CN100461519C - 燃料电池组的反应气体温度及湿度调节装置 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池组的反应气体温度及湿度调节装置，包括有一温度调节区段，其包括有一加热区段气体导流板、一冷却液导流板、一加热区段隔板，一待调节的反应气体在通过加热区段体导流板的气体导流槽道时，该冷却液亦同时通过该冷却液导流板的冷却液导流槽道，使该反应气体受到该冷却液的加热。一湿度调节区段，与该温度调节区段之间具有一中央隔板，该湿度调节区段包括有一加湿区段气体导流板、一排放气体导流板、一湿气交换区段。经过该温度调节区段加热后的气体在通过该加湿区段气体导流板的气体导流槽道时，该排放气体亦同时通过该排放气体导流板的排放气体导流槽道，且该反应气体经由该湿气交换区段而吸收该排放气体中的水气。

Description

燃料电池组的反应气体温度及湿度调节装置
技术领域
本发明关于一种燃料电池组的加湿装置，特别是关于一种燃料电池组的反应气体温度及湿度调节装置的结构设计。
背景技术
查燃料电池(Fuel Cell)为一种借着电化学反应，直接利用含氢燃料和空气产生电力的装置。由于燃料电池具有低污染、高效率、高能量密度等优点，故成为近年来各国研发和推广的对象。在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)的操作温度较低、起动迅速、体积与重量的能量密度较高，因而最具产业价值。
典型的燃料电池组是由复数个膜电极组体(Membrane ElectrodeAssembles，MEA)组构而成，每一个膜电极组体中包括有阳极触媒层、高分子质子交换膜与阴极触媒层。将该膜电极组体结合气体扩散层与双极板叠置组合即成为一基本的燃料电池单电池。
燃料电池在反应时依赖高分子质子交换膜传输氢离子以完成电化学反应，其电池性能与各项操作条件，例如温度、湿度、氢气流量、空气流量…等皆息息相关。例如以湿度条件而言，必需使该燃料电池的高分子质子交换膜维持在合适的操作湿度下才能使该燃料电池保持较高的效能。
在现有的技术之下，为了维持该燃料电池操作在适当的操作湿度，一般作法是在反应气体供应管线中配置一加湿器，以使该反应气体在经过该加湿器时提高其相对湿度，然后再供应至该燃料电池中。例如以空气(氧气)的供应而言，一般作法即是在鼓风机之后配置该加湿器，然后再连接至燃料电池中的阴极反应气体输入孔，以使该空气在进入至燃料电池中时能得到适当的相对湿度。
发明内容
本发明所欲解决的技术问题
然而，在前述常用的燃料电池反应气体加湿技术中，虽然能达到控制反应气体相对湿度的目的，但是在实际使用时发现仍有许多待改进之处，例如在加湿器的管线配置、加湿器的效能、能源回收循环利用…等各方面，仍有待进一步的研究改良。
再者，以操作温度的控制而言，该燃料电池在反应时所产生的热能应作适当的散热，一般以水冷式的燃料电池设计中，即是以水经过该燃料电池中的冷却液通道后，来带走燃料电池内部的热量。通常在该燃料电池的冷却液出口所量测的冷却液温度大约为摄氐60～70度之间，而其相对湿度则达100％。如何有效回收利用此一热能亦为重要课题。
虽然在先前技术中，已看到有利用该冷却液热能回收循环作为储氢罐的加热技术，但如何回收利用该冷却液热能并结合加湿系统的技术，以调节反应气体的相对湿度以及提升燃料电池的整体效率，却并未有充分的研究及实际使用。
再者，常用技术中虽然亦见到有利用燃料电池的冷却液热能作为加湿器的加热之用，但会消耗掉一部份的冷却液，故必需随时补充水，在实际使用上，有其不方便性。
缘此，本发明的主要目的是提供一种燃料电池组的反应气体温度及湿度调节装置，以使燃料电池组在该温度及湿度调节装置的控制之下，能使该燃料电池组操作于最佳操作条件。
本发明的另一目的为提供一种燃料电池组的反应气体温度及湿度调节装置，以使送入至该燃料电池组的反应气体能得到适当的温度及湿度调节。
本发明的另一目的为提供一种有效回收循环利用燃料电池冷却液能量的燃料电池加湿控制装置，不仅能达到良好的反应气体加湿功能，亦使该燃料电池组的冷却液得到有效的回收循环利用。
本发明为解决公知技术的问题所采用的技术手段在一反应气体温度及湿度调节装置中，包括有一温度调节区段，其包括有一加热区段气体导流板、一冷却液导流板、一加热区段隔板，一待调节的反应气体在通过加热区段体导流板的气体导流槽道时，该冷却液亦同时通过该冷却液导流板的冷却液导流槽道，使该反应气体受到该冷却液的加热。一湿度调节区段，与该温度调节区段之间具有一中央隔板，该湿度调节区段包括有一加湿区段气体导流板、一排放气体导流板、一湿气交换区段。经过该温度调节区段加热后的气体在通过该加湿区段气体导流板的气体导流槽道时，该排放气体亦同时通过该排放气体导流板的排放气体导流槽道，且该反应气体经由该湿气交换区段而吸收该排放气体中的水气。
本发明对照先前技术的功效
经由本发明所采用的技术手段，可以使得燃料电池组在本发明所提供的温度及湿度调节控制之下，提供一具有最佳相对湿度的反应气体，以使该燃料电池组操作于最佳操作条件。且本发明的反应气体温度及湿度调节装置有效回收循环利用燃料电池冷却液能量及排放气体，不仅能达到良好的反应气体加热及加湿功能，亦使该燃料电池组的冷却液及排放气体得到有效的回收循环利用。
更者，在该温度及湿度调节装置中，燃料电池组所供应的冷却液在通过冷却液导流槽道时，由于是自成一封闭槽道回路、且与气体导流槽道中的气体被加热区段隔板所隔开，故该冷却液不会有耗损之问题，在实际应用时，不需要进行补充冷却液的操作。
附图说明
图1为显示本发明的反应气体温度及湿度调节装置结合于一燃料电池组时的立体图；
图2为显示本发明的反应气体温度及湿度调节装置的立体图；
图3为显示图2中反应气体温度及湿度调节装置的前视图；
图4为显示图2中反应气体温度及湿度调节装置的后视图；
图5为显示图2中反应气体温度及湿度调节装置的俯视图；
图6为显示图2中反应气体温度及湿度调节装置的左侧视图；
图7为显示一配置有本发明反应气体温度及湿度调节装置的燃料电池系统的示意图；
图8为显示本发明反应气体温度及湿度调节装置各相关构件分离时的立体分解图；
图9所示的剖视图为显示以单一个基本单元来构成本发明温度调节区段的剖视图；
图10所示的剖视图为显示以复层单元来构成本发明温度调节区段的剖视图；
图11所示的剖视图为显示以单一个基本单元来构成本发明湿度调节区段的剖视图；
图12所示的剖视图为显示以复层单元来构成本发明湿度调节区段的剖视图。
1 燃料电池组
11 气体入口
12   气体出口
13   氢气入口
14   氢气出口
15   冷却液出口
16   冷却液入口
2 反应气体温度及湿度调节装置
21   气体导入端
22   气体导出端
23   排放气体导入端
24   排放气体导出端
25   冷却液导入端
26   冷却液导出端
31   鼓风装置
32   泵浦
33   散热装置
4 温度调节区段
41   端板
411  气体入口
42、42a 加热区段气体导流板
421  气体导流槽道
421a 第一端
421b 第二端
422  凸肋
423、424 冷却液通孔
43、43a、43b 加热区段隔板
431  气体通孔
432、433 冷却液通孔
44、44a 冷却液导流板
441 冷却液导流槽道
441a  第一端
441b  第二端
442   凸肋
443   气体通孔
5 湿度调节区段
51    端板
511   气体出口
512   排放气体入口
513   排放气体出口
52、52a 加湿区段气体导流板
521 气体导流槽道
521a  第一端
521b  第二端
522   凸肋
523、524 排放气体通孔
53、53a、53b 湿气交换区段
531   湿气交换膜
532、533 气体扩散层
54、54a 排放气体导流板
541 排放气体导流槽
541a  第一端
541b  第二端
542  凸肋
543  气体通孔
6 中央隔板
61   气体通孔
具体实施方式
图1为显示本发明的反应气体温度及湿度调节装置结合于一燃料电池组时的立体图，而图2显示本发明的反应气体温度及湿度调节装置的立体图。如图所示，一燃料电池组1配置有本发明的反应气体温度及湿度调节装置2，通过该反应气体温度及湿度调节装置2可用以供应经过适当温度及湿度调节后的反应气体至该燃料电池组1。在以下的实施例说明中，该反应气体为供应至该燃料电池组1的空气，而该燃料电池组1为一液冷式燃料电池组。
同时参阅图3至图6所示，其分别显示图2中反应气体温度及湿度调节装置2的前视图、后视图、俯视图及左侧视图。本发明的反应气体温度及湿度调节装置2具有一气体导入端21、一气体导出端22、一排放气体导入端23、一排放气体导出端24、一冷却液导入端25、一冷却液导出端26。
图7显示一配置有本发明反应气体温度及湿度调节装置的燃料电池系统的示意图。该反应气体温度及湿度调节装置2的气体导入端21可将空气源引入至反应气体温度及湿度调节装置2中，经过该反应气体温度及湿度调节装置2中的温度及湿度调节功能再由气体导出端22送出经过调节过的气体至该燃料电池组1的气体入口11，以供应该燃料电池组1反应所需的氧气。前述的气体源可由一般鼓风装置31所供应。
而该燃料电池组1反应所需的氢气源是由该燃料电池组1的氢气入口13送入，而可由氢气出口14送出。该氢气源可由公知的储氢罐或其它氢气产生装置而供应。
该反应气体温度及湿度调节装置2的排放气体导入端23是连接至该燃料电池组1的气体出口12，以使该燃料电池组1的气体出口12所送出的排放气体回收引入至该反应气体温度及湿度调节装置2中作为湿气源。
该反应气体温度及湿度调节装置2的冷却液导入端25是连接于该燃料电池组1的冷却液出口15，而该冷却液导出端26则可经由一泵浦32、一散热装置33而连通于该燃料电池组1的冷却液入口16。
由该燃料电池组1的冷却液入口16所送入的冷却液在通过该燃料电池组1内部的冷却液通道后，由于会带走该燃料电池组1运作时的热能，故会在冷却液出口15送出一约摄氐60～70度的温水。此排放出的温水作为该反应气体温度及湿度调节装置2的加热源。
参阅图8所示，其显示本发明反应气体温度及湿度调节装置2各相关构件分离时的立体分解图，该反应气体温度及湿度调节装置2主要包括有一温度调节区段4、一湿度调节区段5、一中央隔板6，三者中的各相关构件可以公知的系结固定结构(例如螺栓)予以叠置结合。
该温度调节区段4包括有一端板41、一加热区段气体导流板42、一加热区段隔板43、一冷却液导流板44。该端板41的一侧边形成有一气体入口411，而在另一对应侧边则形成有一冷却液导入端25以及一冷却液导出端26。
该加热区段气体导流板42形成有一气体导流槽道421，且其呈一U形槽道的结构，其具有一第一端421a及第二端421b。本发明的较佳实施例中，该气体导流槽道421是由复数条彼此平行延伸的槽道所构成，各个平行延伸的槽道之间形成凸肋422。此外，在该加热区段气体导流板42的一侧边形成有两个冷却液通孔423、424。
该加热区段隔板43的一侧边具有一气体通孔431，而另一对应侧边则形成有两个冷却液通孔432、433。该加热区段隔板43乃可采用具有良好导热功能的材料所制成，例如其可为一薄铝板。
该冷却液导流板44形成有一冷却液导流槽道441，且其呈一U形槽道的结构，其具有一第一端441a及第二端441b。本发明的较佳实施例中，该冷却液导流槽道441是由复数条彼此平行延伸的槽道所构成，各个平行延伸的槽道之间形成凸肋442。此外，在该冷却液导流板44的一侧边形成有一气体通孔443。该冷却液导流板44与加热区段气体导流板42之间受加热区段隔板43所隔开。
由鼓风装置31所供应的空气源首先由该温度调节区段4中的气体导入端21经由端板41的气体入口411后，送至加热区段气体导流板42的气体导流槽道421的第一端421a。此时，气体会由该加热区段气体导流板42的第一端421a顺着气体导流槽道421被导流至该加热区段气体导流板42的第二端421b。然后再由该第二端421b顺序地经由加热区段隔板43的气体通孔431及冷却液导流板44的气体通孔443而送至中央隔板6的气体通孔61。
在前述气体送入温度调节区段4中的同时，由燃料电池组1所引入的冷却液会经由端板41的冷却液导入端25送入，该冷却液在顺序地通过加热区段气体导流板42的冷却液通孔423、加热区段隔板43的冷却液通孔432之后，会送至冷却液导流板44的冷却液导流槽道441的第一端441a。此时，该冷却液会由该冷却液导流板44的第一端441a顺着冷却液导流槽道441被导流至该冷却液导流板44的第二端441b。然后再由该第二端441b顺序地经由加热区段隔板43的冷却液通孔433、加热区段气体导流板42的冷却液通孔424、端板41的冷却液导出端26而送回燃料电池组1的冷却液入口16。
通过上述的结构设计，当气体进入至该温度调节区段4的同时，冷却液亦同时经由一独立的槽道而使该气体会被温度较高的冷却液(如前所述约摄氐60～70度)而受到加热。再者，该冷却液在通过冷却液导流槽道441时，由于是自成一封闭槽道回路、且与气体导流槽道421中的气体是被加热区段隔板43所隔开，故该冷却液不会有耗损的问题，在实际应用时，不需要进行补充冷却液的操作。
而在湿度调节区段5方面，该湿度调节区段5包括有一端板51、一加湿区段气体导流板52、一湿气交换区段53、一排放气体导流板54。
该端板51的一侧边形成有一气体出口511，而在另一对应侧边则形成有一排放气体入口512以及一排放气体出口513。
该加湿区段气体导流板52形成有一气体导流槽道521，且其呈一U形槽道的结构，其具有一第一端521a及第二端521b。本发明的较佳实施例中，该气体导流槽道521是由复数条彼此平行延伸的槽道所构成，各个平行延伸的槽道之间形成凸肋522。此外，在该加湿区段气体导流板52的一侧边形成有两个排放气体通孔523、524。
该湿气交换区段53具有透水特性，其包括有一湿气交换膜531、以及分别形成该湿气交换膜531两侧面的气体扩散层532、533。再者，该湿气交换区段53的尺寸大小设计成可罩覆到该加湿区段气体导流板52的气体导流槽道521的大部份区段，但并未罩覆住该气体导流槽道521的第一端521a及第二端521b，亦未罩覆到加湿区段气体导流板52的排放气体通孔523、524。
该排放气体导流板54形成有一排放气体导流槽道541，且其呈一U形槽道的结构，其具有一第一端541a及第二端541b。本发明的较佳实施例中，该排放气体导流槽道541是由复数条彼此平行延伸的槽道所构成，各个平行延伸的槽道之间形成凸肋542。此外，在该排放气体导流板54的一侧边形成有一气体通孔543。该排放气体导流板54的一侧面与加湿区段气体导流板52之间夹置了该湿气交换区段53，而该排放气体导流板54的另一侧面则相邻结合于该中央隔板6。
如前述，当气体经过该温度调节区段4的温度调节作用之后，会被送至中央隔板6的气体通孔61。该气体先通过排放气体导流板54的气体通孔543，然后被送到加湿区段气体导流板52的第一端521a。此时，气体会由该加湿区段气体导流板52的第一端521a顺着气体导流槽道521被导流至该加湿区段气体导流板52的第二端521b。然后再由该第二端521b通过端板51的气体出口511、以及气体导出端22送至燃料电池组1的气体入口11。
在前述气体送入燃料电池组1的气体入口11的同时，由燃料电池组1所引入的排放气体会经由端板51的排放气体导入端23送入，该排放气体在通过加湿区段气体导流板52的排放气体通孔523后，会被送到排放气体导流板54的排放气体导流槽道541的第一端541a。此时，该排放气体会由该排放气体导流槽道541的第一端541a顺着该排放气体导流槽道541被导流至该排放气体导流板54的第二端541b。然后再由该第二端541b顺序地经由加湿区段气体导流板52的排放气体通孔524、端板51的排放气体出口513、排放气体导出端24而将该排放气体予以排放。
通过上述的结构设计，当经过温度调节区段4进行温度调节功能后的气体，在进入该湿度调节区段5的同时，由燃料电池组所排放出富含水气的排放气体亦同时经由一独立的槽道，而使该气体经由该湿气交换区段53而吸收到该排放气体中的水气，而达到湿度调节的功能。
上述的本发明实施例中，温度调节区段及湿度调节区段中皆以基本单元作一说明。在实际的产品化应用时，可依据实际所需而采用复层单元叠置的架构。
例如，图9所示的剖视图显示以单一个基本单元来构成温度调节区段的剖视图。图10所示的剖视图显示以复层单元来构成温度调节区段的剖视图，在此一复层式温度调节区段的结构中，其在端板41与中央隔板6之间顺序地叠置第一个加热区段气体导流板42、第一个加热区段隔板43、第一个冷却液导流板44、第二个加热区段隔板43a、第二个加热区段气体导流板42a、第三个加热区段隔板43b、以及第二个冷却液导流板44a。各个相关构件间的空气通道及冷却液通道设计类似于如图8所示温度调节区段对应构件的结构。
图11所示的剖视图显示以单一个基本单元来构成本发明湿度调节区段的剖视图。图12所示的剖视图显示以复层单元来构成本发明湿度调节区段的剖视图。在此一复层式湿度调节区段的结构中，其在端板51与中央隔板6之间顺序地叠置第一个加湿区段气体导流板52、第一个湿气交换区段53、第一个排放气体导流板54、第二个湿气交换区段53a、第二个加湿区段气体导流板52a、第三个湿气交换区段53b、第二个排放气体导流板54a。各个相关构件间的空气通道及排放气体通道设计类似于如图8所示湿度调节区段对应构件的结构。

Claims (13)

1.一种燃料电池组的反应气体温度及湿度调节装置，用以将一待调节的气体经过温度及湿度调节之后，而供应至一燃料电池组中，其特征是，该反应气体调节装置包括有：
一温度调节区段，其包括有：
一加热区段气体导流板，其具有一气体导流槽道，该气体导流槽道具有第一端及第二端，待调节的气体由该气体导流槽道的第一端流入，经由该气体导流槽道导流至该加热区段气体导流板的第二端；
一冷却液导流板，其具有一冷却液导流槽道，该冷却液导流槽道具有第一端及第二端，冷却液由该冷却液导流槽道的第一端流入，经由该冷却液导流槽道导流至该冷却液导流板的第二端；
一加热区段隔板，夹置于该加热区段气体导流板与冷却液导流板之间；
其中该待调节的反应气体在通过加热区段气体导流板的气体导流槽道时，该冷却液亦同时通过该冷却液导流板的冷却液导流槽道，使该反应气体受到该冷却液的加热；
一中央隔板，置于该温度调节区段与一湿度调节区段之间，用以隔离该温度调节区段与该湿度调节区段，并将经过温度调节区段加热后的气体通过一气体通孔送入湿度调节区段；
所述湿度调节区段，其包括有：
一加湿区段气体导流板，其具有一气体导流槽道，该气体导流槽道具有第一端及第二端，经过该温度调节区段加热后的气体在通过该中央隔板的气体通孔后，由该加湿区段气体导流板的气体导流槽道的第一端流入，经由该气体导流槽道导流至第二端；
一排放气体导流板，其具有一排放气体导流槽道，该排放气体导流槽道具有第一端及第二端，富含水气的排放气体由该排放气体导流槽道的第一端流入，经由该排放气体导流槽道导流至该排放气体导流板的第二端；
一湿气交换区段，为一具有透水的材料制成，其夹置于该加湿区段气体导流板与排放气体导流板之间；
其中经过该温度调节区段加热后的气体在通过该中央隔板的气体通孔，再通过该湿度调节区段的加湿区段气体导流板的气体导流槽道时，该排放气体亦同时通过该排放气体导流板的排放气体导流槽道，且该反应气体经由该湿气交换区段而吸收该排放气体中富含的水气，而使得该加湿区段气体导流板的第二端所送出的气体受到加湿。
2.如权利要求1所述的燃料电池组的反应气体温度及湿度调节装置，其特征是，该温度调节区段中的加热区段隔板为导热材料。
3.如权利要求1所述的燃料电池组的反应气体温度及湿度调节装置，其特征是，该湿度调节区段中的湿气交换区段包括有一透水的湿气交换膜、以及分别形成该湿气交换膜两侧面的气体扩散层。
4.如权利要求1所述的燃料电池组的反应气体温度及湿度调节装置，其特征是，该加热区段气体导流板的气体导流槽道、加湿区段气体导流板的气体导流槽道、冷却液导流板的冷却液导流槽道、排放气体导流板的排放气体导流槽道，皆呈U形槽道的结构。
5.如权利要求4所述的燃料电池组的反应气体温度及湿度调节装置，其特征是，该U形槽道包括有由复数条彼此平行延伸的槽道，各个平行延伸的槽道之间形成凸肋。
6.如权利要求1所述的燃料电池组的反应气体温度及湿度调节装置，其特征是，该待调节的气体是由一鼓风装置所供应。
7.如权利要求1所述的燃料电池组的反应气体温度及湿度调节装置，其特征是，该温度调节区段中的冷却液导流板的冷却液导流槽道的第一端连通于燃料电池组的冷却液出口，而该冷却液导流槽道的第二端连通于燃料电池组的冷却液入口。
8.如权利要求1所述的燃料电池组的反应气体温度及湿度调节装置，其特征是，该湿度调节区段中的排放气体导流板的排放气体导流槽道的第一端连通于燃料电池组的气体出口。
9.一种燃料电池组的反应气体湿度调节装置，用以将一待调节的气体经过湿度调节之后，而供应至一燃料电池组中，其特征是，该反应气体调节装置包括有：
一加湿区段气体导流板，其具有一气体导流槽道，该气体导流槽道呈U形槽道的结构，具有第一端及第二端，待调节的气体由该加湿区段气体导流板的气体导流槽道的第一端流入，经由该气体导流槽道导流至第二端；
一排放气体导流板，其具有一排放气体导流槽道，该排放气体导流槽道呈U形槽道的结构，具有第一端及第二端，富含水气的排放气体由该排放气体导流槽道的第一端流入，经由该排放气体导流槽道导流至该排放气体导流板的第二端；
一湿气交换区段，包括有一透水的湿气交换膜，该湿气交换区段夹置于该加湿区段气体导流板与排放气体导流板之间；
其中该待调节的气体在通过该加湿区段气体导流板的气体导流槽道时，该排放气体亦同时通过该排放气体导流板的排放气体导流槽道，且该反应气体经由该湿气交换区段而吸收该排放气体中富含的水气，而使得该加湿区段气体导流板的第二端所送出的气体受到加湿。
10.如权利要求9所述的燃料电池组的反应气体湿度调节装置，其特征是，该湿气交换区段包括有分别形成该湿气交换膜两侧面的气体扩散层。
11.如权利要求9所述的燃料电池组的反应气体湿度调节装置，其特征是，该U形槽道包括有由复数条彼此平行延伸的槽道，各个平行延伸的槽道之间形成凸肋。
12.如权利要求9所述的燃料电池组的反应气体湿度调节装置，其特征是，该待调节的气体是由一鼓风装置所供应。
13.如权利要求9所述的燃料电池组的反应气体湿度调节装置，其特征是，该排放气体导流板的排放气体导流槽道的第一端连通于燃料电池组的气体出口。
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