專利名稱：一種具有防回火功能的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及一種具有防回火功能的燃料電池。
背景技術(shù)：
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(jiǎn)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)子交換膜燃料電池可用作車、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為空氣過濾裝置，5為空氣壓縮供應(yīng)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(huán)泵，9為散熱器，10為氫循環(huán)泵，11、12分別為氫氣、空氣增濕裝置。
燃料電池工作需要對(duì)氫氣側(cè)進(jìn)行增濕，以保證燃料電池能正常工作。在燃料電池氫側(cè)增濕器到燃料電池氫側(cè)進(jìn)口由于有一段距離，會(huì)有水滴從氣流中析出，而且水滴的碰撞會(huì)生成較大的水滴，甚至成為一個(gè)水團(tuán)懸在氣流中。而這種大水滴或懸在氣流中的水團(tuán)一旦進(jìn)入燃料電池堆就會(huì)對(duì)電池堆中的電極的性能產(chǎn)生致命的影響，如圖2所示，因此必須除掉氣流中的水滴或水團(tuán)。另一方面，氫氣是一種高能燃料，但也是一種可燃性極高的氣體。管路中的氫氣一旦與空氣混合后，遇到明火便有可能發(fā)生回火，可以導(dǎo)致整個(gè)貯氫瓶發(fā)生燃料爆炸，所以必須考慮防回火的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明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具有防回火功能的燃料電池，該燃料電池可使進(jìn)入燃料電池堆參加反應(yīng)的增濕氫氣中不含液態(tài)物質(zhì)，從而可提高其運(yùn)行穩(wěn)定性。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種具有防回火功能的燃料電池，包括燃料電池堆、儲(chǔ)氫裝置、氫減壓閥、氫氣增濕裝置、出電堆氫氣水—汽分離器、氫循環(huán)泵、空氣過濾裝置、空氣壓縮供應(yīng)裝置、空氣增濕裝置、出電堆空氣水—汽分離器、水箱、冷卻流體循環(huán)泵、散熱器，其特征在于，還包括增濕氫氣水—汽分離器，該增濕氫氣水—汽分離器包括殼體，在該殼體內(nèi)設(shè)有至少一根多孔性金屬管以及一隔板，所述的增濕氫氣水—汽分離器的一端與氫氣增濕裝置的出口端連通，另一端與燃料電池堆的氫氣進(jìn)口端連通。
所述的多孔性金屬管為三根。
所述的多孔性金屬管為多孔性不銹鋼管。
所述的增濕氫氣水—汽分離器垂直設(shè)置，所述的隔板設(shè)在該分離器殼體內(nèi)腔中上部，該隔板將殼體內(nèi)腔分隔成上下兩個(gè)腔體，在隔板上開設(shè)有至少一個(gè)與所述的多孔性金屬管相對(duì)應(yīng)的孔，所述的多孔性金屬管在下腔體與該隔板孔對(duì)接，所述的多孔性金屬管有一端為開口，另一端為閉口構(gòu)造，所述的下腔體下側(cè)部設(shè)有增濕氫氣進(jìn)口，底部設(shè)有出水口，所述的上腔體頂部設(shè)有濕氫氣出口。
所述的出水口向上延伸呈倒喇叭狀，所述的出水口設(shè)有一用以控制定時(shí)排放的常閉型電磁閥。
所述的殼體呈圓柱形。
所述的殼體及隔板均采用不銹鋼材料，其熔化阻斷氫火焰?zhèn)鞑囟葹椴桓哂?50℃。
如圖3所示，本發(fā)明采用一特殊材料——多孔性不銹鋼管。這種材料可以將水份與氫氣兩者分離，當(dāng)氣流進(jìn)入這個(gè)增濕氫氣水—汽分離器，氫氣可以通過多孔性不銹鋼管擴(kuò)散進(jìn)去并從隔板另一端的濕氫氣出口出來，而水分子則被這一特殊材料擋了下來，通過設(shè)在底部的出水口排出，這樣就達(dá)到了水汽分離的目的。而且這一水—汽分離器還具備防回火功能，一旦燃料電池堆中氫氣管路中混合空氣遇到明火著火，火勢(shì)會(huì)順著管路中的氫氣迅速蔓延，至水—汽分離器時(shí)，多孔性不銹鋼管遇到氫氣火焰時(shí)會(huì)立即燒結(jié)而堵塞，火焰被阻斷，這樣便可以起到了防止回火到儲(chǔ)存有大量氫氣的儲(chǔ)氣罐中的作用。所以本發(fā)明被稱為具有防回火功能的燃料電池。


圖1為現(xiàn)有燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有燃料電池中氫氣增濕器出口與燃料電池堆氫氣進(jìn)口之間的管道內(nèi)形成小水滴和懸浮水團(tuán)的示意圖；圖3為本發(fā)明燃料電池增濕氫氣水—汽分離器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例如圖3所示，一種具有防回火功能的燃料電池，包括燃料電池堆1、儲(chǔ)氫裝置2、氫減壓閥3、空氣過濾裝置4、空氣壓縮供應(yīng)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(huán)泵8、散熱器9、氫循環(huán)泵10、氫氣增濕裝置11、空氣增濕裝12、增濕氫氣水—汽分離器13，所述的增濕氫氣水—汽分離器包括不銹鋼殼體131，在該殼體131內(nèi)設(shè)有三根透(氫)氣不透水的多孔性不銹鋼管132以及一不銹鋼隔板133，所述的殼體131呈圓柱形。
所述的增濕氫氣水—汽分離器13垂直設(shè)置，所述的隔板133設(shè)在該分離器殼體內(nèi)腔中上部，該隔板133將殼體內(nèi)腔分隔成上下兩個(gè)腔體，在隔板133上開設(shè)有三個(gè)與所述的多孔性不銹鋼管132相對(duì)應(yīng)的孔134，所述的多孔性不銹鋼管132在下腔體與該隔板孔134對(duì)接，所述的多孔性不銹鋼管132上端開口，下端為閉口，所述的下腔體下側(cè)部設(shè)有增濕氫氣進(jìn)口135，底部設(shè)有呈倒喇叭狀出水口136，所述的上腔體頂部設(shè)有濕氫氣出口137。
如圖3并參照?qǐng)D1所示，所述的增濕氫氣水—汽分離器13的一端與氫氣增濕裝置11的出口端連通，另一端與燃料電池堆1的氫氣進(jìn)口端連通。
如圖3并參照?qǐng)D1、圖2所示，本實(shí)施例中，50kw燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)中從氫氣增濕裝置11出口端出來的增濕氫氣經(jīng)過一段管道121后不可避免地會(huì)凝結(jié)一些小水滴122或懸浮水團(tuán)123，該增濕氫氣進(jìn)入本發(fā)明增濕氫氣水—汽分離器13的增濕氫氣進(jìn)口135后，增濕氫氣可以通過多孔性不銹鋼管132擴(kuò)散進(jìn)去并從隔板133另一端的濕氫氣出口137出來，立即進(jìn)入燃料電池堆1的氫氣進(jìn)口參加反應(yīng)，而水分子則被這一特殊材料擋了下來，通過設(shè)在底部的出水口136以及一個(gè)常閉型電磁閥138定時(shí)控制開啟而排出，這樣就達(dá)到了水汽分離的目的。而且本實(shí)施例水—汽分離器13還具備防回火功能，一旦燃料電池堆1上氫氣管路中混合空氣遇到明火著火，火勢(shì)會(huì)順著管路中的氫氣迅速蔓延，至水—汽分離器13時(shí)，由于多孔性不銹鋼管132的燒結(jié)阻燃作用，因此該水—汽分離器13便可起到防止回火的作用。
本實(shí)施例中，采用了三根多孔性不銹鋼管132，該多孔性不銹鋼管132內(nèi)徑2cm，長(zhǎng)10cm；依此類推，根據(jù)所處理增濕氫氣流量的不同，還可以采用一根、二根甚至多根多孔性不銹鋼管132，同時(shí)殼體131及隔板133還可以采用其它材料，從而派生出更多實(shí)施例，值得說明的是，這些實(shí)施例均為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種具有防回火功能的燃料電池，包括燃料電池堆、儲(chǔ)氫裝置、氫減壓閥、氫氣增濕裝置、出電堆氫氣水—汽分離器、氫循環(huán)泵、空氣過濾裝置、空氣壓縮供應(yīng)裝置、空氣增濕裝置、出電堆空氣水—汽分離器、水箱、冷卻流體循環(huán)泵、散熱器，其特征在于，還包括增濕氫氣水—汽分離器，該增濕氫氣水—汽分離器包括殼體，在該殼體內(nèi)設(shè)有至少一根多孔性金屬管以及一隔板，所述的增濕氫氣水—汽分離器的一端與氫氣增濕裝置的出口端連通，另一端與燃料電池堆的氫氣進(jìn)口端連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有防回火功能的燃料電池，其特征在于，所述的多孔性金屬管為三根。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種具有防回火功能的燃料電池，其特征在于，所述的多孔性金屬管為多孔性不銹鋼管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有防回火功能的燃料電池，其特征在于，所述的增濕氫氣水—汽分離器垂直設(shè)置，所述的隔板設(shè)在該分離器殼體內(nèi)腔中上部，該隔板將殼體內(nèi)腔分隔成上下兩個(gè)腔體，在隔板上開設(shè)有至少一個(gè)與所述的多孔性金屬管相對(duì)應(yīng)的孔，所述的多孔性金屬管在下腔體與該隔板孔對(duì)接，所述的多孔性金屬管有一端為開口，另一端為閉口構(gòu)造，所述的下腔體下側(cè)部設(shè)有增濕氫氣進(jìn)口，底部設(shè)有出水口，所述的上腔體頂部設(shè)有濕氫氣出口。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種具有防回火功能的燃料電池，其特征在于，所述的出水口向上延伸呈倒喇叭狀，所述的出水口設(shè)有一用以控制定時(shí)排放的常閉型電磁閥。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有防回火功能的燃料電池，其特征在于，所述的殼體呈圓柱形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有防回火功能的燃料電池，其特征在于，所述的殼體及隔板均采用不銹鋼材料，其熔化阻斷氫火焰?zhèn)鞑囟葹椴桓哂?50℃。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有防回火功能的燃料電池，包括燃料電池堆、儲(chǔ)氫裝置、氫減壓閥、氫氣增濕裝置、出電堆氫氣水－汽分離器、氫循環(huán)泵、空氣過濾裝置、空氣壓縮供應(yīng)裝置、空氣增濕裝置、出電堆空氣水－汽分離器、水箱、冷卻流體循環(huán)泵、散熱器、增濕氫氣水－汽分離器，所述的增濕氫氣水－汽分離器包括殼體，在該殼體內(nèi)設(shè)有至少一根多孔性金屬管以及一隔板，所述的增濕氫氣水－汽分離器的一端與氫氣增濕裝置的出口端連通，另一端與燃料電池堆的氫氣進(jìn)口端連通。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明氫氣水－汽分離器除了可以對(duì)增濕氫氣進(jìn)行水汽分離之外，還具有防止氫氣管路回火的功能。
文檔編號(hào)H01M8/00GK1815785SQ20051002372
公開日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2005年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月1日
發(fā)明者夏建偉, 胡里清 申請(qǐng)人:上海神力科技有限公司