專利名稱：一種用于燃料電池的高效增濕裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池的輔助設(shè)備，尤其涉及一種用于燃料電池的高效增濕裝置。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)淙剂霞把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細(xì)小分散的引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)過程中生成的電子，通過外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質(zhì)子交換膜，到達(dá)膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負(fù)離子，并與陽極區(qū)遷移過來的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)陽極反應(yīng)
陰極反應(yīng)在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)膜電極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機(jī)械銑刻，形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)膜電極板可以是金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導(dǎo)膜電極板上的導(dǎo)流孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導(dǎo)流極板與陰極氧化劑的導(dǎo)流極板。這些導(dǎo)流極板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機(jī)械支撐，導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運(yùn)行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通常可通過直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組后進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池可用作一切車、船等運(yùn)載工具的動力系統(tǒng)，又可用作手提式、移動式、固定式的發(fā)電裝置。
質(zhì)子交換膜燃料電池中核心部件是膜電極，而質(zhì)子交換膜又是膜電極中的核心部件。
目前質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極中所用的質(zhì)子交換膜，在電池運(yùn)行過程中需要有水分子存在保濕，因為只有水化的質(zhì)子才可以自由地穿過質(zhì)子交換膜，從電極陽極端到達(dá)電極陰極端參加電化學(xué)反應(yīng)。否則，當(dāng)大量干燥的空氣向燃料電池供應(yīng)、并離開燃料電池時，容易將質(zhì)子交換膜中的水分子帶跑，質(zhì)子無法穿過質(zhì)子交換膜，導(dǎo)致電極內(nèi)阻急劇增加，電池性能急劇下降。所以向燃料電池供應(yīng)的空氣一般來說需要經(jīng)過增濕，使進(jìn)入燃料電池的空氣相對濕度提高，以免使質(zhì)子交換膜失水。
目前應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池增濕裝置主要有兩種(1).干空氣與純凈水進(jìn)入燃料電池前，通過增濕裝置進(jìn)行直接碰撞后使水分子與空氣分子呈混合均勻的氣態(tài)空氣、水分子，進(jìn)入燃料電池時，是達(dá)到一定相對濕度的空氣。
(2).干空氣與純凈水在進(jìn)入燃料電池前在增濕裝置并沒有直接接觸，而是由一層可以讓水分子自由透過但不讓氣體分子透過的膜分隔開來，當(dāng)膜一邊流過干空氣，而膜另一邊流過純凈水時，水分子就會自動從膜一邊透過膜另一邊，使空氣分子與水分子混合達(dá)到一定的相對濕度的空氣。這種膜可以是質(zhì)子交換膜，如杜幫公司的nafion膜等。
以上兩種增濕方法有以下不可克服的缺陷(1).上述兩種增濕裝置需要外加提供純凈水，提供純凈水主要靠水泵、管路等器件來控制，這大大增加增濕裝置的復(fù)雜性，并增加了能耗。
(2).向增濕裝置外加提供純凈水時，由于純凈水不斷消耗，必須及時補(bǔ)給，這造成燃料電池運(yùn)行過程的成本很高，且操作不便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種成本較低、操作方便的用于燃料電池的高效增濕裝置。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種用于燃料電池的高效增濕裝置，其特征在于，包括一外殼、一內(nèi)膽、一電動機(jī)；所述的外殼為柱狀體，其底部左、右兩邊各設(shè)有一濕空氣出口、濕空氣進(jìn)口，其頂部左、右兩邊各設(shè)有一干空氣進(jìn)口、干空氣出口，外殼的頂部中央還設(shè)有一中心孔；所述的內(nèi)膽設(shè)在外殼內(nèi)，其亦為與外殼相應(yīng)的柱狀體，其底部左、右兩邊各設(shè)有一與外殼濕空氣出口、濕空氣進(jìn)口相對應(yīng)的空氣出口、空氣進(jìn)口，其頂部左、右兩邊各設(shè)有一與外殼體干空氣進(jìn)口、干空氣出口相對應(yīng)的空氣進(jìn)口、空氣出口，所述的內(nèi)膽中間設(shè)有隔板，該隔板將內(nèi)膽分隔成相等的左、右兩半，在隔板的左半部、右半部內(nèi)設(shè)有親水性的多孔性填料；所述的電動機(jī)外設(shè)于外殼的頂部，其傳動軸穿設(shè)于外殼頂部中央的中心孔，并與內(nèi)膽固定連接；電動機(jī)通過其傳動軸驅(qū)動內(nèi)膽旋轉(zhuǎn)；所述的外殼底部的濕空氣出口外接燃料電池的空氣進(jìn)口，所述的外殼底部的濕空氣進(jìn)口外接燃料電池的空氣出口；當(dāng)燃料電池排出的剩余空氣和生成水由增濕裝置的濕空氣進(jìn)口進(jìn)入后，沿內(nèi)膽右半部前進(jìn)，設(shè)于內(nèi)膽內(nèi)的填料會讓空氣通過而使水截流下來，達(dá)到飽和狀態(tài)后，電動機(jī)驅(qū)動內(nèi)膽旋轉(zhuǎn)180°，右半部內(nèi)膽轉(zhuǎn)到左半部位置，當(dāng)干空氣從增濕裝置的干空氣進(jìn)口進(jìn)入后，沿內(nèi)膽左半部前進(jìn)，正好與截流下來的水相遇，變成濕空氣從濕空氣出口出來進(jìn)入燃料電池。
所述的外殼與內(nèi)膽為圓柱體。
所述的外殼與內(nèi)膽相對應(yīng)的空氣進(jìn)、出口之間設(shè)有密封圈。
所述的電動機(jī)的傳動軸穿設(shè)于內(nèi)膽中央，并與內(nèi)膽焊接成一體。
所述的外殼底部中央設(shè)有一軸承座，所述的傳動軸的頂端設(shè)在該軸承座中。
所述的填料可以選自硅膠、多孔陶瓷或多孔玻璃中的一種或幾種，或其它吸水材料。
本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，即將燃料電池運(yùn)行過程生成的水排入增濕裝置重復(fù)使用，因此不需要外加額外高能耗動力設(shè)備，如水泵等，也不需要向該增濕裝置補(bǔ)給純凈水，從而可以節(jié)約能源，同時大大降低燃料電池的運(yùn)行成本，還使過程操作非常方便。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
如圖1所示，一種用于燃料電池的高效增濕裝置，包括一外殼1、一內(nèi)膽2、一電動機(jī)3；所述的外殼1為圓柱體，其底部左、右兩邊各設(shè)有一濕空氣出口11、濕空氣進(jìn)口12，其頂部左、右兩邊各設(shè)有一干空氣進(jìn)口13、干空氣出口14，外殼的頂部中央還設(shè)有一中心孔15，外殼的底部中央設(shè)有一軸承座(圖未示)；所述的內(nèi)膽2設(shè)在外殼1內(nèi)，其亦為與外殼相應(yīng)的圓柱體，所述的內(nèi)膽2底部左、右兩邊各設(shè)有一與外殼濕空氣出口11、濕空氣進(jìn)口12相對應(yīng)的空氣出口21、空氣進(jìn)口22，在外殼1與內(nèi)膽2相對應(yīng)的空氣進(jìn)出口11與21以及12與22之間設(shè)有密封圈(圖未示)，所述的內(nèi)膽2頂部左、右兩邊各設(shè)有一與外殼干空氣進(jìn)口13、干空氣出口14相對應(yīng)的空氣進(jìn)口23、空氣出口24，在外殼1與內(nèi)膽2相對應(yīng)的干空氣進(jìn)出口13與23以及14與24之間亦設(shè)有密封圈(圖來示)，所述的內(nèi)膽2中間設(shè)有隔板25，該隔板25將內(nèi)膽分隔成相等的左、右兩半，在隔板的左半部、右半部內(nèi)設(shè)有親水性的多孔性填料26，該填料26選自硅膠、多孔陶瓷或多孔玻璃中的一種或幾種；所述的電動機(jī)3外設(shè)于外殼1的頂部，其傳動軸31穿過外殼頂部中央的中心孔15，以及內(nèi)膽2中央，并與內(nèi)膽2焊接成一體，所述的傳動軸31的頂端設(shè)在外殼底部的軸承座中，電動機(jī)3通過其傳動軸31驅(qū)動內(nèi)膽2旋轉(zhuǎn)；所述的外殼底部的濕空氣出口11外接燃料電池4的空氣進(jìn)口41，所述的外殼底部的濕空氣進(jìn)口12外接燃料電池的空氣出口42。
空氣從燃料電池4的進(jìn)口41進(jìn)入燃料電池，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)后，空氣中的部分氧分子轉(zhuǎn)化為水分子與過量未反應(yīng)的空氣從燃料電池的出42排出燃料電池，當(dāng)燃料電池排出的剩余空氣和生成水由增濕裝置的濕空氣進(jìn)口12進(jìn)入后，沿內(nèi)膽右半部前進(jìn)，設(shè)于內(nèi)膽內(nèi)的填料26會讓空氣通過而使水截流下來，達(dá)到飽和狀態(tài)后，電動機(jī)3驅(qū)動內(nèi)膽2旋轉(zhuǎn)180°，右半部內(nèi)膽轉(zhuǎn)到左半部位置，當(dāng)干空氣從增濕裝置的干空氣進(jìn)口13進(jìn)入后，沿內(nèi)膽左半部前進(jìn)，正好與截流下來的水相遇，變成濕空氣從濕空氣出口11出來進(jìn)入燃料電池。
隨著電動機(jī)3每隔一定時間不斷旋轉(zhuǎn)180°，干空氣從進(jìn)氣口13進(jìn)入時，總能與截留下來的燃料電池生成的水相遇，達(dá)到濕化目的，濕化后的空氣由增濕裝置的出氣口11排出，再進(jìn)入燃料電池進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)；而從燃料電池排出的水總可以在增濕裝置中被截留下來，剩余空氣從空氣出口14排出該增濕裝置。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池的高效增濕裝置，其特征在于，包括一外殼(1)、一內(nèi)膽(2)、一電動機(jī)(3)；所述的外殼(1)為柱狀體，其底部左、右兩邊各設(shè)有一濕空氣出口(11)、濕空氣進(jìn)口(12)，其頂部左、右兩邊各設(shè)有一干空氣進(jìn)口(13)、干空氣出口(14)，外殼的頂部中央還設(shè)有一中心孔(15)；所述的內(nèi)膽(2)設(shè)在外殼(1)內(nèi)，其亦為與外殼相應(yīng)的柱狀體，其底部左、右兩邊各設(shè)有一與外殼濕空氣出口(11)、濕空氣進(jìn)口(12)相對應(yīng)的空氣出口(21)、空氣進(jìn)口(22)，其頂部左、右兩邊各設(shè)有一與外殼體干空氣進(jìn)口(13)、干空氣出口(14)相對應(yīng)的空氣進(jìn)口(23)、空氣出口(24)，所述的內(nèi)膽(2)中間設(shè)有隔板(25)，該隔板(25)將內(nèi)膽分隔成相等的左、右兩半，在隔板的左半部、右半部內(nèi)設(shè)有親水性的多孔性填料(26)；所述的電動機(jī)(3)外設(shè)于外殼(1)的頂部，其傳動軸(31)穿設(shè)于外殼頂部中央的中心孔(15)，并與內(nèi)膽(2)固定連接；電動機(jī)(3)通過其傳動軸(31)驅(qū)動內(nèi)膽(2)旋轉(zhuǎn)；所述的外殼底部的濕空氣出口(11)外接燃料電池的空氣進(jìn)口，所述的外殼底部的濕空氣進(jìn)口(12)外接燃料電池的空氣出口；當(dāng)燃料電池排出的剩余空氣和生成水由增濕裝置的濕空氣進(jìn)口(12)進(jìn)入后，沿內(nèi)膽右半部前進(jìn)，設(shè)于內(nèi)膽內(nèi)的填料(26)會讓空氣通過而使水截流下來，達(dá)到飽和狀態(tài)后，電動機(jī)(3)驅(qū)動內(nèi)膽(2)旋轉(zhuǎn)180°，右半部內(nèi)膽轉(zhuǎn)到左半部位置，當(dāng)干空氣從增濕裝置的干空氣進(jìn)口(13)進(jìn)入后，沿內(nèi)膽左半部前進(jìn)，正好與截流下來的水相遇，變成濕空氣從濕空氣出口(11)出來進(jìn)入燃料電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于燃料電池的高效增濕裝置，其特征在于，所述的外殼(1)與內(nèi)膽(2)為圓柱體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于燃料電池的高效增濕裝置，其特征在于，所述的外殼(1)與內(nèi)膽(2)相對應(yīng)的空氣進(jìn)、出口之間設(shè)有密封圈。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于燃料電池的高效增濕裝置，其特征在于，所述的電動機(jī)的傳動軸(31)穿設(shè)于內(nèi)膽中央，并與內(nèi)膽焊接成一體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于燃料電池的高效增濕裝置，其特征在于，所述的外殼(1)底部中央設(shè)有一軸承座，所述的傳動軸(31)的頂端設(shè)在該軸承座中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于燃料電池的高效增濕裝置，其特征在于，所述的填料可以選自硅膠、多孔陶瓷或多孔玻璃中的一種或幾種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的高效增濕裝置，包括一外殼、一內(nèi)膽、一電動機(jī)；所述的外殼及內(nèi)膽為柱狀體，該外殼及內(nèi)膽底部左、右兩邊各設(shè)有一濕空氣出口、濕空氣進(jìn)口，其頂部左、右兩邊各設(shè)有一干空氣進(jìn)口、干空氣出口，所述的內(nèi)膽內(nèi)設(shè)有填料，其中間設(shè)有隔板，所述的電動機(jī)通過其傳動軸驅(qū)動內(nèi)膽旋轉(zhuǎn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有運(yùn)行成本低、操作方便等優(yōu)點。
文檔編號H01M8/04GK1459882SQ0211182
公開日2003年12月3日 申請日期2002年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月24日
發(fā)明者胡里清, 夏建偉, 付明竹 申請人:上海神力科技有限公司