专利名称：燃料电池的水膜消除装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池，特别是涉及一种通过从外部供应的燃料与空气的电化学反应下生成电的燃料电池，更详细说是有关通过消除形成在发电机阴极的水膜，达到防止性能降低的燃料电池的水膜消除装置及其方法。
背景技术：
一般的燃料电池，是将燃料具备的能量直接转换成电能的装置。这种燃料电池系统，通常是在以高分子电解质膜为中心的两侧上粘贴阳极和阴极，在阳极(氧化电极或燃料极)中产生燃料氢的电化学性氧化，在阴极(还原电极或空气极)中产生氧化剂氧气的电化学性还原，此时生成的电子的移动产生电能。
供应到燃料电池的氢，是把液化天然气、液化石油气、甲醇、汽油等的碳氢化合物燃料经过重整炉的脱硫工序→重整反应→氢精制工序，精制氢气后，以气体形态使用的质子交换膜燃料电池(PEMFC)，把固体状态的BH4-变成水溶液状态后直接用于燃料的硼燃料电池(BFC)等。
图1是已有燃料电池的结构示意图，简单说明如下。
如图所示，燃料电池1的整体结构是，在产生电的发电机2的一侧设有储藏水溶液状态的BH4-的燃料箱3，其燃料箱3与发电机2的阳极上连接了燃料供应管线4和燃料回收管线5，其燃料供应管线4上设置了为了抽运燃料的燃料泵6。
发电机2的阴极上设置了空气供应管线7和空气排出管线18，其空气供应管线7上设置有为过滤向发电机2供应的空气的过滤器8、为抽运空气的空气压缩机9，为加湿空气的加湿器10。
加湿器10上连接了与水箱11相连接的水供应管线12，其水供应管线12上按顺序设置了泵13和阀门14。
空气排出管线18上设置了分离从发电机2中排出的空气中包含的水的气液分离器15，其气液分离器15中设置了能够把分离的水供应到燃料箱3的水回收管线16。
发电机2的输出端上设置了为检测其输出功率的功率测量表17，另外还设置了通过参考功率测量表17检测到的功率值，控制整体性能的控制器(未图示)。
如上述结构的现有燃料电池的工作过程是，接通机器的动作开关时，燃料泵6抽运储藏在燃料箱3的水溶液状态的BH4-，并通过燃料供应管线4供应给发电机2的阳极，同时，启动空气压缩机9通过空气供应管线7向发电机2的阴极供应空气，此时供应的空气是在加湿器10中充分加湿的状态下供应。
供应给发电机2的水溶液状态的BH4-与空气是在发电机2的阳极中进行氢的氧化反应，在阴极中产生氧的还原反应，此时生成的电子移动引起产生电，此时产生的电子在集电板(未图示)集电后作为能源使用。
其反应式是E0＝1.64V发电机2产生的电输出后启动负荷，此时输出的功率是在功率测量表17中检测，检测的功率值与控制器(未图示)的设定值比较后出现超出设定值的情况时，通过调整燃料泵6或者空气压缩机9，达到调整输出到设定的功率值。
但是，现有的燃料电池1，是将在加湿器10中加湿的空气供应到发电机2的阴极，在进行反应的同时，因出现在发电机2的电解质膜表面上形成水膜的溢流现象，会阻碍反应并降低性能，此时虽启动空气压缩机9或燃料泵6来调节供应的燃料或空气的量，也不能提高到满足所需性能的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种适合消除发电机的电解质膜表面上形成的水膜并能够提高发电机的性能的燃料电池的水膜消除装置及其方法。
本发明所采用的技术方案是燃料电池的水膜消除装置及其方法，包括有发电机，在发电机的阳极的入口部连接的供应燃料的燃料供应管线，出口部连接的回收反应后燃料的燃料回收管线；发电机的阴极的入口部连接的供应空气的空气供应管线，出口部连接的排出反应后空气的空气排出管线；空气供应管线上按顺序设置的过滤器、空气压缩机、加湿器，加湿器的前、后侧的空气供应管线上设置了可以调整路径的前、后三通阀；为了达到绕行加湿器供应空气，来消除发电机内侧的阴极上形成的水膜，在前、后三通阀上设置了连接两端部的侧流管线。当检测发电机的输出状态的检测值小于设定值时，通过设置的绕行加湿器的侧流管线直接向阴极通道内侧供应空气，消除粘贴在阴极表面的水膜，达到一直维持发电机具有一定的性能。
本发明的燃料电池的水膜消除装置及其方法，是在位于空气供应管线的加湿器的前、后端各串联设置了一个三通阀，此两个三通阀中未与管线相连的一端相互连通，形成绕行加湿器的侧流管线；设置在发电机的输出端的功率测量表中，检测出的检测值超出基准值的情况时，调整加湿器前、后侧的三通阀的路径，通过三通阀的侧流管线将空气直接供应到发电机内部，并在一定的时间内扩散，消除形成在发电机中的阴极的水膜，使其达到一直维持一定水平的发电性能的效果。
图1是已有燃料电池的结构示意图；图2是本发明的水膜消除装置的燃料电池的结构示意图；图3是本发明中的单个电池的纵断面示意图。
其中2、101发电机 3、102燃料箱4、103燃料供应管线 15、115气液分离器5、104燃料回收管线 6、105燃料泵7、107空气供应管线 8、109过滤器9、110空气压缩机 10、111加湿器11、112水箱12、113水供应管线13、114泵 14、200阀门16、116水回收管线 17、119功率测量表18、108空气排出管线117前方三通阀117′后方三通阀118侧流管线121电解质膜122阳极
123阴极 124膜-电极结合体125通道 126隔离板126a通道槽127集电板具体实施方式
下面结合附图给出具体实施例，进一步说明本发明是如何实现的。
图2是本发明的水膜消除装置的燃料电池的结构示意图。向发电机101的阳极供应的如图2所示，本发明的装置是，储藏水溶液状态的BH4-的燃料箱102与通过水溶液状态的BH4-与空气的电化学反应，进行发电的发电机101经管线相连通。其燃料箱102的下部和发电机101的阳极入口部是通过能够供应燃料的燃料供应管线103相连通，发电机101的阳极的出口部和燃料箱102的上部连接了能够回收反应后燃料的燃料回收管线104，其燃料供应管线103上设置了为了抽运燃料箱102燃料的燃料泵105。
发电机101阴极的入口部上设置了能够供应空气的空气供应管线107，阴极的出口部上设置了能够排出反应后空气的空气排出管线108，其空气供应管线107上按顺序设置了过滤器109、空气压缩机110、加湿器111。
加湿器111上连接了能够从水箱供应水的水供应管线113，其水供应管线113上设置了泵114，空气排出管线108上设置了为了分离空气中包含的水的气液分离器115，分离的水通过水回收管线116能够回收到燃料箱102。
设置在空气供应管线107的加湿器111的前、后端上分别串联设置了一个能够调整路径的前、后三通阀117、117′，此两个三通阀中未与管线107相连的一端相互连通，形成绕行加湿器的侧流管线118，必要时可以把空气直接供应到阴极上。
发电机101的输出端上设置了检测功率的功率测量表119，还具备有通过将功率测量表119中检测的检侧值与设定值进行比较后，调整性能的控制器(未图示)。
图3是本发明中的单个电池的纵断面示意图。如图3所示，为了向电解质膜121的两侧扩散气体，阳极122与阴极123结合形成膜-电极结合体124；其膜-电极结合体124的两侧上紧贴组装后，形成阳极122和阴极123中的燃料气体及氧含气体的通道125的隔离板126；在其隔离板126的两侧配置形成阳极122和阴极123的集电极的集电板127构成。
膜-电极结合体124的电解质膜121是用高分子材料形成的离子交换膜，具有代表性并形成商品化的电解质膜121有Teflon公司的氟族聚合物膜，起到氢离子的传导作用的同时，还起到阻止氧与氢的接触作用，阳极122和阴极123是支持由氢储藏合金形成的催化剂层的支持体，多孔型复写纸或者复写布结合在电解质膜121的两侧的结构。
隔离板126是由精密的炭板形成，内侧上形成能够让流体流动的多个的通道槽126a。
集电板127最好是电传导性强、耐腐蚀性强、不产生氢脆的材料制成。具体地说，钛、不锈钢、铜等的任何一个都可以满足性能所需的要求。
具备上述结构的本发明的水膜消除装置的燃料电池的工作过程如下。
接通机器的动作开关，燃料泵105抽运储藏在燃料箱102的水溶液状态的BH4-，并通过燃料供应管线103供应给发电机101的阳极122。
空气压缩机110是通过空气供应管线107向发电机101的阴极123供应空气，发电机101的阳极122上的水溶液状态的BH4-，沿着电解质膜121为中心的形成在阳极122的外侧面的通道125流淌并扩散，空气是沿着形成在阴极123的外侧面的通道125流淌并扩散，在阳极122进行氧化反应及在阴极123进行还原反应，此过程中的电子移动形成电流，此时产生的电子在集电板127聚集后利用为电源。
发电机101中产生反应的反应式是阳极E0＝1.24V阴极2O2+4H2O+8e-→BOH-E0＝0.4V合计E0＝1.64V如发电机101发电时，从功率测量表119中检测的功率值与控制器(未图示)的设定值比较后，出现超出设定值的情况时，通过调整空气压缩机110或者燃料泵105的动作，起到调整供应的空气或者燃料的输出量。
当调整的空气压缩机110和燃料泵105的动作也不能恢复正常输出的情况下，调整设置在空气供应管线107上的加湿器111前方侧三通阀117和后方侧三通阀117′的路径后，空气通过侧流管线118在一定时间内直接向发电机101的阴极102侧供应，空气流淌在阴极102的通道125的内侧并扩散，起到消除粘贴在阴极的侧面的水膜。
经过一定时间，水膜消除后，再次调整加湿器111前方侧三通阀117和后方侧三通阀117′的路径，使空气在加湿器111中加湿后，供应到发电机101。因此，虽然在机器的发电机101中因产生水膜引起性能低下，由于设有消除水膜的结构，可以一直维持一定的性能。
在上述实施案例中，举例说明了功率测量表119中检测的检测值与设定值比较后超出设定值的情况下，通过侧流管线118进行水膜消除动作的情况，但不一定限制在此，也可以实施周期性的水膜消除动作后，便能一直维持一定的性能。
而且，实施案例中，举例说明了用燃料使用水溶液状态的BH4-的发电方式的硼燃料电池的情况，但不一定限制在此，在使用氢气体的发电方式的质子交换膜燃料电池下，同样形态的水膜消除装置也能把整体系统的性能维持在一定的水平，在其他类似形态的燃料电池上，不脱离本发明的思想和范畴内可以随意应用。
权利要求
1.一种燃料电池的水膜消除装置，包括有发电机(101)，在发电机(101)的阳极的入口部连接的供应燃料的燃料供应管线(103)，出口部连接的回收反应后燃料的燃料回收管线(104)；发电机(101)的阴极的入口部连接的供应空气的空气供应管线(107)，出口部连接的排出反应后空气的空气排出管线(108)；空气供应管线(107)上按顺序设置的过滤器(109)、空气压缩机(110)、加湿器(111)，其特征在于，加湿器(111)的前、后侧的空气供应管线(107)上设置了可以调整路径的前、后三通阀(117、117′)；为了达到绕行加湿器(111)供应空气，来消除发电机(101)内侧的阴极上形成的水膜，在前、后三通阀(117、117′)上设置了连接两端部的侧流管线(118)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的水膜消除装置，其特征在于，发电机(101)是利用水溶液状态的BH4-为燃料的硼燃料电池方式的发电机。
3.根据权利要求1所述的燃料电池的水膜消除装置，其特征在于，发电机(101)是利用氢气体为燃料的质子交换膜燃料电池方式的发电机。
4.一种燃料电池的水膜消除方法，其特征在于，在产生发电的发电机(101)的阳极是燃料通过燃料供应管线(103)供应，发电机(101)的阴极是在加湿器(111)中加湿的空气通过空气供应管线(107)供应，以发电机(101)的内侧电解质膜(121)为中心，供应到阳极(122)和阴极(123)的燃料与加湿的空气之间的电化学性反应引起产生电的燃料电池中，当检测发电机(101)的输出状态的检测值小于设定值时，通过设置的绕行加湿器(111)的侧流管线(118)直接向阴极通道(125)内侧供应空气，消除粘贴在阴极(123)表面的水膜，达到一直维持发电机(101)具有一定的性能。
5.根据权利要求4所述的燃料电池的水膜消除方法，其特征在于，发电机(101)的输出状态的检测，是利用设置在发电机(101)的输出端的功率测量表(119)进行检测的。
全文摘要
本发明公开一种燃料电池的水膜消除装置及其方法，有在发电机的阳极的入口部连接的燃料供应管线，出口部连接的燃料回收管线；阴极的入口部连接的空气供应管线，出口部连接的空气排出管线；空气供应管线上按顺序设置的过滤器、空气压缩机、加湿器，加湿器的前、后侧的空气供应管线上设置了可以调整路径的前、后三通阀；在前、后三通阀中未与管线相连的一端相互连通，设置了连接两端部的侧流管线。当通过设置在发电机的输出端的功率测量表，检测发电机的输出状态的检测值小于设定值时，通过侧流管线直接向阴极通道内侧供应空气，消除粘贴在发电机阴极表面的水膜，达到一直维持发电机具有一定水平的发电性能的效果。
文档编号H01M8/00GK1549375SQ03129709
公开日2004年11月24日 申请日期2003年5月13日 优先权日2003年5月13日
发明者李明浩, 黄龙俊, 金铁焕, 高承兑, 许成根, 崔鸿, 曹泰熙, 朴明硕 申请人:乐金电子(天津)电器有限公司