CN100337359C - 一种可使燃料电池中的质子交换膜得到均匀水分布的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可使燃料电池中的质子交换膜得到均匀水分布的方法，该方法是对燃料电池导流板的结构进行改进，具体是在燃料电池导流板的上、下端各设一气体进、出口，该上、下气体进口通过至少一条导流槽与设在导流板下、上端的气体出口连通，分别从导流板上、下端的气体进口进来的气体延各自的导流槽相对逆向行走，随着电化学反应的发生，使整个质子交换膜都处于均匀水分布状态。
Description
本发明涉及一种可使燃料电池中的质子交换膜得到均匀水分布的方法。
电化学燃料电池是一种能够将氢燃料及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学反应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。
在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。
在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：
阳极反应：H2→2H++2e
阴极反应：1/2O2+2H++2e→H2O
在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导电极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导电极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导电极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流极板与阴极氧化剂的导流极板。这些导流极板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流极板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。
为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。
一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或由甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组后进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。
为了使质子交换膜燃料电池处于高性能的工作状态，必须始终保持其中质子交换膜处于湿化不失水的状态。因为当质子穿过质子交换膜时必须是水化质子，并且水化质子穿过质子交换膜时要携带许多水分子，如果质子交换膜处于失水的干状态，则质子穿过质子交换膜时的阻力很大，体现在燃料电池中的工作性能降低，严重时无法输出电流。
为了保持质子交换膜燃料电池中的质子交换膜处于不失水状态或处于湿化状态，目前有以下几种技术：
1.外增湿技术：就是让燃料氢气，氧化剂如氧气、空气先进行增湿，使燃料氢气、氧化剂气体含有一定的水蒸汽(达到一定的相对湿度)，然后再进入燃料电池反应，如：美国专利US.Patent 6,106,964(2000年8月)所述的那样。
2.内增湿技术：内增湿技术的基本原理与外增湿一样，只不过将燃料电池堆分为增湿段与活性段，将二级融合在一个电池堆里，以增强电池的紧凑性与提高能量利用效率。这样燃料氢气与氧化剂空气也是先经过电池堆增湿段先增湿，后再进入电池堆活性段反应。
但是，以上的两种技术都有以下缺点：
第一种技术额外地增加了燃料电池的外增湿装置，不但额外增加了燃料
的电池外围系统的重量与体积，而且浪费了大量材料与人工制造成本。
第二种技术也有类似的缺点，虽然整体紧凑性比第一种技术高，但也增大了整个电池堆的体积与重量，并浪费了大量的制作材料与人工费用。
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可使燃料电池中的质子交换膜得到均匀水分布的方法，用该方法制得的燃料电池湿化性能好、结构紧凑、成本较低。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种可使燃料电池中的质子交换膜得到均匀水分布的方法，其特点是，对燃料电池导流板的结构进行改进，具体是在燃料电池导流板的上、下端或左、右端各设一气体进口，同时在燃料电池导流板的上、下端或左、右端也各设一气体出口，所述的设在导流板上端的气体进口通过至少一条导流槽与设在导流板下端的气体出口连通，所述的设在导流板下端的气体进口也通过至少一条导流槽与设在导流板上端的气体出口连通，分别从导流板上、下端的气体进口进来的气体沿各自的导流槽相对逆向行走，再分别从导流板上、下端的气体出口出去；所述的从导流板上端气体进口进来的气体刚进入电极时处于干燥状态，容易将电极中的质子交换膜里的水带走，随着电化学反应的发生，到达电极中部与下半部时就有大量的水生成，使质子交换膜的下半部得到湿化，所述的从导流板下端的气体进口进来的气体刚进入电极时也处于干燥状态，容易将电极中的质子交换膜里的水带走，随着电化学反应的发生，到达电极中部与上半部时就有大量的水生成，使质子交换膜的上半部得到湿化，这种综合效应使整个质子交换膜处于均匀水分布状态。
所述的气体为氧化剂气体或燃料氢气。
所述的氧化剂气体为空气或氧气。
所述的从导流板上、下端或左、右端的气体进口进来的气体来自同一气源，统一进气。
所述的从导流板上、下端或左、右端的气体出口出来的气体合并统一出气。
本发明由于采用了以上技术方案，使燃料氢气或氧化剂(氧气、空气)可以同时在二个进口进气，但在导流板上按逆向行走，最后可以合并统一出气，这种逆向行走有以下优点：
第一路气体刚进入电极时处于干燥状态，容易将电极中的质子交换膜里面的水带走；随着电化学反应发生，到达电极中部与下半部时就有大量的水生成去湿化膜的下半部；而第二路气体则正好相反，是从电极的下半部进入电极，则进入时也处于干燥状态，容易将电极中的膜里面的水带走，随着电化学反应发生，到达电极中部与上半部时就大量的水生成去湿化膜的上半部，这样就使质子交换膜始终保持湿化，从而使燃料电池的性能保持在较佳状态。
图1为本发明实施例1的导流板的结构示意图；
图2为本发明实施例2的导流板的结构示意图。
下面结合附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1
请参阅图1，一种可使燃料电池中的质子交换膜得到均匀水分布的方法，其特点是，对燃料电池导流板(导氢气流板)的结构进行改进，具体是，在燃料电池导流板1的上、下端各设一氢气进口A，同时在燃料电池导流板1的上、下端也各设一氢气出口B，所述的设在导流板上端的氢气进口A通过两条导流槽2与设在导流板下端的氢气出口B连通，所述的设在导流板下端的氢气进口A也通过两条导流槽2与设在导流板上端的氢气出口B连通，从导流板上端的氢气进口进来的氢气称为第一路氢气，从导流板下端的氢气进口进来的氢气称为第二路氢气，所述的第一路氢气与第二路氢气沿各自的导流槽相对逆向行走，再分别从导流板上、下端的氢气出口出去，所述的从导流板上、下端的氢气进口进来的氢气来自同一气源Q统一进气，所述的从导流板上、下端的氢气出口出来的氢气合并从管道W统一出气；所述的从导流板上端氢气进口进来的氢气刚进入电极时处于干燥状态，容易将电极中的质子交换膜里的水带走，随着电化学反应的发生，到达电极中部与下半部时就有大量的水生成，使质子交换膜的下半部得到湿化，所述的从导流板下端的氢气进口进来的氢气刚进入电极时也处于干燥状态，容易将电极中的质子交换膜里的水带走，随着电化学反应的发生，到达电极中部与上半部时就有大量的水生成，使质子交换膜的上半部得到湿化，这种综合效应使整个质子交换膜处于均匀水分布状态。
实施例2
请参阅图2，一种可使燃料电池中的质子交换膜得到均匀水分布的方法，其特点是，对燃料电池导流板(导空气流板)的结构进行改进，具体是，在燃料电池导流板1的上、下端各设一空气进口A，同时在燃料电池导流板1的上、下端也各设一空气出口B，所述的设在导流板上端的空气进口A通过三条导流槽2与设在导流板下端的空气出口B连通，所述的设在导流板下端的空气进口A也通过三条导流槽2与设在导流板上端的空气出口B连通，从导流板上端的空气进口进来的空气称为第一路空气，从导流板下端的空气进口进来的空气称为第二路空气，所述的第一路空气与第二路空气沿各自的导流槽相对逆向行走，再分别从导流板上、下端的空气出口出去，所述的从导流板上、下端的空气进口进来的空气来自同一气源Q统一进气，所述的从导流板上、下端的空气出口出来的空气合并从管道W统一出气；所述的从导流板上端空气进口进来的空气刚进入电极时处于干燥状态，容易将电极中的质子交换膜里的水带走，随着电化学反应的发生，到达电极中部与下半部时就有大量的水生成，使质子交换膜的下半部得到湿化，所述的从导流板下端的空气进口进来的空气刚进入电极时也处于干燥状态，容易将电极中的质子交换膜里的水带走，随着电化学反应的发生，到达电极中部与上半部时就有大量的水生成，使质子交换膜的上半部得到湿化，这种综合效应使整个质子交换膜处于均匀水分布状态。
Claims (1)
1.一种可使燃料电池中的质子交换膜得到均匀水分布的方法，其特征在于，对燃料电池导流板的结构进行改进，具体是在燃料电池导流板的上、下端各设一气体进口，同时在燃料电池导流板的上、下端也各设一气体出口，所述的设在导流板上端的气体进口通过至少一条导流槽与设在导流板下端的气体出口连通，所述的设在导流板下端的气体进口也通过至少一条导流槽与设在导流板上端的气体出口连通，分别从导流板上、下端的气体进口进来的气体沿各自的导流槽相对逆向行走，再分别从导流板上、下端的气体出口出去；所述的从导流板上端气体进口进来的气体刚进入电极时处于干燥状态，容易将电极中的质子交换膜里的水带走，随着电化学反应的发生，到达电极中部与下半部时就有大量的水生成，使质子交换膜的下半部得到湿化，所述的从导流板下端的气体进口进来的气体刚进入电极时也处于干燥状态，容易将电极中的质子交换膜里的水带走，随着电化学反应的发生，到达电极中部与上半部时就有大量的水生成，使质子交换膜的上半部得到湿化，这种综合效应使整个质子交换膜处于均匀水分布状态。
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Effective date of registration: 20121213 Address after: 200122 Shanghai City, Pudong New Area source deep road, No. 1122 Patentee after: Shanghai Electric Power Corporation Patentee after: Shanghai Shen-Li High Tech Co., Ltd. Patentee after: State Grid Corporation of China Address before: 201400, 10, Pu Pu Industrial Zone, Shanghai, No. 111, Pu Pu Avenue Patentee before: Shanghai Shen-Li High Tech Co., Ltd. |
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Granted publication date: 20070912 |
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