专利名称：一种可使燃料电池的氢气与氧气充分利用的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种可使燃料电池的氢气与氧气充分利用的装置。
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H2→2H++2e阴极反应1/2O2+2H++2e→H2O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。这些导流极板可以是金属材料的极板，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既可以用作车、船等运载工具的动力系统，又可以用作移动式或固定式发电站。
为了提高整个燃料电池发电系统的能量转换效率，在燃料、氧化剂供给和利用方面有如下要求(1)燃料、氧化剂供给燃料电池电极二侧的压力基本平衡。
(2)燃料供给燃料电池的计量比一般大于1.0。
(3)氧化剂供给燃料电池的计量比一般大于1.0。
(4)燃料(特别是纯氢)、氧化剂(特别是纯氧时)供给燃料电池时大于1.0计量比的过量部分不可以白白离开燃料电池放掉，而是应设法循环充分利用。
质子交换膜燃料电池是所有燃料电池中的一种，一般以纯氢为燃料，以纯氧(或空气)为氧化剂。为了提高整个质子交换膜燃料电池发电系统的燃料、氧化剂能量转换效率，也必须满足以上四个要求，特别是第四点，对充分利用燃料、氧化剂的要求意义重大。
为了达到燃料、氧化剂充分利用这一要求，目前有一专利技术，US Patent5,441,821上介绍的方法，如图1所示，该技术采用了一种叫引射泵的装置。该装置利用高压进气端(图中126)高速通过狭长的流道及细小的道孔(图中202)，喷射到低压出气端，并在吸气端(图中128)造成真空状态，将燃料电池中大于计量比1.0的剩余燃料或氧化剂引射回来，达到循环充分利用的目的。
这一种引射泵技术与引射泵工作方法虽然可以达到燃料或氧化剂充分利用的目的，但存在以下不可克服的缺点(1)引射泵加工要求非常高，难度很大，对不同流量要求，及不同进气端，出气端压力要求及不同引射泵量要求；引射泵加工差别非常大，无法达到通用性。
(2)引射泵进气端往往要求燃料或氧化剂的压力非常高，经过引射泵后，又突然造成出气端的压力降低，导致引射泵进气端与出气端压力差很大。而燃料电池内的燃料或氧化剂供给压力一般必须保持相对恒定，所以必须在引射泵进气端前加一种控制要求非常高的压力调节控制装置，当燃料电池消耗燃料、氧化剂量发生变化时，前端压力可自动调节。当这种压力调节控制装置失灵时，引射泵进气端压力将与出气端压力相等，造成燃料电池内承受超高压而导致破损。
(3)这种压力自动调节装置主要由压力传感器及电磁阀、电动调节阀组成，是一种很昂贵的器件，容易导致失控。
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结构简单、操控方便、成本较低的可使燃料电池的氢气与氧气充分利用的装置。
本发明的目的可以通过一下技术方案来实现一种可使燃料电池的氢气与氧气充分利用的装置，其特征在于，包括氢气或氧气进气主管道、氢气或氧气进气压力调节阀、燃料电池堆，所述的氢气或氧气进气主管道与燃料电池堆的氢气或氧气进口相连，所述的氢气或氧气进气主管道的同流向设有歧管，该歧管的另一端与燃料电池堆的氢气或氧气出口相连；所述的氢气或氧气进气压力调节阀调节进入燃料电池堆的氢气或氧气压力，该氢气或氧气压力应确保供给燃料电池堆的氢气或氧气计量比大于1.0，从燃料电池堆氢气或氧气出口出来的多余氢气或氧气通过歧管吸引回氢气或氧气进气主管道循环使用。
所述的氢气或氧气进气主管道分为一支或一支以上，该一支或一支以上氢气或氧气进气主管道的同流向各设有歧管。
所述的一支以上氢气或氧气进气主管道的进口连为一体，所述的一支以上氢气或氧气进气主管道的出口合流后与燃料电池堆的氢气或氧气进口相连，所述的一支以上歧管合流后与燃料电池堆的氢气或氧气出口相连。
所述的氢气或氧气进气主管道与歧管的连接处呈狭喉道状。
所述的氢气或氧气进气主管道与歧管的同流向呈锐角设置。
与现有技术相比，本发明具有以下优点(1)燃料电池内部燃料或氧化剂压力很容易控制，仅需机械式稳压或调压阀即可，价格便宜。
(2)这种新发明装置与方法实施比较便利。
(3)燃料电池燃料或氧化剂可以充分得到利用。
(4)在歧管处主流道加工成狭喉道形状，以增加流体流速，增强对歧管的流体的吸引力。
图1为现有技术的结构示意图；图2为本发明实施例1的结构示意图；图3为本发明实施例2的结构示意图；图4为本发明燃料电池堆氢气或氧气进气管中狭喉道的结构示意图；图5为本发明燃料电池堆氢气或氧气进气管中另一种狭喉道的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图4所示，当流体I快速通过主管道5及狭喉道16时，歧管6内的流体II将被吸致主管道5中。狭喉道16目的是增加流体对歧管处的流速，增强吸引力。将主管道5与燃料电池的燃料或氧化剂进口相连，将歧管6与燃料电池中的燃料或氧化剂出口相连。并将主管道件的燃料或氧化剂向燃料电池供给的压力通过调压阀调节平衡，即可达到燃料电池内部燃料或氧化剂运行压力相对恒等，并将燃料或氧化剂大于1.0计量比的部分通过歧管循环吸引回来。
为了强化主管道中的流体对歧管中的流体吸引，可以通过以下措施达到目的如图5所示，将主管道分为二支，使主管道管径缩小，主管道内流体分流为III，IV，使流体在分流后的主管道5，5’内流速加快从而达到强化对歧管6，6’内的流体吸引目的。
将主管道5，5，的进口连为一体，并将主管道5，5’合流后与燃料电池的燃料或氧化剂进口相连，将歧管6，6’合流后与燃料电池的燃料或氧化剂出口相连，可以达到提高燃料电池内大于计量比1.0的燃料或氧化剂过余部分通过歧管吸回主管道。当然，还可将主管道分流为数支(如3支，10支等)，将数支歧管道分别连于各分流主管道，并将数支主管道合流进燃料电池进口，将数支歧管道合流后连于燃料电池出口，可以达到提高燃料电池中燃料或氧化剂的运行计量比，并使100％充分利用。
实施例1如图2所示，是一种氢空型10千瓦燃料电池发电系统，氢气压缩容器1中可贮存2至1000个大气压的氢气，经过调压稳压阀3后稳压在0.1至5个大气压的某个压力下。空气压缩泵2可供应空气压力大小为0.1至8个大气压的某个特定工作压力，经调压稳压阀4后，稳压在与上述氢气减压、稳压后的压力大致对等。
氢气经过供应主流道管5，在狭喉道16处流速提高，并对歧管6产生真空吸力。氢气从燃料电池入口7进入燃料电池，计量比为1.0的部分参与电化学反应生成水，大于计量比为1.0的多余部分从燃料电池出口8处出来进入水汽分离器9，分去水份后进入歧管6，并重新循环吸入主流管道中。
空气经过稳压后，从燃料电池入口14进入从燃料电池出口10处直接排出，没有必要进行循环充分利用。
另外，燃料电池20还需要冷气流体经流体泵13进行循环，经散热器21散热，达到冷却目的。
燃料电池20以一定的速度消耗氢气及稳定输出电压、电流时，氢气可以达到充分利用。
实施例2如图3所示，是一种氢氧型10千瓦燃料电池发电系统，氢气压缩容器1，氧气压缩容器2’各可贮存2至1000个大气压的氢气和氧气。经过氢气、氧气供应稳压阀3，4调压稳压后，氢气、氧气供应燃料电池压力稳定在0.1至5个大气压的某个压力下，二个压力大致对等。氢气、氧气各经过供应主流道管5，11后各在狭喉道16，15处流速提高，并各对歧管6，17产生真空吸力。氢气、氧气各从燃料电池入口7，14进入燃料电池计量比为1.0的部分氢气与氧气参与电化学反应生成水，并由燃料电池20向外输出电流、电压。大于计量比为1.0的多余部分的氢气与氧气各从燃料电池出口8，10出来各进入水汽分离器9，12，分去水份后各进入歧管6，17，并各重新循环吸入主流管道中。
另外，燃料电池20还需要冷却流体经流体泵13进行循环，经散热器21散热，达到冷却目的。
燃料电池20以一定的速度消耗氢气与氧气及稳定输出电压、电流时，氢气与氧气都可达到充分利用。
权利要求
1.一种可使燃料电池的氢气与氧气充分利用的装置，其特征在于，包括氢气或氧气进气主管道、氢气或氧气进气压力调节阀、燃料电池堆，所述的氢气或氧气进气主管道与燃料电池堆的氢气或氧气进口相连，所述的氢气或氧气进气主管道的同流向设有歧管，该歧管的另一端与燃料电池堆的氢气或氧气出口相连；所述的氢气或氧气进气压力调节阀调节进入燃料电池堆的氢气或氧气压力，该氢气或氧气压力应确保供给燃料电池堆的氢气或氧气计量比大于1.0，从燃料电池堆氢气或氧气出口出来的多余氢气或氧气通过歧管吸引回氢气或氧气进气主管道循环使用。
2.根据权利要求1所述的一种可使燃料电池的氢气与氧气充分利用的装置，其特征在于，所述的氢气或氧气进气主管道分为一支或一支以上，该一支或一支以上氢气或氧气进气主管道的同流向各设有歧管。
3.根据权利要求2所述的一种可使燃料电池的氢气与氧气充分利用的装置，其特征在于，所述的一支以上氢气或氧气进气主管道的进口连为一体，所述的一支以上氢气或氧气进气主管道的出口合流后与燃料电池堆的氢气或氧气进口相连，所述的一支以上歧管合流后与燃料电池堆的氢气或氧气出口相连。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种可使燃料电池的氢气与氧气充分利用的装置，其特征在于，所述的氢气或氧气进气主管道与歧管的连接处呈狭喉道状。
5.根据权利要求4所述的一种可使燃料电池的氢气与氧气充分利用的装置，其特征在于，所述的氢气或氧气进气主管道与歧管的同流向呈锐角设置。
全文摘要
本发明涉及一种可使燃料电池的氢气与氧气充分利用的装置，包括氢气或氧气进气主管道、氢气或氧气进气压力调节阀、燃料电池堆，所述的氢气或氧气进气主管道与燃料电池堆的氢气或氧气进口相连，所述的氢气或氧气进气主管道的同流向设有歧管，该歧管的另一端与燃料电池堆的氢气或氧气出口相连；所述的氢气或氧气进气压力调节阀调节进入燃料电池堆的氢气或氧气压力，该氢气或氧气压力应确保供给燃料电池堆的氢气或氧气计量比大于1.0，从燃料电池堆氢气或氧气出口出来的多余氢气或氧气通过歧管吸引回氢气或氧气进气主管道循环使用。与现有技术相比，本发明具有结构简单、操控方便、成本较低等优点。
文档编号H01M8/02GK1988235SQ200510111650
公开日2007年6月27日 申请日期2005年12月19日 优先权日2005年12月19日
发明者胡里清, 郭伟良, 胡卓滔 申请人:上海神力科技有限公司