CN100454633C - 一种运行稳定性较高的燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种运行稳定性较高的燃料电池，包括燃料电池堆、储氢装置、氢减压阀、氢气增湿装置、空气过滤装置、空气压缩供应装置、空气增湿装置、出电堆氢气水—汽分离器、氢循环泵、出电堆空气水—汽分离器、水箱、冷却流体循环泵、散热器、增湿空气水—汽分离器、增湿氢气水—汽分离器，该增湿空气水—汽分离器或增湿氢气水—汽分离器包括壳体，在该壳体内设有至少二层过滤层，所述的增湿空气或氢气水—汽分离器的一端与空气或氢气增湿装置的出口端连通，另一端与燃料电池堆的空气或氢气进口端连通。与现有技术相比，本发明可使进入电堆参加反应的增湿空气或氢气中不含液态物质，从而可提高燃料电池的运行稳定性，延长其使用寿命。

Description

一种运行稳定性较高的燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种运行稳定性较高的燃料电池。
背景技术
电化学燃料电池是一种能够将氢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发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，每块导流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。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的流体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板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流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。
质子交换膜燃料电池可用作车、船等运载工具的动力系统，又可用作移动式、固定式的发电装置。
质子交换膜燃料电池可用作车、船动力系统或移动式和固定式发电站时，必须包括电池堆、燃料氢气供应系统、空气供应子系统、冷却散热子系统、自动控制及电能输出各个部分。
图1为燃料电池发电系统，在图1中1为燃料电池堆，2为储氢瓶或其他储氢装置，3为减压阀，4为空气过滤装置，5为空气压缩供应装置；6、6’分别为出电堆氢气、空气水-汽分离器，7为水箱，8为冷却流体循环泵，9为散热器，10为氢循环泵，11、12分别为氢气、空气增湿装置。
燃料电池工作需要对空气侧和氢气侧进行增湿，以保证燃料电池能正常工作。由于在燃料电池空侧或氢侧增湿器到燃料电池空侧或氢侧进口有一段距离，因此往往会有水滴从气流中析出，然而小水滴之间的碰撞会生成较大的水滴，甚至成为一个水团悬在气流中，如图2所示。这种大水滴或悬在气流中的水团一旦进入电堆就会对电堆中的导流极板上的导流槽造成堵塞，对电极造成燃料或氧化剂的饥饿状态，从而对电极的性能造成极大的影响，降低电极的使用寿命，严重时会使电极报废。
发明内容
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运行稳定性较高的燃料电池，该燃料电池可使进入电堆参加反应的增湿空气或增湿氢气中不含液态物质，从而可提高其运行稳定性，延长其使用寿命。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种运行稳定性较高的燃料电池，包括燃料电池堆、储氢装置、氢减压阀、氢气增湿装置、空气过滤装置、空气压缩供应装置、空气增湿装置、出电堆氢气水-汽分离器、氢循环泵、出电堆空气水-汽分离器、水箱、冷却流体循环泵、散热器，其特征在于，还包括增湿空气水-汽分离器、增湿氢气水-汽分离器，所述的增湿空气水-汽分离器或增湿氢气水-汽分离器包括壳体，在该壳体内设有至少二层过滤层，所述的增湿空气或氢气水-汽分离器的一端与空气或氢气增湿装置的出口端连通，另一端与燃料电池堆的空气或氢气进口端连通。
所述的过滤层为二层。
所述的过滤层由多孔性玻璃或者由多孔性塑料材料膜构成。
所述的增湿空气或氢气水-汽分离器垂直设置，其壳体下侧部设有增湿空气或氢气进口，壳体顶部设有湿空气或氢气出口，壳体底部设有出水口，该出水口设有一可控制定时排水的常闭电磁阀。
所述的出水口向上延伸呈倒喇叭状。
所述的壳体呈圆柱形。
本发明采用特殊材料——多孔性玻璃(或采用聚四氟乙烯多孔膜)。气流流过增湿空气或增湿氢气水-汽分离器时，气体可以从第一层多孔性玻璃表面散开，而水分子则被其挡掉了。为提高过滤效果，这些经过一层过滤的气体再经过第二层多孔性玻璃，将气流中带有的水份充分的过滤掉。这些过滤出来的水份通过排水管排掉，从而达到了汽水分离的目的。本发明能显著提高燃料电池运行的稳定性。
附图说明
图1为现有燃料电池的结构示意图；
图2为现有燃料电池中空气或氢气增湿器出口与电堆空气或氢气进口之间的管道内形成小水滴和悬浮水团的示意图；
图3为本发明燃料电池增湿空气或增湿氢气水-汽分离器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
如图3所示，一种运行稳定性较高的1～200KW燃料电池，包括燃料电池堆1、储氢装置2、氢减压阀3、空气过滤装置4、空气压缩供应装置5、出电堆氢气水-汽分离器6、出电堆空气水-汽分离器6’、水箱7、冷却流体循环泵8、散热器9、氢循环泵10、氢气增湿装置11、空气增湿装置12、增湿空气或增湿氢气水-汽分离器13。
所述的增湿空气或增湿氢气水-汽分离器13包括壳体131，在该壳体131内设有二层过滤层132，该过滤层132为多孔性玻璃构成。
所述的增湿空气或增湿氢气水-汽分离器13垂直设置，其壳体131呈圆柱形，该壳体131下侧部设有增湿空气或增湿氢气进口133，壳体131顶部设有湿空气或湿氢气(无液体水)出口134，壳体131底部设有出水口135，该出水口135向上延伸呈倒喇叭状，在该出水口135上设有常闭型电磁阀136以定时控制打开排水。
所述的增湿空气或增湿氢气水-汽分离器13的一端与空气增湿装置12或氢气增湿装置11的出口端连通，另一端与燃料电池堆1的空气进口或氢气进口端连通。
请参照图2所示，本实施例中，从空气增湿装置12或氢气增湿装置11出口端出来的增湿空气或增湿氢气经过一段管道121后不可避免地会凝结一些小水滴122或悬浮水团123，该增湿空气或增湿氢气进入本发明增湿空气或增湿氢气水-汽分离器13的增湿空气或增湿氢气进口133后，由下往上通过第一层多孔性玻璃过滤层132，这时大部分小水滴122及全部悬浮水团123均被挡住，只有湿空气或湿氢气通过，该湿空气或湿氢气再通过第二层多孔性玻璃过滤层132，这时几乎全部液态水均被挡住，只有汽态水和空气或氢气所构成的湿空气或湿氢气通过，该湿空气或湿氢气由湿空气或湿氢气出口134出来后立即进入燃料电池堆1的空气或氢气进口参加反应。，
实施例2
请参照图3所示，一种运行稳定性较高的1～200KW燃料电池，包括燃料电池堆1、储氢装置2、氢减压阀3、空气过滤装置4、空气压缩供应装置5、出电堆氢气水-汽分离器6、出电堆空气水-汽分离器6’、水箱7、冷却流体循环泵8、散热器9、氢循环泵10、氢气增湿装置11、空气增湿装置12、增湿空气或增湿氢气水-汽分离器13。
所述的增湿空气或增湿氢气水-汽分离器13包括壳体131，在该壳体131内设有三层过滤层132，该过滤层132为多孔性聚四氟乙烯膜构成，其余结构与实施例1相同。
请参照图1、图2，本实施例是用于空气增湿装置12或氢气增湿装置11的出口端与燃料电池堆1的空气或氢气进口之间的连接管道121比较长、产生的小水滴122和悬浮水团123比较多的场合。
以此类推，还可以派生出过滤层132为四层、五层等更多实施例，这些实施例均为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种燃料电池，包括燃料电池堆、储氢装置、氢减压阀、氢气增湿装置、空气过滤装置、空气压缩供应装置、空气增湿装置、出电堆氢气水-汽分离器、氢循环泵、出电堆空气水-汽分离器、水箱、冷却流体循环泵、散热器，其特征在于，还包括增湿空气水-汽分离器、增湿氢气水-汽分离器，所述的增湿空气水-汽分离器或增湿氢气水-汽分离器包括壳体，在该壳体内设有至少二层过滤层，所述的增湿空气或氢气水-汽分离器的一端与空气或氢气增湿装置的出口端连通，另一端与燃料电池堆的空气或氢气进口端连通；所述的增湿空气或氢气水-汽分离器垂直设置，其壳体下侧部设有增湿空气或氢气进口，壳体顶部设有湿空气或氢气出口，壳体底部设有出水口，该出水口设有一可控制定时排水的常闭电磁阀。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池，其特征在于，所述的过滤层为二层。
3.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池，其特征在于，所述的过滤层由多孔性玻璃或者由多孔性塑料材料膜构成。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池，其特征在于，所述的出水口向上延伸呈倒喇叭状。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池，其特征在于，所述的壳体呈圆柱形。
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