专利名称：一种内增湿质子交换膜燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种具有内增湿装置的质子交换膜燃料电池。
背景技术：
电化学燃料电池是一种能够将氢燃料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反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
阳极反应阴极反应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，每块导流电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。这些导流电极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流电极板上的导流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极板与阴极氧化剂的导流极板。这些导流极板既作为电流集流母板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流极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、甲醇或由甲醇、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后进行散热；(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一切车、船等运载工具的动力系统，又可用作手提式、移动式、固定式的发电装置。质子交换膜燃料电池中核心部件是膜电极，而质子交换膜又是膜电极中的核心部件。
目前质子交换膜燃料电池膜电极中所用的质子交换膜，在电池运行过程中需要有水分子存在保湿。因为只有水化的质子才可以自由地穿过质子交换膜，从电极阳极端到达电极阴极端参加电化学反应，否则，当大量干燥的燃料氢气或空气从膜电极两侧流过时，容易将质子交换膜中的水分子带跑，此时质子交换膜处于较干燥状态，质子无法穿过质子交换膜，导致电极内阻急剧增加，电池性能急剧下降。所以，向燃料电池供应的燃料氢气或空气一般来说需要经过增湿，使进入燃料电池的燃料氢气或空气相对湿度提高，以免使质子交换膜失水。
目前应用于质子交换膜燃料电池增湿的方式主要有二类(1)外增湿湿化装置与燃料电池组分开，并在燃料电池组外部独立存在的湿化装置。主要通过燃料氢气体或空气气体直接在这种外增湿装置中与水分子通过充分混合碰撞促使气体吸收汽化的水分子。
(2)内增湿内增湿装置是燃料电池组组成的一部分。燃料电池组分为二个部分，一个部分叫内增湿段，另一个部分叫电池活性工作段。内增湿段由增湿导流板与增湿电极构成，而电池活性工作段由导流板与膜电极构成。增湿电极往往由一种可以进行水分子自由交换的膜组成，例如杜邦公司牌号叫Nafion的离子交换膜，这种膜可以让去离子水在膜的一边流动，而让燃料气体或氧化剂气体，如空气在膜的另一边流动，膜可以将燃料气体或空气与液态水分子分隔开，但水分子又可以自由穿过膜进入燃料气体或空气中去，而达到湿化目的。
在考虑到燃料电池的整体紧凑性与尽量节约燃料电池系统的体积时，往往采用内增湿的方式比外增湿有较大的优势。目前内增湿的技术有以下二种工程设计与制造方法，并已经在US Patent5,382,478中报道。
方法一将内增湿段放在燃料电池组的后端，如图1a、图1b、图1c所示，设有空气进气口1、空气出气口2、氢气进气口3、氢气出气口4、冷却水进口5、冷却水出口6、燃料电池发电段7、燃料电池增湿段8、增湿空气进口段9、增湿氢气进口段10、冷却水进口段11。
方法二将内增湿段放在燃料电池组的前端，如图2a、图2b、图2c所示，该设计方法的原理就是先将燃料氢气及氧化剂空气或纯氧先经过电池组的增湿段，使燃料氢气、氧化剂空气或纯氧达到一定的相对湿度，然后再进入电池段反应，而冷却去离子水先进入电池段将电池段反应热带出，再在电池组增湿段与燃料氢气、氧化剂空气或纯氧进行水、热交换，达到能量效率提高的目的。
上述设计方法虽然可以达到增湿目的，但存在以下缺陷①燃料电池发电段的导流板与电极上面一般有六只导流孔，分别是燃料氢气进与出，氧化剂空气进与出，冷却水进与出。这样，不管上述设计的增湿段放在整个电池组后面或前面，增湿导流板与增湿膜隔片上面的导流孔必须大大多于六只。例如当燃料电池组增湿段放在燃料电池组发电段前面时，不管发电段的导流板与电极上面的六只导流孔位置如何，在增湿段的增湿导流板与增湿膜隔片上必须增加三个导流孔，分别是燃料氢气进，氧化剂空气进以及冷却水出。
如图2a、图2b、图2c所示，燃料电池组发电段(后段)的六只导流孔位置分别是空气出口1、增湿空气进口段9、增湿氢气进口段10、氢气出口4、冷却水进口5、冷却水出口11。而燃料电池组增湿段(前段)的增湿导流板与增湿膜隔片上可以与发电段上的导流板与电极上的导流孔处于同一位置的导流孔分别有空气出口1、增湿空气进口段9、增湿氢气出口段10、氢气进口4、冷却水进口5、冷却水出口11。而增湿导流板与增湿膜隔片上还必须有空气进口2、氢气进口3、冷却水出口6，上述三个导流孔的位置无论如何无法与发电段上的导流板与电极上的导流孔位置一样。
当燃料电池组增湿段放在燃料电池组发电段后面时，情况更严重。后面发电段的导流板与电极上面除了六只导流孔外，还增加了额外的三个导流孔，这些导流孔分别是空气进1、进增湿段后的空气进9、氢气进4、进增湿段后的氢气进10、冷却水进5、空气出2、氢气出3、冷却水出11进增湿段，以及冷却水出6从增湿段出来，上述导流孔共有九个，如图2d。
所以增湿段放在整个电池组后面或前面，增湿板(导流板)与增湿膜隔片或者是发电段的导流极板与电极都会导致额外地增加了许多导流孔。这些导流孔的存在大大占用了增湿导流板及增湿隔膜片或发电段的导流极板及电极的有效工作面积。从而使整个增湿段长度或发电段长度增长，从而使整个电池组的功率密度降低。
②这些额外的不规则的导流孔存在使电池组增湿段导流板及增湿隔膜片或发电段的导流极板及电极的加工必须特殊设计与考虑，由于增湿段的导流板及增湿隔膜片与电池段的导流板及电极形状上完全不一样，许多材料如密封圈等无法统一制作使用，从而浪费了许多材料。
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可使增湿段与发电段的流体孔相一致，从而可提高增湿段导流板及膜片有效工作面积的内增湿质子交换膜燃料电池。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种内增湿质子交换膜燃料电池，包括增湿段、发电段，其特征在于，所述的增湿段设有空气进口、氢气进口、冷却水出口、增湿空气出口、增湿氢气出口、增湿冷却水进口，所述的发电段设有增湿空气进口、增湿氢气进口、冷却水出口、空气出口、氢气出口、冷却水进口；其中，所述的增湿段的增湿空气出口、增湿氢气出口、增湿冷却水进口分别与发电段的增湿空气进口、增湿氢气进口、冷却水出口相对应，所述的发电段的空气出口、氢气出口、冷却水进口设在其后端面板上。
所述的增湿段的空气进口、氢气进口、冷却水出口设在其前端面板上。
还包括集流面板，该集流面板夹合在增湿段与发电段之间，所述的增湿段的空气进口、氢气进口、冷却水出口设在集流面板的侧端面。
所述的增湿段的空气进口、氢气进口设在集流面板的一侧端面，所述的冷却水出口设在集流面板的另一侧端面。
与现有技术相比，本发明可以消除现有技术采用的多余导流孔，使增湿导流板及增湿隔膜片上的导流孔大小、数量、位置，可以做到与电池段(即发电段)中的导流板及增湿隔膜片上的导流孔大小、数量、位置完全一样，从而既提高了增湿段导流板及增湿膜片的有效工作面积，又可以在设计上与电池段上的导流板及电极保持一致，使某些材料(如密封圈等)可以通用。
本发明具有如下特点
①内增湿段与发电段面积大小一样，所有导流孔大小、位置一样，如图3a、3b、3c所示；②整个燃料电池组的前端面板上不设所有进、出流体的(共六个)进口和出口，而可以把燃料氢气、氧化剂空气、冷却水的三个进口与三个出口分别分开放置，如上图3a、3b、3c所示分别放在电池组前面板和后面板上。
③这样电池组的电极、极板及增湿导流极及增湿膜片的有效面积大大增加。
④燃料氢气、氧化剂空气、冷却水的三个进口与三个出口也可以集流在电池组中间处(增湿段与电池段交界处)的集流面板和后端面板上，并分别可从该分界面板的侧面进、出，这样可以大大提高燃料电池组的集成紧凑性，增加了功率密度。
图1a为现有后内增湿燃料电池空气流向示意图；图1b为现有后内增湿燃料电池氢气流向示意图；图1c为现有后内增湿燃料电池冷却水流向示意图；图2a为现有前内增湿燃料电池空气流向示意图；图2b为现有前内增湿燃料电池氢气流向示意图；图2c为现有前内增湿燃料电池冷却水流向示意图；图2d为现有后内增湿燃料电池发电段导流板与电极结构示意图；图3a为本发明内增湿燃料电池空气流向示意图；图3b为本发明内增湿燃料电池氢气流向示意图；图3c为本发明内增湿燃料电池冷却水流向示意图；图4为本发明内增湿燃料电池电极与增湿膜片的结构示意图；图5a为本发明燃料电池发电段空气导流板结构示意图；图5b为本发明燃料电池发电段氢气导流板结构示意图；图5c为本发明燃料电池发电段冷却水导流板结构示意图；图5d为本发明燃料电池增湿段空气增湿板结构示意图；图5e为本发明燃料电池增湿段氢气增湿板结构示意图；
图5f为本发明燃料电池增湿段冷却水增湿板结构示意图；图6a为本发明燃料电池实施例1空气流向示意图；图6b为本发明燃料电池实施例1氢气流向示意图；图6c为本发明燃料电池实施例1冷却水流向示意图；图7为本发明燃料电池实施例2结构示意图；图7a为本发明燃料电池实施例2空气流向示意图；图7b为本发明燃料电池实施例2氢气流向示意图；图7c为本发明燃料电池实施例2冷却水流向示意图。
具体实施例方式
下面将结合附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1一种燃料氢气、氧化剂空气、冷却水进、出六只导流孔分别分布在导流板与电极上下端的燃料电池。
其中，电极与增湿膜片如图4所示，它设有空气进口1、空气出口2、氢气进口3、氢气出口4、冷却水进口5、冷却水出口6。
其中，发电段的空气导流板如图5a所示，它设有空气进口1、空气出口2，氢气导流板如图5b所示，它设有氢气进口3、氢气出口4，水导流板如图5c所示，它设有冷却水进口5、冷却水出口6。
其中，增湿段空气增湿板如图5d所示，它设有空气进口1′、空气出口2′，氢气增湿板如图5e所示，它设有氢气进口3′、氢气出口4′，水增湿板如图5f所示，它设有冷却水进口5′、冷却水出口6′。
按照本发明的新方法设计组装的燃料电池堆，如图6a、6b、6c所示，氧化剂空气从电池堆的前端面板增湿段进口1′进入经增湿导流板导流场汇集到增湿段出口2′，此出口2′与电池堆中的发电段空气进口1刚好对应(位置与大小相同)，经过增湿的空气进入发电段发生电化学反应后由电池堆的后端面板出口2出来。
燃料氢气从电池堆的前端面板增湿段进口3′进入，给增湿导流板导流场汇集到增湿段出口4′，此出口4′与电池堆中的发电段氢气进口3刚好对应(位置与大小相同)，经过增湿的氢气进入发电段发电电化学反应后，多余的氢气由电池堆的后端面板出口4出来。
冷却水从电池堆的后端面板5进入电池堆的发电段将电池产生的热量带出后由出口6出来，并与电池堆中的增湿段5′进入增湿段并由增湿段6′出口出来。
实施例2如图7所示，是一种按照本发明的新方法设计组装的另一种燃料电池堆，其增湿导流板与增湿膜片，以及电池段的导流极板与电极与实施例1中一样，但所不同的是在增湿段与发电段之间用一块较厚的集流面板分隔，这样燃料电池的空气入口1′，燃料氢气入口3′，以及冷却水出口6′设在这块集流面板上，而燃料电池的空气出口2，氢气出口4以及冷却水入口5设在燃料电池后端面板上，各种流体导流原理，如图7a、7b、7c所示，工作原理与实施例1相同。
权利要求
1.一种内增湿质子交换膜燃料电池，包括增湿段、发电段，其特征在于，所述的增湿段设有空气进口、氢气进口、冷却水出口、增湿空气出口、增湿氢气出口、增湿冷却水进口，所述的发电段设有增湿空气进口、增湿氢气进口、冷却水出口、空气出口、氢气出口、冷却水进口；其中，所述的增湿段的增湿空气出口、增湿氢气出口、增湿冷却水进口分别与发电段的增湿空气进口、增湿氢气进口、冷却水出口相对应，所述的发电段的空气出口、氢气出口、冷却水进口设在其后端面板上。
2.根据权利要求1所述的一种内增湿质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述的增湿段的空气进口、氢气进口、冷却水出口设在其前端面板上。
3.根据权利要求1所述的一种内增湿质子交换膜燃料电池，其特征在于，还包括集流面板，该集流面板夹合在增湿段与发电段之间，所述的增湿段的空气进口、氢气进口、冷却水出口设在集流面板的侧端面。
4.根据权利要求1所述的一种内增湿质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述的增湿段的空气进口、氢气进口设在集流面板的一侧端面，所述的冷却水出口设在集流面板的另一侧端面。
全文摘要
本发明涉及一种内增湿质子交换膜燃料电池，包括增湿段、发电段，所述的增湿段设有空气进口、氢气进口、冷却水出口、增湿空气出口、增湿氢气出口、增湿冷却水进口，所述的发电段设有增湿空气进口、增湿氢气进口、增湿冷却水出口、空气出口、氢气出口、冷却水进口；其中，所述的增湿段的增湿空气出口、增湿氢气出口、增湿冷却水进口分别与发电段的增湿空气进口、增湿氢气进口、增湿冷却水出口相对应，所述的发电段的空气出口、氢气出口、冷却水进口设在其后端面板上。与现有技术相比，本发明具有可提高有效工作面积、结构紧凑等优点。
文档编号H01M8/04GK1512614SQ0216049
公开日2004年7月14日 申请日期2002年12月27日 优先权日2002年12月27日
发明者胡里清 申请人:上海神力科技有限公司