對氫氣進出通道及循環利用優化設計的集成式燃料電池的製作方法
2023-10-09 17:11:19
專利名稱：對氫氣進出通道及循環利用優化設計的集成式燃料電池的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種燃料電池，尤其涉及一種對氫氣進出通道及循環利用優化設計的集成式燃料電池。
背景技術：
燃料電池是一種能夠將燃料與氧化劑發生電化學反應時產生的化學能轉變成電能的裝置。該裝置的核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極由一張質子交換膜和夾在膜兩面的兩張可導電多孔性擴散材料(如碳紙)組成，在質子交換膜與導電材料接觸的兩邊界面上均勻分布有細小分散的可引發電化學反應的催化劑(如金屬鉑)。膜電極兩邊用導電物體將發生電化學反應過程中產生的電子通過外電路引出，就構成了電流迴路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(如碳紙)，並在催化劑表面發生電化學反應，失去電子形成正離子，正離子可通過遷移穿過質子交換膜，到達膜電極的另一端一陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體(如空氣)，通過滲透穿過多孔性擴散材料(如碳紙)，並在催化劑表面發生電化學反應，得到電子形成負離子，該負離子進一步與從陽極端遷移過來的正離子結合，形成反應產物。
在以氫氣為燃料、以含有氧氣的空氣為氧化劑(或以純氧為氧化劑)的質子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區發生失去電子的催化電化學反應，形成氫正離子(質子)，其電化學反應方程式為陽極反應氧氣在陰極區發生得到電子的催化電化學反應，形成負離子，該負離子進一步與從陽極端遷移過來的氫正離子結合，形成反應產物水。其電化學反應方程式為
陰極反應燃料電池中的質子交換膜除了用於發生電化學反應以及遷移交換反應中產生的質子外，其作用還包括將含有燃料氫氣的氣流與含有氧化劑(氧氣)的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產生爆炸式反應。
在典型的質子交換膜燃料電池中，膜電極一般放在兩塊導電的極板之間，兩極板上均開設有導流槽，因此又稱作導流極板。導流槽開設在與膜電極接觸的表面上，通過壓鑄、衝壓或機械銑刻形成，其數量在一條以上。導流極板可以由金屬材料製成，也可以由石墨材料製成。導流極板上的導流槽的作用是將燃料或氧化劑分別導入膜電極兩邊的陽極區或陰極區。在一個質子交換膜燃料電池單電池的構造中，只存在一個膜電極和兩塊導流極板，兩塊導流極板分設在膜電極兩邊，一個作為陽極燃料的導流極板，另一個作為陰極氧化劑的導流極板。這兩塊導流極板既作為電流集流板，也是膜電極兩邊的機械支撐。導流極板上的導流槽既是燃料或氧化劑進入陽極或陰極表面的通道，也是將電池運行過程中生成的水帶走的出水通道。
為了增大質子交換膜燃料電池的功率，通常將兩個或兩個以上的單電池通過直疊的方式或平鋪的方式連在一起組成電池組，或稱作電池堆。這種電池組通常通過前端板、後端板及拉杆緊固在一起成為一體。在電池組中，位於兩質子交換膜之間的極板的兩面都設有導流槽，稱為雙極板。雙極板的其中一面作為一個膜電極的陽極導流面，另一面則作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面。一個典型的電池組通常還包括1)、燃料及氧化劑氣體的進口和導流通道。其作用是將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經重整後得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導流槽中；2)、冷卻流體(如水)的進、出口與導流通道。其作用是將冷卻流體均勻地分布到各個電池組內的冷卻通道中，吸收燃料電池內產生的反應熱並將其帶出電池組進行散熱；3)、燃料與氧化劑氣體的出口與導流通道。其作用是將沒有參與反應的多餘燃料氣體和氧化劑排出，同時將反應生成的液態或氣態的水帶出。上述燃料進出口、氧化劑進出口和冷卻流體的進出口通常都開設在燃料電池組的一個端板上或分別開設在兩個端板上。
質子交換膜燃料電池可用作車、船等運載工具的動力系統，又可製作成移動式或固定式的發電裝置。
在質子交換膜燃料電池用作車、船的動力系統和移動式或固定式的發電裝置時，必須包括電池堆、燃料氫氣供應子系統、空氣供應子系統、冷卻散熱子系統、自動控制機構及電能輸出機構各個部分。
圖1為燃料電池發電系統的基本組成示意圖。圖中標號，1為燃料電池堆，2為儲氫瓶或其它儲氫裝置，3為減壓閥，4為空氣過濾裝置，5為空氣壓縮供應裝置，6、6』為水-汽分離器，7為水箱，8為冷卻流體循環泵，9為散熱器，10為氫循環泵，11、12為增溼裝置，13為氫穩壓閥。
為了提高燃料電池整個發電系統的能量轉換效率，除了提高燃料電池的電極性能以外，提高燃料電池發電系統的氫氣利用率非常重要。氫氣供應及循環利用對提高燃料電池發電系統的氫氣利用率，及保證燃料電池發電系統的運行穩定性有關鍵作用。燃料氫氣經過減壓、穩壓後，又經過增溼裝置輸送進入燃料電池堆與電極另一側的氧化劑發生電化學發應。在電極的氫氣供應一側隨著反應不斷進行，會慢慢產生水。這些水主要來自二個方面，一是增溼後的氫氣攜帶一部分水進入燃料電池堆，氫氣反應掉後，水就留下來；另一部分是在電極陰極側由電化學反應生成的水經過膜電極反滲透到電極陽極側。為了將這二部分水從電極陽極側帶出燃料電池堆，必須向燃料電池堆供應大於1.0計量比的氫氣流量，使氫氣過量，通過過量的氫氣在離開燃料電池堆時將這二部分水帶出。
為了同時做到既可以將過量的氫氣循環使用，又可以將燃料電池堆中電極的氫氣供應一側的水帶出，目前採用的技術是利用氫氣循環泵或氫氣循環裝置的技術。如圖1所示，在氫氣出口管路上設置一臺水汽分離器6，在水汽分離器6與氫氣進口管道之間設置一臺氫氣循環泵10。通過氫氣循環泵將過量的氫氣回收，重新進入燃料電池堆參與反應，同時又可以將上述二部分水帶出燃料電池堆。如專利技術「一種適合低壓運行的燃料電池氫氣循環利用裝置」，中國專利號為03255444.3。
上述氫氣循環利用技術對單燃料電池堆是比較合適的。但應用於由多個單燃料電池堆模塊經集成方式構成的大型燃料電池堆時，就會出現問題。
實際上，目前燃料電池發電系統用於運載工具的動力系統或用作發電站，都要求有很高的功率輸出。這種高的功率輸出要求燃料電池堆必須實現高電壓、大電流輸出。為了實現大功率的燃料電池堆，有必要將多個單燃料電池堆模塊經集成方式構成體積上較緊湊的大燃料電池堆。例如「US Patent5486430」的方法，將多個單燃料電池堆平行排列，每個單燃料電池堆的所有空氣、氫氣、冷卻水的進口、出口統一集成到一塊共用的前端面板上或後端面板上。前端面板與後端面板上設有供所有單燃料電池堆上的所有空氣、氫氣、冷卻流體的進、出口共用的六大流體通道。再例如上海神力科技有限公司的專利「一種集成式的燃料電池(專利號02265512.3)」所描述的方法，由多個燃料電池堆共用一塊集流面板，該集流面板上的前、後集成了多個燃料電池堆。該集流面板設置在多個燃料電池堆的中間，所有燃料電池堆的空氣、氫氣、冷卻流體的進、出口都統一集成到這塊共用集流面板上。該集流面板上設有供所有燃料電池堆上的所有空氣、氫氣、冷卻流體的進、出口共用的六大流體通道。
上述通過各種方法實現的集成式燃料電池，每個燃料電池堆模塊雖然共用各流體通道，但每個模塊都有自己的正、負集流母板，通過對所有的燃料電池模塊上的正、負極母板進行串、並聯連接，整個集成式燃料電池可以輸出符合實際需要的高電壓、大電流的要求。
對更大功率輸出的燃料電池發電系統，原則上可以通過集成更多的燃料電池堆模塊，並讓所有的燃料電池堆模塊上的所有空氣、氫氣、冷卻流體的進、出口共用六大流體通道，即集成後的大燃料電池堆同樣是一種具有總空氣、總氫氣、總冷卻流體進、出口的六大流體通道的一體化結構。
為了使集成式燃料電池具有更高的體積、重量、功率密度，必須將集成式燃料電池前端集流面板、後端集流面板或中間總集流面板進行最緊湊的工程設計，例如US Patent 6159629，對一種集成式燃料電池前端集流面板與後端集流面板，採用了一種導流層面結構歧管設計，如圖2、圖3、圖4所示。
上述集成式燃料電池集流面板上的導流層面歧管設計技術可以讓集成式燃料電池中每個燃料電池堆模塊上的所有空氣、氫氣、冷卻流體的進、出口共用六大流體通道，每一總流體通道構成了集流面板內部的一個層面，而每一個層面都有單獨的導流管道口引出，構成集成式燃料電池總空氣、總氫氣、總冷卻流體進出口的六大流體口。
上述技術雖然在設計上使集成式燃料電池達到了體積緊湊，大大提高體積功率密度的目的，但是在進行氫燃料循環利用時，會有以下技術缺陷1、每種流體先從集成式燃料電池集流面板的總進流體口進入，先充滿一個層面，再分流到各個燃料電池模塊。為了增加集成式燃料電池體積功率密度，往往這個總進流體通道構成的整個層面比較窄，而各個燃料電池模塊的各個支進流體口並不是完全佔據了整個層面的面積，而是只佔據了整個層面的一小部分(如圖3、圖4、圖5所示)。當總進流體是單一相的流體，如冷卻流體-水時，由流體完全充滿整個窄層層面的總進流體通道，然後均勻地從各個燃料電池模塊的各個分進流體口進入，不會產生什麼問題。但是當流體是由大部分氣、少量液組成的二相流動狀態時，氣相流體很容易充滿整個窄層層面的總進流體通道，並可以均勻地在各個燃料電池模塊的各個分進流體口進入，而少量液態流體(往往是冷凝水)則會積留在窄層層面的總進流體通道中，並且當積聚很多後，往往會導致隨機分配到某個燃料電池模塊中，造成氣相流動的導流槽充滿液態水而堵塞。
上述情況在集成式燃料電池中的總進氫氣通道中經常發生，增溼後的氫氣由於發生流速變化及溫度變化而冷凝出少部分液態水，長時間積聚很多水後，容易隨氫氣流動，並造成各個燃料電池模塊中某個或數個單電池中的氫氣導流槽中發生堵水。某個單電池氫氣導流槽中堵水會造成該單電池燃料氫處於飢餓狀態，電壓急劇下降，嚴重時會燒壞該電極。
2、在採用氫氣循環泵等氫氣循環利用裝置時，為了將整個集成式燃料電池堆中每個燃料電池堆模塊中氫側的水帶出來，必須採用循環流量很大的氫氣循環泵或氫氣循環利用裝置，這種總循環氫流量很大的裝置需要消耗很大的功率，降低了整個燃料電池發電系統的發電效率，即燃料氫氣的轉換效率。而且這種總循環氫流量很大的裝置往往佔據了整個燃料電池發電系統中很大的體積空間，並增加了重量，往往噪聲也較大。
實用新型內容本實用新型的目的就是為了解決上述問題而提供一種對氫氣進出通道及循環利用優化設計的集成式燃料電池，它能避免冷凝水積存在總進氫氣通道內。
本實用新型的目的是這樣實現的一種對氫氣進出通道及循環利用優化設計的集成式燃料電池，包括由至少兩個燃料電池堆模塊組成的集成式燃料電池堆和氫氣循環利用裝置，在集成式燃料電池堆的兩端各設有集流端面板，或在集成式燃料電池堆的中間設有集流中間面板，在一集流端面板上或在集流中間面板內設有總進氫氣通道，各燃料電池堆模塊分別設有支進氫氣通道和支出氫氣通道，氫氣循環利用裝置包括氫循環泵和水汽分離器，其特點是所述的總進氫氣通道為一平滑管道，其水平設置在一集流端面板的外側或集流中間面板內，由總進氫氣通道側面分流出多個支進氫氣通道分別與各燃料電池堆模塊的支氫氣進口相連；所述的各燃料電池堆模塊的支出氫氣通道分別直接從另一集流端面板或集流中間面板引出；所述的氫氣循環利用裝置還包括一組合電磁閥，組合電磁閥中各單閥的進口分別連通各燃料電池堆模塊的支出氫氣通道，組合電磁閥中各單閥的出口分別通過一根總管與水汽分離器連通。
所述的各支進氫氣通道的有效通徑小於總進氫氣通道的有效通徑。
所述的組合電磁閥中的各單閥可以分別依次導通，實現間歇式、脈衝式的對各燃料電池堆模塊的氫燃料進行循環。
所述的集成式燃料電池堆由六個燃料電池堆模塊組成，相應氫氣循環利用裝置中的組合電磁閥由六個單電磁閥組合而成。
所述的集成式燃料電池堆由三個燃料電池堆模塊組成，相應氫氣循環利用裝置中的組合電磁閥由三個單電磁閥組合而成。
所述的集成式燃料電池堆由八個燃料電池堆模塊組成，相應氫氣循環利用裝置中的組合電磁閥由八個單電磁閥組合而成。
所述的集成式燃料電池堆由十個燃料電池堆模塊組成，相應氫氣循環利用裝置中的組合電磁閥由十個單電磁閥組合而成。
本實用新型對氫氣進出通道及循環利用優化設計的集成式燃料電池由於採用了上述的技術方案，使之與現有技術相比，具有以下的優點和積極效果
1、燃料氫氣先在集流端面板或集流中間面板中一條平滑規則的總進氫通道流入，這條平滑規則的總進氫通道再分流出數條與各個燃料電池模塊中的支氫氣進相連的支進氫氣通道，由於各支進氫氣通道的有效通徑比總進氫通道小，這樣，當增溼後的氫氣進入總進氫氣通道後，再經支進氫氣通道分流到各個燃料電池模塊時，即使在最初產生的冷凝態水也無法積聚在總進氫氣通道內，可全部由過量的氫氣及時帶出燃料電池。
2、由於對氫氣循環利用裝置進行了優化設計，增設了一個組合電磁閥，通過組合電磁閥中的各單閥分別與各支出氫氣通道直接連通，通過將各單閥依次導通實現間歇性、脈衝式的對各個燃料電池堆模塊的氫燃料進行循環，只需採用一個較小氫循環流量的氫氣循環泵，並可以更加容易地帶出每個燃料電池堆模塊中氫側的水。此外，由於採用了較小氫循環流量的氫氣循環泵，還具有節能、降噪和少佔空間的有益效果。
通過以下對本實用新型對氫氣進出通道及循環利用優化設計的集成式燃料電池的一實施例結合其附圖的描述，可以進一步理解本實用新型的目的、具體結構特徵和優點。其中，附圖為圖1是現有技術燃料電池發電系統的基本組成示意圖；圖2、圖3、圖4是現有技術對集流端面板導流層面結構採用歧管設計的示意圖；圖5是本實用新型中對氫氣進出通道進行了優化設計的一種集成式燃料電池堆；圖6是本實用新型中對氫氣進出通道進行了優化設計的另一種集成式燃料電池堆；圖7是本實用新型中對氫氣循環利用進行了優化設計的氫氣循環利用裝置的主要組成示意圖；圖8是本實用新型一實施例的基本組成示意圖。
具體實施方式
參見圖5、圖6、圖7。本實用新型對氫氣進出通道及循環利用優化設計的集成式燃料電池，包括由至少兩個燃料電池堆模塊組成的集成式燃料電池堆1(如圖5、圖6所示)和氫氣循環利用裝置(如圖7所示)，在集成式燃料電池堆1的兩端各設有集流端面板101、102(如圖5所示)，或在集成式燃料電池堆的中間設有集流中間面板103(如圖6所示)，在一集流端面板(如101)的外側(如圖5所示)或在集流中間面板103內(如圖6所示)設有總進氫氣通道104，由總進氫氣通道的側面分出多個支進氫氣通道104a、104b......分別與各燃料電池堆模塊的氫氣進口連通，各燃料電池堆模塊的支出氫氣通道105a、105b......分別直接從另一集流端面板(如102)或集流中間面板103引出，各支進氫氣通道的有效通徑小於總進氫氣通道的有效通徑。
氫氣循環利用裝置(參見圖7)包括氫循環泵10、水汽分離器6和組合電磁閥14，組合電磁閥中各單閥的進口分別連通各燃料電池堆模塊的支出氫氣通道，組合電磁閥中各單閥的出口分別通過一根總管與水汽分離器連通。組合電磁閥中的各單閥可以分別依次導通，實現間歇式、脈衝式的對各燃料電池堆模塊的氫燃料進行循環。
本實用新型一種對氫氣進出通道及循環利用優化設計的集成式燃料電池的主要結構組成和工作原理可通過以下實施例作進一步說明請參見圖8，本實用新型一種對氫氣進出通道及循環利用優化設計的集成式燃料電池的一實施例中的集成式燃料電池堆1包括六個燃料電池堆模塊，相應的氫氣循環利用裝置中設有由六個單電磁閥組成的組合電磁閥14。六個燃料電池堆模塊共用一塊集流中間面板103。增溼後的燃料氫氣在集流中間面板上部從一條圓形的總進氫氣通道104流入，再分流出六條與六個燃料電池堆模塊中的支氫氣進相連的支進氫氣通道104a、104b、104c......，將增溼後的燃料氫氣均勻分流到六個燃料電池堆模塊的支進氫氣通道；每個燃料電池堆模塊的支出氫氣通道105a、105b、105c......，分別單獨直接從集流中間板104引出，並與組合式電磁閥14中各單閥的進口一一對應連接。圖中其它標號，2為儲氫瓶或其它儲氫裝置，3為減壓閥，6為水-汽分離器，10為氫循環泵，11為增溼裝置，13為氫穩壓閥。
該集成式燃料電池額定輸出功率是70千瓦，氫氣供應量大約900標準立升/分鐘，其中按氫氣計量比1.2運行，大約有180標準立升/分鐘的過量氫氣需要經過氫氣循環泵循環回來。如果不採用實用新型的技術方案，需要有一個循環流量為180升/分鐘的大循環流量氫膜片泵，才能滿足其循環量的要求。該泵消耗功率為600瓦，而且噪聲高達80分貝，重達15公斤。由於各個燃料電池堆模塊採用統一總進氫氣通道與總出氫氣通道，在氫循環流量達到180升/分鐘時，平均每個燃料電池堆模塊的氫循環流量僅為30升/分鐘，該循環流量往往無法保證每個燃料電池堆模塊中氫側水的帶出。
採用本實用新型的上述技術方案後，僅需要一個循環流量為90升/分鐘的中等循環流量的氫膜片泵，就可滿足其循環量的要求。該泵消耗功率僅為250瓦，而且噪聲僅為60分貝，重量僅為3公斤。
當集成式燃料電池額定輸出功率為70千瓦時，氫氣供應量大約為900立升/分鐘，按氫氣計量比1.1運行，其中僅90升/分鐘過量氫氣經過氫氣循環泵循環回來。由於採用了本實用新型的技術方案，該集成式燃料電池堆由六個燃料電池堆模塊組成，每個模塊的支出氫氣通道分別從集流中間面板引出，並與組合電磁閥中的六個單電磁閥分別連接。該組合電磁閥在任何時間內僅開啟一個電磁閥，僅使一個燃料電池堆模塊的氫氣出口有氫氣進入循環，所以每個燃料電池堆模塊的氫氣循環流量高達90升/分鐘，在這樣大的氫氣循環流量作用下，該模塊中的氫側水很容易被帶出燃料電池堆。
組合電磁閥中的各單閥依次按固定順序循環進行開啟，造成每個燃料電池堆模塊的氫氣循環也是間歇脈衝式的，實際運行的效果證明，這種優化設計的氫氣循環利用裝置使每個燃料電池堆排水更乾淨了。並且具有節能和降低噪聲的優點。
本實用新型對氫氣進出通道及循環利用優化設計的集成式燃料電池中的集成式燃料電池堆可以由兩個以上數目的燃料電池堆模塊組成，例如3個、8個、10個等等，相應的氫氣循環利用裝置中的組合電磁閥也由兩個以上數目的單電磁閥組成，例如3個、8個、10個等等。
權利要求1.一種對氫氣進出通道及循環利用優化設計的集成式燃料電池，包括由至少兩個燃料電池堆模塊組成的集成式燃料電池堆和氫氣循環利用裝置，在集成式燃料電池堆的兩端各設有集流端面板，或在集成式燃料電池堆的中間設有集流中間面板，在一集流端面板上或在集流中間面板內設有總進氫氣通道，各燃料電池堆模塊分別設有支進氫氣通道和支出氫氣通道，氫氣循環利用裝置包括氫循環泵和水汽分離器，其特徵在於所述的總進氫氣通道為一平滑管道，其水平設置在一集流端面板的外側或集流中間面板內，由總進氫氣通道側面分流出多個支進氫氣通道分別與各燃料電池堆模塊的支氫氣進口相連；所述的各燃料電池堆模塊的支出氫氣通道分別直接從另一集流端面板或集流中間面板引出；所述的氫氣循環利用裝置還包括一組合電磁閥，組合電磁閥中各單閥的進口分別連通各燃料電池堆模塊的支出氫氣通道，組合電磁閥中各單閥的出口分別通過一根總管與水汽分離器連通。
2.如權利要求1所述的對氫氣進出通道及循環利用優化設計的集成式燃料電池，其特徵在於所述的各支進氫氣通道的有效通徑小於總進氫氣通道的有效通徑。
3.如權利要求1所述的對氫氣進出通道及循環利用優化設計的集成式燃料電池，其特徵在於所述的集成式燃料電池堆由六個燃料電池堆模塊組成，相應氫氣循環利用裝置中的組合電磁閥由六個單電磁閥組合而成。
4.如權利要求1所述的對氫氣進出通道及循環利用優化設計的集成式燃料電池，其特徵在於所述的集成式燃料電池堆由三個燃料電池堆模塊組成，相應氫氣循環利用裝置中的組合電磁閥由三個單電磁閥組合而成。
5.如權利要求1所述的對氫氣進出通道及循環利用優化設計的集成式燃料電池，其特徵在於所述的集成式燃料電池堆由八個燃料電池堆模塊組成，相應氫氣循環利用裝置中的組合電磁閥由八個單電磁閥組合而成。
6.如權利要求1所述的對氫氣進出通道及循環利用優化設計的集成式燃料電池，其特徵在於所述的集成式燃料電池堆由十個燃料電池堆模塊組成，相應氫氣循環利用裝置中的組合電磁閥由十個單電磁閥組合而成。
專利摘要本實用新型提供了一種對氫氣進出通道及循環利用優化設計的集成式燃料電池，其特點是，其中的總進氫氣通道為一平滑管道，水平設置在一集流端面板的外側或集流中間面板內，由總進氫氣通道側面分流出多個支進氫氣通道分別與各燃料電池堆模塊的支氫氣進口相連；其中的各燃料電池堆模塊的支出氫氣通道分別直接從另一集流端面板或集流中間面板引出；其中的氫氣循環利用裝置設置了組合電磁閥，組合電磁閥中各單閥的進口分別連通各燃料電池堆模塊的支出氫氣通道。採用本實用新型的技術，能避免冷凝水積存在總進氫氣通道內，可全部由過量的氫氣及時帶出燃料電池，還具有節能、降噪和少佔空間的有益效果。
文檔編號H01M8/04GK2775853SQ20042010765
公開日2006年4月26日 申請日期2004年11月2日 優先權日2004年11月2日
發明者胡裡清, 夏建偉, 付明竹, 章波, 趙景輝 申請人:上海神力科技有限公司