專利名稱：一種高效燃料電池的空氣增濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及燃料電池的配套裝置，尤其涉及一種高效燃料電池的空氣增濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)浼把趸瘎┺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(jiǎn)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)發(fā)應(yīng)過(guò)程中生成的電子，通過(guò)外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽(yáng)極端，燃料可以通過(guò)滲透穿過(guò)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(guò)遷移穿過(guò)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(guò)滲透穿過(guò)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(yáng)極端遷移過(guò)來(lái)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(yáng)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(yáng)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(kāi)來(lái)，使它們不會(huì)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(yáng)極區(qū)遷移過(guò)來(lái)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(yáng)極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)
陽(yáng)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(guò)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)膜電極板可以上金屬材料的極板，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(yáng)極區(qū)與陰極區(qū)。在一個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個(gè)膜電極，膜電極兩邊分別是陽(yáng)極燃料的導(dǎo)流板與陰極氧化劑的導(dǎo)流板。這些導(dǎo)流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)流板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽(yáng)極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運(yùn)行過(guò)程中生成的水的通道。
為了增大整個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個(gè)或兩個(gè)以上的單電池通常可通過(guò)直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過(guò)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(gè)膜電極的陽(yáng)極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個(gè)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(guò)一定方式連在一起而組成一個(gè)電池組。電池組通常通過(guò)前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個(gè)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(gè)陽(yáng)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(gè)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(shí)，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(kāi)在燃料電池組的一個(gè)端板上或兩個(gè)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(dòng)力系統(tǒng)，又可用作手提式、移動(dòng)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(guò)程中需要有水分子存在保濕，因?yàn)橹挥兴馁|(zhì)子才可以自由地穿過(guò)質(zhì)子交換膜，從電極陽(yáng)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(kāi)燃料電池時(shí)，容易將質(zhì)子交換膜中的水分子帶跑，質(zhì)子無(wú)法穿過(guò)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(lái)說(shuō)需要經(jīng)過(guò)增濕，使進(jìn)入燃料電池的空氣相對(duì)濕度提高，以免使質(zhì)子交換膜失水。
目前應(yīng)用于質(zhì)子交換膜的燃料電池增濕裝置主要有二類第一類是用純凈水泵入增濕裝置，并使水分子蒸發(fā)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(shí)是達(dá)到一定相對(duì)濕度的空氣。第二類是利用燃料電池自身排出的濕空氣與水引入增濕裝置，并與進(jìn)入增濕裝置的干空氣交換水分子，使進(jìn)入燃料電池時(shí)的空氣是達(dá)到一定相對(duì)濕度的空氣。
第一類增濕裝置需要外部提供純凈水。提供純凈水主要靠水泵、管路等器件來(lái)控制，大大增加了增濕裝置的復(fù)雜性，并增加了能源消耗；而且由于純凈水不斷消耗，必須及時(shí)補(bǔ)給，造成燃料電池運(yùn)行過(guò)程的成本很高，且操作不便。
所以第二類的應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池的增濕裝置具有很高的實(shí)用價(jià)值與優(yōu)越性。第二類的增濕裝置一般有利用旋轉(zhuǎn)內(nèi)膽形的高效增濕裝置，如上海神力科技有限公司在專利中所述的“一種用于燃料電池高效增濕裝置”(專利號(hào)02111824.8)；另一種增濕裝置利用透水但不透氣的膜，例如杜邦公司的Nafion膜等，這種膜可以讓水分子自由透過(guò)但不讓氣體分子透過(guò)，當(dāng)膜的一邊流過(guò)干空氣，膜的另一邊流過(guò)從燃料電池排出的濕空氣或水，水分子可以穿過(guò)膜擴(kuò)散到干空氣中，達(dá)到增濕的目的。例如US Patent 6,106964中可利用的就是這種增濕裝置。上海神力科技有限公司在專利中所述的“一種適合燃料電池低壓運(yùn)行的高效增濕裝置”(專利號(hào)03115482.4)也屬于這種增濕裝置。
目前所有的用于質(zhì)子膜燃料電池的第二類增濕裝置都如US Patent6,106964所述的那樣，被放置在空氣輸送裝置(例如空氣壓縮機(jī)，高壓鼓風(fēng)機(jī)等)與燃料電池之間。如圖1所示，空氣輸送裝置先將大氣中的空氣吸入，并經(jīng)過(guò)壓縮后先經(jīng)過(guò)第二類增濕裝置，再進(jìn)入燃料電池堆，經(jīng)過(guò)電化學(xué)反應(yīng)后排出燃料電池堆并進(jìn)入增濕裝置，最后二種空氣的熱水交換后排出增濕裝置。
目前這種增濕裝置與燃料電池的連接方式有如下技術(shù)缺陷(1)當(dāng)空氣輸送裝置是鼓風(fēng)機(jī)時(shí)，由于空氣輸送的壓力很少，很難克服增濕裝置的流體阻力，導(dǎo)致空氣輸送進(jìn)入燃料電池堆前的壓力與流量損失很大，直接導(dǎo)致燃料電池運(yùn)行性能損失。(2)這種連接方式會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入增濕裝置的干空氣壓力高于排出增濕裝置的壓力，采用旋轉(zhuǎn)內(nèi)膽型的增濕裝置難免有內(nèi)漏，內(nèi)漏會(huì)導(dǎo)致高壓一邊的大量輸送空氣不進(jìn)入燃料電池就抄短路從增濕裝置的另一低壓一邊排出，直接影響燃料電池性能。采用膜增濕的增濕裝置低壓一邊的排出濕空氣水分子，由于壓力差也不利于向高壓一邊輸送干空氣擴(kuò)散，降低了增濕效率。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型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增濕效率高、壓力損失小的高效燃料電池的空氣增濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
本實(shí)用新型的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種高效燃料電池的空氣增濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括空氣過(guò)濾器、空氣增濕裝置、燃料電池堆、空氣輸送裝置以及控制閥，所述的空氣過(guò)濾器設(shè)有空氣進(jìn)口與出口，所述的空氣增濕裝置由增濕部分與去濕部分組成，所述的增濕部分設(shè)有干空氣進(jìn)口、濕空氣出口，所述的去濕部分設(shè)有濕空氣進(jìn)口、去濕空氣出口，所述的燃料電池堆設(shè)有空氣進(jìn)口與出口，所述的空氣輸送裝置設(shè)有進(jìn)口與出口，其特征在于，所述的空氣過(guò)濾器的空氣進(jìn)口與大氣相通，所述的空氣過(guò)濾器的空氣出口通過(guò)控制閥與增濕裝置的干空氣進(jìn)口連接，所述的增濕裝置的濕空氣出口與空氣輸送裝置的進(jìn)口連接，該空氣輸送裝置的出口與燃料電池堆的空氣進(jìn)口連接，該燃料電池堆的空氣出口與增濕裝置的濕空氣進(jìn)口連接，所述的增濕裝置的去濕空氣出口與大氣相通。
所述的控制閥包括設(shè)在空氣過(guò)濾器出口與增濕裝置干空氣進(jìn)口之間的第一控制閥，以及設(shè)在空氣過(guò)濾器出口與增濕裝置濕空氣出口之間的第二控制閥。
所述的控制閥為電動(dòng)自動(dòng)控制閥。
所述的空氣輸送裝置為高壓鼓風(fēng)機(jī)或空氣壓縮機(jī)。
所述的增濕裝置為旋轉(zhuǎn)內(nèi)膽型或膜增濕型。
所述的旋轉(zhuǎn)內(nèi)膽型增濕裝置設(shè)有可帶動(dòng)內(nèi)膽旋轉(zhuǎn)的電機(jī)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下特點(diǎn)(1)增濕裝置放在空氣過(guò)濾器與空氣輸送裝置(空壓機(jī)或鼓風(fēng)機(jī))之間。
(2)進(jìn)入空氣輸送裝置的空氣是已經(jīng)達(dá)到一定相對(duì)濕度的熱空氣。
(3)增濕裝置的增濕部分與去濕部分二側(cè)吸進(jìn)空氣與排出空氣的壓力相比，反而比排出空氣側(cè)低，這樣有二個(gè)好處第一，在增濕裝置存在內(nèi)漏的情況下，進(jìn)入燃料電池堆的空氣流量不會(huì)減少；第二，有利于增濕裝置排出空氣側(cè)的水分子向吸進(jìn)空氣側(cè)擴(kuò)散、滲透，提高增濕效果。


圖1為現(xiàn)有燃料電池空氣增濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2為本實(shí)用新型高效燃料電池空氣增濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
如圖2所示，一種高效燃料電池的空氣增濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括空氣過(guò)濾器1、空氣增濕裝置4、燃料電池堆6、空氣輸送裝置5以及控制閥2、3，所述的空氣過(guò)濾器1設(shè)有空氣進(jìn)口11與出口12，所述的空氣增濕裝置4由增濕部分41與去濕部分42組成，所述的增濕部分41設(shè)有干空氣進(jìn)口411、濕空氣出口412，所述的去濕部分42設(shè)有濕空氣進(jìn)口421、去濕空氣出口422，所述的燃料電池堆6設(shè)有空氣進(jìn)口61與出口62，所述的空氣輸送裝置5設(shè)有進(jìn)口51與出口52，所述的空氣過(guò)濾器1的空氣進(jìn)口11與大氣相通，所述的空氣過(guò)濾器的空氣出口12通過(guò)控制閥3與增濕裝置的干空氣進(jìn)口411連接，所述的增濕裝置的濕空氣出口412與空氣輸送裝置的進(jìn)口51連接，該空氣輸送裝置的出口52與燃料電池堆的空氣進(jìn)口61連接，該燃料電池堆的空氣出口62與增濕裝置的濕空氣進(jìn)口421連接，所述的增濕裝置的去濕空氣出口422與大氣相通。
在圖2所示的實(shí)施例中，大氣中的空氣通過(guò)空氣過(guò)濾器1濾去大氣中的任何粉塵、油滴等；2，3是電動(dòng)自動(dòng)控制閥，通過(guò)2，3的開(kāi)、關(guān)可以控制空氣進(jìn)入增濕裝置4的流量，從而可以控制進(jìn)入燃料電池6的空氣相對(duì)濕度；增濕裝置4是旋轉(zhuǎn)內(nèi)膽型或膜增濕型，圖中7是旋轉(zhuǎn)電機(jī)；5是高壓鼓風(fēng)機(jī)，空氣輸送流量是3～5立方米/分鐘，靜壓0.6Bar(相對(duì)壓力)，該高壓鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)鼓、葉輪是工程塑料材料或鋁金屬材料經(jīng)表面處理制成的。這樣，經(jīng)過(guò)過(guò)濾的空氣吸入增濕裝置4，再經(jīng)過(guò)高壓鼓風(fēng)機(jī)5，壓縮進(jìn)入燃料電池堆6，吸入增濕裝置的空氣與排出燃料電池堆的空氣進(jìn)行熱、水交換成為一定相對(duì)濕度的熱空氣，進(jìn)入燃料電池堆進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，并再?gòu)脑鰸裱b置4排出。
權(quán)利要求1.一種高效燃料電池的空氣增濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括空氣過(guò)濾器、空氣增濕裝置、燃料電池堆、空氣輸送裝置以及控制閥，所述的空氣過(guò)濾器設(shè)有空氣進(jìn)口與出口，所述的空氣增濕裝置由增濕部分與去濕部分組成，所述的增濕部分設(shè)有干空氣進(jìn)口、濕空氣出口，所述的去濕部分設(shè)有濕空氣進(jìn)口、去濕空氣出口，所述的燃料電池堆設(shè)有空氣進(jìn)口與出口，所述的空氣輸送裝置設(shè)有進(jìn)口與出口，其特征在于，所述的空氣過(guò)濾器的空氣進(jìn)口與大氣相通，所述的空氣過(guò)濾器的空氣出口通過(guò)控制閥與增濕裝置的干空氣進(jìn)口連接，所述的增濕裝置的濕空氣出口與空氣輸送裝置的進(jìn)口連接，該空氣輸送裝置的出口與燃料電池堆的空氣進(jìn)口連接，該燃料電池堆的空氣出口與增濕裝置的濕空氣進(jìn)口連接，所述的增濕裝置的去濕空氣出口與大氣相通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效燃料電池的空氣增濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的控制閥包括設(shè)在空氣過(guò)濾器出口與增濕裝置干空氣進(jìn)口之間的第一控制閥，以及設(shè)在空氣過(guò)濾器出口與增濕裝置濕空氣出口之間的第二控制閥。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高效燃料電池的空氣增濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的控制閥為電動(dòng)自動(dòng)控制閥。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效燃料電池的空氣增濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的空氣輸送裝置為高壓鼓風(fēng)機(jī)或空氣壓縮機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效燃料電池的空氣增濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的增濕裝置為旋轉(zhuǎn)內(nèi)膽型或膜增濕型。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高效燃料電池的空氣增濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的旋轉(zhuǎn)內(nèi)膽型增濕裝置設(shè)有可帶動(dòng)內(nèi)膽旋轉(zhuǎn)的電機(jī)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種高效燃料電池的空氣增濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括空氣過(guò)濾器、空氣增濕裝置、燃料電池堆、空氣輸送裝置以及控制閥，所述的空氣過(guò)濾器的空氣進(jìn)口與大氣相通，所述的空氣過(guò)濾器的空氣出口通過(guò)控制閥與增濕裝置的干空氣進(jìn)口連接，所述的增濕裝置的濕空氣出口與空氣輸送裝置的進(jìn)口連接，該空氣輸送裝置的出口與燃料電池堆的空氣進(jìn)口連接，該燃料電池堆的空氣出口與增濕裝置的濕空氣進(jìn)口連接，所述的增濕裝置的去濕空氣出口與大氣相通。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有增濕效率高、壓力損失小等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01M8/04GK2624416SQ0323227
公開(kāi)日2004年7月7日 申請(qǐng)日期2003年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月18日
發(fā)明者胡里清, 夏建偉, 章波 申請(qǐng)人:上海神力科技有限公司