CN101071878A - 燃料电池的外部气体加湿装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种燃料电池的外部气体加湿装置，是通过由回收利用燃料电池所产生的高温废热，并将此废热回收转移给反应气体(氢气或空气)，再经由气体加湿装置的处理，可在短时间内使气体有效的提升其含湿量，当被加湿后的气体进入燃料电池内，可使高分子薄膜获得良好的加湿效果，通过此提升燃料电池的发电效率及使用寿命。

Description

燃料电池的外部气体加湿装置

技术领域

本发明是有关于一种气体加湿装置，应用于质子交换膜型燃料电池，特别是一种回收利用燃料电池所产生高温废热，再通过由气体加湿装置的处理，可使反应气体在短时间内提升其含湿量的燃料电池的外部气体加湿装置。

背景技术

质子交换膜型燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells，PEMFCs)是一种通过由电化学反应，直接利用氢气(H₂)与氧气(O₂)产生电力的装置，由于操作温度低、启动快、能量密度高、污染低，并且应用的范围广泛，故成为世界各国相继研发与推广的技术。

典型质子交换膜型燃料电池(PEMFC)主要的构成组件包括质子膜交换膜(Proton Exchange Membrane，简称PEM)、触媒层(Catalyst Layer)、气体扩散层(Gas Diffusion Layer，简称GDL)及双极板(Bipolar Plate)等。质子膜交换膜(PEM)它是一种固态的高分子薄膜(如DuPont的Nafion膜、Asahi Chemical的Aciplex膜、Ballard的BAM膜及Gore的Gore Select膜)，它在PEMFC电池中主要功用为隔绝阴极、阳极两种反应气体分子，同时也隔离电子，它仅容许水分子(H₂O)及氢离子(H⁺)传导，所以此种高分子薄膜它是一种不透气薄膜，只能导氢离子(H⁺)但不导电子。当氢离子(H⁺)在此高分子薄膜中进行传导时，它必须通过由水分子的携带才能完成，所以高分子薄膜的含湿量越高，氢离子(H⁺)的传导性就越佳。因此，如何提升高分子薄膜的含湿量，以获得较佳的氢离子导电效率，此乃维持质子交换膜型燃料电池(PEMFC)良好性能的必要条件。

燃料电池对于反应气体的加湿方法与设计，一般可分成内部加湿及外部加湿两种方式，各有各的优缺点。以外部加湿方式而言，它需要在燃料电池的外部添加一加湿器，此方式除了占用空间外，也需要额外的电力供应加湿器内的加热器(Heater)，以提高反应气体的温度及湿度，这是该技术主要的缺点。但它也有许多优点：(1)可提供稳定的加湿量(2)可控制及调整加湿量(3)可处理较大量的气体加湿(4)容易进行维修及保养工作。而内部加湿方式，它主要是在燃料电池的内部进行一些加湿机构的设计，此方式主要优点：(1)体积小、不占用空间(2)不用额外设置加湿器及加热器，故可节省成本(3)可直接回收利用燃料电池本身产生的废热或水。但它也有许多缺点：(1)加湿机构的管道设计及与电池的连接多相当复杂(2)加湿量不易控制及调整(3)当负载大时，气体加湿往往不易达到饱和状态(4)不易进行维修及保养工作。

有关燃料电池系统的反应气体加湿设计的专利，近几年来也陆续被提出与改进，前案如美国专利公告第5,482,680、5,527,363号专利，主要是在燃料电池堆(Cell Stack)中特别加上一加湿段，缺点是大幅增加电池堆的体积与重量，另外电池堆内部的燃料、氧化剂与水的流道设计多相当复杂。美国专利公告第6,406,807号专利是在碳板上气体流道间的肋埂(Rid、Land)处设计喷水孔，可直接对PEM膜加水；美国专利公告第6,403,249号专利是在电池组中加上一薄膜式加湿段，可直接对反应气体进行加湿。美国专利公告第6,207,312号专利是采用封闭式流道(Interdigitated flow field)与碳板上设计薄膜式加湿区，此为自润湿设计。美国专利公告第6,066,408号专利是在气体流道中加入一吸水蕊(Wick)，并设计加水孔以补充吸水蕊的含水量。美国专利公告第5,998,054号专利是在碳板上对每一气体流道的前端进行喷水加湿的设计。美国专利公告第5,952,119号专利是在气体扩散层(碳布)上缝制固定间隔的亲水性细线，外加补充水通过由此细线将水分布在PEM膜上。而美国专利公告第5,965,288号专利是采用一外部透水膜加湿器对反应气体进行加湿。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种燃料电池的外部气体加湿装置，可使反应气体在短时间内提升其含湿量，并使高分子薄膜获得良好的加湿效果，通过此提升燃料电池(PEMFC)的发电效率及使用寿命。

根据本发明所揭露的燃料电池的外部气体加湿装置，是包含有筒体、预热蛇管、气体分散器，通过由气体分散器隔开存于筒体内的液体，而预热蛇管的蛇管段则浸于液体内，出口端位于气体分散器所隔开的气体腔室内，使反应气体进入预热蛇管内，经过蛇管段与液体进行热交换，并由气体腔室透过气体分散器而以微小气泡的状态进入液体内，提升反应气体的温度及湿度。同时，配合回收利用燃料电池所产生的高温废热，将此废热透过筒体内的液体转移给反应气体，节省加热液体所需的能源损耗，且反应气体产生大量的微小气泡，可大幅度增加气体与水的接触面积与接触的停留时间(Retention Time)，如此可提升反应气体的加湿效果。

另一方面，可于筒体的出口前利用含有鳍片设计的气体档板，可降低气体的露点温度(Dew point)，使过度饱和的水气分子聚集而凝结下来，这样可防止燃料电池产生淹水现象(Flooding)。

有关本发明的详细内容及技术，兹就配合图式说明如下：

附图说明

图1是为本发明燃料电池的外部气体加湿装置的示意图。

【主要组件符号说明】

1    外部气体加湿装置

10        筒体

11        容置空间

111       液态水源入口

112       出口

12        液体

20        预热蛇管

21        入口端

22        出口端

23        蛇管段

30        气体分散器

31        气体腔室

40        热交换器

41        废气入口

42        废气出口

43        热交换管

50        气体档板

51        鳍片

61、62    热电偶温度计

70        液位控制器

具体实施方式

根据本发明所揭露的燃料电池的外部气体加湿装置，请参阅图1，是应用于燃料电池(图中未示)的反应气体的加湿，其反应气体可为氢气(H2)或空气(air)等气体的加温及加湿。燃料电池主要的构成组件包括质子膜交换膜(Proton Exchange Membrane，简称PEM)、触媒层(Catalyst Layer)、气体扩散层(Gas Diffusion Layer，简称GDL)及双极板(Bipolar Plate)等。当PEMFC电池运转操作时，在阳极(Anode)是进行氢气(H2)的氧化反应，在阴极(Cathode)则是进行氧气(O₂)的还原反应。首先反应气体是经触媒的催化作用，使氢气(H2)分解成氢离子(H⁺)与电子(e^-)(H₂→2H⁺+2e^-)，电子(e^-)自阳极流出至电池外部电路，经负载(Load)作功后流入阴极。同时氢离子(H⁺)也透过质子膜交换膜(PEM)由阳极到达阴极，并氧分子(O₂)及电子(e^-)结合产生水(H₂O)及热(Heat)(1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O+Heat)。氢离子(H⁺)在阳极产生时，由于电池内部存在的电位降，此氢离子会不断地向阴极传导移动。当氢离子(H⁺)因传导而移动时，它必须要伴随数个水分子才能进行传导(即以水合离子形态H⁺(H₂O)_n移动)。因此电池运转操作时水分子会不断地向阴极移动，此时若不能适时的补充水分，将导致PEM膜过度干燥，而降低氢离子(H⁺)的传导能力，这将使PEMFC电池的发电性能大幅下降。

如图1所示，外部气体加湿装置1包含有筒体10、预热蛇管20、气体分散器30、热交换器40与气体档板50。筒体10如图中所绘示，是为直立式管状的水槽结构，内部具有一容置空间11，用来储存加湿用的液体12，此容置空间11的外侧可具有一层绝热层防止液体12温度外泄，当然也可连接有液位控制器70与热电偶温度计61、62。其中液位控制器70主要用来控制及调节液体12的容量，使其液体12的水位维持在某一高度(原则上以能够涵盖预热蛇管20的蛇管段23为佳)，而热电偶温度计61、62主要用来控制及指示液体12的温度，顶端具有出口112以及液态水源入口111，通过由液态水源入口111可以补充液体12的水量。

预热蛇管20具有入口端21、出口端22以及位于中间部分的蛇管段23，通过由蛇管段23蜿蜒盘绕的设计，浸于液体12内，而可增加与液体12的接触面积，进而增加热交换的效果。而气体分散器30设置于筒体10接近底部，而将容置空间11的液体12隔开而形成气体腔室31，预热蛇管20的出口端22则为于气体腔室31内。气体分散器30是为平板式的多孔材料结构，其孔径非常小约在0.1mm以下，可为发泡金属、多孔金属氧化物、多孔碳材等材料。气体档板50是为至少一片的板体组成，其上分别具有复数个鳍片51，并具有向下倾斜的角度。

首先当反应气体(氢气(H₂)或空气(air))进入经由入口端21进入外部气体加湿装置1，经过预热蛇管20的蛇管段23，此时，因预热蛇管20的蛇管段23是完全沉没于液体12中，因此反应气体会经由蛇管段23与液体12进行热交换而使反应气体提升其温度。而液体12的热源可以通过由燃料电池反应后所产生的高热废气提供，通过由废气入口41导引进入热交换器40，而进入热交换器40的热交换管43，而与液体12进行热交换，提高液体12的温度，而后由废气出口42离开，此热交换管43可以为板状、蛇管等任意型态。

接着，反应气体通过蛇管段23而由出口端22进入气体腔体31(GasChamber)，因气体分散器是多孔材料结构，所以反应气体经过时可产生大量的微小气泡而进入液体12中，当此微小气泡与液体12接触时，它可大幅度增加反应气体与液体12的接触面积及反应气体在液体12中的停留时间(Retention Time)，如此可使反应气体获得充分且有效的加湿效果，很容易使反应气体达到完全饱和的状态。当反应气体被水充分加湿后要由出口112离开筒体10之前，会经过气体档板50的阻挡，因为此气体档板50的表面有许多鳍片51，这些鳍片51主要用来降低反应气体的露点温度(Dew Point)，并使反应气体中的水气分子聚集而凝结下来，如此可防止过饱和的反应气体进入燃料电池内，因为过饱和的气体很容易凝结成液态水，而使燃料电池产生淹水现象(Flooding)，这样会使燃料电池的发电效率大幅降低。通过此，即可在短时间内使反应气体有效的提升其含湿量、温度进入燃料电池。

虽然本发明以前述的较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (8)

1.一种燃料电池的外部气体加湿装置，该燃料电池是通入一反应气体反应而产生电力，并排出一高热的废气，其特征在于该外部气体加湿装置是包含有：

一筒体，其内存有一液体，顶面具有一出口；

一预热蛇管，装设于该筒体内，具有一出口端、一入口端以及一蛇管段，该入口端供该反应气体进入，且该蛇管段浸于该液体内；及

一气体分散器，设置于该筒体底部，而将该液体隔开形成一气体腔室，使该预热蛇管的出口端设于该气体腔室，而使该反应气体，进入该气体腔室而以微小气泡的状态进入该液体，并通过由该出口输出。

2.如权利要求1所述的燃料电池的外部气体加湿装置，其特征在于，更包含有一热交换器，装设于该筒体，用以导引该废气，而与该液体进行热交换，提高该液体温度。

3.如权利要求1所述的燃料电池的外部气体加湿装置，其特征在于，更包含有一热电偶温度计，装设于该筒体，并置入该液体，可控制及指示该液体温度。

4.如权利要求1所述的燃料电池的外部气体加湿装置，其特征在于，所述该气体分散器是为多孔材料所构成。

5.如权利要求4所述的燃料电池的外部气体加湿装置，其特征在于，所述该多孔材料是选自由发泡金属、多孔金属氧化物、多孔碳材所构成的组合。

6.如权利要求1所述的燃料电池的外部气体加湿装置，其特征在于，更包含有一气体档板，设置于该筒体的出口前，用来阻挡该反应气体，使过饱和水气在此凝结下来。

7.如权利要求6所述的燃料电池的外部气体加湿装置，其特征在于，所述该气体文件板上更包含有复数个鳍片。

8.如权利要求6所述的燃料电池的外部气体加湿装置，其特征在于，所述该气体文件板是具有一向下的倾斜角度。

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