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)過程中生成的電子，通過外電路引出，構(gòu)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(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，正離子可通過遷移穿過質(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，通過滲透穿過多孔性擴(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極端遷移過來的正離子發(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來，使它們不會相互混合而產(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，并與陽極區(qū)遷移過來的氫正離子反應(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，陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)陽極反應(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)入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導(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(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通?？赏ㄟ^直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(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膜電極的陽極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個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(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)均勻地分布到各個陽極、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，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)出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池可用作車、船等運載工具的動力系統(tǒng)，又可用作移動式、固定式的發(fā)電裝置。
質(zhì)子交換膜燃料電池可用作車、船動力系統(tǒng)或移動式和固定式發(fā)電站時，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)、自動控制及電能輸出各個部分。
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為儲氫瓶或其他儲氫裝置；3為氫氣一級減壓閥；4為空氣過濾裝置；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、氫氣一級減壓閥、第一氫氣二級減壓穩(wěn)壓閥，以保證在大流量氫氣流向燃料電池堆時，氫氣壓力穩(wěn)定可控。對低壓力運行的燃料電池堆，氫氣運行壓力一般不超過相對壓力1個大氣壓。
對大功率燃料電池(大于10KW以上)，并且在氫氣運行壓力不超過1個大氣壓的運行要求前提下，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很大的情況下，其供應(yīng)壓力波動也不會很大。對于這種減壓兼低壓力穩(wěn)壓閥的機(jī)械設(shè)計，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墱p壓穩(wěn)壓閥前端較穩(wěn)定的氫氣壓力保證提供時，該閥可以在很大的氫氣流量波動供應(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)剛啟動時，一般系統(tǒng)會指令自動打開氫氣高壓力端電磁閥，此時，經(jīng)過氫氣一級減壓閥減壓的氫氣壓力會突然施加在第一氫氣二級減壓穩(wěn)壓閥上。這種突然地施加壓力會對第一氫氣二級減壓穩(wěn)壓閥造成很大的壓力沖擊，造成該閥無法穩(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，而且該閥由于無法穩(wěn)定壓力，導(dǎo)致燃料電池堆會承受比原先設(shè)定的氫氣運行壓力大得多的氫氣壓力。當(dāng)這種情況嚴(yán)重時，會使燃料電池堆處于危險的高壓力狀態(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時或氫氣源壓力異常時仍可使燃料氫氣壓力穩(wěn)定的大功率燃料電池。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(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、儲氫裝置、充氫閥、氫氣高壓電磁閥、氫氣一級減壓閥、第一氫氣二級減壓穩(wěn)壓閥、氫氣增濕裝置，其特征在于，還包括氫氣低壓電磁閥、第二氫氣二級減壓穩(wěn)壓閥。
所述的氫氣低壓電磁閥位于第一氫氣二級減壓穩(wěn)壓閥前面，其一端與氫氣一級減壓閥出口端連通，另一端與第一氫氣二級減壓穩(wěn)壓閥入口端連通。
所述的第二氫氣二級穩(wěn)壓減壓閥并聯(lián)在氫氣低壓電磁閥和第一氫氣二級減壓穩(wěn)壓閥上。
所述的氫氣一級減壓閥為高壓型。
所述的第一氫氣二級減壓穩(wěn)壓閥為低壓大流量型。
所述的第二氫氣二級減壓穩(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，在第一氫氣二級減壓穩(wěn)壓閥前面加了一個氫氣低壓電磁閥，該閥是一種管徑較粗、耐壓較低的，可以讓大流量氫氣流過的電磁閥，并且再并聯(lián)上一個高壓、小流量型的第二氫氣二級減壓穩(wěn)定閥，該閥的特點是入口端能承受很高的壓力波動范圍甚至沖擊，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)定點壓力以內(nèi)(例如小于1個大氣壓)。
當(dāng)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)剛起動時，系統(tǒng)指令在自動打開氫氣高壓電磁閥前，預(yù)先把氫氣一級減壓閥及第一氫氣二級減壓穩(wěn)壓閥、第二氫氣二級減壓穩(wěn)壓閥都設(shè)定再某個工作壓力點上。當(dāng)氫氣高壓電磁閥突然打開時，氫氣經(jīng)過第二氫氣二級減壓穩(wěn)壓閥進(jìn)入燃料電池堆，形成一定的氫氣壓力。過一段時間(數(shù)秒鐘后)，延時打開氫氣低壓電磁閥，大流量氫氣經(jīng)過第一氫氣二級減壓穩(wěn)壓閥后流向燃料電池堆。此時，因后端燃料電池堆中已有一定的氫氣壓力，故此閥不會因突然施加氫氣壓力而造成沖擊損壞閥本身，也不會因無法穩(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氫氣一級減壓閥，13第一氫氣二級減壓穩(wěn)壓閥，15充氫閥，16氫氣高壓電磁閥，17氫氣低壓電磁閥，18第二氫氣二級減壓穩(wěn)壓閥。
具體實施例方式
下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
實施例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、儲氫裝置2、充氫閥15、氫氣高壓電磁閥16、氫氣一級減壓閥3、氫氣低壓電磁閥17、第一氫氣二級減壓穩(wěn)壓閥13、第二氫氣二級減壓穩(wěn)壓閥、氫氣增濕裝置11。所述的氫氣低壓電磁閥17位于第一氫氣二級減壓穩(wěn)壓閥13前面，其一端與氫氣一級減壓閥3出口端連通，另一端與第一氫氣二級減壓穩(wěn)壓閥13入口端連通。所述的第二氫氣二級穩(wěn)壓減壓閥18并聯(lián)在氫氣低壓電磁閥17和第一氫氣二級減壓穩(wěn)壓閥13上。所述的氫氣一級減壓閥3為高壓型。所述的第一氫氣二級減壓穩(wěn)壓閥13為低壓大流量型。所述的第二氫氣二級減壓穩(wěn)壓閥18為高壓小流量型。
本發(fā)明實施例中，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個大氣壓至20個大氣壓；氫氣一級減壓閥輸入氫氣壓力為300至20個大氣壓，輸出設(shè)定壓力為5個大氣壓；第二氫氣二級減壓穩(wěn)壓閥18輸入氫氣壓力范圍為200至5個大氣壓，輸出壓力設(shè)定在0.6～0.8個大氣壓；第一氫氣二級減壓穩(wěn)壓閥13輸入氫氣壓力范圍為18至3個大氣壓，輸出氫氣壓力設(shè)定在0.6～0.8個大氣壓。按圖2進(jìn)行氫燃料向燃料電池堆連接供應(yīng)。當(dāng)燃料電池接到起動指令時，會自動打開氫氣高壓電磁閥16，再延時5秒鐘打開氫氣低壓電磁閥17，燃料電池堆始終承受0.8個大氣壓的氫氣壓力。
當(dāng)燃料電池堆達(dá)到輸出120KW的大功率輸出狀態(tài)時，向燃料電池堆供應(yīng)的氫氣流量達(dá)1.3立方米/分鐘，此時燃料電池堆承受的氫氣壓力是0.6個大氣壓。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個大氣壓之間，從而保證了大功率燃料電池運行中燃料氫氣供應(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、儲氫裝置、充氫閥、氫氣高壓電磁閥、氫氣一級減壓閥、第一氫氣二級減壓穩(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減壓穩(wěn)壓閥前面，其一端與氫氣一級減壓閥出口端連通，另一端與第一氫氣二級減壓穩(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穩(wěn)壓減壓閥并聯(lián)在氫氣低壓電磁閥和第一氫氣二級減壓穩(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、儲氫裝置、充氫閥、氫氣高壓電磁閥、氫氣一級減壓閥、第一氫氣二級減壓穩(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行時氫氣供應(yīng)壓力穩(wěn)定的特點。
文檔編號H01M8/00GK1770533SQ200410067708
公開日2006年5月10日 申請日期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 申請人:上海神力科技有限公司