[發明專利]一種控制燃料電池空氣和氫氣運行壓力穩定的方法

有效

• 申請號: 200710044739.2
• 申請日: 2007-08-09
• 公開（公告）號: CN101364650A
• 公開（公告）日: 2009-02-11
• 發明（設計）人: 胡里清;付明竹
• 申請（專利權）人: 上海神力科技有限公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司
• 代理人: 趙志遠

技術領域

本發明涉及燃料電池的輔助裝置，尤其涉及一種控制燃料電池空氣和氫氣運行壓力穩定的方法。

背景技術

電化學燃料電池是一種能夠將氫及氧化劑轉化成電能及反應產物的裝置。該裝置的內部核心部件是膜電極(Membrane?Electrode?Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細小分散的引發電化學反應的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導電物體將發生電化學發應過程中生成的電子，通過外電路引出，構成電流回路。

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(碳紙)，并在催化劑表面上發生電化學反應，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(碳紙)，并在催化劑表面上發生電化學反應得到電子，形成負離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發生反應，形成反應產物。

在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區的催化電化學反應就產生了氫正離子(或叫質子)。質子交換膜幫助氫正離子從陽極區遷移到陰極區。除此之外，質子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產生爆發式反應。

在陰極區，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負離子，并與陽極區遷移過來的氫正離子反應，生成反應產物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質子交換膜燃料電池中，陽極反應與陰極反應可以用以下方程式表達：

陽極反應：H₂→2H⁺+2e

陰極反應：1/2O₂+2H⁺+2e→H₂O

在典型的質子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導電的極板中間，每塊導膜電極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機械銑刻，形成至少一條以上的導流槽。這些導膜電極板可以上金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導膜電極板上的導流孔道與導流槽分別將燃料和氧化劑導入膜電極兩邊的陽極區與陰極區。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，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導流板與陰極氧化劑的導流板。這些導流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導流板上的導流槽又作為燃料與氧化劑進入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。

為了增大整個質子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通常可通過直疊的方式串聯成電池組或通過平鋪的方式聯成電池組。在直疊、串聯式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。

一個典型電池組通常包括：(1)燃料及氧化劑氣體的導流進口和導流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經重整后得到的富氫氣體)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，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內冷卻通道中，將燃料電池內氫、氧電化學放熱反應生成的熱吸收并帶出電池組進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應的導流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。

質子交換膜燃料電池可用作車、船等運載工具的動力系統，又可用作手提式、移動式和固定式的發電裝置。

質子交換膜燃料電池作為運載工具的動力系統，用作發電站時一般以純氫為燃料，以空氣為氧化劑。目前，包括加拿大的Ballard?Power?System?Inc.所設計的燃料電池堆一般在壓力下運行。運行空氣與氫氣的相對壓力一般在一個大氣壓以上；并且，燃料電池堆的設計一般也適合在壓力下運行，其主要特點是燃料電池進口空氣壓力與出口空氣壓力，以及燃料電池進口氫氣壓力與出口氫氣壓力之間的壓差ΔP較大，大約在0.2～0.4個大氣壓之間。

對于目前這種較高壓力運行的燃料電池堆，燃料電池堆與流體之間一般是通過調節減壓閥來使空氣/氫氣壓力符合工作壓力的需要。而目前普遍采用的減壓閥有以下缺點：