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燃料電池領域全球專利監控報告(2020年3月)

3.2 現代公司

圖3-9 現代公司3月公開專利技術分支情況

2020年3月,現代公司在燃料電池領域共公開專利28件,主要涉及電堆、系統控制、檢驗檢測等技術分支。

下文分析的現代公司燃料電池相關專利的專利公開號為:KR1020200027352A、KR1020200027631A。兩篇專利均與膜電極組件的水管理有關。

3.2.1 KR1020200027352A——設置排水分孔排出電解質膜與子墊圈之間的水分

燃料電池發電過程中,電解質膜中生成的水分可通過氣體擴散層排出,但有時水分會積聚在電解質膜和子墊圈的間隙間,進而造成燃料電池性能劣化。

基于此,KR1020200027352A公開了一種膜電極組件,通過設置排水分孔,可使積聚在電解質膜和子墊圈之間的水分排出,具體如下:

圖3-10 KR1020200027352A膜電極組件示意圖

膜電極組件1包括電解質膜50、催化電極層100(陽極催化電極層100b、陰極催化電極層100a)、主墊圈300、子墊圈200(上子墊圈200a、下子墊圈200b)、氣體擴散層250、排水分孔205、隔板400、隔板排氣孔405等;子墊圈由PET、PEN、PP材料制成,排水分孔設置在子墊圈上并穿透子墊圈,并使電解質膜在排水分孔處暴露;排水分孔與催化電極層的邊緣有一定的間隔距離,并臨近隔板排氣孔。

圖3-11 水分運動示意圖

通常,電解質膜中生成的水分可通過催化電極層上側的氣體擴散層排出到外部。然而,當水分在電解質膜內部沿著其延伸方向進行移動時,若電解質膜與子墊圈之間存在間隙,水分將在間隙中積聚,并使電解質膜與子墊圈之間產生膨脹,影響兩者的界面結合力。又因為排水分孔臨近隔板排水孔,使得從排水分孔出排出的水分易于通過隔板排氣孔排出至外部。因此,通過設置排水分孔可有效排出積聚在間隙中的水分。綜上,通過設置排水分孔可在一定程度上改善燃料電池的性能和耐久性。

3.2.2 KR1020200027631A——防止電解質膜中的水分擴散至非反應區域

為了使電解質膜與子墊圈連接,通常需要將電解質膜進行延伸并使子墊圈粘附到延伸部分,因此電解質膜可分為與催化電極重疊的反應區域和與子墊圈重疊的非反應區域。電解質膜的濕潤狀態會直接影響燃料電池的發電性能,當水分沿著電解質膜延伸方向從反應區域擴散至非反應區域時,此時用于燃料電池反應所需的水分減少,可能會嚴重影響的燃料電池發電性能。

現有技術提出將電解質膜非反應區域的膜長度縮短至短于子墊圈的長度,以防止電解質膜暴露至反應區域外部,從而防止水分排放到非反應區域。然而,此種方案制備的膜電極組件在長期運行過程中,可能發生反應氣體和冷卻水的泄漏以及電解質膜和子墊圈之間分離,使得燃料電池發電操作不能繼續進行。另一方面,在該方案制備膜電極組件過程中,子墊圈通過注塑成型工藝形成,在注塑成型工藝中可能造成結合物變形或污染等情形。

基于此,KR1020200027625A公開了一種可防止水分擴散至電解質膜非反應區域的膜電極組件及制造方法,具體如下:

膜電極組件結構如圖3-12所示,陰、陽催化電極(陰極100、陽極300)夾持在電解質膜200的兩側,電解質膜200包括與陰陽極接觸的反應區域220(RA)以及與子墊圈接觸的非反應區域230(NRA);電解質膜200中的非反應區域NRA設置有排水防止部400(圖3-12示出了一組排水防止部410、420,排水防止部不限于一組),排水防止部與上下子墊圈重疊;從頂部進行觀察時,排水防止部距反應區域RA的最短距離為1~20mm,排水防止部的寬度為1~20mm;排水防止部可防止水分向電解質膜非反應區域擴散,確保燃料電池發電性能。

圖3-12 KR1020200027625A膜電極組件截面圖

帶有排水防止部的膜電極組件制造方法及參數選定理由如下:

圖3-13 膜電極組件制造方法

S100-S300:依次將陰極、陽極層疊在電解質膜的兩個相對表面上;S400:在電解質膜的非反應區域層壓子墊圈;S500:利用加熱裝置對電解質膜的非反應區域進行熱處理,熱處理溫度范圍在150~300℃,熱處理時間范圍在30s~30min,使電解質膜上的離聚物結晶度增大,提升其疏水性,抑制水在電解質膜中的運動。

排水防止部距反應區域RA的最短距離為1mm以上,可防止在熱處理過程中,對電解質膜、陰陽電極造成損傷。

當排水防止部寬度小于1mm,其對降低水遷移率的效果較差;當寬度大于20mm時,在熱處理過程中,從電解質膜中逸出的水分易被截留在排水防止部與子墊圈之間的界面處并形成氣泡,從而可能導致反應氣體泄漏、子墊圈脫落等情形,影響燃料電池發電操作。

3.3 戴姆勒公司

下文分析的戴姆勒公司燃料電池相關專利的專利公開號為:CN106463744B。CN106463744B主要與加濕器相關。

3.3.1 CN106463744B——具有分離廢氣中的水和加濕空氣的處理裝置

圖3-14 現有技術燃料電池系統

如圖3-14所示,在燃料電池系統中,為了對反應氣體進行加濕以及去除廢氣中的液態水,分別設置有加濕器和氣液分離器,即使可將加濕器和氣液分離器集成在一起來降低燃料電池出口導管處的壓力損失,該系統也需要足夠多的部件和相對大的空間來進行安裝。

基于此,為了節省部件成本和減小安裝空間,CN106463744B提出了一種兼具廢氣液態水處理和加濕反應氣體功能的處理裝置及燃料電池系統,具體如下:

燃料電池系統如圖3-15所示,燃料電池16發電產生的濕廢氣經陰極側排放到廢氣管路中并傳輸至處理裝置12,濕廢氣圍繞處理裝置12的中空纖維束24進行運動并朝向外側28流動(徑向,箭頭30);空氣在通道26中流動(軸向),通道26位于中空纖維束的中心;中空纖維束由盤簧46進行支撐,兩個中空纖維束之間設置有固持結構50,固持機構50上設置有翼肋52以使中空纖維束保形;由于廢氣流動區域的橫截面積大于通道26的橫截面積,因此,濕廢氣在向外側流動過程中可以低速和高分散性進行,便于進行水分收集;由于中空纖維束24只允許水分子透過,當濕廢氣圍繞中空纖維束流動時,待加濕的空氣供應至通道26中,在水分濃度差的作用下,濕廢氣中的水分被分離并透過中空纖維束對空氣進行加濕。

圖3-15 CN106463744B燃料電池系統

分離出的液態水在重力以及廢氣氣體密度差異的作用下,朝向箭頭39的方向運動,并從間隙32(間隙32形成于殼體22的殼體壁34與相應中空纖維束之間)流出到達收集區域36;收集區域36形成在殼體底部38中,并呈V形凹槽;液態水還可經由出口(未示出)從收集區域36處排出。

此外,處理裝置的殼體頂部區域42處設置有排放空間40以及中空纖維束外側設置有輻板48來保障間隙32通暢,用以確保干廢氣順利排放。干廢氣經管線供應至廢氣渦輪增壓器的渦輪44處,排放至外界。

該發明的處理裝置兼具空氣加濕,廢氣水液分離及水收集功能,可最大程度地節約安裝空間和安裝部件;該處理裝置可確保廢氣中水分被有效去除,使干廢氣流至廢氣渦輪增壓器渦輪處,避免了渦輪處的發生凍結。

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