CN102800876A - 一种自增湿燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自增湿燃料电池。这种燃料电池由多个单体叠加而成，每个单体包含阴极流场板、阳极流场板、密封件及膜电极，该膜电极由反应区和增湿区构成，在阳极流场板和阴极流场板中也包含相应的反应区和增湿区，阴极反应空气进入燃料电池单体后先经过阴极流场板增湿区，然后进入反应区参与电化学反应，反应完毕的空气再通过膜电极上设置的气体通道进入阳极流场板上的增湿区；经过反应区的空气湿度较高，水能够透过膜电极上增湿区的质子交换膜为阴极反应空气进气进行加湿。本发明直接利用空气尾气为空气进气进行增湿，增湿区与反应区在同一个膜电极上，结构简单，不影响电堆的集成，能够大大简化燃料电池的水管理问题，提高了燃料电池***的功率密度。本发明公开的燃料电池可以应用于各种电子设备电源、不间断电源***、电动汽车发动机***等各个领域。

Description

一种自增湿燃料电池

技术领域

本发明是属于燃料电池领域，尤其是指使用无外加湿的质子交换膜燃料电池技术。

背景技术

燃料电池是一种将外部供给的燃料和氧化剂中的化学能转变成电能的连续发电装置。目前的燃料电池技术主要根据电解质的不同分作几种类型，碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池等。发展得比较成熟而且应用前景最为广泛的是质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）。

在质子交换膜燃料电池中，电解质为具有质子传递性能的质子交换膜，目前广泛采用的是全氟磺酸膜。质子在电解质膜中的传递要依靠水分子作为传导载体，所以，质子交换膜中的水含量对燃料电池的性能有非常大的影响，膜中水处于饱和状态时具有最佳的质子导电性，燃料电池也能发挥最好的发电性能。所以，对于质子交换膜进行增湿或者保湿是质子交换膜燃料电池中的必然选择。

目前，传统的PEMFC增湿技术为有源增湿方式，即从外界提供水源。增湿方法有鼓泡增湿、膜增湿、露点加湿、直接注水等，按与电池堆的集成紧密程度可分为外增湿与内增湿两类：外增湿是将增湿子***与电池分开，在反应气体进入电池之前进行增湿；内增湿是将增湿子***与电池集成为一体，在反应气体进入电池之后进行增湿。

加拿大的巴拉德能源***公司提出了在电堆中构建增湿器的方案，使用电堆的冷却水增湿反应气体（WO 01/67533）。这样的电池***通常用膜来实现内增湿作用，加湿器膜材质目前普遍选用杜邦公司生产的Nafion®系列离子交换膜，也有利用超滤膜（UF）和反渗透膜(RO)作为增湿膜的研究报道（Journal of Power Sources, 1998, 74:146-150）。对于膜增湿器，实用采用外部水循环提供增湿水，同时电堆冷却需要冷却水，由于水质要求不同，两种水又不能合二为一，***中需要构建两套水循环***，造成***复杂，辅机功耗高。

直接注水加湿能让用户定制在反应气体中的增湿量，可注入液态水或注入水蒸气。前者是依靠增压泵加压喷射水流，使水流通过高压喷嘴为反应气体注水。美国DynEco公司开发出一种112B4型湿氢气循环器，额定功率为30W，能很好地配合直接注水增湿技术（US6268074），增压泵（12Vdc，48W）能使水压提升到60~145Psi。美国专利US5958613公开了一种为PEMFC阳极直接注入液态水的技术，既能为电池发电提供水量，又可利用液态水的蒸发潜热来冷却电堆。美国专利US5432020公开的增湿器使用高速的反应气流与水雾共混来达到增湿的目的，尤其适合于对空气的增湿，因为空气在进入PEMFC之前经过压缩处理后温度会升高，加入液态水有利于降温。液态水直接增湿能够简化增湿***，但是进入电池的液态水量需要精细控制。

利用外加水源对燃料电池电堆进行增湿必须要构建水路***，至少需要水箱、水循环管路、泵、阀门等相关组件，同时需要对水位进行监控，在水箱水位不足时进行补水。然而，由于燃料电池在工作时氢气和氧气反应生成水，产生的水可以经过汽水分离后循环到水箱。从这一点来看，外加水增湿带来了***的复杂性。对于燃料电池而言，水所起的作用在于保持膜的润湿性，以保持良好的离子导电性能，其实反应产生的水就足够了。所以，回收燃料电池尾气中的水蒸气给进气进行增湿就非常重要了，特别是燃料电池阴极尾气。回收尾气中的水蒸气用于增湿进气，有利于简化***，降低***内部辅机功耗，提高功率密度。

美国Emprise公司开发了一种利用电堆的反应尾气对反应气体进行增湿的外增湿器（US6013385），其核心是一块圆盘状的陶瓷多孔材料，化学成分为堇青石（2MgO-2Al₂O₃-5SiO₂），该材料气体传递阻力小，具有高机械强度和强吸水性。增湿器分为两个腔体，从电堆中排放出的尾气含有一定的废热和大量的水分，流经堇青石材料时，释放出热量并被脱水，这样当电机带动堇青石圆盘旋转时，在另一侧的干反应气体就被增湿。水量回收率可达到85-90%，其寿命测试已超过了10000小时。美国专利US 6471195公开了一种中空纤维增湿器，采用直径为2mm，长250mm的中空纤维管作为水分交换材料。当燃料电池阴极排放的废气流经这些中空纤维隔膜材料时，废气中的大量水分被凝结下来，并通过管壁上的毛细管传递到外部的新鲜空气，达到增湿的目的。

以上两种增湿方法都是利用阴极尾气来增湿空气进气，采用Nafion管增湿器回收阴极尾气中的水蒸气进行空气加湿效果良好，这种增湿器已经取得商业化应用。在燃料电池***中，采用外增湿器的能够取得良好的加湿效果，不管是采用有外部水源加湿方式还是无外部水源的水蒸气回收方式。但是，反应气体经过外部增湿器增湿后，需要通过保温管道输送到燃料电池，避免水蒸气冷凝。同时，增湿后的反应气体进入电堆的气体分配管道中，再通过单电池上的气体通道进入到单电池的气体分配流场中。由于增湿后的反应气体从气体分配管道进入到电池流场的过程中水蒸气会在气体分配管中部分凝结，要保持进入每个单体电池的气体保持在相同的湿度水平是很难做到的。由于气体分配的不均匀性，容易造成单体电池性能的差异，这种差异在电堆长时间工作后会得到放大。经过实验证明，处于燃料电池两端的单体电池性能衰减的几率和幅度都要比处于中部的单体电池要大。所以，如何保持每个单体电池中的气体和水分布的均匀性是燃料电池长期稳定运行需要解决的一个关键问题。

在燃料电池电堆中，由于是通过串联连接，每节单体电池流过的电流是相同的，所产生的水量是相同的。也就是说，如果通过流场优化使进入每节单体电池的反应气体量大致相同的话，流出单体电池的气体湿度也是大致相同的。如果利用流出每节单体电池的尾气来为流入该节单体电池的进气进行增湿，就能够保证每节单体电池都处于相近的湿度水平，使得燃料电池保持较好的一致性。

发明内容

针对以上不足，本发明的目的旨在提供一种自增湿燃料电池，每个燃料电池单体内部有增湿区和反应区，进入燃料电池单体的反应气体首先经过增湿区进行增湿，然后再进入反应区参加电化学反应，经过反应区后的高湿度尾气流过增湿区来为进气进行增湿。通过这种增湿方式，能够使得进入每节单体燃料电池的反应气体保持一致的湿度，有利于燃料电池长期稳定操作，同时，利用这种内增湿方式，简化了燃料电池***的水管理，能使电池结构更加紧凑，提高***能量密度。

本发明的技术方案如下：一种自增湿燃料电池，它由至少两个燃料电池单体叠加而成，每个燃料电池单体依次含有阳极流场板、膜电极和阴极流场板，其特征在于：每个燃料电池单体膜电极至少由增湿区和反应区两部分构成，每个燃料电池单体阳极流场板至少由阳极增湿流场和阳极气体反应流场两部分构成，每个燃料电池单体阴极流场板至少由阴极增湿流场和阴极气体反应流场两部分构成；阳极增湿流场、膜电极增湿区、阴极增湿流场位置相互对应；阴极反应气体流经阴极气体反应流场后穿过膜电极流经阳极增湿流场后流出电池；经过膜电极反应区的阴极反应尾气所携带的水蒸气能够透过膜电极增湿区为阴极反应气体和阳极反应气体中至少一种进行增湿。

所述的燃料电池单体膜电极包含增湿区和反应区，反应区至少由阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层五层构成，增湿区至少由阳极支撑层、质子交换膜、阴极支撑层等三层组成，膜电极上布置有气体通孔，能够使阴极反应气体从阴极流场板上的阴极气体反应流场进入到阳极流场板上的阳极增湿流场。

所述的阳极流场板上的阳极增湿流场和阳极气体反应流场通过阳极密封件相互隔离以避免阳极气体与阴极气体相互混合，所述的阴极流场板上的阴极增湿流场和阴极气体反应流场通过阴极密封件相互隔离以保证阴极气体按照设计的流动方式流动。

所述的阳极流场板面向膜电极的一侧有阳极增湿流场和阳极气体反应流场，背向膜电极一侧上有燃料电池冷却流场。

所述的阴极流场板面向膜电极的一侧有阴极增湿流场和阴极气体反应流场，背向膜电极一侧上有燃料电池冷却流场。

所述的阳极流场板面向膜电极的一侧有阳极增湿流场和阳极气体反应流场，背向膜电极一侧上有上一个单体电池的阴极增湿流场和阴极气体反应流场，此阳极流场板又同时作为上一个单体电池的阴极流场板。

所述的阴极流场板面向膜电极的一侧有阴极增湿流场和阴极气体反应流场，背向膜电极一侧上有下一个单体电池的阳极增湿流场和阳极气体反应流场，此阴极流场板又同时作为下一个单体电池的阳极流场板。

所述的阳极反应气体为氢气或含氢气的混合气体，所述的阴极反应气体为氧气或空气。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果： ①同一个燃料电池单体膜电极上包含反应区和增湿区，直接利用流过反应区的高湿度反应尾气在增湿区对进气进行增湿，能够使电堆中各个单体燃料电池反应气湿度保持一致，有利于提高燃料电池稳定性。②燃料电池增湿区集成到膜电极中，避免了使用外部增湿器，降低了燃料电池***复杂性，减少了水管理辅机功耗，提高了燃料电池的功率密度与能量密度。③增湿区与反应区集成在一个膜电极中，只在阳极流场板和阴极流场板上对相应的气体流道进行一定设计，组堆方式与传统燃料电池完全一致，方便简单。

附图说明

图1是本发明的立体分解图。

图2是本发明实施例1的侧面示意图。

图3是本发明实施例2的侧面示意图。

图中：100-阳极流场板，101-阳极流场板上的空气进气分配管，102-阳极增湿流场，103-阳极反应流场，104-从阴极流场板进入阳极流场板的空气进口，105-阳极流场板上的空气排气分配管，106-阳极密封件，107-阳极流场板上的氢气进气分配管，108-阳极流场板上的氢气排气分配管，200-膜电极，201-膜电极上的空气进气孔，202-增湿区，203-反应区，204-膜电极上的气体通孔，205-膜电极上的空气排气孔，207-膜电极上的氢气进气孔，208-膜电极上的氢气排气孔，211-膜电极阳极扩散层，212-膜电极阳极催化层，213-质子交换膜，214-膜电极阴极催化层，215-膜电极阴极扩散层，216-膜电极增湿区阳极支撑层，217-膜电极增湿区阴极支撑层，300-阴极流场板，301-阴极流场板上的空气进气分配管，302-阴极增湿流场，303-阴极反应流场，304-从阴极流场板流向阳极流场板的空气出口，305-阴极流场板上的空气排气分配管，306-阴极密封件，307-阴极流场板上的氢气进气分配管，308-阴极流场板上的氢气排气分配管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构和具体实施方式作进一步的说明。

实施例一：

图1和图2中显示了本发明一种自增湿燃料电池的一种实施方式，图1为该发明燃料电池立体分解结构示意图，图2为侧面示意图。从图1中可知，自增湿燃料电池由两个燃料电池单体叠加而成，每个燃料电池单体依次含有阳极流场板100、膜电极200和阴极流场板300，在燃料电池单体的下部为燃料电池增湿部分，上部为燃料电池反应部分。膜电极200的上部设有氢气进气孔207和氢气排气孔208，下部设有空气进气孔201和空气排气孔205。

燃料电池的单体膜电极200的增湿区202和反应区203中，反应区203至少由阳极扩散层211、阳极催化层212、质子交换膜213、阴极催化层214、阴极扩散层215等五层构成，增湿区202至少由阳极支撑层216、质子交换膜213、阴极支撑层217三层组成，膜电极200上布置有气体通孔204，能够使阴极反应气体从阴极流场板300上的阴极气体反应流场303进入到阳极流场板100上的阳极增湿流场102；单体膜电极200的上部设有氢气进气孔207和氢气排气孔208，下部设有空气进气孔201和空气排气孔205。

本发明的增湿部分，包括有阳极增湿流场102，膜电极增湿区202以及阴极增湿流场302。空气从电堆的空气入口进入阳极流场板上的空气进气分配管101，从阴极流场板上的空气进气分配管301处进入单体燃料电池流场，首先流经阴极流场板300上的增湿流场302，在此处，水蒸气透过膜电极增湿区的阳极支撑层216、质子交换膜213以及阴极支撑层217从阳极增湿流场102传递到阴极增湿流场302，使进入燃料电池的空气湿度得以增加。增湿后的反应空气再流入阴极流场板上的阴极反应流场303。

在反应区，由于燃料电池电化学反应的发生，在阴极生成水，随着阴极空气在流道中的流动，空气的湿度随之增大。经过反应区的空气最后通过阴极流场板流向阳极流场板的空气出口304流出阴极流场板300，穿过膜电极上的气体通孔204，流道阳极流场板上的空气进口104而进入阳极流场板的增湿流场中。在阳极增湿流场中，空气尾气中的水蒸汽能够透过膜电极增湿区进入阴极增湿流场302为空气进气进行增湿，同时，空气尾气中的热量以及空气尾气水蒸汽在凝结过程中释放出的潜热也透过膜电极增湿区传递给空气进气，起到热交换的作用，这样能够让空气进入反应区之前先得到预热。由于增湿区设置在燃料电池的下部，反应过程中如果阴极空气过饱和，凝结成的液态水也能通过气体流道被空气带到增湿区，保持膜电极增湿区质子交换膜的高湿度。在阳极增湿流场102发生充分的水和热的交换后，空气尾气进入阳极流场板上的空气排气分配管105，最后经过电堆的空气出口排出电堆。电堆中过量的液态水也通过阳极流场板上的空气排气分配管105流出电池。氢气从电堆氢气入口进入电堆氢气进气分配管后，从阳极流场板上的氢气进气分配管107进入单体燃料电池，流经阳极反应流场103后从阳极流场板上的氢气排气分配管108流出单体燃料电池，再从电堆氢气排气出口流出燃料电池电堆。本实施例中，仅利用空气尾气对空气进气进行增湿，没有对氢气进气进行增湿。由于空气流量要比氢气流量大2~5倍，如果空气以干气进气，极其容易把燃料电池内部水分全以气态形式带出，使得膜电极反应区被吹干，电池性能及寿命都会下降。这种情况对于常压操作的燃料电池而言是非常重要的，所以，对空气进气的加湿非常必要。而氢气流量较小，也可以采用阳极封闭操作，配合以间歇排气方法，燃料电池性能不会有太大降低，故可以只对空气进气进行增湿，不对氢气进气进行增湿。

阳极流场板100上的阳极增湿流场102和阳极气体反应流场103通过阳极密封件106相互隔离以避免阳极气体与阴极气体相互混合，阴极流场板300上的阴极增湿流场302和阴极气体反应流场303通过阴极密封件306相互隔离以保证阴极气体按照设计的流动方式流动。阳极流场板100面向膜电极200的一侧有阳极增湿流场102和阳极气体反应流场103，背向膜电极一侧上有燃料电池冷却流场。阴极流场板300面向膜电极200的一侧有阴极增湿流场302和阴极气体反应流场303，背向膜电极一侧上有燃料电池冷却流场，阴极流场板300的下部设有空气进气分配管301和空气排气分配管305，上部设有氢气进气分配管307和氢气排气分配管308。

阳极流场板100面向膜电极200的一侧有阳极增湿流场102和阳极气体反应流场103，背向膜电极一侧上有上一个单体电池的阴极增湿流场302和阴极气体反应流场303，此阳极流场板100又同时作为上一个单体电池的阴极流场板300，所述的阴极流场板300面向膜电极200的一侧有阴极增湿流场302和阴极气体反应流场303，背向膜电极一侧上有下一个单体电池的阳极增湿流场102和阳极气体反应流场103，此阴极流场板300又同时作为下一个单体电池的阳极流场板100。阳极反应气体为氢气或含氢气的混合气体，阴极反应气体为氧气或空气。

从图1中可以看到，本实施例阳极流场板100、膜电极200和阴极流场板300所共同的上部所设的氢气进气分配管、氢气排气分配管和共同的下部的空气进气分配管、空气排气分配管是相通的，位置相对应。

实施例二：

图3显示的是另一种实施方式，即利用空气尾气同时对氢气和空气进气进行增湿。在本实施方式中，空气的流动方式与实施例一相同，不同的是，氢气进入单体燃料电池时，首先流经阴极流场板上阴极增湿流场302。此时阴极流场板300上的增湿流场分为两部分，一部分为空气增湿流场，另一部分为氢气增湿流场，空气增湿流场与氢气增湿流场之间通过阴极密封件306相互隔开，避免氢气与空气相互混合。对应膜电极增湿区也分做氢气增湿区和空气增湿区两个部分。氢气进入阴极流场板300上的氢气增湿区后，吸收了从阳极增湿流场中经膜电极氢气增湿区传递过来的水分和热量后，湿度得以增加，然后再经过膜电极上的氢气通孔从阴极流场板上的氢气增湿流场流到阳极流场板上的阳极反应流场，在膜电极反应区参与电化学反应，最后流进氢气排气分配管再流出电池。本实施例中，空气和氢气进气都通过空气尾气进行增湿和预热，更加有利于燃料电池的反应。但是，由于氢气和空气都需要经过增湿，流场板上必须对两种气体进行分隔，需要增加密封件，结构上复杂程度增加了，膜电极制作更麻烦了。同时，由于空气和氢气分享同一增湿区域，为了保证充分增湿，增湿区的面积需要响应增大。

Claims (8)

1.一种自增湿燃料电池，它由至少两个燃料电池单体叠加而成，每个燃料电池单体依次含有阳极流场板（100）、膜电极（200）和阴极流场板（300），其特征在于：每个燃料电池单体膜电极（200）至少由增湿区（202）和反应区（203）两部分构成，每个燃料电池单体阳极流场板（100）至少由阳极增湿流场（102）和阳极气体反应流场（103）两部分构成，每个燃料电池单体阴极流场板（300）至少由阴极增湿流场（302）和阴极气体反应流场（303）两部分构成；阳极增湿流场（102）、膜电极增湿区（102）、阴极增湿流场（302）位置相互对应；阴极反应气体流经阴极气体反应流场（303）后穿过膜电极流经阳极增湿流场（102）后流出电池；经过膜电极反应区（203）的阴极反应尾气所携带的水蒸气能够透过膜电极增湿区（202）为阴极反应气体和阳极反应气体中至少一种进行增湿。

2.按照权利要求1所述的一种自增湿燃料电池，其特征在于：所述的燃料电池单体膜电极（200）包含增湿区（202）和反应区（203），反应区（203）至少由阳极扩散层（211）、阳极催化层（212）、质子交换膜（213）、阴极催化层（214）、阴极扩散层（215）五层构成，增湿区（202）至少由阳极支撑层（216）、质子交换膜（213）、阴极支撑层（217）三层组成，膜电极（200）上布置有气体通孔（204），能够使阴极反应气体从阴极流场板（300）上的阴极气体反应流场（303）进入到阳极流场板（100）上的阳极增湿流场（102）。

3. 按照权利要求1所述的一种自增湿燃料电池，其特征在于：所述的阳极流场板（100）上的阳极增湿流场（102）和阳极气体反应流场（103）通过阳极密封件（106）相互隔离以避免阳极气体与阴极气体相互混合，所述的阴极流场板（300）上的阴极增湿流场（302）和阴极气体反应流场（303）通过阴极密封件（306）相互隔离以保证阴极气体按照设计的流动方式流动。

4. 按照权利要求3所述的一种自增湿燃料电池，其特征在于：所述的阳极流场板（100）面向膜电极（200）的一侧有阳极增湿流场（102）和阳极气体反应流场（103），背向膜电极一侧上有燃料电池冷却流场。

5. 按照权利要求3所述的一种自增湿燃料电池，其特征在于：所述的阴极流场板（300）面向膜电极（200）的一侧有阴极增湿流场（302）和阴极气体反应流场（303），背向膜电极一侧上有燃料电池冷却流场。

6.按照权利要求1或3所述的一种自增湿燃料电池，其特征在于：所述的阳极流场板（100）面向膜电极（200）的一侧有阳极增湿流场（102）和阳极气体反应流场（103），背向膜电极一侧上有上一个单体电池的阴极增湿流场（302）和阴极气体反应流场（303），此阳极流场板（100）又同时作为上一个单体电池的阴极流场板（300）。

7.按照权利要求1或3所述的一种自增湿燃料电池，其特征在于：所述的阴极流场板（300）面向膜电极（200）的一侧有阴极增湿流场（302）和阴极气体反应流场（303），背向膜电极一侧上有下一个单体电池的阳极增湿流场（102）和阳极气体反应流场（103），此阴极流场板（300）又同时作为下一个单体电池的阳极流场板（100）。

8. 按照权利要求1所述的一种自增湿燃料电池，其特征在于：所述的阳极反应气体为氢气或含氢气的混合气体，所述的阴极反应气体为氧气或空气。

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