专利名称：一种具有较高运行稳定性的燃料电池的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及燃料电池，尤其涉及一种具有较高运行稳定性的燃料电池。
背景技术：
电化学燃料电池是一种能够将氢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发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。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的流体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板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流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车、船等运载工具的动力系统，又可用作移动式、固定式的发电装置。
质子交换膜燃料电池可用作车、船动力系统或移动式和固定式发电站时，必须包括电池堆、燃料氢气供应系统、空气供应子系统、冷却散热子系统、自动控制及电能输出各个部分。
图1为目前典型的燃料电池发电系统，在图1中1为燃料电池堆，2为储氢瓶或其他储氢装置，3为氢气减压阀，4为空气过滤装置，5为空气压缩供应装置，6为氢气水—汽分离器，6’为空气水—汽分离器，7为水箱，8为冷却流体循环泵，9为散热器，10为氢循环泵，11、12分别为氢气、空气增湿装置。
按照目前典型的燃料电池发电系统集成与运行原理，向燃料电池堆输送的氢气与空气必须经过稳压并经过增湿装置11、12后，变成达到一定相对湿度与温度的湿空气、氢气，然后该湿空气、氢气再进入燃料电池堆中发生电化学反应。否则干燥的或增湿不充分的空气、氢气向燃料电池堆输送时，过量的空气、氢气可以造成燃料电池堆中的核心部件—膜电极中的质子交换膜失水，质子交换膜失水将造成燃料电池内阻急剧增加，运行性能急剧下降。
但是目前的技术方案向燃料电池堆输送的氢气与空气经过增湿后变成达到一定相对湿度与温度的湿空气、氢气后直接进入燃料电池堆发生电化学反应有以下技术缺陷(1)当向燃料电池堆输送的氢气与空气流量发生较大变化时，比如在流量较小时，容易造成过增湿，那么当温度降低时进入燃料电池堆前容易凝结出少量液态水，这种液态水将被湿氢气、湿空气分别带入燃料电池氢气导流槽、空气导流槽中，造成导流槽的堵水。某个单电池中氢气导流槽中堵水或空气导流槽中堵水会造成该单电池处于燃料氢气或空气供应不足的饥饿状态，该单电池性能将急剧下降，严重时会导致该电极反极而烧毁。
(2)当向燃料电池堆输送的氢气与空气压力发生波动时，比如压力增加时，容易造成原压力较小时，相对湿度很高的增湿后的空气，氢气进入燃料电池堆时造成凝结出少量液态水，造成的后果亦与上述(1)后果相同。
目前的燃料电池发电系统集成与运行原理为了防止上述冷凝水堵水问题发生，一般选取将增湿装置11、12尽量靠近燃料电池堆，并且将输送空气、氢气的管道均实行绝热层包裹，防止散热冷凝现象发生。但这些措施仍无法完全防止上述问题的发生，电池运行仍不够稳定。
实用新型内容本实用新型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原料氢气与空气增湿均匀的具有较高运行稳定性的燃料电池。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现一种具有较高运行稳定性的燃料电池，包括燃料电池堆、储氢装置、氢气减压阀、氢气稳压阀、空气过滤装置、空气压缩供应装置、第一氢气水—汽分离器、第一空气水—汽分离器、水箱、冷却流体循环泵、散热器、氢循环泵、氢气增湿装置、空气增湿装置，所述的第一氢气水—汽分离器设在燃料电池堆的氢气出口端，所述的第一空气水—汽分离器设在燃料电池堆的空气出口端，其特征在于，还包括第二氢气水—汽分离器、第二空气水—汽分离器，所述的第二氢气水—汽分离器设在燃料电池堆的氢气进口端，所述的第二空气水—汽分离器设在燃料电池堆的空气进口端。
所述的第二氢气水—汽分离器设在氢气增湿装置与燃料电池堆进氢气口之间。
所述的第二氢气水—汽分离器设在近燃料电池堆进氢气口处。
所述的第二空气水—汽分离器设在空气增湿装置与燃料电池堆进空气口之间。
所述的第二空气水—汽分离器设在近燃料电池堆进空气口处。
所述的第二氢气水—汽分离器采用低流阻氢气水—汽分离器。
所述的第二空气水—汽分离器采用低流阻空气水—汽分离器。
与现有技术相比，本实用新型采用了一种高效、流阻很小的水—汽分离器，安装在尽量靠近燃料电池堆原料气进口，让增湿后的氢气、空气先分别进入这种水—汽分离器，然后马上进入燃料电池堆发生化学反应。这样，当增湿后氢气、空气在进入燃料电池堆以前，即使发生温度下降，压力波动变大，可以较完全地在水—汽分离器中将冷凝水完全分离下来，保证进入燃料电池堆时没有液态水带入，从而使原料氢气、空气增湿均匀适量，燃料电池运行稳定。
图1为现有燃料电池运行系统的结构示意图；图2为本实用新型燃料电池的结构示意图；图3为本实用新型氢气水—汽分离器的结构示意图；图4为本实用新型空气水—汽分离器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。
实施例如图2，并结合图1所示，一种具有较高运行稳定性的燃料电池，包括燃料电池堆1、储氢装置2、氢气减压阀3、氢气稳压阀23、空气过滤装置4、空气压缩供应装置5、第一氢气水—汽分离器6、第一空气水—汽分离器6’、水箱7、冷却流体循环泵8、散热器9、氢循环泵10、氢气增湿装置11、空气增湿装置12、第二氢气水—汽分离器13、第二空气水—汽分离器14，所述的第一氢气水—汽分离器6设在燃料电池堆1的氢气出口端，所述的第一空气水—汽分离器6’设在燃料电池堆1的空气出口端，所述的第二氢气水—汽分离器13设在燃料电池堆1的氢气进口端，所述的第二空气水—汽分离器14设在燃料电池堆1的空气进口端。
上述第二氢气水—汽分离器13进一步设在氢气增湿装置11与燃料电池堆1进氢气口之间，且该第二氢气水—汽分离器13设在近燃料电池堆1进氢气口处。
上述第二空气水—汽分离器14进一步设在空气增湿装置12与燃料电池堆1进空气口之间，且该第二空气水—汽分离器14设在近燃料电池堆1进空气口处。
上述第二氢气水—汽分离器13采用高效、低流阻氢气水—汽分离器。上述第二空气水—汽分离器14采用高效、低流阻空气水—汽分离器。
如图3、图4所示，上述第二氢气、空气水—汽分离器应分别按照燃料电池堆功率大小及氢气、空气流量大小进行别设计。在本实施例中，采用功率为50KW的燃料电池。该燃料电池的第二氢气水—汽分离器13包括氢气进气管131、分离器本体132、排水管133、排水电磁阀134、氢气出气管135，所述的分离器本体132呈圆柱状，高100mm，直径80mm，所述的排水管133设在分离器本体132的底部，所述的氢气进气管131、氢气出气管135设在分离器本体132的顶部；从氢气进气管131进入的增湿氢气中含有部分冷凝水，经分离器本体132分离后，增湿氢气中的冷凝水被完全分离下来，从氢气出气管135出去的氢气(立即进入燃料电池堆1参加反应)为不带液态水的增湿氢气，从而确保了燃料电池的运行稳定性。
该燃料电池的第二空气水—汽分离器14包括空气进气管141、分离器本体142、排水管143、排水电磁阀144、空气出气管145，所述的分离器本体142呈圆柱状，高200mm，直径150mm，所述的排水管143设在分离器本体142的底部，所述的空气进气管141、空气出气管145设在分离器本体142的顶部；从空气进气管141进入的增湿空气中含有部分冷凝水，经分离器本体142分离后，增湿空气中的冷凝水被完全分离下来，从空气出气管145出去的空气(立即进入燃料电池堆1参加反应)为不带液态水的增湿空气，从而确保了燃料电池的运行稳定性。
上述排水电磁阀134、144每隔1至360秒之间地一定间隔打开一次排水。
权利要求1.一种具有较高运行稳定性的燃料电池，包括燃料电池堆、储氢装置、氢气减压阀、氢气稳压阀、空气过滤装置、空气压缩供应装置、第一氢气水-汽分离器、第一空气水-汽分离器、水箱、冷却流体循环泵、散热器、氢循环泵、氢气增湿装置、空气增湿装置，所述的第一氢气水-汽分离器设在燃料电池堆的氢气出口端，所述的第一空气水-汽分离器设在燃料电池堆的空气出口端，其特征在于，还包括第二氢气水-汽分离器、第二空气水-汽分离器，所述的第二氢气水-汽分离器设在燃料电池堆的氢气进口端，所述的第二空气水-汽分离器设在燃料电池堆的空气进口端。
2.根据权利要求1所述的一种具有较高运行稳定性的燃料电池，其特征在于，所述的第二氢气水-汽分离器设在氢气增湿装置与燃料电池堆进氢气口之间。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有较高运行稳定性的燃料电池，其特征在于，所述的第二氢气水-汽分离器设在近燃料电池堆进氢气口处。
4.根据权利要求1所述的一种具有较高运行稳定性的燃料电池，其特征在于，所述的第二空气水-汽分离器设在空气增湿装置与燃料电池堆进空气口之间。
5.根据权利要求1或4所述的一种具有较高运行稳定性的燃料电池，其特征在于，所述的第二空气水-汽分离器设在近燃料电池堆进空气口处。
6.根据权利要求1所述的一种具有较高运行稳定性的燃料电池，其特征在于，所述的第二氢气水-汽分离器采用低流阻氢气水-汽分离器。
7.根据权利要求1所述的一种具有较高运行稳定性的燃料电池，其特征在于，所述的第二空气水-汽分离器采用低流阻空气水-汽分离器。
专利摘要本实用新型涉及一种具有较高运行稳定性的燃料电池，包括燃料电池堆、储氢装置、氢气减压阀、氢气稳压阀、空气过滤装置、空气压缩供应装置、第一氢气水－汽分离器、第二氢气水－汽分离器、第一空气水－汽分离器、第二空气水－汽分离器、水箱、冷却流体循环泵、散热器、氢循环泵、氢气增湿装置、空气增湿装置，所述的第二氢气水－汽分离器设在燃料电池堆的氢气进口端，所述的第二空气水－汽分离器设在燃料电池堆的空气进口端。与现有技术相比，本实用新型在燃料电池堆的原料气进口处设置了一种高效水－汽分离器，使进入燃料电池堆的氢气与空气没有液态水带入，从而确保了燃料电池的运行稳定性。
文档编号H01M8/00GK2718795SQ200420081719
公开日2005年8月17日 申请日期2004年8月11日 优先权日2004年8月11日
发明者胡里清, 夏建伟, 章波, 郭伟良 申请人:上海神力科技有限公司