專利名稱：質子交換膜燃料電池的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及質子交換膜燃料電池，特別適合于氫/空質子交換膜燃料電池。
技術背景質子交換膜燃料電池具有能量轉換效率高、適應不同功率要求、低溫起動快、以及 對環(huán)境沒有污染和無噪聲等優(yōu)點，所以能很好地應用于電動汽車、潛艇和可移動電源。質子交換膜燃料電池是一種直接將貯存在燃料和氧化劑中的化學能轉化為電能 的發(fā)電裝置，工作原理實際是電解水的逆過程。氫氣在催化劑作用下解離為質子和電子。質 子穿過質子交換膜到達陰極，電子則通過外電路到達陰極。它們和氧氣在陰極催化劑作用 下反應生成水。質子在膜中的傳導需要水的存在。膜中的水含量下降造成它的電導率線性下降， 就會導致電池性能下降。這種情況在電池組中更嚴重，當電池組中某個單電池的膜失水干 涸，膜失去傳導質子的能力，這樣失水面積就向旁邊擴散，最后導致整個單電池的失效。為了解決質子交換膜燃料電池組中膜的失水難題，一般通過增濕系統(tǒng)給反應氣體 增濕，對于小型質子交換膜燃料電池，增加了增濕系統(tǒng)將增加系統(tǒng)的復雜性、體積和重量。
發(fā)明內容本實用新型的目的在于，克服現(xiàn)有增濕技術不足，對空氣流動方式進行改進，提供 帶有空氣雙向進風裝置的質子交換膜燃料電池，其中的空氣雙向進風裝置能調節(jié)電池內部 反應，并生成水，利用生成水來實現(xiàn)增濕效果和冷卻效果。本實用新型的技術方案是質子交換膜燃料電池包括氫氣供應設備，電堆，水/熱 管理系統(tǒng)，其特征在于，還有壓力流速控制模塊，以及用于實現(xiàn)控制氫氣循環(huán)泵對氫氣尾氣 進行循環(huán)利用的尾氣控制模塊；所述電堆其側面還安裝有用于通過流動空氣利用生成水實 現(xiàn)電池增濕和冷卻的空氣雙向進風裝置。進一步的技術方案是所述空氣雙向進風裝置包括進口風扇和出口風扇；該進口風扇安裝在電堆的一 側，出口風扇安裝在電堆的另一側，與進口風扇相對。所述進口風扇與出口風扇之間有空氣流道。所述空氣流道均勻分布在雙極板的陰極板的板面上。所述空氣流道的截面形狀為多邊形或半圓形。所述空氣流道的截面形狀為矩形或三角形。所述的氫氣供應設備是氫氣儲存裝置與輸送裝置，或氫氣制備設備與輸送裝置。所述氫氣儲存裝置是壓縮氫氣罐，或低溫液態(tài)氫氣罐，或金屬氫化物儲氫裝置，或 納米碳材料儲氫裝置。本實用新型的結構原理為質子交換膜燃料電池的空氣流道進口有進口風扇，出 口有出口風扇，通過控制器來控制兩個風扇的運行。進口風扇運行一定時間后停止，出口風扇運行；出口風扇運行一定時間后停止，進口風扇運行；兩個風扇的交替運行。因為，剛進入質子交換膜燃料電池的空氣處于干燥狀態(tài)，容易將膜中的水帶走，隨著電化學反應水不 斷生成，當氣體到達空氣流道的下半部分會含有大量的水。進口風扇運行一定時間后，在空 氣流道出口處聚集大量反應生成水。這時進口風扇停止，出口風扇運行，空氣就將帶著出口 處生成水給空氣流道增濕。出口風扇運行一定時間，空氣流道進口處也聚集了生成水。通 過風扇交替運行，從而利用反應生成水實現(xiàn)空氣流道的增濕和冷卻。本實用新型的效果在于1)通過風扇交替運行，利用反應生成水，實現(xiàn)電池的增濕效果；2)通過空氣流道中水的蒸發(fā)，可以實現(xiàn)降溫效果；3)減少增濕系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)，簡化了整個系統(tǒng)的體積和重量。

圖1是以氫氣和空氣流向及構件作用關系來表述本實用新型質子交換膜燃料電 池的組成各部分相互關系的示意圖圖中所示氫氣氣源為氫氣供應設備，氫氣由氫氣供應 設備出來，通過氣體壓力流速控制模塊到達電堆；空氣通過空氣雙向進風裝置到達電堆，由 水/熱管理系統(tǒng)控制電堆的狀態(tài)，保證氣體在電堆中的連續(xù)反應生成水和電能，電能輸出 到外在負載，尾氣通過尾氣控制模塊進行排放；圖2是本實用新型質子交換膜燃料電池帶空氣雙向進風裝置的電堆外形圖；圖3是圖2的A-A橫向剖視示意圖；圖4是空氣流道示意圖；圖5是增濕的示意圖圖為進口風扇2. 1剛剛開始運行時的狀態(tài)圖；圖6是增濕的示意圖圖為進口風扇運行過程中，空氣流道中形成一定量的化學 反應生成水，其中在出口處的量最多時的狀態(tài)圖；圖7是增濕的示意圖圖為轉為出口風扇運行，空氣帶著出口處水給電池增濕時 的狀態(tài)圖；圖8是增濕的示意圖圖為出口風扇運行過程中，同樣空氣流道中形成一定量的 化學反應生成水，其中在進口處的量最多時的狀態(tài)圖；圖9是增濕的示意圖圖為轉為進口風扇運行，空氣帶著進口處生成水給電池增 濕時的狀態(tài)圖；圖10是增濕的示意圖圖為進口風扇運行過程中，出口處有更多生成水時的狀態(tài) 圖。圖中標記對應的構件名稱為1-氫氣供應設備，2-空氣雙向進風裝置，2. 1-進口 風扇，2. 2-出口風扇，3-壓力流速控制模塊，4-水/熱管理系統(tǒng)，5-電堆，6-尾氣控制模塊， 7-雙極板，8-空氣流道，9-陰極板，10-水，11-空氣，12-負載。
具體實施方式
結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明如下如圖1、2、3、4所示的質子交換膜燃料電池，它由氫氣供應設備1，電堆5，水/熱管 理系統(tǒng)4，還有壓力流速控制模塊3，以及用于實現(xiàn)控制氫氣循環(huán)泵對氫氣尾氣進行循環(huán)利用的尾氣控制模塊6組成；所述電堆5其側面還安裝有用于通過流動空氣11利用生成水10 實現(xiàn)電池增濕和冷卻的空氣雙向進風裝置2。所述空氣雙向進風裝置2由進口風扇2. 1和 出口風扇2. 2組成；該進口風扇2. 1安裝在電堆5的一側，出口風扇2. 2安裝在電堆5的另 一側，與進口風扇2. 1相對。進口風扇2. 1與出口風扇2. 2之間有空氣流道8。所述空氣 流道8均勻分布在雙極板7的陰極板9的板面上?？諝饬鞯?的截面形狀為多邊形或半圓 形，本實施例空氣流道8的截面形狀為矩形，也可用三角形。所述的氫氣供應設備1是氫氣 儲存裝置與輸送裝置，該氫氣儲存裝置是壓縮氫氣罐，也可以選為低溫液態(tài)氫氣罐，或金屬 氫化物儲氫裝置，或納米碳材料儲氫裝置，輸送裝置為輸氣管道。氫氣供應設備1還可以是 氫氣制備設備與輸送裝置，該輸送裝置為加壓泵或/和輸氣管道。所述進口風扇2. 1和出 口風扇2. 2的空氣流量與電堆5的功率相匹配。 結合圖5-10增濕的示意圖對本實用新型結構及運行原理進一步說明如下圖5所示是進口風扇2. 1剛剛開始運行時的狀態(tài)；圖6所示是進口風扇運行過程 中，空氣流道8中形成一定量的化學反應生成水10，其中在出口處的量最多時的狀態(tài)；圖7 所示是轉為出口風扇運行，空氣11帶著出口處水10給電池增濕時的狀態(tài)；圖8所示是出口 風扇運行過程中，同樣空氣流道8中形成一定量的化學反應生成水10，其中在進口處的量 最多時的狀態(tài)；圖9所示是轉為進口風扇運行，空氣11帶著進口處生成水10給電池增濕時 的狀態(tài)；圖10所示是進口風扇運行過程中，出口處有更多生成水10時的狀態(tài)。上述圖5-10 示為在不同工況下空氣流道8中生成水10的分布，周而復始。本實用新型的保護范圍不限于上述實施例。
權利要求一種質子交換膜燃料電池，它包括氫氣供應設備(1)，電堆(5)，水/熱管理系統(tǒng)(4)，其特征在于，還有壓力流速控制模塊(3)，以及用于實現(xiàn)控制氫氣循環(huán)泵對氫氣尾氣進行循環(huán)利用的尾氣控制模塊(6)；所述電堆(5)其側面還安裝有用于通過流動空氣(11)利用生成水(10)實現(xiàn)電池增濕和冷卻的空氣雙向進風裝置(2)。
2.如權利要求1所述的質子交換膜燃料電池，其特征在于，所述空氣雙向進風裝置(2) 包括進口風扇(2. 1)和出口風扇(2.2)；該進口風扇(2. 1)安裝在電堆(5)的一側，出口風 扇(2.2)安裝在電堆(5)的另一側，與進口風扇(2. 1)相對。
3.如權利要求1或2所述的質子交換膜燃料電池，其特征在于，所述進口風扇(2.1)與 出口風扇(2. 2)之間有空氣流道(8)。
4.如權利要求3所述的質子交換膜燃料電池，其特征在于，所述空氣流道(8)均勻分布 在雙極板(7)的陰極板(9)的板面上。
5.如權利要求4所述的質子交換膜燃料電池，其特征在于，所述空氣流道(8)的截面形 狀為多邊形或半圓形。
6.如權利要求5所述的質子交換膜燃料電池，其特征在于，所述空氣流道(8)的截面形 狀為矩形或三角形。
7.如權利要求1或2所述的質子交換膜燃料電池，其特征在于，所述的氫氣供應設備 (1)是氫氣儲存裝置與輸送裝置，或氫氣制備設備與輸送裝置。
8.如權利要求7所述的質子交換膜燃料電池，其特征在于，所述氫氣儲存裝置是壓縮 氫氣罐，或低溫液態(tài)氫氣罐，或金屬氫化物儲氫裝置，或納米碳材料儲氫裝置。
專利摘要本實用新型涉及質子交換膜燃料電池，它包括氫氣供應設備，電堆，水/熱管理系統(tǒng)，還有壓力流速控制模塊，以及用于實現(xiàn)控制氫氣循環(huán)泵對氫氣尾氣進行循環(huán)利用的尾氣控制模塊；所述電堆其側面還安裝有用于通過流動空氣利用生成水實現(xiàn)電池增濕和冷卻的空氣雙向進風裝置。本實用新型是對增濕方式進行改進，具有能量轉換效率高、適應不同功率要求、低溫起動快、以及對環(huán)境無污染和無噪聲等優(yōu)點。
文檔編號H01M8/04GK201611673SQ20092022895
公開日2010年10月20日 申請日期2009年10月21日 優(yōu)先權日2009年10月21日
發(fā)明者丁剛強, 吳林君, 張家新, 郭麗, 黃友橋 申請人:中國船舶重工集團公司第七一二研究所