專利名稱：一種可使燃料氫氣壓力穩(wěn)定的大功率燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及一種可使燃料氫氣壓力穩(wěn)定的大功率燃料電池。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)浼把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡(jiǎn)稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)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(xì)小分散的引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中生成的電子，通過(guò)外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽(yáng)極端，燃料可以通過(guò)滲透穿過(guò)多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過(guò)遷移穿過(guò)質(zhì)子交換膜，到達(dá)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(guò)滲透穿過(guò)多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離子。在陰極端形成的陰離子與陽(yáng)極端遷移過(guò)來(lái)的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)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(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽(yáng)極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽(yáng)極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開(kāi)來(lái)，使它們不會(huì)相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負(fù)離子，并與陽(yáng)極區(qū)遷移過(guò)來(lái)的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽(yáng)極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)陽(yáng)極反應(yīng)陰極反應(yīng)在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)流極板與膜電極接觸的表面通過(guò)壓鑄、沖壓或機(jī)械銑刻，形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)流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(dǎo)流極板上的流體孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽(yáng)極區(qū)與陰極區(qū)。在一個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個(gè)膜電極，膜電極兩邊分別是陽(yáng)極燃料的導(dǎo)流板與陰極氧化劑的導(dǎo)流板。這些導(dǎo)流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機(jī)械支撐，導(dǎo)流板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽(yáng)極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運(yùn)行過(guò)程中生成的水的通道。
為了增大整個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個(gè)或兩個(gè)以上的單電池通?？赏ㄟ^(guò)直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過(guò)平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個(gè)膜電極的陽(yáng)極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個(gè)相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過(guò)一定方式連在一起而組成一個(gè)電池組。電池組通常通過(guò)前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個(gè)典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經(jīng)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(gè)陽(yáng)極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個(gè)電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時(shí)，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開(kāi)在燃料電池組的一個(gè)端板上或兩個(gè)端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池可用作車、船等運(yùn)載工具的動(dòng)力系統(tǒng)，又可用作移動(dòng)式、固定式的發(fā)電裝置。
質(zhì)子交換膜燃料電池可用作車、船動(dòng)力系統(tǒng)或移動(dòng)式和固定式發(fā)電站時(shí)，必須包括電池堆、燃料氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)子系統(tǒng)、冷卻散熱子系統(tǒng)、自動(dòng)控制及電能輸出各個(gè)部分。
圖1為較典型的一種較大功率輸出的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，在圖1中1為燃料電池堆；2為儲(chǔ)氫瓶或其他儲(chǔ)氫裝置；3為氫氣一級(jí)減壓閥；4為空氣過(guò)濾裝置；5為空氣壓縮供應(yīng)裝置；6’、6為水—汽分離器；7為水箱；8為冷卻流體循環(huán)泵；9為散熱器；10為氫循環(huán)泵；11、12為增濕裝置；13為第一氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥；15為充氫閥；16為氫氣高壓電磁閥。
為了保證大功率燃料電池發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定、安全的運(yùn)行，保證向大功率燃料電池堆輸送足夠流量與穩(wěn)定壓力的氫氣是非常關(guān)鍵的。
根據(jù)大功率燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的燃料電池堆輸出功率的大小，要求燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)輸送氫氣的流量會(huì)發(fā)生較大的變化。例如燃料電池堆每輸出100KW，大約需要向燃料電池堆輸送大于1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方米氫氣/分鐘的流量氫氣。
為了保證這種大功率(10～數(shù)百千瓦)燃料電池堆穩(wěn)定、安全的運(yùn)行，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的燃料氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)一般都必須包括氫氣高壓電磁閥、氫氣一級(jí)減壓閥、第一氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥，以保證在大流量氫氣流向燃料電池堆時(shí)，氫氣壓力穩(wěn)定可控。對(duì)低壓力運(yùn)行的燃料電池堆，氫氣運(yùn)行壓力一般不超過(guò)相對(duì)壓力1個(gè)大氣壓。
對(duì)大功率燃料電池(大于10KW以上)，并且在氫氣運(yùn)行壓力不超過(guò)1個(gè)大氣壓的運(yùn)行要求前提下，燃料供應(yīng)子系統(tǒng)為了保證向燃料電池堆供應(yīng)足夠流量的氫氣與穩(wěn)定的壓力，在靠近燃料電池堆端的低壓力端必須有一個(gè)氫氣減壓低壓力穩(wěn)壓閥，這種機(jī)械式的減壓兼低壓穩(wěn)壓閥，必須在大流量氫氣下保持穩(wěn)定氫氣壓力的供應(yīng)。既使在氫氣流量波動(dòng)很大的情況下，其供應(yīng)壓力波動(dòng)也不會(huì)很大。對(duì)于這種減壓兼低壓力穩(wěn)壓閥的機(jī)械設(shè)計(jì)，一般是保證該閥前端有較穩(wěn)定的氫氣壓力供應(yīng)，否則，這種閥也很難保證其穩(wěn)定氫氣壓力的作用。
所以上述燃料氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)的技術(shù)方案有以下技術(shù)缺陷當(dāng)?shù)谝粴錃舛?jí)減壓穩(wěn)壓閥前端較穩(wěn)定的氫氣壓力保證提供時(shí)，該閥可以在很大的氫氣流量波動(dòng)供應(yīng)的情況下，向燃料電池堆保持較穩(wěn)定的氫氣壓力供應(yīng)；但當(dāng)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)，一般系統(tǒng)會(huì)指令自動(dòng)打開(kāi)氫氣高壓力端電磁閥，此時(shí)，經(jīng)過(guò)氫氣一級(jí)減壓閥減壓的氫氣壓力會(huì)突然施加在第一氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥上。這種突然地施加壓力會(huì)對(duì)第一氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥造成很大的壓力沖擊，造成該閥無(wú)法穩(wěn)住原先設(shè)定的氫氣穩(wěn)定壓力，不但該閥容易造成由于壓力沖擊而損壞，而且該閥由于無(wú)法穩(wěn)定壓力，導(dǎo)致燃料電池堆會(huì)承受比原先設(shè)定的氫氣運(yùn)行壓力大得多的氫氣壓力。當(dāng)這種情況嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使燃料電池堆處于危險(xiǎn)的高壓力狀態(tài)，導(dǎo)致?lián)p壞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種啟動(dòng)時(shí)或氫氣源壓力異常時(shí)仍可使燃料氫氣壓力穩(wěn)定的大功率燃料電池。
本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種可使燃料氫氣壓力穩(wěn)定的大功率燃料電池，包括燃料電池堆、空氣過(guò)濾裝置、空氣壓縮供應(yīng)裝置、空氣增濕裝置、空氣水—汽分離器、氫氣水—汽分離器、氫循環(huán)泵、水箱、冷卻流體循環(huán)泵、散熱器、儲(chǔ)氫裝置、充氫閥、氫氣高壓電磁閥、氫氣一級(jí)減壓閥、第一氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥、氫氣增濕裝置，其特征在于，還包括氫氣低壓電磁閥、第二氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥。
所述的氫氣低壓電磁閥位于第一氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥前面，其一端與氫氣一級(jí)減壓閥出口端連通，另一端與第一氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥入口端連通。
所述的第二氫氣二級(jí)穩(wěn)壓減壓閥并聯(lián)在氫氣低壓電磁閥和第一氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥上。
所述的氫氣一級(jí)減壓閥為高壓型。
所述的第一氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥為低壓大流量型。
所述的第二氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥為高壓小流量型。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在燃料氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)的中，在第一氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥前面加了一個(gè)氫氣低壓電磁閥，該閥是一種管徑較粗、耐壓較低的，可以讓大流量氫氣流過(guò)的電磁閥，并且再并聯(lián)上一個(gè)高壓、小流量型的第二氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)定閥，該閥的特點(diǎn)是入口端能承受很高的壓力波動(dòng)范圍甚至沖擊，但由于輸出氫氣流量小，故可以很穩(wěn)定地調(diào)制氫氣輸出壓力處于設(shè)定點(diǎn)壓力以內(nèi)(例如小于1個(gè)大氣壓)。
當(dāng)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)剛起動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)指令在自動(dòng)打開(kāi)氫氣高壓電磁閥前，預(yù)先把氫氣一級(jí)減壓閥及第一氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥、第二氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥都設(shè)定再某個(gè)工作壓力點(diǎn)上。當(dāng)氫氣高壓電磁閥突然打開(kāi)時(shí)，氫氣經(jīng)過(guò)第二氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥進(jìn)入燃料電池堆，形成一定的氫氣壓力。過(guò)一段時(shí)間(數(shù)秒鐘后)，延時(shí)打開(kāi)氫氣低壓電磁閥，大流量氫氣經(jīng)過(guò)第一氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥后流向燃料電池堆。此時(shí)，因后端燃料電池堆中已有一定的氫氣壓力，故此閥不會(huì)因突然施加氫氣壓力而造成沖擊損壞閥本身，也不會(huì)因無(wú)法穩(wěn)定壓力而造成燃料電池堆損壞。


圖1為現(xiàn)有燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2中3氫氣一級(jí)減壓閥，13第一氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥，15充氫閥，16氫氣高壓電磁閥，17氫氣低壓電磁閥，18第二氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例1如圖2，并結(jié)合圖1所示，一種可使燃料氫氣壓力穩(wěn)定的大功率燃料電池，包括燃料電池堆1、空氣過(guò)濾裝置4、空氣壓縮供應(yīng)裝置5、空氣增濕裝置12、空氣水—汽分離器6’、氫氣水—汽分離器6、氫循環(huán)泵10、水箱7、冷卻流體循環(huán)泵8、散熱器9、儲(chǔ)氫裝置2、充氫閥15、氫氣高壓電磁閥16、氫氣一級(jí)減壓閥3、氫氣低壓電磁閥17、第一氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥13、第二氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥、氫氣增濕裝置11。所述的氫氣低壓電磁閥17位于第一氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥13前面，其一端與氫氣一級(jí)減壓閥3出口端連通，另一端與第一氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥13入口端連通。所述的第二氫氣二級(jí)穩(wěn)壓減壓閥18并聯(lián)在氫氣低壓電磁閥17和第一氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥13上。所述的氫氣一級(jí)減壓閥3為高壓型。所述的第一氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥13為低壓大流量型。所述的第二氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥18為高壓小流量型。
本發(fā)明實(shí)施例中，燃料電池中的電池堆額定輸出功率為120KW；高壓氫氣罐氫氣壓力范圍為300個(gè)大氣壓至20個(gè)大氣壓；氫氣一級(jí)減壓閥輸入氫氣壓力為300至20個(gè)大氣壓，輸出設(shè)定壓力為5個(gè)大氣壓；第二氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥18輸入氫氣壓力范圍為200至5個(gè)大氣壓，輸出壓力設(shè)定在0.6～0.8個(gè)大氣壓；第一氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥13輸入氫氣壓力范圍為18至3個(gè)大氣壓，輸出氫氣壓力設(shè)定在0.6～0.8個(gè)大氣壓。按圖2進(jìn)行氫燃料向燃料電池堆連接供應(yīng)。當(dāng)燃料電池接到起動(dòng)指令時(shí)，會(huì)自動(dòng)打開(kāi)氫氣高壓電磁閥16，再延時(shí)5秒鐘打開(kāi)氫氣低壓電磁閥17，燃料電池堆始終承受0.8個(gè)大氣壓的氫氣壓力。
當(dāng)燃料電池堆達(dá)到輸出120KW的大功率輸出狀態(tài)時(shí)，向燃料電池堆供應(yīng)的氫氣流量達(dá)1.3立方米/分鐘，此時(shí)燃料電池堆承受的氫氣壓力是0.6個(gè)大氣壓。在其它燃料電池工作狀態(tài)下，承受氫氣的壓力范圍均控制在0.8～0.6個(gè)大氣壓之間，從而保證了大功率燃料電池運(yùn)行中燃料氫氣供應(yīng)壓力的穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種可使燃料氫氣壓力穩(wěn)定的大功率燃料電池，包括燃料電池堆、空氣過(guò)濾裝置、空氣壓縮供應(yīng)裝置、空氣增濕裝置、空氣水—汽分離器、氫氣水—汽分離器、氫循環(huán)泵、水箱、冷卻流體循環(huán)泵、散熱器、儲(chǔ)氫裝置、充氫閥、氫氣高壓電磁閥、氫氣一級(jí)減壓閥、第一氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥、氫氣增濕裝置，其特征在于，還包括氫氣低壓電磁閥、第二氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可使燃料氫氣壓力穩(wěn)定的大功率燃料電池，其特征在于，所述的氫氣低壓電磁閥位于第一氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥前面，其一端與氫氣一級(jí)減壓閥出口端連通，另一端與第一氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥入口端連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可使燃料氫氣壓力穩(wěn)定的大功率燃料電池，其特征在于，所述的第二氫氣二級(jí)穩(wěn)壓減壓閥并聯(lián)在氫氣低壓電磁閥和第一氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可使燃料氫氣壓力穩(wěn)定的大功率燃料電池，其特征在于，所述的氫氣一級(jí)減壓閥為高壓型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可使燃料氫氣壓力穩(wěn)定的大功率燃料電池，其特征在于，所述的第一氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥為低壓大流量型。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可使燃料氫氣壓力穩(wěn)定的大功率燃料電池，其特征在于，所述的第二氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥為高壓小流量型。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可使燃料氫氣壓力穩(wěn)定的大功率燃料電池，包括燃料電池堆、空氣過(guò)濾裝置、空氣壓縮供應(yīng)裝置、空氣增濕裝置、空氣水－汽分離器、氫氣水－汽分離器、氫循環(huán)泵、水箱、冷卻流體循環(huán)泵、散熱器、儲(chǔ)氫裝置、充氫閥、氫氣高壓電磁閥、氫氣一級(jí)減壓閥、第一氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥、氫氣增濕裝置、氫氣低壓電磁閥、第二氫氣二級(jí)減壓穩(wěn)壓閥。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有保證大功率燃料電池運(yùn)行時(shí)氫氣供應(yīng)壓力穩(wěn)定的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01M8/00GK1770533SQ200410067708
公開(kāi)日2006年5月10日 申請(qǐng)日期2004年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月2日
發(fā)明者夏建偉, 胡里清 申請(qǐng)人:上海神力科技有限公司