专利名称：燃料电池装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池装置，特别是涉及一种不依赖环境湿度的自循环燃料电 池装置。
背景技术：
燃料电池可以将氢气与空气中的氧气反应，不经过燃烧而直接输出电能，能量转 换效率高。反应产物是水，无环境污染。但是，氢气的储存与运输非常不便。储运设备的重 量往往是氢气本身重量的几十倍。一种现有技术将经过燃料电池阴极或阳极后流出的废空气流或废(循环)氢气流 冷凝后得到液态水，然后输入到反应器中与氢化物(例如NaBH4)反应，得到氢气，再提供给 燃料电池。该现有技术的优点是减少甚至消除了水的携带量。其缺点是冷凝器占据了相当 的体积、重量、成本，而液态水与氢化物的反应器结构比较复杂。另一个缺点是，在液态水与 氢化物反应的情况下，水的利用效率比较低，常见的反应是NaBH4+6H20 = NaBO2 · (4H20)+4H2 或NaBH4+4H20 = NaB (OH) 4+4H2，难于发生我们期望的理想反应NaBH4+2H20 = NaB02+4H2。在 采用其他氢化物，例如LiBH4, LiAlH4等的时候，同样存在上述问题。另一种现有技术将氢化物置于扩大了的阳极气室，阳极的水蒸气扩散至氢化物 处，发生反应生成氢气，供给阳极。而反应产生的水又可以在一定程度上起到自维持的作 用。该现有技术的优点是结构简单。其缺点是更换氢化物比较麻烦，比较适合单电池结构， 不太适合大功率燃料电池堆叠。另外，氢化物吸收阳极气室的气态水，也降低了阳极的湿 度，不利于质子向阴极运动的电渗作用。还有一种现有技术用透水不透气的膜(例如全氟磺酸树脂膜)包裹氢化物，将该 包裹置于空气中，利用浓差扩散吸收空气中的水分，产生的氢气由管路收集后提供给燃料 电池。该现有技术的缺点是，氢气的产生速度依赖于环境的湿度，只能被动地接受环境的制 约，而不能主动地适应燃料电池及其负载的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术氢气储存运输不便、燃料电池结构 复杂的缺陷，提供一种不依赖环境湿度、结构简单且循环利用反应产生的空气的燃料电池。本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的一种燃料电池装置，其包括一燃料电池、一反应器及透水不透气的膜包裹的金属 氢化物，其特点在于，该燃料电池的阴极空气流输出端连接至反应器，该透水不透气的膜 包裹的金属氢化物设于反应器中，用于使燃料电池的阴极空气流与金属氢化物反应生成氢气。由于进入燃料电池阴极的空气流本来包括环境中的气态水，但是其量少且受制于 环境状况而不可控。然而，在本发明的燃料电池装置中，其经过燃料电池的阴极以后，充分 吸收了从阴极蒸发的气态水，而变得较为潮湿。当燃料电池以较高的功率运行时，其阴极蒸发出的水蒸汽较多，从而有利于提高氢气的产量；当燃料电池以较低的功率运行时，其阴极 蒸发出的水蒸汽较少，从而有利于降低氢气的产量。如果采用的金属氢化物与气态水反应的产热量较高，燃料电池的类型优先采用阴 极开放式。因为阴极开放式燃料电池中，阴极空气流既包括供氧空气流，又包括散热空气 流；换言之，阴极开放式燃料电池将散热空气流合并入供氧空气流，阴极流量较大，有助于 带走反应器产生的热量。当然，这并不是唯一的解决方案，也可以有另外一路空气流连接至反应器，此时也 可采用阴极封闭式燃料电池。由于在阴极封闭式燃料电池中，阴极空气流只包括供氧空气 流，不包括散热空气流；因此在这种情况下，连接至反应器的另外一路空气流优先考虑燃料 电池输出的散热空气流，因为散热空气流已经被加热到一定的温度，有助于保证反应器的 反应活性与速度，也可以避免增加额外的风机。优选地，在该燃料电池的阴极空气流(即供 氧空气流)输出端与该反应器的输入端之间连有一混风器，该混风器用于将阴极空气流与 燃料电池输出的散热空气予以混合。如果采用的金属氢化物与气态水反应的产热量较低，采用阴极封闭式燃料电池更 有优势，因为其阴极供氧空气流独立于散热空气流或液流，这可以导致较低的空气流流量 及流速，使得空气流通过反应器的时间较长，有助于气态水向所述包裹内扩散或传质交换。优选地，在环境湿度较高，或者采用的氢化物与气态水反应的产氢效率较高的情 况下，为了避免产氢速率超过耗氢速率，浪费氢气或者胀坏所述包裹，该燃料电池的阴极空 气流输出端(流出口)与反应器的空气输入端(流进口)之间设有一个或多个气门或气 阀。该气门或气阀置于开启状态时，反应器的空气流进口与燃料电池阴极的空气流出口之 间，具有通畅的连接；而置于关闭状态时，反应器的空气流进口与燃料电池阴极的空气流出 口之间，不具有通畅的连接。优选地，为了使得反应器在不使用时，不能够吸收周围空气中的气态水而发生反 应，该反应器的空气输出端(出口处)设有一个或多个气门或气阀。所述的气门或气阀可 以设在反应器空气流的直接出口，也可以间接地如设在远离反应器的地方，通过管道连接 反应器与气门或气阀。该气门或气阀至少可置于开启或关闭两种状态。优选地，为了使得流过反应器的空气流与氢化物具有良好的传质接触，需要较大 的表面积，该反应器中的金属氢化物由透水不透气的膜包裹成片状，形成片状包裹。一个反 应器包括一个或多个片状包裹。优选地，该片状包裹中设有碳纸，该碳纸的一端边未被该透水不透气的膜覆盖，便 于导出氢气，在该燃料电池装置还包括一氢气集流槽的情况下，该端边与该氢气集流槽相 连。在这里，碳纸起到两个作用结构支撑，保证包裹的形状为稳定的片状，更便于装配；在 沿片状包裹的平面方向，为氢气的传输提供了比氢化物颗粒间的间隙更为通畅的通道，更 有利于最终将氢气导出至该氢气集流槽中。优选地，该碳纸为具有凹槽的层叠式碳纸，该碳纸两侧的凹槽可以容纳金属氢化 物，而防止其移位。这种碳纸又名碳纤维板，其两侧的凹槽可以是机械加工型凹槽。当反应器包括多个片状包裹时，优选地，该多个片状包裹为层叠关系，片状包裹之 间留有间隙。优选地，该片状包裹表面的透水不透气的膜在一组平行线的位置被固定。更优选地，在所述平行线位置，该透水不透气的膜与碳纸之间是用胶黏剂连接固定的，该胶黏剂优 选硅胶。一种可替代上述的膜在一组平行线的位置被固定的方案是，该多个片状包裹之间 隔有波纹状隔板。这一方面也可以保证片与片之间稳定的间隙，使得空气流的流量均勻分 布；另一方面也可以顶住透水不透气的膜，避免其被包裹内部产生的氢气压力胀破。更优选地，在既采用所述的波纹状的板，又采用所述的碳纸的情况下，所采用的碳 纸可以是不平整的如上述碳纤维板，该层叠式碳纸的凹槽中可填充金属氢化物，此时所采 用的波纹状的板顶在片状包裹之间以固定金属氧化物；抑或，只采用层叠式碳纸不采用波 纹状的板，将金属氧化物填充至凹槽中后，将该层叠式碳纸凹槽之间的筋的表面与该透水 不透气的膜粘合以将凹槽中的金属氧化物固定并且防止包裹应内部产生的氢气压力胀破。 又或者，另外有一个方法可将金属氢化物以均勻的厚度附着在碳纸上，例如采用有机溶剂 溶解或混合了氢化物以后，均勻地涂刷在碳纸上，待有机溶剂挥发以后，氢化物就良好地分 散在碳纸表面上，此时可以采用普通的碳纸并且片状包裹之间顶有波纹状的板。有机溶剂 可以是丙酮。根据本发明，所述的金属氢化物是指具有储氢功能的金属或金属合金含氢化合 物，例如LiBH4、LiH、NH4BHx, NH3BH3。本发明中优选的金属氢化物为LiAlH4和LiH，其第一 个优点是，反应比NaBH4等其它一些氢化物迅速，一遇到气态水就立刻反应，气态水的供给 一停止就立刻停止反应；第二个优点是，其反应产物不会板结，不会堵塞气态水及氢气的扩 散，而NaBH4就存在板结的问题；第三个优点是，可能会有一部分LiAlH4以LiAlH4+2H20 = LiAl&+4H2的方式反应，有助于获得稍高一些的产氢效率。根据本发明，所述的透水不透气的膜可为现有的一些离子交换膜，包括碱性聚合 物电解质膜或酸性聚合物电解质膜。优选地，该酸性聚合物电解质膜为全氟磺酸树脂膜，该 碱性聚合物电解质膜可采用日本德山公司生产的。本发明的积极进步效果在于将燃料电池阴极的空气流中的水汽收集利用，使其与反应器中的氢化物反应得到 燃料电池所需的氢气，从而实现循环利用，而且，当燃料电池以较高的功率运行时，其阴极 蒸发出的水蒸汽较多，从而有利于提高氢气的产量。当燃料电池以较低的功率运行时，其阴 极蒸发出的水蒸汽较少，从而有利于降低氢气的产量，因此，该循环可根据燃料电池的使用 情况自我调节。
图1为本发明实施例一的燃料电池装置的运行示意图。图2为本发明实施例一的燃料电池装置的另一运行状态示意图。图3为本发明实施例一的燃料电池装置关闭状态的示意图。图4为本发明实施例一的燃料电池装置中反应器中的片状包裹的左视图。图5为本发明实施例一的燃料电池装置中反应器中的片状包裹的主视图。图6为本发明实施例一的燃料电池装置中反应器中的多层片状包裹的结构以及 氢气集流槽的示意图，视线沿图1中空气流动方向。图7为本发明实施例一和实施例三的燃料电池装置的运行示意图。
图8为本发明实施例二的燃料电池装置中反应器中的片状包裹的左视图。图9为本发明实施例二的燃料电池装置中反应器中的片状包裹的主视图。图10为本发明实施例二的燃料电池装置中反应器中的多层片状包裹的结构以及 氢气集流槽的示意图，视线沿图7中空气流动方向，其中波纹状的板与片状包裹的表面实 际上是贴合的，但是为了便于看清楚，画成空开一定的距离。图11为本发明实施例三的燃料电池装置中反应器中的片状包裹使用波纹状的板 的左视图。图11’为本发明实施例三的燃料电池装置中反应器中的片状包裹不使用波纹状的 板的左视图。图12为本发明实施例三的燃料电池装置中反应器中的片状包裹的主视图。图13本发明实施例四的燃料电池装置的运行示意图。
具体实施例方式下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。实施例一参考图1-图6，详细说明本发明的燃料电池装置，本实施例中以阴极开放式燃料 电池为例，阴极开放式燃料电池将散热空气流合并入供氧空气流，阴极流量较大，有助于带 走反应器产生的热量。选择LiAlH4作为金属氢化物，该透水不透气的膜选用现常用的全氟 磺酸树脂膜。该燃料电池装置包括一阴极开放式燃料电池11，一反应器9，其包括由透水 不透气的膜3包裹的氢化物LiAlH42，该反应器9用于使燃料电池的阴极空气流与LiAlH4 反应生成氢气，一氢气集流槽10，其用于收集反应器中生成的氢气并将其提供至燃料电池 的阳极输入端，其中，该反应器9的输入端与燃料电池11的阴极空气流输出端相连，该反应 器9的输出端与该氢气集流槽10的输入端相连；该氢气集流槽10的输出端连接至燃料电 池11的阳极输入端。在本例中，该反应器9的输入端与燃料电池11的阴极空气流输出端 之间设有一气门12，可通过一控制器(未示)控制该气门12的开启和关闭。本领域技术人 员应该明白，该反应器9的输入端与燃料电池11的阴极空气流输出端也可不通过气门而直 接连接，抑或通过其他本领域技术人员熟知的连通方式连接。下面参考图1-图3，说明本实施例的燃料电池装置的使用情况。参考图1，此时所 有气门12均处于开启状态，燃料电池输出的阴极空气流顺畅地流入反应器，并流出，其中 的水分被反应器中的氢化物吸收，经化学反应产生氢气。氢气集流槽收集了反应产生的氢 气，输入燃料电池，供其发电。参考图2，为该装置运行时的另外一种状态，即环境湿度较高 的状态，或者氢化物的产氢效率较高导致氢气过剩时的状态，此时装置内部的氢气压力升 高。控制器(图中没有标示，但是所属领域一般技术人员能够实现)将反应器9的输入端 与燃料电池11的阴极空气流输出端之间的气门12关闭，反应器不再产生氢气。燃料电池 输出的阴极空气流从两侧的开口流出。燃料电池继续发电并消耗氢气，待氢气压力回落后， 控制器再次将气门打开，继续进行反应并产生氢气。为了提高控制的平稳性，还可以采用所 属领域一般技术人员熟知的控制算法，例如PID算法(在过程控制中，按偏差的比例(P)、积 分(I)和微分(D)进行控制)，根据氢气的压力变化，将气门开启到一定的角度，连续调整。 参考图3，关闭该装置，即燃料电池不再使用时，反应器9输入端与输出端的气门12均被关闭，环境空气中的气态水无法通过扩散到达反应器内部，使反应器内的氢化物得到良好的 保存。本来进入燃料电池阴极的空气流本来包括环境中的气态水，但是量少且受制于环境 状况而不可控。然而，在采用这种结构的情况下，空气流经过燃料电池的阴极以后，充分吸 收了从阴极蒸发的气态水，而变得较为潮湿。当燃料电池以较高的功率运行时，其阴极蒸发 出的水蒸汽较多，从而有利于提高氢气的产量。当燃料电池以较低的功率运行时，其阴极蒸 发出的水蒸汽较少，从而有利于降低氢气的产量。为了使得流过反应器的空气流与氢化物具有良好的传质接触，需要较大的表面 积，因此包裹为片状，一个反应器包括一个或多个片状包裹。参考图4-图5，介绍反应器9 中含有氢化物2的片状包裹。由图4该片状包裹的左视图可以看出该片状包裹的结构。氢 化物LiAm4位于该碳纸5与该透水不透气的膜3之间，该碳纸5两表面的透水不透气的膜 3在碳纸的一端1被直接粘合，形成气密。而在碳纸的另一端6开口，不被透水不透气的膜 3所覆盖，以使产生的氢气得以进入该氢气集流槽10。参考图5，将该透水不透气的膜3在 一组平行线的位置4与碳纸5的表面粘合，可采用硅胶作为胶黏剂，这样粘合之后使该氢化 物LiAlH4得到固定，同时使该片状包裹的表面形成凹凸面。在这里，碳纸5起到两个作用 结构支撑，保证包裹的形状为稳定的片状，更便于装配；在沿片状包裹的平面方向，为氢气 的传输提供了比氢化物颗粒间的间隙更为通畅的通道，更有利于最终将氢气导出。在包括多个片状包裹的情况下，片与片之间为层叠关系，并留有间隙作为反应器 内部的空气流道。参考图6，为多层片状包裹的结构以及氢气集流槽的示意图，视线沿图1 中空气流动方向。如图所示，该多层片状包裹之间留有间隙7作为反应器9内部的空气流 动通道，碳纸不被透水不透气的膜3覆盖的另一端6插入该氢气集流槽10中，该密封材料 16将该氢气集流槽10密封，使该片状包裹内产生的氢气流入集流槽中而不致扩散至他处。实施例二参考图7-图10，详细说明本发明的燃料电池装置，本实施例中以阴极封闭式燃料 电池为例。参考图7，本实施例的原理与实施例一相同，不同之处除了采用的是阴极封闭式 燃料电池11’以外，还在于在该阴极封闭式燃料电池11’与该反应器9之间设有一用于将 阴极空气流与散热空气予以混合的混风器13，由于散热空气流已经被加热到一定的温度， 有助于保证反应器的反应活性与速度。而且输出的阴极空气流与散热空气流经混风器混合 后，输入反应器进行反应，不仅保障了足够的空气流量，还能排出反应器产生的废热。装置 的其余部分及其之间的连接关系均与实施例一相同。气门12的使用也与实施例一相同。参考图8，为本实施例的燃料电池装置中反应器中的片状包裹的左视图。由图4与 图8的比较可知，与实施例一不同的是，该片状包裹的该透水不透气的膜3未在一组平行线 的位置与碳纸5的表面粘合，而仅在该碳纸5的一端1处直接粘合，形成气密。此时，氢化 物LiAlH4是与丙酮混合以后均勻地涂刷在碳纸5表面上的。待干燥以后再覆盖并胶粘透 水不透气的膜3 (例如全氟磺酸树脂膜)。其余部分均与实施例一中的片状包裹相同。图9为本实施例的燃料电池装置中反应器中的片状包裹的主视图。图10为本实施 例的燃料电池装置中反应器中的多层片状包裹的结构以及氢气集流槽的示意图，视线沿图 7中空气流动方向，其中波纹状的板与片状包裹的表面实际上是贴合的，但是为了便于看清 楚，画成空开一定的距离。采用波纹状的板隔在片状包裹之间一方面可以保证片与片之间 稳定的间隙，使得空气流的流量均勻分布，另一方面也可以顶住透水不透气的膜，避免其被包裹内部产生的氢气压力胀破。该碳纸5未被透水不透气的膜3覆盖的另一端6插入该氢 气集流槽中以收集氢气。实施例三参考图7、图11-图12，详细说明本发明的燃料电池装置，本实施例中以阴极封闭 式燃料电池为例，反应器中装填的是与气态水反应时产热量较高的金属氢化物，例如仍为 LiAlH4。本实施例的装置原理与实施例二相同，其反应器结构与实施例二相同。参考图11-图12，说明该片状包裹的结构。与实施例一不同的是碳纸的构造，本实 施例采用的碳纸是不平整的，其两侧的凹槽可以容纳氢化物，而防止其移位。这种碳纸可以 是较厚的层叠式碳纸，又名碳纤维板，其两侧的凹槽可以是机械加工型凹槽。如图12所示， 氢化物2被填充在碳纤维板15内，该透水不透气的膜3在位置4与碳纤维板15的一端表 面粘合，但该碳纤维板15的端边开口，未被膜所覆盖。针对这种情况下的多层结构，采用该 层叠式碳纸，在填充了金属氢化物并覆以透水不透气的膜之后，表面就是平整的了，其反应 器结构可以采用如实施例二的反应器结构中所示的波纹状的板顶在片状包裹之间。若不采 用实施例二反应器结构的波纹状的板，则可以将该层叠式碳纸凹槽之间的筋的表面30与 该透水不透气的膜3粘合以将凹槽中的金属氧化物固定并且防止包裹应内部产生的氢气 压力胀破，如图11，所示。其余部分参照实施例一。实施例四参考图11-图13，详细说明本发明的燃料电池装置，本实施例中以阴极封闭式燃 料电池为例，反应器中装填的是与气态水反应时产热量较低的金属氢化物。仅阴极空气流 流入反应器。图13本发明实施例四的燃料电池装置的运行示意图。由于反应器中装填的 金属氢化物与气态水反应时产热量较低，所以无需混风器。其反应器结构参照实施例二，其 余未注明之处参照实施例一。以上实施例中所述离子交换膜还可为其它酸性聚合物电介质膜，或者碱性聚合物 电介质膜(如日本德山公司产品)等其他本领域技术人员所熟知的透水不透气的膜；而金 属氢化物还可以选用LiH等其它现有具有储氢功能的金属含氢化合物或金属合金含氢化 合物。虽然以上描述了本发明的具体实施方式
，但是本领域的技术人员应当理解，这些 仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变 更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。
权利要求
1.一种燃料电池装置，其包括一燃料电池、一反应器及透水不透气的膜包裹的金属氢 化物，其特征在于，该燃料电池的阴极空气流输出端连接至反应器，该透水不透气的膜包裹 的金属氢化物设于反应器中，用于使燃料电池的阴极空气流与氢化物反应生成氢气。
2.如权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述燃料电池的类型为阴极开放式。
3.如权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述燃料电池的类型为阴极封闭式。
4.如权利要求3所述的燃料电池装置，其特征在于，在该燃料电池的阴极空气流输出 端与该反应器的输入端之间连有一混风器，该混风器用于将阴极空气流与燃料电池输出的 散热空气予以混合。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的燃料电池装置，其特征在于，该燃料电池的阴极 空气流输出端与反应器的空气输入端之间设有一个或多个气门或气阀。
6.如以上权利要求中任意一项所述的燃料电池装置，其特征在于，该反应器的空气输 出端设有一个或多个气门或气阀。
7.如以上权利要求中任意一项所述的燃料电池装置，其特征在于，该反应器中的金属 氢化物由透水不透气的膜包裹成片状，形成片状包裹。
8.如权利要求7所述的燃料电池装置，其特征在于，该燃料电池装置还包括一氢气集 流槽，该片状包裹中设有碳纸，该碳纸的一端边未被该透水不透气的膜覆盖，且该端边与该 氢气集流槽相连。
9.如权利要求8所述的燃料电池装置，其特征在于，该碳纸为具有凹槽的层叠式碳纸。
10.如权利要求7-9任意一项所述的燃料电池装置，其特征在于，该反应器包括多个片 状包裹，该多个片状包裹为层叠关系，片状包裹之间留有间隙。
11.如权利要求7-10任意一项所述的燃料电池装置，其特征在于，该片状包裹表面的 透水不透气的膜在一组平行线的位置被固定。
12.如权利要求11所述的燃料电池装置，其特征在于，在所述平行线位置，该透水不透 气的膜与碳纸之间是用胶黏剂连接固定的，该胶黏剂是硅胶。
13.如权利要求10所述的燃料电池装置，其特征在于，该多个片状包裹之间隔有波纹 状隔板。
14.如权利要求13所述的燃料电池装置，其特征在于，所述的金属氢化物附着于碳纸上。
15.如权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述的金属氢化物为LiAlH4，该 透水不透气的膜为碱性聚合物电解质膜或酸性聚合物电解质膜。
全文摘要
本发明公开了一种燃料电池装置，其包括一燃料电池、一反应器及透水不透气的膜包裹的金属氢化物，其特征在于，该燃料电池的阴极空气流输出端连接至反应器，该透水不透气的膜包裹的金属氢化物设于反应器中，用于使燃料电池的阴极空气流与氢化物反应生成氢气。本发明燃料电池装置将燃料电池阴极的空气流中的水汽收集利用，使其与反应器中的氢化物反应得到燃料电池所需的氢气，从而实现循环利用；而且不依赖环境湿度、结构简单且该循环可根据燃料电池的使用情况自我调节。
文档编号H01M8/02GK102110831SQ20091021513
公开日2011年6月29日 申请日期2009年12月24日 优先权日2009年12月24日
发明者许柏民, 邱诗盈 申请人:许柏民, 邱诗盈