[发明专利]燃料电池中质子交换膜增湿方法

说明书

本发明属于能源、发电技术领域，特别涉及燃料电池的制造技术。

燃料电池中质子交换膜增湿的目的是使质子交换膜保持传输质子的能力，增湿不足，质子交换膜传输能力差，影响电池性能，增湿过份，会使淹没电极，同时也导致了电池性能下降，因此，增湿是质子交换膜燃料电池的技术关键。

德国磁电机技术有限公司阿尔图尔·科沙尼克里斯蒂安·卢卡斯托马斯·施韦西格申请的专利(97182101)涉及一种高分子电解质—燃料电池的交换膜增湿方法，该方法使用较低超压的空气为氧化剂，和不同的燃气，特别是氢气，通过将液态水直接送入燃烧空气及燃气的气体通道中进行冷却。被送入气体通道中的水同时起到润湿固体电解质的作用。该方法的缺点是增湿度不易控制，经常由于气流将增湿水冲进电堆，导致电极被淹。

德国磁电机技术有限公司阿尔图尔·科沙尼申请的专利(97182102)中提出一种高分子电解质一燃料电池中膜片湿度的调节方法，在不使用辅助电极的情况下电测量膜片湿度的参量，并且依据所测得的膜片湿度控制膜片最佳湿度的调节。由于质子交换膜在汽车上使用时，工况变化很大，很快，要求控制的动态响应极强。该方法的缺点是，根据膜汽温度来控制加湿，其动态响应跟不上汽车工况变化的要求，难以有实效。

美国H动力公司申请申请的专利(95196322)公开了一种包括叠层分隔器/隔膜电极组件单元的燃料电池叠层，其中分隔器包括一系列堆叠的薄板，薄板上分别配置有蛇形微通道反应气润湿区，作用区和冷却区。蛇形通道以化学或激光蚀刻，切割，压或模压成型，以适应各种热管理和润湿技术。“蚊形微通道反应气润湿法”并不能解决与电堆之间的响应问题。

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种燃料电池中质子交换膜增湿方法，使之能适应剧烈、大幅度变化的电堆运行工况。

本发明提出的一种燃料电池中质子交换膜增湿方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在燃料电池增湿器的入口处安装能量发生器(超声波或激光发生器)，可控制地给增湿液输入外加能量；

2)将该能量发生器与电堆功率变化情况，以占电堆总功率的0-5％之间的比例调节或智能调节方式联系起来；

3)增湿过程中，根据电堆电堆功率变化情况控制能量发生器给增湿液的能量大小，可从0-10千瓦之间变化；

4)增湿过程中，根据燃料气氢中的CO含量超过100PPm时，朝增湿液中自动注入相应的氧化性强的液体，将CO转化为CO₂，以保证电堆燃料气成份的稳定。所说的能量发生器可采用超声波或激光发生器。所说的氧化性强的液体为双氧水。

本发明的特点可以归结为两点，其一是压增湿液进入电堆增湿器入口处设置能量发生器，给增湿液预置能量，增强增湿液与气体混和的能力，因该能力很容易控制故可适应变化幅度大、，变化频率高的情形。其二是增湿液不全为纯净水，而是根据电堆工作环境，添加辅助试剂，可消除燃料气中有毒成份如CO，SO₂等。保证燃料电池在良好的工作环境中运行。

本发明提出的一种燃料电池中质子交换膜增湿方法的实施案例，具体包括以下步骤：

1)在增湿器的入口处安装超声波发生器的探头；

2)经由计算机将超声波发生器的探头与电堆功率监测器联系起来；

3)在增湿器回路上安装添加剂储罐，加入双氧水，由电磁阀控制与增湿液的隔离；

4)根据计算机得到的电堆功率监测信号，当电堆功率小于或等于额定功率时，超声波发生器不工作，当电堆功率大于额定功率时，超声波发声器工作，调节其功率与电堆功率之比为0-0.05之间，调节增湿温度，最高不超过150℃；

5)由燃料气成份仪得到的信号，当CO浓度高于100ppm时，指示电磁阀开启，让H₂O₂以1毫升-10毫升/秒的流速进入增湿液，当其与燃料气相混合时，可将其中的CO氧化为对电堆无大害的CO₂。