或氫氣溫度與濕度穩(wěn)定裝置，該空氣或氫氣溫度與濕度穩(wěn)定裝置設(shè)置在空本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：夏建偉，胡里清，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：上海神力科技有限公司，
類型：實(shí)用新型
國別省市：