一种燃料电池自增湿方法

专利名称：一种燃料电池自增湿方法
技术领域：
一种燃料电池自增湿方法，涉及燃料电池内氢气自增湿和空气自增湿，属于燃料电池自增湿方法技术领域。
背景技术：
为了保证燃料电池正常工作，质子交换膜需要保持湿润。目前所用的方法主要是外部加湿方法。外部加湿方法需要一套独立的加湿系统，增加了燃料电池发动机的重量、体积和成本，而且湿度变化的动态响应慢。
燃料电池分系统方面进展在流场方面表现在流道内部设计上，为了在流道内得到所需的压力分布，流道可以专门设计。例如，流道内可以设计喉口[专利US_20040151973_A1，申请单位General Motors Corporation，US]。在进气系统布置方面，进气时利用氢气消耗而产生的压降形成氢气自然流动，并且进气交替变向，有利于在燃料电池内部改善流场内氢气和水分布的均匀性[专利CN03148174.4，申请单位清华大学，中国]。在排水方面，利用氢气送气脉冲顺利排出阳极积水，排水连通管处，用汽-水分离器，专门排出液态水[专利CN03148174.4，申请单位清华大学，中国]。
燃料电池分系统方面的进展，为燃料电池自增湿技术研究准备了条件。
目前，新起步研究的燃料电池自增湿方法，不用任何的外部加湿方法，目标是实现燃料电池堆内部加湿膜。当前的自增湿专利技术主要集中在三个方向利用流场设计实现自增湿；对膜直接自增湿；放置中间层自增湿。
利用流场设计实现自增湿的方法，[专利US 6,207,312 B1 WO 00/17952，申请单位Technology Center，US]利用交指状流场加强反应气体在扩散层的对流传质、扩散传质，使反应生成的水在膜两侧气体流动的带动下，强化分布在质子交换膜上。
对膜直接自增湿的方法，[专利US 2005/0019639 A1，中请单位FITZPATRICK CELLA& SCINTO，US]是利用亲水材料加工出增湿单元，放置在质子交换膜的附近，增湿单元将吸收到的反应生成的水重新分布到质子交换膜上，实现对膜的加湿。放置中间层自增湿的方法，[专利US_2004/0151973_A1，申请单位General MotorsCorporation，US]在氢气侧和空气侧之间布置一个中间层。中间层由亲水材料和亲水材料组成，通过中间层，实现氢气侧向空气侧的水的迁移。还有一种方法是在阳极侧催化层与膜之间放置自增湿层，用于催化渗透到自增湿层的氢气和空气，反应生成水，起到加湿膜的阳极一侧的作用。
以上专利的共同特征是利用空气侧反应生成的水，来实现自增湿。利用反应生成的水自增湿存在的缺点是1，空气侧生成的水仅有10％左右能通过膜渗透到氢气侧，阳极侧膜容易吹干；2，质子交换膜燃料电池在小功率工作时，参加反应的气体少，所以反应生成的水少，不能起到加湿的作用；3，利用亲水材料所做的自增湿单元和中间层在燃料电池内部实现上有困难，所以实际中很少采用。

发明内容
本发明的目的在于不用任何的外部加湿，在燃料电池内部用冷却水实现完全的自增湿。
本方法是利用双极板中的冷却水，通过进气的抽吸作用将双极板中的水从微孔吸入气体流道，加湿气体。其具体做法是在双极板内气体进口处布置微孔，将双极板内用作加湿的冷却水的水路和气体流道连通。控制双极板内用于加湿的冷却水的压力，当有进气流动时，冷却水被吸入气体流道；而当没有进气流动时，微孔不出水，以防出现气体流道内积水。
该燃料电池自增湿方法，在冷却水路基础上引出供加湿用的冷却水路(称为加湿水路)；冷却水路和加湿水路之间可以由电磁阀连接，从冷却水路通过电磁阀为加湿水路供水；加湿水路中水压单独控制，用阀门控制水压；加湿水路和反应气体流道之间有一定数目用于连通的微孔；微孔的位置最好在反应气进口附近、反应气压力降最大的区域；为了达到所需的加湿水量，可以相应设计微孔的大小和数目；冷却水在微孔两端压差的作用下进入到反应气体流道内，在流场内自增湿。
与现有的自增湿技术相比，本发明利用冷却水自增湿，而不是利用反应生成的水，避免了在小功率条件下，反应生成的水不足以加湿质子交换膜的问题。


图1是本发明冷却水自增湿燃料电池的微观结构示意图。
具体实施例方式
现结合图1对具体实施方式
说明如下。
图1是本发明冷却水自增湿燃料电池的微观结构示意图，其中，1，空气侧加湿水路；2，空气侧微孔；3，空气流道；4，氢气流道；5，氢气侧微孔；6，氢气侧加湿水路；7，双极板；8，氢气侧扩散层；9，MEA；10，空气侧扩散层。
从冷却水路引出的空气侧加湿水路1，到达空气进口附近，通过空气侧微孔2与空气流道3连通。从冷却水路引出的氢气侧加湿水路6，通过氢气侧微孔5与氢气流道4连通。工作时，冷却水到达空气加湿水路1，由于加湿水路1中水压与空气流道3中空气压力不同，微孔2两端存在压差，由进气的抽吸作用，一部分用于加湿的冷却水进入空气流道3，加湿空气。同时，冷却水到达氢气加湿水路6，由于加湿水路6中水压与氢气流道4中氢气压力不同，微孔5两端存在压差，由进气抽吸作用，一部分用于加湿的冷却水进入氢气流道4，加湿氢气。从而实现冷却水自增湿燃料电池。
权利要求
1.一种燃料电池自增湿方法，其特征在于，利用双极板上的冷却水路引出加湿水路，将加湿水路和气体流道用微孔连通，通过进气的抽吸作用将双极板中的冷却水从微孔吸入气体流道，从而加湿气体。
2.一种燃料电池自增湿水路，其特征在于，加湿水路和反应气体流道之间有一定数目用于连通的微孔。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池自增湿方法，其特征在于，在气体进口处，打出微孔，连通加湿水路和进口处气体流道；工作过程中，气体流过进气入口处时，在微孔两端存在压力差，在这个压力差的作用下，出现抽吸现象，冷却水被吸入气体流道，加湿反应气体。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池自增湿方法，其特征在于，在冷却水路基础上引出加湿水路。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池自增湿方法，其特征在于，控制加湿水路的水压防止不工作时从加湿水路向气体流道渗水。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池自增湿方法，其特征在于，加湿水路中水压单独控制。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池自增湿方法，其特征在于，微孔的位置在双极板内反应气进口附近、反应气压力降最大的区域。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池自增湿方法，其特征在于，为了达到所需的加湿水量，相应设计微孔的大小和数目。
全文摘要
一种燃料电池自增湿方法，涉及燃料电池内氢气自增湿和空气自增湿，属于燃料电池自增湿方法技术领域。燃料电池双极板内的冷却水，通过连通冷却水腔和氢气/空气流道的微孔，分别对氢气和空气进行加湿，微孔布置在双极板气体流道的入口。控制双极板内用于加湿的冷却水的压力，当有进气流动时，冷却水被吸入气体流道；而当没有进气流动时，微孔不出水，以防出现气体流道内积水。与现有的自增湿技术相比，本发明利用冷却水自增湿，而不是利用反应生成的水，避免了在小电流条件下，反应生成的水不足以加湿质子交换膜的问题。
文档编号H01M8/04GK1710740SQ20051001207
公开日2005年12月21日 申请日期2005年7月1日 优先权日2005年7月1日
发明者裴普成 申请人:清华大学