專利名稱：一種可提高運行穩定性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，尤其涉及一種可提高運行穩定性的燃料電池。
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可用作車、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為空氣過濾裝置，5為空氣壓縮供應裝置；6、6’分別為出電堆氫氣、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、12分別為氫氣、空氣增濕裝置。
燃料電池工作需要對空氣側進行增濕，以保證燃料電池能正常工作。由于在燃料電池空側增濕器到燃料電池空側進口有一段距離，因此往往會有水滴從氣流中析出，然而小水滴之間的碰撞會生成較大的水滴，甚至成為一個水團懸在氣流中，如圖2所示。這種大水滴或懸在氣流中的水團一旦進入電堆就會造成電堆中導流極板上的空氣導流槽的堵塞，使電極產生氧化劑饑餓狀態，從而對電極的性能造成極大的影響，降低電極的使用壽命，嚴重時會使電極報廢。
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可提高運行穩定性的燃料電池，該燃料電池可使進入電堆參加反應的增濕空氣中不含液態物質，從而可提高其運行穩定性，延長其使用壽命。
本實用新型的目的可以通過以下技術方案來實現一種可提高運行穩定性的燃料電池，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、出電堆氫氣水—汽分離器、氫循環泵、出電堆空氣水—汽分離器、水箱、冷卻流體循環泵、散熱器，其特征在于，還包括增濕空氣水—汽分離器，該增濕空氣水—汽分離器包括殼體、旋流器、水滴或水團收集器，所述的旋流器設在殼體內的增濕空氣進口端，所述的水滴或水團收集器設在殼體內壁的中上部，所述的增濕空氣水—汽分離器的進口端與空氣增濕裝置的出口端連通，其出口端與燃料電池堆的空氣進口端連通。
所述的增濕空氣水—汽分離器垂直設置，其殼體底部設有增濕空氣進口，殼體頂部設有濕空氣出口。
所述的旋流器內設有葉板，該葉板呈傾斜狀；從增濕空氣進口進來的夾帶水滴的增濕空氣在上述傾斜狀葉板的作用下產生旋轉并與殼體碰撞。
所述的水滴或水團收集器與殼體內壁一體設置并形成一雙層殼體結構，該雙層殼體結構的外殼體與殼壁呈密封設置，其內殼體與內腔連通并設有接水口。
所述的水滴或水團收集器的底部設有排水管。
所述的殼體呈圓柱形。
所述的增濕空氣水—汽分離器采用工程塑料或者采用不銹鋼等金屬材料制成。
本實用新型在進入燃料電池的增濕空氣管道上設置了一旋流式高效水汽分離器，使增濕空氣流過該分離器時由于各葉板的作用氣流會象螺旋線一樣前進，從而產生離心力，在離心力的作用下，把增濕氣流中的水滴或水團甩向器壁，通過一個器壁雙層結構將水滴或水團同前進中的濕空氣分開、排掉，達到去除增濕空氣中的水分的目的。本實用新型由于去除了增濕空氣中的液態水，因此能顯著提高燃料電池運行的穩定性，延長其使用壽命。
圖1為現有燃料電池的結構示意圖；圖2為現有燃料電池中空氣增濕器出口與電堆空氣進口之間的管道內形成水滴或水團的示意圖；圖3為本實用新型燃料電池增濕空氣水—汽分離器的結構示意圖；圖4為本實用新型燃料電池增濕空氣水—汽分離器旋流器葉板的結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步說明。
實施例1如圖3所示，一種可提高運行穩定性的1～200KW燃料電池，包括燃料電池堆1、儲氫裝置2、氫減壓閥3、空氣過濾裝置4、空氣壓縮供應裝置5、出電堆氫氣水—汽分離器6、出電堆空氣水—汽分離器6’、水箱7、冷卻流體循環泵8、散熱器9、氫循環泵10、氫氣增濕裝置11、空氣增濕裝置12、增濕空氣水—汽分離器13。
所述的增濕空氣水—汽分離器13包括殼體131、旋流器132、水滴或水團收集器133，所述的旋流器132設在殼體內的增濕空氣進口端134(即底部)，所述的水滴或水團收集器133設在殼體內壁的中上部(即旋流器之上)。
所述的增濕空氣水—汽分離器13垂直設置，其殼體底部設有增濕空氣進口134，殼體頂部設有濕空氣出口135。
所述的旋流器132內設有葉板140，該葉板140呈傾斜狀；從增濕空氣進口進來的夾帶水滴的增濕空氣在上述傾斜狀葉板140的作用下產生旋轉并與殼體131碰撞；其中夾帶的水滴122或水團123進入水滴或水團收集器133中。
所述的水滴或水團收集器133與殼體內壁一體設置并形成一雙層殼體結構，該雙層殼體結構的外殼體136與殼壁呈密封設置，其內殼體137與內腔連通并設有接水口138。
所述的水滴或水團收集器133的底部設有排水管139。
所述的殼體131呈圓柱形。
所述的增濕空氣水—汽分離器13的進口端134與空氣增濕裝置12的出口端連通，其出口端135與燃料電池堆1的空氣進口端連通。
所述的增濕空氣水—汽分離器13采用工程塑料或者采用不銹鋼等金屬材料制成。
請參照圖2所示，本實施例中，從空氣增濕裝置12出口端出來的增濕空氣經過一段管道121后不可避免地會凝結一些水滴122或水團123，該增濕空氣進入本實用新型增濕空氣水—汽分離器13的增濕空氣進口134后，由下往上通過一旋流器132，使增濕空氣在離心力的作用下把氣流中的水滴或水團甩向器壁，并通過一個器壁雙層結構將水滴或水團同前進中的濕空氣分開、排掉，使得只有汽態水和空氣所構成的濕空氣通過，該濕空氣由濕空氣出口135出來后立即進入燃料電池堆1的空氣進口參加反應。由于進入燃料電池堆1參加反應的增濕空氣不含液態水，因此使燃料電池的運行穩定性得到顯著的提高。
權利要求1.一種可提高運行穩定性的燃料電池，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、出電堆氫氣水—汽分離器、氫循環泵、出電堆空氣水—汽分離器、水箱、冷卻流體循環泵、散熱器，其特征在于，還包括增濕空氣水—汽分離器，該增濕空氣水—汽分離器包括殼體、旋流器、水滴或水團收集器，所述的旋流器設在殼體內的增濕空氣進口端，所述的水滴或水團收集器設在殼體內壁的中上部，所述的增濕空氣水—汽分離器的進口端與空氣增濕裝置的出口端連通，其出口端與燃料電池堆的空氣進口端連通。
2.根據權利要求1所述的一種可提高運行穩定性的燃料電池，其特征在于，所述的增濕空氣水—汽分離器垂直設置，其殼體底部設有增濕空氣進口，殼體頂部設有濕空氣出口。
3.根據權利要求1或2所述的一種可提高運行穩定性的燃料電池，其特征在于，所述的旋流器內設有葉板，該葉板呈傾斜狀；從增濕空氣進口進來的夾帶水滴的增濕空氣在上述傾斜狀葉板的作用下產生旋轉并與殼體碰撞。
4.根據權利要求1所述的一種可提高運行穩定性的燃料電池，其特征在于，所述的水滴或水團收集器與殼體內壁一體設置并形成一雙層殼體結構，該雙層殼體結構的外殼體與殼壁呈密封設置，其內殼體與內腔連通并設有接水口。
5.根據權利要求4所述的一種可提高運行穩定性的燃料電池，其特征在于，所述的水滴或水團收集器的底部設有排水管。
6.根據權利要求1所述的一種可提高運行穩定性的燃料電池，其特征在于，所述的殼體呈圓柱形。
專利摘要本實用新型涉及一種可提高運行穩定性的燃料電池，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、出電堆氫氣水—汽分離器、氫循環泵、出電堆空氣水—汽分離器、水箱、冷卻流體循環泵、散熱器、增濕空氣水—汽分離器，所述的增濕空氣水—汽分離器包括殼體、旋流器、水滴或水團收集器，所述的旋流器設在殼體內的增濕空氣進口端，所述的水滴或水團收集器設在殼體內壁的中上部，所述的增濕空氣水—汽分離器的進口端與空氣增濕裝置的出口端連通，其出口端與燃料電池堆的空氣進口端連通。與現有技術相比，本實用新型由于去除了增濕空氣中的液態水，因此能顯著提高燃料電池運行的穩定性，延長其使用壽命。
文檔編號H01M8/04GK2763989SQ200520039388
公開日2006年3月8日 申請日期2005年2月1日 優先權日2005年2月1日
發明者吳忻, 胡里清, 肖偉強 申請人:上海神力科技有限公司