專利名稱：燃料電池的水膜消除裝置及其方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池，特別是涉及一種通過從外部供應的燃料與空氣的電化學反應下生成電的燃料電池，更詳細說是有關通過消除形成在發(fā)電機陰極的水膜，達到防止性能降低的燃料電池的水膜消除裝置及其方法。
背景技術：
一般的燃料電池，是將燃料具備的能量直接轉換成電能的裝置。這種燃料電池系統(tǒng)，通常是在以高分子電解質膜為中心的兩側上粘貼陽極和陰極，在陽極(氧化電極或燃料極)中產生燃料氫的電化學性氧化，在陰極(還原電極或空氣極)中產生氧化劑氧氣的電化學性還原，此時生成的電子的移動產生電能。
供應到燃料電池的氫，是把液化天然氣、液化石油氣、甲醇、汽油等的碳氫化合物燃料經過重整爐的脫硫工序→重整反應→氫精制工序，精制氫氣后，以氣體形態(tài)使用的質子交換膜燃料電池(PEMFC)，把固體狀態(tài)的BH4-變成水溶液狀態(tài)后直接用于燃料的硼燃料電池(BFC)等。
圖1是已有燃料電池的結構示意圖，簡單說明如下。
如圖所示，燃料電池1的整體結構是，在產生電的發(fā)電機2的一側設有儲藏水溶液狀態(tài)的BH4-的燃料箱3，其燃料箱3與發(fā)電機2的陽極上連接了燃料供應管線4和燃料回收管線5，其燃料供應管線4上設置了為了抽運燃料的燃料泵6。
發(fā)電機2的陰極上設置了空氣供應管線7和空氣排出管線18，其空氣供應管線7上設置有為過濾向發(fā)電機2供應的空氣的過濾器8、為抽運空氣的空氣壓縮機9，為加濕空氣的加濕器10。
加濕器10上連接了與水箱11相連接的水供應管線12，其水供應管線12上按順序設置了泵13和閥門14。
空氣排出管線18上設置了分離從發(fā)電機2中排出的空氣中包含的水的氣液分離器15，其氣液分離器15中設置了能夠把分離的水供應到燃料箱3的水回收管線16。
發(fā)電機2的輸出端上設置了為檢測其輸出功率的功率測量表17，另外還設置了通過參考功率測量表17檢測到的功率值，控制整體性能的控制器(未圖示)。
如上述結構的現(xiàn)有燃料電池的工作過程是，接通機器的動作開關時，燃料泵6抽運儲藏在燃料箱3的水溶液狀態(tài)的BH4-，并通過燃料供應管線4供應給發(fā)電機2的陽極，同時，啟動空氣壓縮機9通過空氣供應管線7向發(fā)電機2的陰極供應空氣，此時供應的空氣是在加濕器10中充分加濕的狀態(tài)下供應。
供應給發(fā)電機2的水溶液狀態(tài)的BH4-與空氣是在發(fā)電機2的陽極中進行氫的氧化反應，在陰極中產生氧的還原反應，此時生成的電子移動引起產生電，此時產生的電子在集電板(未圖示)集電后作為能源使用。
其反應式是E0＝1.64V發(fā)電機2產生的電輸出后啟動負荷，此時輸出的功率是在功率測量表17中檢測，檢測的功率值與控制器(未圖示)的設定值比較后出現(xiàn)超出設定值的情況時，通過調整燃料泵6或者空氣壓縮機9，達到調整輸出到設定的功率值。
但是，現(xiàn)有的燃料電池1，是將在加濕器10中加濕的空氣供應到發(fā)電機2的陰極，在進行反應的同時，因出現(xiàn)在發(fā)電機2的電解質膜表面上形成水膜的溢流現(xiàn)象，會阻礙反應并降低性能，此時雖啟動空氣壓縮機9或燃料泵6來調節(jié)供應的燃料或空氣的量，也不能提高到滿足所需性能的要求。
發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種適合消除發(fā)電機的電解質膜表面上形成的水膜并能夠提高發(fā)電機的性能的燃料電池的水膜消除裝置及其方法。
本發(fā)明所采用的技術方案是燃料電池的水膜消除裝置及其方法，包括有發(fā)電機，在發(fā)電機的陽極的入口部連接的供應燃料的燃料供應管線，出口部連接的回收反應后燃料的燃料回收管線；發(fā)電機的陰極的入口部連接的供應空氣的空氣供應管線，出口部連接的排出反應后空氣的空氣排出管線；空氣供應管線上按順序設置的過濾器、空氣壓縮機、加濕器，加濕器的前、后側的空氣供應管線上設置了可以調整路徑的前、后三通閥；為了達到繞行加濕器供應空氣，來消除發(fā)電機內側的陰極上形成的水膜，在前、后三通閥上設置了連接兩端部的側流管線。當檢測發(fā)電機的輸出狀態(tài)的檢測值小于設定值時，通過設置的繞行加濕器的側流管線直接向陰極通道內側供應空氣，消除粘貼在陰極表面的水膜，達到一直維持發(fā)電機具有一定的性能。
本發(fā)明的燃料電池的水膜消除裝置及其方法，是在位于空氣供應管線的加濕器的前、后端各串聯(lián)設置了一個三通閥，此兩個三通閥中未與管線相連的一端相互連通，形成繞行加濕器的側流管線；設置在發(fā)電機的輸出端的功率測量表中，檢測出的檢測值超出基準值的情況時，調整加濕器前、后側的三通閥的路徑，通過三通閥的側流管線將空氣直接供應到發(fā)電機內部，并在一定的時間內擴散，消除形成在發(fā)電機中的陰極的水膜，使其達到一直維持一定水平的發(fā)電性能的效果。
圖1是已有燃料電池的結構示意圖；圖2是本發(fā)明的水膜消除裝置的燃料電池的結構示意圖；圖3是本發(fā)明中的單個電池的縱斷面示意圖。
其中2、101發(fā)電機 3、102燃料箱4、103燃料供應管線 15、115氣液分離器5、104燃料回收管線 6、105燃料泵7、107空氣供應管線 8、109過濾器9、110空氣壓縮機 10、111加濕器11、112水箱12、113水供應管線13、114泵 14、200閥門16、116水回收管線 17、119功率測量表18、108空氣排出管線117前方三通閥117′后方三通閥118側流管線121電解質膜122陽極
123陰極 124膜-電極結合體125通道 126隔離板126a通道槽127集電板具體實施方式
下面結合附圖給出具體實施例，進一步說明本發(fā)明是如何實現(xiàn)的。
圖2是本發(fā)明的水膜消除裝置的燃料電池的結構示意圖。向發(fā)電機101的陽極供應的如圖2所示，本發(fā)明的裝置是，儲藏水溶液狀態(tài)的BH4-的燃料箱102與通過水溶液狀態(tài)的BH4-與空氣的電化學反應，進行發(fā)電的發(fā)電機101經管線相連通。其燃料箱102的下部和發(fā)電機101的陽極入口部是通過能夠供應燃料的燃料供應管線103相連通，發(fā)電機101的陽極的出口部和燃料箱102的上部連接了能夠回收反應后燃料的燃料回收管線104，其燃料供應管線103上設置了為了抽運燃料箱102燃料的燃料泵105。
發(fā)電機101陰極的入口部上設置了能夠供應空氣的空氣供應管線107，陰極的出口部上設置了能夠排出反應后空氣的空氣排出管線108，其空氣供應管線107上按順序設置了過濾器109、空氣壓縮機110、加濕器111。
加濕器111上連接了能夠從水箱供應水的水供應管線113，其水供應管線113上設置了泵114，空氣排出管線108上設置了為了分離空氣中包含的水的氣液分離器115，分離的水通過水回收管線116能夠回收到燃料箱102。
設置在空氣供應管線107的加濕器111的前、后端上分別串聯(lián)設置了一個能夠調整路徑的前、后三通閥117、117′，此兩個三通閥中未與管線107相連的一端相互連通，形成繞行加濕器的側流管線118，必要時可以把空氣直接供應到陰極上。
發(fā)電機101的輸出端上設置了檢測功率的功率測量表119，還具備有通過將功率測量表119中檢測的檢側值與設定值進行比較后，調整性能的控制器(未圖示)。
圖3是本發(fā)明中的單個電池的縱斷面示意圖。如圖3所示，為了向電解質膜121的兩側擴散氣體，陽極122與陰極123結合形成膜-電極結合體124；其膜-電極結合體124的兩側上緊貼組裝后，形成陽極122和陰極123中的燃料氣體及氧含氣體的通道125的隔離板126；在其隔離板126的兩側配置形成陽極122和陰極123的集電極的集電板127構成。
膜-電極結合體124的電解質膜121是用高分子材料形成的離子交換膜，具有代表性并形成商品化的電解質膜121有Teflon公司的氟族聚合物膜，起到氫離子的傳導作用的同時，還起到阻止氧與氫的接觸作用，陽極122和陰極123是支持由氫儲藏合金形成的催化劑層的支持體，多孔型復寫紙或者復寫布結合在電解質膜121的兩側的結構。
隔離板126是由精密的炭板形成，內側上形成能夠讓流體流動的多個的通道槽126a。
集電板127最好是電傳導性強、耐腐蝕性強、不產生氫脆的材料制成。具體地說，鈦、不銹鋼、銅等的任何一個都可以滿足性能所需的要求。
具備上述結構的本發(fā)明的水膜消除裝置的燃料電池的工作過程如下。
接通機器的動作開關，燃料泵105抽運儲藏在燃料箱102的水溶液狀態(tài)的BH4-，并通過燃料供應管線103供應給發(fā)電機101的陽極122。
空氣壓縮機110是通過空氣供應管線107向發(fā)電機101的陰極123供應空氣，發(fā)電機101的陽極122上的水溶液狀態(tài)的BH4-，沿著電解質膜121為中心的形成在陽極122的外側面的通道125流淌并擴散，空氣是沿著形成在陰極123的外側面的通道125流淌并擴散，在陽極122進行氧化反應及在陰極123進行還原反應，此過程中的電子移動形成電流，此時產生的電子在集電板127聚集后利用為電源。
發(fā)電機101中產生反應的反應式是陽極E0＝1.24V陰極2O2+4H2O+8e-→BOH-E0＝0.4V合計E0＝1.64V如發(fā)電機101發(fā)電時，從功率測量表119中檢測的功率值與控制器(未圖示)的設定值比較后，出現(xiàn)超出設定值的情況時，通過調整空氣壓縮機110或者燃料泵105的動作，起到調整供應的空氣或者燃料的輸出量。
當調整的空氣壓縮機110和燃料泵105的動作也不能恢復正常輸出的情況下，調整設置在空氣供應管線107上的加濕器111前方側三通閥117和后方側三通閥117′的路徑后，空氣通過側流管線118在一定時間內直接向發(fā)電機101的陰極102側供應，空氣流淌在陰極102的通道125的內側并擴散，起到消除粘貼在陰極的側面的水膜。
經過一定時間，水膜消除后，再次調整加濕器111前方側三通閥117和后方側三通閥117′的路徑，使空氣在加濕器111中加濕后，供應到發(fā)電機101。因此，雖然在機器的發(fā)電機101中因產生水膜引起性能低下，由于設有消除水膜的結構，可以一直維持一定的性能。
在上述實施案例中，舉例說明了功率測量表119中檢測的檢測值與設定值比較后超出設定值的情況下，通過側流管線118進行水膜消除動作的情況，但不一定限制在此，也可以實施周期性的水膜消除動作后，便能一直維持一定的性能。
而且，實施案例中，舉例說明了用燃料使用水溶液狀態(tài)的BH4-的發(fā)電方式的硼燃料電池的情況，但不一定限制在此，在使用氫氣體的發(fā)電方式的質子交換膜燃料電池下，同樣形態(tài)的水膜消除裝置也能把整體系統(tǒng)的性能維持在一定的水平，在其他類似形態(tài)的燃料電池上，不脫離本發(fā)明的思想和范疇內可以隨意應用。
權利要求
1.一種燃料電池的水膜消除裝置，包括有發(fā)電機(101)，在發(fā)電機(101)的陽極的入口部連接的供應燃料的燃料供應管線(103)，出口部連接的回收反應后燃料的燃料回收管線(104)；發(fā)電機(101)的陰極的入口部連接的供應空氣的空氣供應管線(107)，出口部連接的排出反應后空氣的空氣排出管線(108)；空氣供應管線(107)上按順序設置的過濾器(109)、空氣壓縮機(110)、加濕器(111)，其特征在于，加濕器(111)的前、后側的空氣供應管線(107)上設置了可以調整路徑的前、后三通閥(117、117′)；為了達到繞行加濕器(111)供應空氣，來消除發(fā)電機(101)內側的陰極上形成的水膜，在前、后三通閥(117、117′)上設置了連接兩端部的側流管線(118)。
2.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池的水膜消除裝置，其特征在于，發(fā)電機(101)是利用水溶液狀態(tài)的BH4-為燃料的硼燃料電池方式的發(fā)電機。
3.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池的水膜消除裝置，其特征在于，發(fā)電機(101)是利用氫氣體為燃料的質子交換膜燃料電池方式的發(fā)電機。
4.一種燃料電池的水膜消除方法，其特征在于，在產生發(fā)電的發(fā)電機(101)的陽極是燃料通過燃料供應管線(103)供應，發(fā)電機(101)的陰極是在加濕器(111)中加濕的空氣通過空氣供應管線(107)供應，以發(fā)電機(101)的內側電解質膜(121)為中心，供應到陽極(122)和陰極(123)的燃料與加濕的空氣之間的電化學性反應引起產生電的燃料電池中，當檢測發(fā)電機(101)的輸出狀態(tài)的檢測值小于設定值時，通過設置的繞行加濕器(111)的側流管線(118)直接向陰極通道(125)內側供應空氣，消除粘貼在陰極(123)表面的水膜，達到一直維持發(fā)電機(101)具有一定的性能。
5.根據(jù)權利要求4所述的燃料電池的水膜消除方法，其特征在于，發(fā)電機(101)的輸出狀態(tài)的檢測，是利用設置在發(fā)電機(101)的輸出端的功率測量表(119)進行檢測的。
全文摘要
本發(fā)明公開一種燃料電池的水膜消除裝置及其方法，有在發(fā)電機的陽極的入口部連接的燃料供應管線，出口部連接的燃料回收管線；陰極的入口部連接的空氣供應管線，出口部連接的空氣排出管線；空氣供應管線上按順序設置的過濾器、空氣壓縮機、加濕器，加濕器的前、后側的空氣供應管線上設置了可以調整路徑的前、后三通閥；在前、后三通閥中未與管線相連的一端相互連通，設置了連接兩端部的側流管線。當通過設置在發(fā)電機的輸出端的功率測量表，檢測發(fā)電機的輸出狀態(tài)的檢測值小于設定值時，通過側流管線直接向陰極通道內側供應空氣，消除粘貼在發(fā)電機陰極表面的水膜，達到一直維持發(fā)電機具有一定水平的發(fā)電性能的效果。
文檔編號H01M8/00GK1549375SQ03129709
公開日2004年11月24日 申請日期2003年5月13日 優(yōu)先權日2003年5月13日
發(fā)明者李明浩, 黃龍俊, 金鐵煥, 高承兌, 許成根, 崔鴻, 曹泰熙, 樸明碩 申請人:樂金電子(天津)電器有限公司