專利名稱：可使進入反應的氫氣或空氣溫度與濕度穩定的燃料電池的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及燃料電池，尤其涉及可使進入反應的氫氣或空氣溫度與濕度穩定的燃料電池。
背景技術：
電化學燃料電池是一種能夠將氫及氧化劑轉化成電能及反應產物的裝置。該裝置的內部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導電的材料，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電化學反應的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導電物體將發生電化學發應過程中生成的電子，通過外電路引出，構成電流回路。
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生電化學反應，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質子交換膜，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生電化學反應得到電子，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生反應，形成反應產物。
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)的質子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區的催化電化學反應就產生了氫正離子(或叫質子)。質子交換膜幫助氫正離子從陽極區遷移到陰極區。除此之外，質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生爆發式反應。
在陰極區，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負離子，并與陽極區遷移過來的氫正離子反應，生成反應產物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質子交換膜燃料電池中，陽極反應與陰極反應可以用以下方程式表達
陽極反應陰極反應在典型的質子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導電的極板中間，每塊導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流槽。這些導流極板可以上金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導流極板上的流體孔道與導流槽分別將燃料和氧化劑導入膜電極兩邊的陽極區與陰極區。在一個質子交換膜燃料電池單電池的構造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導流板與陰極氧化劑的導流板。這些導流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導流板上的導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成電池組或通過平鋪的方式聯成電池組。在直疊、串聯式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面，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流進口和導流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經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、陰極面的導流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內冷卻通道中，將燃料電池內氫、氧電化學放熱反應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的導流通道，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。
質子交換膜燃料電池可用作車、船等運載工具的動力系統，又可用作移動式、固定式的發電裝置。
質子交換膜燃料電池用作車、船動力系統或移動式和固定式發電站時，必須包括電池堆、燃料氫氣供應系統、空氣供應子系統、冷卻散熱子系統、自動控制及電能輸出各個部分。
圖1為目前典型的燃料電池發電系統，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為空氣過濾慮裝置，5為空氣壓縮供應裝置，6為氫氣水-汽分離器，6’為空氣水-汽分離器，7為水箱，8為冷卻流體循環泵，9為散熱器，10為氫循環泵，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電系統集成與運行原理，向燃料電池堆輸送的氫氣與空氣必須經過穩壓并經過增濕裝置(11，12)后，變成達到一定相對濕度與溫度的濕空氣、氫氣然后再進入燃料電池堆中發生電化學反應。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，過量的空氣、氫氣可以造成燃料電池堆中的核心部件-膜電極中的質子交換膜失水，質子交換膜失水將造成燃料電池內阻急劇增加，運行性能急劇下降。
目前應用于質子交換膜燃料電池增濕裝置主要有以下幾種1.干空氣、燃料氫氣進入燃料電池前，在增濕裝置中與純凈水進行直接接觸、碰撞后使水分子與空氣分子呈混合均勻的氣態，空氣、水分子進入燃料電池時，是達到一定相對濕度的空氣。
2.干空氣或燃料氫氣與純凈水進入燃料電池前，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，當膜一邊流過干空氣或氫氣，而膜另一邊流過純凈水時，水分子就會自動從膜一邊透過膜另一邊，使空氣分子與水分子混合達到一定的相對濕度的空氣。這種膜可以是質子交換膜，如杜邦公司的Nafion膜等。
3.上海神力科技有限公司發明的一種利用進入燃料電池前的干空氣與出燃料電池的濕空氣進行水交換的增濕裝置(專利申請號02217654.3)，該增濕裝置由一個旋轉內膽構成，內填充吸水材料，當干空氣通過時，把內膽中填充材料表面的水分子帶走，而濕空氣與水通過內膽中填充材料表面重新吸附水分子。
但是目前的技術方案向燃料電池堆輸送的氫氣與空氣經過增濕后變成達到一定相對濕度與溫度的濕空氣、氫氣后直接進入燃料電池堆發生電化學反應有以下技術缺陷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時的工作條件而設計的。當向燃料電池堆輸送的氫氣與空氣流量發生較大變化時，比如在流量較小時，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水，這種液態水將被濕氫氣、濕空氣分別帶入燃料電池氫氣導流槽、空氣導流槽中。造成導流槽的堵水。某個單電池中氫氣導流槽中堵水或空氣導流槽中堵水會造成該單電池處于燃料氫或空氣供應不足的饑餓狀態，該單電池性能將急劇下降，嚴重時會導致該電極反極而燒毀。
2.上述增濕裝置的設計一般都是按燃料電池的額定工作狀態下，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到設計目標的氫氣、空氣相對濕度的控制。但當外界溫度變化及外界空氣相對濕度變化較大時，經過上述增濕裝置的氫氣、空氣相對濕度就會偏離目標控制值，即要么過濕、要么過干，引起燃料電池運行性能不穩定。
實用新型內容本實用新型的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種有利于提高運行穩定性的可使進入反應的氫氣或空氣溫度與濕度穩定的燃料電池。
本實用新型的目的可以通過以下技術方案來實現可使進入反應的氫氣或空氣溫度與濕度穩定的燃料電池，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、空氣壓縮供應裝置、空氣增濕裝置、氫氣水-汽分離器、氫循環泵、空氣水-汽分離器、水箱、冷卻流體循環泵、散熱器，其特征在于，還包括空氣或氫氣溫度與濕度穩定裝置，該空氣或氫氣溫度與濕度穩定裝置設置在空氣或氫氣增濕裝置與空氣或氫氣進入燃料電池堆的入口之間。
所述的空氣或氫氣溫度與濕度穩定裝置包括一腔體，該腔體內設有至少二層排管。
所述的腔體內設有上、下二層排管。
所述的腔體下部設有濕熱空氣或氫氣進口，頂部設有濕熱空氣或氫氣出口，所述的上層排管上部設有第一冷卻流體進口，下部設有第一冷卻流體出口，所述的下層排管上部設有第二冷卻流體進口，下部設有第二冷卻流體出口，所述的腔體底部通過管道與一去離子器相連，該去離子器再與一水箱相連。
所述的第一冷卻流體出口與散熱器的入口相連，該散熱器的出口與第二冷卻流體進口相連。
所述的第一冷卻流體進口與燃料電池堆冷卻流體出口相連，所述的第二冷卻流體出口與冷卻流體循環泵進口相連。
所述的腔體底部呈喇叭口狀收集冷凝水。
所述的水箱上部設有一溢流管。
與現有技術相比，本實用新型由于在空氣或氫氣進入燃料電池堆參加反應之前設置了一個可使空氣或氫氣溫度與濕度穩定的裝置，因此避免了燃料電池堆內過濕或過干現象，提高了燃料電池的運行穩定性。
圖1為現有燃料電池的結構示意圖；圖2為本實用新型可使空氣或氫氣溫度與濕度穩定裝置的結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖及具體實施例，對本實用新型作進一步說明。
實施例如圖1、圖2所示，一種可使進入反應的氫氣或空氣溫度與濕度穩定的燃料電池，包括燃料電池堆1、儲氫裝置2、氫減壓閥3、氫氣增濕裝置11、空氣過濾裝置4、空氣壓縮供應裝置5、空氣增濕裝置12、氫氣水-汽分離器6、氫循環泵10、空氣水-汽分離器6’、水箱7、冷卻流體循環泵8、散熱器9、空氣或氫氣溫度與濕度穩定裝置13，該空氣或氫氣溫度與濕度穩定裝置13設置在空氣或氫氣增濕裝置11或12與空氣或氫氣進入燃料電池堆的入口之間。
所述的空氣或氫氣溫度與濕度穩定裝置13包括一腔體14，該腔體14內設有上、下二層排管15、16，所述的腔體下部設有濕熱空氣或氫氣進口17，頂部設有濕熱空氣或氫氣出口18，所述的上層排管15上部設有第一冷卻流體進口19，下部設有第一冷卻流體出口20，所述的下層排管16上部設有第二冷卻流體進口21，下部設有第二冷卻流體出口22，所述的腔體14底部通過管道與一去離子器23相連，該去離子器23再與一水箱24相連。所述的第一冷卻流體出口20與散熱器9的入口相連，該散熱器9的出口與第二冷卻流體進口21相連。所述的第一冷卻流體進口19與燃料電池堆1的冷卻流體出口相連，所述的第二冷卻流體出口22與冷卻流體循環泵8進口相連。所述的腔體14底部呈喇叭口狀收集冷凝水。所述的水箱24上部設有一溢流管25。
本實施例為一10KW的燃料電池，冷卻水出口溫度65℃，經散熱器后，冷卻水降為60℃，即上、下二層排管溫差為5℃。
外界空氣溫度會變化較大，一般為0℃或40℃，經過增濕裝置后濕度變為100％，溫度可能在70℃～78℃之間，若直接進入燃料電池堆反應，受外界空氣溫度變化影響大，但經過本實用新型新的濕度與溫度調節穩定裝置后，空氣溫度不管在70℃～78℃之間，都先經下層排管冷卻后，大約會穩定在61℃左右，再經過上層排管加熱后，回到64℃左右，故進入燃料電池堆的空氣始終是64℃，相對濕度大約是80％左右。
同樣，氫氣溫度與濕度經過本實用新型調節穩定裝置后，進入燃料電池堆的氫氣始終是64℃，相對濕度大約也是80％左右。
權利要求1.可使進入反應的氫氣或空氣溫度與濕度穩定的燃料電池，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、空氣壓縮供應裝置、空氣增濕裝置、氫氣水-汽分離器、氫循環泵、空氣水-汽分離器、水箱、冷卻流體循環泵、散熱器，其特征在于，還包括空氣或氫氣溫度與濕度穩定裝置，該空氣或氫氣溫度與濕度穩定裝置設置在空氣或氫氣增濕裝置與空氣或氫氣進入燃料電池堆的入口之間。
2.根據權利要求1所述的可使進入反應的氫氣或空氣溫度與濕度穩定的燃料電池，其特征在于，所述的空氣或氫氣溫度與濕度穩定裝置包括一腔體，該腔體內設有至少二層排管。
3.根據權利要求2所述的可使進入反應的氫氣或空氣溫度與濕度穩定的燃料電池，其特征在于，所述的腔體內設有上、下二層排管。
4.根據權利要求3所述的可使進入反應的氫氣或空氣溫度與濕度穩定的燃料電池，其特征在于，所述的腔體下部設有濕熱空氣或氫氣進口，頂部設有濕熱空氣或氫氣出口，所述的上層排管上部設有第一冷卻流體進口，下部設有第一冷卻流體出口，所述的下層排管上部設有第二冷卻流體進口，下部設有第二冷卻流體出口，所述的腔體底部通過管道與一去離子器相連，該去離子器再與一水箱相連。
5.根據權利要求4所述的可使進入反應的氫氣或空氣溫度與濕度穩定的燃料電池，其特征在于，所述的第一冷卻流體出口與散熱器的入口相連，該散熱器的出口與第二冷卻流體進口相連。
6.根據權利要求4所述的可使進入反應的氫氣或空氣溫度與濕度穩定的燃料電池，其特征在于，所述的第一冷卻流體進口與燃料電池堆冷卻流體出口相連，所述的第二冷卻流體出口與冷卻流體循環泵進口相連。
7.根據權利要求4所述的可使進入反應的氫氣或空氣溫度與濕度穩定的燃料電池，其特征在于，所述的腔體底部呈喇叭口狀收集冷凝水。
8.根據權利要求4所述的可使進入反應的氫氣或空氣溫度與濕度穩定的燃料電池，其特征在于，所述的水箱上部設有一溢流管。
專利摘要本實用新型涉及可使進入反應的氫氣或空氣溫度與濕度穩定的燃料電池，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、空氣壓縮供應裝置、空氣增濕裝置、氫氣水－汽分離器、氫循環泵、空氣水－汽分離器、水箱、冷卻流體循環泵、散熱器、空氣或氫氣溫度與濕度穩定裝置，該空氣或氫氣溫度與濕度穩定裝置設置在空氣或氫氣增濕裝置與空氣或氫氣進入燃料電池堆的入口之間。與現有技術相比，本實用新型由于在空氣或氫氣進入燃料電池堆參加反應之前設置了一個可使空氣或氫氣溫度與濕度穩定的裝置，因此避免了燃料電池堆內過濕或過干現象，提高了燃料電池的運行穩定性。
文檔編號H01M8/00GK2739805SQ20042010975
公開日2005年11月9日 申請日期2004年11月11日 優先權日2004年11月11日
發明者夏建偉, 胡里清 申請人:上海神力科技有限公司