[發(fā)明專利]一種自增濕燃料電池

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210326221.9
• 申請日: 2012-09-06
• 公開（公告）號: CN102800876A
• 公開（公告）日: 2012-11-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱浩;朱艾成;劉發(fā)喜;董文超;王益軍
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇冰城電材股份有限公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04
• 代理公司: 南京知識律師事務(wù)所 32207
• 代理人: 王新春

技術(shù)領(lǐng)域

?本發(fā)明是屬于燃料電池領(lǐng)域，尤其是指使用無外加濕的質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)。

背景技術(shù)

燃料電池是一種將外部供給的燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的連續(xù)發(fā)電裝置。目前的燃料電池技術(shù)主要根據(jù)電解質(zhì)的不同分作幾種類型，堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池等。發(fā)展得比較成熟而且應(yīng)用前景最為廣泛的是質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton?Exchange?Membrane?Fuel?Cell,?PEMFC）。

在質(zhì)子交換膜燃料電池中，電解質(zhì)為具有質(zhì)子傳遞性能的質(zhì)子交換膜，目前廣泛采用的是全氟磺酸膜。質(zhì)子在電解質(zhì)膜中的傳遞要依靠水分子作為傳導(dǎo)載體，所以，質(zhì)子交換膜中的水含量對燃料電池的性能有非常大的影響，膜中水處于飽和狀態(tài)時具有最佳的質(zhì)子導(dǎo)電性，燃料電池也能發(fā)揮最好的發(fā)電性能。所以，對于質(zhì)子交換膜進(jìn)行增濕或者保濕是質(zhì)子交換膜燃料電池中的必然選擇。

目前，傳統(tǒng)的PEMFC增濕技術(shù)為有源增濕方式，即從外界提供水源。增濕方法有鼓泡增濕、膜增濕、露點(diǎn)加濕、直接注水等，按與電池堆的集成緊密程度可分為外增濕與內(nèi)增濕兩類：外增濕是將增濕子系統(tǒng)與電池分開，在反應(yīng)氣體進(jìn)入電池之前進(jìn)行增濕；內(nèi)增濕是將增濕子系統(tǒng)與電池集成為一體，在反應(yīng)氣體進(jìn)入電池之后進(jìn)行增濕。

加拿大的巴拉德能源系統(tǒng)公司提出了在電堆中構(gòu)建增濕器的方案，使用電堆的冷卻水增濕反應(yīng)氣體（WO?01/67533）。這樣的電池系統(tǒng)通常用膜來實(shí)現(xiàn)內(nèi)增濕作用，加濕器膜材質(zhì)目前普遍選用杜邦公司生產(chǎn)的Nafion?系列離子交換膜，也有利用超濾膜（UF）和反滲透膜(RO)作為增濕膜的研究報(bào)道（Journal?of?Power?Sources,?1998,?74:146-150）。對于膜增濕器，實(shí)用采用外部水循環(huán)提供增濕水，同時電堆冷卻需要冷卻水，由于水質(zhì)要求不同，兩種水又不能合二為一，系統(tǒng)中需要構(gòu)建兩套水循環(huán)系統(tǒng)，造成系統(tǒng)復(fù)雜，輔機(jī)功耗高。

直接注水加濕能讓用戶定制在反應(yīng)氣體中的增濕量，可注入液態(tài)水或注入水蒸氣。前者是依靠增壓泵加壓噴射水流，使水流通過高壓噴嘴為反應(yīng)氣體注水。美國DynEco公司開發(fā)出一種112B4型濕氫氣循環(huán)器，額定功率為30W，能很好地配合直接注水增濕技術(shù)（US6268074），增壓泵（12Vdc，48W）能使水壓提升到60~145Psi。美國專利US5958613公開了一種為PEMFC陽極直接注入液態(tài)水的技術(shù)，既能為電池發(fā)電提供水量，又可利用液態(tài)水的蒸發(fā)潛熱來冷卻電堆。美國專利US5432020公開的增濕器使用高速的反應(yīng)氣流與水霧共混來達(dá)到增濕的目的，尤其適合于對空氣的增濕，因?yàn)榭諝庠谶M(jìn)入PEMFC之前經(jīng)過壓縮處理后溫度會升高，加入液態(tài)水有利于降溫。液態(tài)水直接增濕能夠簡化增濕系統(tǒng)，但是進(jìn)入電池的液態(tài)水量需要精細(xì)控制。

利用外加水源對燃料電池電堆進(jìn)行增濕必須要構(gòu)建水路系統(tǒng)，至少需要水箱、水循環(huán)管路、泵、閥門等相關(guān)組件，同時需要對水位進(jìn)行監(jiān)控，在水箱水位不足時進(jìn)行補(bǔ)水。然而，由于燃料電池在工作時氫氣和氧氣反應(yīng)生成水，產(chǎn)生的水可以經(jīng)過汽水分離后循環(huán)到水箱。從這一點(diǎn)來看，外加水增濕帶來了系統(tǒng)的復(fù)雜性。對于燃料電池而言，水所起的作用在于保持膜的潤濕性，以保持良好的離子導(dǎo)電性能，其實(shí)反應(yīng)產(chǎn)生的水就足夠了。所以，回收燃料電池尾氣中的水蒸氣給進(jìn)氣進(jìn)行增濕就非常重要了，特別是燃料電池陰極尾氣。回收尾氣中的水蒸氣用于增濕進(jìn)氣，有利于簡化系統(tǒng)，降低系統(tǒng)內(nèi)部輔機(jī)功耗，提高功率密度。

美國Emprise公司開發(fā)了一種利用電堆的反應(yīng)尾氣對反應(yīng)氣體進(jìn)行增濕的外增濕器（US6013385），其核心是一塊圓盤狀的陶瓷多孔材料，化學(xué)成分為堇青石（2MgO-2Al₂O₃-5SiO₂），該材料氣體傳遞阻力小，具有高機(jī)械強(qiáng)度和強(qiáng)吸水性。增濕器分為兩個腔體，從電堆中排放出的尾氣含有一定的廢熱和大量的水分，流經(jīng)堇青石材料時，釋放出熱量并被脫水，這樣當(dāng)電機(jī)帶動堇青石圓盤旋轉(zhuǎn)時，在另一側(cè)的干反應(yīng)氣體就被增濕。水量回收率可達(dá)到85-90%，其壽命測試已超過了10000小時。美國專利US?6471195公開了一種中空纖維增濕器，采用直徑為2mm，長250mm的中空纖維管作為水分交換材料。當(dāng)燃料電池陰極排放的廢氣流經(jīng)這些中空纖維隔膜材料時，廢氣中的大量水分被凝結(jié)下來，并通過管壁上的毛細(xì)管傳遞到外部的新鮮空氣，達(dá)到增濕的目的。