CN101510619A - 带多孔板增湿器的负压增湿车载燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电池系统领域，具体涉及一种带多孔板增湿器的负压增湿车载燃料电池系统。带多孔板增湿器的负压增湿车载燃料电池系统，它包括空气压缩机、增湿器、燃料电池电堆；其特征在于：增湿器为多孔板增湿器；多孔板增湿器的空气出口与空气压缩机的空气进口相连，空气压缩机的空气出口与燃料电池电堆的空气进口相连，燃料电池电堆的尾气出口与多孔板增湿器的尾气进口相连。与现有技术相比，本发明的多孔板增湿器有效的提高了增湿器的增湿效率，降低了增湿器的成本，减小了增湿器的体积，将50kW燃料电池的增湿器体积从10L降低到2L，提高了增湿器的稳定性和寿命。而且含有该多孔板增湿器的燃料电池系统由于提高了增湿器的增湿效率和稳定性，从而提高了燃料电池运行的稳定性。

Description

带多孔板增湿器的负压增湿车载燃料电池系统

技术领域

本发明属于电池系统领域，具体涉及一种带多孔板增湿器的负压增湿车载燃料电池系统。

背景技术

能源短缺与环境污染是制约和影响传统汽车工业发展的两大技术难题。燃料电池以其高效、零污染的特点为解决世界能源危机和环保问题提供了途径。近几年，世界的各大汽车公司和燃料电池汽车的研究工作进展迅速，燃料电池汽车已进入试用阶段。

燃料电池是一种不经过燃烧直接通过电化学反应将燃料(氢气)的化学能转变为电能的发电装置。装置的内部核心部件是膜电极(简称MEA)，膜电极(MEA)是由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料组成。常用质子交换膜的质子传导能力与水含量成正比，为保证燃料电池的导电性能，燃料电池都附有增湿器以保证质子交换膜的含水量。目前车载燃料电池增湿的方法主要采用膜增湿法。膜增湿器系统的结构如图5，主要是利用电池尾气对电池的氧化剂(或还原气)进行增湿，潮湿的尾气通过膜的一侧，然后在浓度差的作用下扩散到膜的另一侧，最后流通至电堆中。膜增湿法使用增湿器结构如图6，膜增湿器中增湿膜一般使用Nafion膜。膜增湿器增湿效率主要取决于膜的渗水特性，由于现有膜渗水特性的限制，如需增加膜增湿器渗水量，一般需增加膜的使用量来增加膜的渗水面积。

随着燃料电池汽车对燃料电池功率要求的提高，燃料电池对增湿器以及增湿器系统的要求越来越高。膜增湿器为了满足燃料电池功率的要求，需要增加增湿器中的膜面积：而膜面积的增加会导致燃料电池体积的增加。膜增湿器在使用Nafion膜过程中，还发现了密封问题和承压问题。由于在使用过程中Nafion膜需与水接触，在水的作用下Nafion膜会发生溶胀而与密封处脱离而发生渗漏。Nafion膜属于有机膜，有机材料易于变形，承载压力能力小，使用过程中容易由于气体压力作用而发生破裂。因此，Nafion膜增湿器在燃料电池汽车的使用上受到很大的限制。同时，现有的增湿器系统主要是在浓度差的作用下扩散到膜的另一侧，所以对增湿器气体压强有一定要求。但是常用的膜增湿器系统中增湿器中需要增湿的空气的压强一般大于电堆尾气的压强，这样限制了扩散作用下增湿的增湿速率，从而会导致增湿的效果并不是很理想；进一步影响了燃料电池运行的稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种带多孔板增湿器的负压增湿车载燃料电池系统，该系统具有增湿效果好的特点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：带多孔板增湿器的负压增湿车载燃料电池系统，它包括空气压缩机1、增湿器、燃料电池电堆3；其特征在于：增湿器为多孔板增湿器2；多孔板增湿器2的空气出口12与空气压缩机1的空气进口相连，空气压缩机1的空气出口与燃料电池电堆3的空气进口相连，燃料电池电堆3的尾气出口与多孔板增湿器2的尾气进口4相连。

所述的多孔板增湿器2包括第一固定板6、多孔板9、上夹板10、下夹板14、第二固定板15、第三固定板16、第四固定板17；多孔板9的上端面沿竖向设有2-50个竖向导流槽7a；多孔板9的下端面沿横向设有2-50个横向导流槽7b，横向导流槽7b与竖向导流槽7a相互垂直布置；

10—100片多孔板9相互叠在一起，且采用上一多孔板设有横向导流槽的一面与下一多孔板设有横向导流槽的一面相接触，上一多孔板上的横向导流槽与下一多孔板上的横向导流槽的位置相对应构成尾气导流通道19，下一多孔板设有竖向导流槽的一面与再下一多孔板设有竖向导流槽的一面相接触，下一多孔板上的竖向导流槽与再下一多孔板设上的竖向导流槽的位置相对应构成空气导流通道7；上夹板10位于最上的多孔板的上端面，下夹板14位于最下的多孔板的下端面，上夹板10与下夹板14由连杆固定连接；

上夹板10与下夹板14的四个侧面分别对应与第一固定板6、第二固定板15、第三固定板16、第四固定板17固定密封连接，第一固定板6、第二固定板15、第三固定板16、第四固定板17相互相邻处密封；第一固定板6上开有空气进口5，空气进口5与空气导流通道7的一端相连通，第二固定板15上开有空气出口12，空气出口12与空气导流通道7的另一端相连通，第三固定板16上开有尾气进口4，尾气进口4与尾气导流通道19的一端相连通，第四固定板17上开有尾气出口13，尾气出口13与尾气导流通道19的另一端相连通。

多孔板9的上端面的右边端部沿竖向设有右密封槽8，多孔板9的上端面的左边端部沿竖向设有左密封槽20，所有横向导流槽7a均位于右密封槽8与左密封槽20之间；多孔板9的下端面的前边端部沿横向设有前密封槽21，多孔板9的下端面的后边端部沿横向设有后密封槽22，所有的横向导流槽7b均位于前密封槽21与后密封槽22之间；上一多孔板上的前密封槽21与下一多孔板上的前密封槽21的位置相对应构成前密封孔，前密封孔内设有密封条；上一多孔板上的后密封槽22与下一多孔板上的后密封槽22的位置相对应构成后密封孔，后密封孔内设有密封条；下一多孔板上的右密封槽8与再下一多孔板上的右密封槽8的位置相对应构成右密封孔，右密封孔内设有密封条；下一多孔板上的左密封槽20与再下一多孔板上的左密封槽20的位置相对应构成左密封孔，左密封孔内设有密封条18。

本发明的有益效果是：

1、本发明将空气压缩机1、燃料电池电堆3都直接与多孔板增湿器2相连。其中多孔板增湿器2的空气出口12与空气压缩机1的空气进口相连，空气压缩机1的空气出口与燃料电池电堆3的空气进口相连，燃料电池电堆3的尾气出口与多孔板增湿器2的尾气进口4相连。这样的设置方式是利用一般空气压缩机1将吸入的空气压缩前会使得空气处于一定的负压状态(空气压力小于大气压)的特征和实现水源的有效回收。当空气压缩机启动时，由于空气压缩机的负压作用，空气会从多孔板增湿器2的空气进口5进入，然后从多孔板增湿器2的空气出口12流出。来自燃料电池电堆3的尾气(含水气体)从多孔板增湿器2的尾气进口4进入多孔板的尾气导流通道，从多孔板增湿器2的尾气出口13流出。在空气压缩机1的作用下进入多孔板增湿器2的空气压强会小于大气压，而含有大量水分的燃料电池电堆3的尾气，在重新进入到多孔板增湿器2中后，压力大于大气压；此时，由于燃料电池电堆3的尾气的压力比空气大气压大，加湿段需加湿的气体压力小于空气大气压，气体之间的压力在多孔板之间就会出现压力差，在压力差的作用下燃料电池电堆3的尾气中的水分容易渗透到压力比较小的空气中，多孔板增湿器2的加湿段就形成了一段负压增湿段；在压力作用下，多孔板加湿器里的空气和燃料电池电堆3的尾气会通过多孔板进行水分的扩散，有效的对进入增湿器的空气进行加湿，从而提高增湿的效果，进而提高了燃料电池运行的稳定性。而且由于多孔板具有良好的导热性能，在吸附作用和压力作用下吸附在多孔板表面的水由于温度的升高，能加快扩散到需要增湿空气中。在多孔板增湿器2里经过加湿的加湿空气经压缩器压缩后，就能达到燃料电池电堆中质子交换膜对水分含量的要求。增湿后的空气在燃料电池电堆的反应又能产生大量的水分，这些水分的一部分会被尾气带走，这些带有大量水蒸气的电堆空气尾气会从燃料电池电堆的尾气出口排出后，重新通过多孔板增湿器对需加湿的空气进行加湿。

2、燃料电池电堆3的尾气出口与多孔板增湿器2的尾气进口4相连，燃料电池电堆的尾气作为增湿气体进入多孔板增湿器2中由导流槽形成的尾气导流通道；多孔板增湿器2的空气出口12与空气压缩机1的空气进口相连，空气压缩机1的空气出口与燃料电池电堆3的空气进口相连。多孔板9由于毛细作用，会将尾气中的水分吸附在多孔板的微孔中；吸附水在浓差和压力差的作用下，会扩散到需要加湿的空气中对其加湿。同时由于燃料电池电堆3的尾气含有大量在反应过程中生成的热量，燃料电池电堆3的尾气温度会明显的高于需加湿空气温度。多孔板9由具有良好的导热性能的多孔石墨板或多孔金属板构成，使得燃料电池电堆3的尾气中的水蒸气会由于空气的冷却作用而凝结成水，进而提高燃料电池电堆3的尾气中水的利用率；同时，多孔板9良好的导热性能使得进入燃料电池的反应空气的温度得到上升；空气温度的上升有利于多孔板9孔径中吸附水的扩散。因此，本发明的多孔板增湿器2可增加对燃料电池电堆3的尾气的利用率和吸附速度，从而提高增湿的效果，进而提高燃料电池运行的稳定性。

3、由于本发明的多孔板增湿器是由多孔石墨板或多孔金属板等材料构成，多孔石墨板或多孔金属板都具有一定强度，克服了现有的膜增湿器中的膜容易变形，破裂的问题，从而更适合用于燃料电池汽车中。

4、本发明的多孔板增湿器采用将多孔板9多层堆积和开通导流槽的方式，这增加了整个多孔板与燃料电池电堆3的尾气之间的接触面积，有利于对燃料电池电堆3的尾气中水分的吸收和热量的传递。导流槽也可有效限制尾气的流速，增加了多孔板和燃料电池电堆3的尾气之间接触时间，有效提高增湿器的工作效率。

5、本发明的多孔板9的竖向导流槽7a、横向导流槽7b的槽面优选进行粗糙化，这样可以使所述多孔板的导流槽更加亲水，从而有利于将空气尾气中的水分吸附在多孔板的导流槽中，从而进一步的提高电堆尾气的利用率。

6、本发明的多孔板增湿器利用多孔板毛细作用吸水的高效性，缩小增湿器体积，将50KW燃料电池的增湿器体积从10L降低到2L；利用多孔板良好的导热性，有效回收利用反应过程中产生的热量，加快了多孔板吸附水的扩散速度；利用多孔板定型材料的性质，有效增加增湿器密封的可靠性；利用压缩机能使得增湿器产生负压的特性，有效利用压力差提升增湿器水的渗透和扩散速率。

试验证明，本发明的多孔板增湿器可以有效的提高增湿器的增湿效率(增湿效果好)，降低增湿器的成本，减小增湿器的体积，提高增湿器的稳定性和寿命。而且，含有该多孔板增湿器的燃料电池系统由于提高了增湿器的增湿效率和稳定性，从而提高了燃料电池运行的稳定性，让燃料电池作为车载电源具有更大的操作性和安全性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的多孔板增湿器的结构示意图；

图3为本发明的多孔板增湿器中的多孔板的结构示意图；

图4为图3的反面示意图；

图5为现有的燃料电池增湿系统简图；

图6为现有的增湿器示意图；

图中：1-空气压缩机，2-多孔板增湿器，3-燃料电池电堆，4-尾气进口，5-空气进口，6-第一固定板，7-空气导流通道，8-右密封槽，9-多孔板，10-上夹板，11a-竖向凸肋，11b-横向凸肋，12-空气出口，13-尾气出口，14-下夹板，15-第二固定板，16-第三固定板，17-第四固定板，18-密封条，19-尾气导流通道，20-左密封槽，21-前密封槽，22-后密封槽；7a-竖向导流槽，7b-横向导流槽。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但下面实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

如图1所示，带多孔板增湿器的负压增湿车载燃料电池系统，它包括空气压缩机1、多孔板增湿器2、燃料电池电堆3；多孔板增湿器2的空气出口12与空气压缩机1的空气进口相连，空气压缩机1的空气出口与燃料电池电堆3的空气进口相连，燃料电池电堆3的尾气出口与多孔板增湿器2的尾气进口4相连。

如图2、图3所示，所述的多孔板增湿器2包括第一固定板6、多孔板9、上夹板10、下夹板14、第二固定板15、第三固定板16、第四固定板17；多孔板9的上端面沿竖向设有2-50个竖向导流槽7a(竖向导流槽之间为竖向凸肋11a)；多孔板9的上端面的右边端部沿竖向设有右密封槽8(图3顺时针旋转30°后，图3中的右为右边，左为左边；纸里为后，面向观者为前；竖向指沿前后方向，横向指沿左右方向)，多孔板9的上端面的左边端部沿竖向设有左密封槽20，所有横向导流槽7a均位于右密封槽8与左密封槽20之间；多孔板9的下端面沿横向设有2-50个横向导流槽7b(横向导流槽7b与竖向导流槽7a的个数最好是相同)，横向导流槽7b与竖向导流槽7a相互垂直布置；多孔板9的下端面的前边端部沿横向设有前密封槽21，多孔板9的下端面的后边端部沿横向设有后密封槽22，所有的横向导流槽7b均位于前密封槽21与后密封槽22之间；

10—100片多孔板9相互叠在一起(本实施例的图2中是采用12片，也可采用10片，或100片，根据需要确定)，且采用上一多孔板设有横向导流槽的一面与下一多孔板设有横向导流槽的一面相接触，上一多孔板上的横向导流槽与下一多孔板上的横向导流槽的位置相对应构成尾气导流通道19(上一多孔板上的横向导流槽与下一多孔板上横向导流槽合成尾气导流通道19)，下一多孔板设有竖向导流槽的一面与再下一多孔板设有竖向导流槽的一面相接触，下一多孔板上的竖向导流槽与再下一多孔板设上的竖向导流槽的位置相对应构成空气导流通道7(下一多孔板上的竖向导流槽与再下一多孔板设上的竖向导流槽合成空气导流通道7)；上一多孔板上的前密封槽21与下一多孔板上的前密封槽21的位置相对应构成前密封孔，前密封孔内设有密封条；上一多孔板上的后密封槽22与下一多孔板上的后密封槽22的位置相对应构成后密封孔，后密封孔内设有密封条；下一多孔板上的右密封槽8与再下一多孔板上的右密封槽8的位置相对应构成右密封孔，右密封孔内设有密封条；下一多孔板上的左密封槽20与再下一多孔板上的左密封槽20的位置相对应构成左密封孔，左密封孔内设有密封条18；

上夹板10位于最上的多孔板的上端面，下夹板14位于最下的多孔板的下端面，上夹板10与下夹板14由连杆固定连接[固定连方式可以采用：1、上夹板10、多孔板9、下夹板14上均开有连杆孔，连杆穿过连杆孔后上下端均旋上螺母紧固(也可采用焊接)；2、上夹板10、下夹板14均凸出多孔板9，上夹板10、下夹板14的凸出边由连杆固定连接；3、多孔板9的四边设连杆凹槽，连杆位于连杆凹槽内，上夹板10、下夹板14由连杆固定连接(螺母紧固或采用焊接)；等等多种固定连方式]；

上夹板10与下夹板14的四个侧面分别对应与第一固定板6、第二固定板15、第三固定板16、第四固定板17固定密封连接(螺杆连接或焊接)，第一固定板6、第二固定板15、第三固定板16、第四固定板17相互相邻处密封(如焊接)；第一固定板6上开有空气进口5，空气进口5与空气导流通道7的一端相连通，第二固定板15上开有空气出口12，空气出口12与空气导流通道7的另一端相连通，第三固定板16上开有尾气进口4，尾气进口4与尾气导流通道19的一端相连通，第四固定板17上开有尾气出口13，尾气出口13与尾气导流通道19的另一端相连通。

所述的多孔板9优选多孔石墨板或多孔金属板。所述的多孔板9的孔隙率优选为1％—50％(根据需要确定)。所述的多孔板9的竖向导流槽7a、横向导流槽7b的槽面为粗糙面。

Claims (6)

1.带多孔板增湿器的负压增湿车载燃料电池系统，它包括空气压缩机(1)、增湿器、燃料电池电堆(3)；其特征在于：增湿器为多孔板增湿器(2)；多孔板增湿器(2)的空气出口(12)与空气压缩机(1)的空气进口相连，空气压缩机(1)的空气出口与燃料电池电堆(3)的空气进口相连，燃料电池电堆(3)的尾气出口与多孔板增湿器(2)的尾气进口(4)相连。

2.根据权利要求1所述的带多孔板增湿器的负压增湿车载燃料电池系统，其特征在于：所述的多孔板增湿器(2)包括第一固定板(6)、多孔板(9)、上夹板(10)、下夹板(14)、第二固定板(15)、第二固定板(16)、第四固定板(17)；多孔板(9)的上端面沿竖向设有2-50个竖向导流槽(7a)；多孔板(9)的下端面沿横向设有2-50个横向导流槽(7b)，横向导流槽(7b)与竖向导流槽(7a)相互垂直布置；

10—100片多孔板(9)相互叠在一起，且采用上一多孔板设有横向导流槽的一面与下一多孔板设有横向导流槽的一面相接触，上一多孔板上的横向导流槽与下一多孔板上的横向导流槽的位置相对应构成尾气导流通道(19)，下一多孔板设有竖向导流槽的一面与再下一多孔板设有竖向导流槽的一面相接触，下一多孔板上的竖向导流槽与再下一多孔板设上的竖向导流槽的位置相对应构成空气导流通道(7)；上夹板(10)位于最上的多孔板的上端面，下夹板(14)位于最下的多孔板的下端面，上夹板(10)与下夹板(14)由连杆固定连接；

上夹板(10)与下夹板(14)的四个侧面分别对应与第一固定板(6)、第二固定板(15)、第三固定板(16)、第四固定板(17)固定密封连接，第一固定板(6)、第二固定板(15)、第三固定板(16)、第四固定板(17)相互相邻处密封；第一固定板(6)上开有空气进口(5)，空气进口(5)与空气导流通道(7)的一端相连通，第二固定板(15)上开有空气出口(12)，空气出口(12)与空气导流通道(7)的另一端相连通，第三固定板(16)上开有尾气进口(4)，尾气进口(4)与尾气导流通道(19)的一端相连通，第四固定板(17)上开有尾气出口(13)，尾气出口(13)与尾气导流通道(19)的另一端相连通。

3.根据权利要求2所述的带多孔板增湿器的负压增湿车载燃料电池系统，其特征在于：多孔板(9)的上端面的右边端部沿竖向设有右密封槽(8)，多孔板(9)的上端面的左边端部沿竖向设有左密封槽(20)，所有横向导流槽(7a)均位于右密封槽(8)与左密封槽(20)之间；多孔板(9)的下端面的前边端部沿横向设有前密封槽(21)，多孔板(9)的下端面的后边端部沿横向设有后密封槽(22)，所有的横向导流槽(7b)均位于前密封槽(21)与后密封槽(22)之间；上一多孔板上的前密封槽(21)与下一多孔板上的前密封槽(21)的位置相对应构成前密封孔，前密封孔内设有密封条；上一多孔板上的后密封槽(22)与下一多孔板上的后密封槽(22)的位置相对应构成后密封孔，后密封孔内设有密封条；下一多孔板上的右密封槽(8)与再下一多孔板上的右密封槽(8)的位置相对应构成右密封孔，右密封孔内设有密封条；下一多孔板上的左密封槽(20)与再下一多孔板上的左密封槽(20)的位置相对应构成左密封孔，左密封孔内设有密封条(18)。

4.根据权利要求2所述的带多孔板增湿器的负压增湿车载燃料电池系统，其特征在于：所述的多孔板(9)为多孔石墨板或多孔金属板。

5.根据权利要求2所述的带多孔板增湿器的负压增湿车载燃料电池系统，其特征在于：所述的多孔板(9)的孔隙率为1％—50％。

6.根据权利要求2所述的带多孔板增湿器的负压增湿车载燃料电池系统，其特征在于：所述的多孔板(9)的竖向导流槽(7a)、横向导流槽(7b)的槽面为粗糙面。

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