一种自增湿燃料电池制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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，提高了燃料电池系统的功率密度。本发明专利技术公开的燃料电池可以应用于各种电子设备电源、不间断电源系统、电动汽车发动机系统等各个领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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 FuelCell, 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系统与电池分开，在反应气体进入电池之前进行增湿；内增湿是将增湿子系统与电池集成为一体，在反应气体进入电池之后进行增湿。加拿大的巴拉德能源系统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(W0 01/67533)。这样的电池系统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，系统中需要构建两套水循环系统，造成系统复杂，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系统，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系统，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，外加水增湿带来了系统的复杂性。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，有利于简化系统，降低系统内部辅机功耗，提高功率密度。美国Emprise公司开发了ー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)，其核心是ー块圆盘状的陶瓷多孔材料，化学成分为堇青石(2Mg0-2Al203-5Si02),该材料气体传递阻カ小，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，在另ー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公开了ー种中空纤维增湿器，采用直径为2_，长250_的中空纤维管作为水分交換材料。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。在燃料电池系统中，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。
技术实现思路
针对以上不足，本专利技术的目的g在提供ー种自增湿燃料电池，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，然后再进入反应区參加电化学反应，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，简化了燃料电池系统的水管理，能使电池结构更加紧凑，提高系统能量密度。本专利技术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，其特征在干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帯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ー种进行增湿。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、质子交換膜、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、质子交換膜、阴极支撑层本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱浩，朱艾成，刘发喜，董文超，王益军，
申请(专利权)人：江苏冰城电材股份有限公司，
类型：发明
国别省市：