[发明专利]一种自增湿燃料电池

说明书

技术领域

 本发明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。

背景技术

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 Fuel Cell, 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（WO 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公司开发了一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），其核心是一块圆盘状的陶瓷多孔材料，化学成分为堇青石（2MgO-2Al₂O₃-5SiO₂），该材料气体传递阻力小，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，在另一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公开了一种中空纤维增湿器，采用直径为2mm，长250mm的中空纤维管作为水分交换材料。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。