CN103915638B - 一种燃料电池用加湿器及带有该加湿器的燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池用加湿器及带有该加湿器的燃料电池堆，该加湿器由若干加湿单元和加湿膜组件叠加而成，其中所述加湿单元由干面板、加湿膜组件、湿面板依此叠加组成，两个所述加湿单元之间夹设一加湿膜组件，所述加湿膜组件和干面板、湿面板上设有三进三出口，其中干面板和湿面板上还设有进气支口和出气支口，所述燃料电池包括依次连接的前端板、加湿器、后端板、电堆和底板，所述的前端板、后端板和电堆上均设有三进三出口：总氢气进口、总空气进口、总水进口、总氢气出口、总空气出口、总水出口。与现有技术相比，本发明具有可对空气有效增湿、提高寿命、简化安装程序、提高效率及降低成本等优点。

Description

一种燃料电池用加湿器及带有该加湿器的燃料电池堆

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池用加湿器及带有该加湿器的燃料电池堆。

背景技术

燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。燃料电池通常由多个电池单元构成，每个电池单元包括两个电极(阳极和阴极)，该两个电极被电解质元件隔开，并且彼此串联地组装，形成燃料电池堆。通过给每个电极供给适当的反应物，即给一个电极供给燃料而另一个供给氧化剂，实现电化学反应，从而在电极之间形成电位差，并且因此产生电能。

质子交换膜燃料电池是燃料电池中的一种，质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于其工作温度低，启动快，能量密度高，寿命长等优点在便携式电脑、机动车电源及小型发电系统领域具有广阔的应用前景。目前质子交换膜燃料电池膜电极中所用的质子交换膜，在电池运行过程中需要有水分子存在保湿。因为只有水化的质子才可以自由地穿过质子交换膜，从电极阳极端到达电极阴极端参加电化学反应，否则，当大量干燥的燃料氢气或空气从膜电极两侧流过时，容易将质子交换膜中的水分子带跑，此时质子交换膜处于较干燥状态，质子无法穿过质子交换膜，导致电极内阻急剧增加，电池性能急剧下降。所以，向燃料电池供应的燃料氢气或空气一般来说需要经过增湿，使进入燃料电池的燃料氢气或空气相对湿度提高，以免使质子交换膜失水。

现有技术中，通常是采用物理方式对新进入的空气进行加湿，即利用交换隔膜的亲水性，使交换隔膜两面通过的干流体及含水流体的湿度、温度达到平衡。由于所述交换隔膜非常薄，当压力过大时，往往会造成交换隔膜的破损；但当压力过小时，加湿效果又不够理想且加湿装置的应用有局限性。例如，中国知识产权局于2008年1月2日公开了一种用于燃料电池的隔膜加湿器，其公开号为CN101098021，该用于燃料电池的隔膜加湿器，包括：具有至少一个形成于其中的基本上线性的流槽的基本上平坦的第一板，所述第一板的流槽适用于促进第一气体通过其流动；具有至少一个形成于其中的基本上线性的流槽的基本上平坦的第二板，所述第二板的流槽适用于促进第二气体通过其流动，其中所述第一板的流槽基本上垂直于所述第二板的流槽；设置在所述第一板和所述第二板之间的扩散介质，所述扩散介质适合于允许水蒸气通过其传输；以及设置在所述第一板和所述第二板之间的隔膜，所述隔膜适合于允许水蒸气通过其传输，其中在第一气体中的水蒸气通过所述扩散介质和所述隔膜传输到第二气体。该加湿器最小化了加湿器中的压力降，从而保证交换隔膜的使用寿命，但其加湿效果并不理想。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可对空气和/或氢气有效增湿，耐高压、提高寿命，安装方便、降低成本的燃料电池用加湿器及带有该加湿器的燃料电池堆。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池用加湿器，其特征在于，该加湿器由若干加湿单元和加湿膜组件叠加而成，其中所述加湿单元由干面板、加湿膜组件、湿面板依此叠加组成，两个所述加湿单元之间夹设一加湿膜组件，所述加湿膜组件和干面板、湿面板上设有三进三出口：燃料进口、氧化剂进口、冷却剂进口、燃料出口、氧化剂出口、冷却剂出口，其中干面板和湿面板上还设有进气支口和出气支口。

所述的干面板和湿面板中间为反应区域，所述干面板上进气支口和氧化剂进口通过连通槽连接所述反应区域，所述湿面板上出气支口和氧化剂出口通过连通槽连接所述反应区域。

所述的加湿膜组件包括交换隔膜、以及夹设在交换隔膜两侧的支撑网板，所述的交换隔膜为待增湿气体和反应后携带反应生成水的剩余气体在其两侧流过并进行温度和湿度交换的隔膜，所述的支撑网板为支撑交换隔膜并提高其强度及作为反应干湿气体通道的网状结构。

所述的支撑网板为具有网孔的泡沫透气板。

所述的支撑网板具有可根据需要设定的厚度，各路干的和湿的流体均可从所述网状结构的侧部进入，并可沿所述网状结构的平面流动。

所述的支撑网板与交换隔膜之间还垫衬有纤维膜。

一种带有所述加湿器的燃料电池堆，该燃料电池堆包括依次叠加的前端板、加湿器、电堆和后端板，所述的前端板、电堆上均设有三进三出口：燃料进口、氧化剂进口、冷却剂进口、燃料出口、氧化剂出口、冷却剂出口；其特征在于，所述的加湿器的各组加湿单元上的进气支口连通构成进气通道，出气支口连通构成出气通道，根据待增湿气体的种类，将所述增湿器的进气通道与前端板的燃料进口或者氧化剂进口连通，干气体从前端板流入加湿器后，从加湿器的进气通道分配到各组加湿单元的干面板，从各干面板的进气支口进入反应区域增湿后沿燃料进口或氧化剂进口进入电堆参与反应；在电堆中反应后的气体携带反应后生成的水返回加湿器，进入加湿器的出气通道，分配到各组加湿单元的湿面板，从各湿面板的出气支口进入反应区域与干气体交换温度湿度后沿燃料出口或氧化剂出口流出加湿器，从前端板上的燃料出口或氧化剂出口流出。

所述的加湿器设有一个，为燃料或氧化剂增湿；或者加湿器设置2个，同时为燃料和氧化剂增湿。

所述的加湿器设置2个，紧靠前端板的加湿器作为燃料加湿器，另一个作为氧化剂加湿器，燃料从前端板流入后从燃料加湿器的进气支口流入进行增湿，然后穿过氧化剂加湿器上设置的总燃料进口流入发电堆进行反应；氧化剂从前端板流入，穿过燃料加湿器上设置的总氧化剂进口，进入氧化剂加湿器，从氧化剂加湿器上的进气支口流入进行增湿后进入电堆参与反应；或者，紧靠前端板的加湿器作为氧化剂加湿器，另一个作为燃料加湿器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明将燃料电池电堆与加湿器集成在一起，其中燃料电池加湿器利用一种具有孔的网状支撑结构，既解决了燃料电池中当气体压力过大容易造成交换隔膜破损的问题，又解决了现有技术中交换通道结构复杂，不易加工的问题，在保证良好的加湿效果的基础上，可节省燃料电池的制造成本，增加燃料电池的使用寿命等。

2.本发明将流体进出口均设置在前端板上，减少加湿器和电堆的连接管道，减小了连接管道的占用空间，安装、维修方便，密封简单。

3.加湿器上除了三进三出口，还增设了一个进气支口，以便将干气体引入电堆，并将电堆反应后剩余的湿气体引回加湿器，在加湿器增湿双极板两面实现干气体和湿气体的温度和湿度的交换，综合利用能源。

4.加湿器可以设置一个，为某一种气体增湿，在不改变加湿器结构的情况下可以在需要的时候连接另一种气体，对另一种气体进行加湿，也可以设置两个加湿器，分别连接燃料气体和氧化剂气体，同时对两种气体进行加湿。

5.加湿器制作简单，材料成本低，因此可以大幅降低成本。

附图说明

图1为本发明自加湿燃料电池堆的结构示意图；

图2为本发明自加湿燃料电池堆的被增湿气体的流动示意图，其中实线为干气体，虚线为湿气体；

图3为本发明加湿器中单个加湿单元与加湿膜组件的结构示意图；

图4为本发明同时增湿空气和氢气的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

空气自增湿

如图1-2所示，一种燃料电池用加湿器及带有该加湿器的燃料电池堆，该燃料电池包括依次连接的前端板1、加湿器2、后端板3、电堆4和底板5，加湿器由前端板和后端板之间夹设若干加湿单元6和加湿膜组件7叠加而成，其中加湿单元6由干面板8、加湿膜组件7、湿面板9依次叠加组成，两个加湿单元之间夹设一加湿膜组件7(如图3所示)，所述前端板1、后端板3、干面板8和湿面板9上设有三进三出口：氧化剂进口21、燃料进口25、冷却剂进口26、氧化剂出口24、燃料出口22、冷却剂出口23，干面板和湿面板上还增设两个进出气支口，进气支口27和出气支口28。加湿器的各组加湿单元上的进气支口连通构成进气通道，出气支口连通构成出气通道，干面板上的进气支口27连接前端板1的总空气进口11，出气支口28连接前端板1上的湿空气出气口。

所述的干面板8和湿面板9中间为反应区域，所述干面板8上进气支口27和氧化剂进口21通过连通槽连接所述反应区域，所述湿面板9上氧化剂出口24和出气支口28通过连通槽连接所述反应区域。

所述的前端板1、加湿器2、后端板3、电堆4上设置的总氢气进/出口、总水进/出口、总空气进/出口对应连通。所述的前端板1上的干空气进口11与加湿器2上的进气支口27连通，加湿器上的湿空气出口28与后端板、电堆上的总湿空气出口连通。所述的进气支口27通过干面板上的导流槽连通加湿器2的空气进口21。所述的底板5为无孔端板，前端板上设置的总空气进口11通过管道连接鼓风机，总氢气进口15通过管道连接氢气气源、总空气出口14和总氢气出口12放空或回收氢气利用，总水进口16与总水出口13通过管道连接水箱。

从前端板总空气进口11流进的干空气从加湿器2的进气通道分配到各增湿单元干面板8的进气支口27进入加湿器，沿干面板一侧流至加湿器上的空气进口21，然后穿过后端板3上的总空气进口进入发电堆4，经过发电堆4反应后的湿空气从电堆的总空气出口流出穿过后端板3上的总空气出口后进入加湿器2，从加湿器2的出气通道分配到各增湿单元湿面板9的氧化剂出口24进入加湿器，沿湿面板一侧流至加湿器上的出气支口28，与前述干空气在增湿单元的两侧进行湿度和温度的交换后(干面板和湿面板中间为反应区域)，从前端板上的总空气出口14流出。

所述的加湿膜组件7包括交换隔膜、以及夹设在交换隔膜两侧的支撑网板，所述的交换隔膜为干空气和湿空气可在其两侧流过并进行温度和湿度交换隔膜，所述的支撑网板为支撑交换隔膜并提高其强度的网状结构。

所述的支撑网板可以选择具有网孔的泡沫板。

所述的支撑网板具有可根据需要设定的厚度，各路干的和湿的流体均可从所述网状结构的侧部进入，并可沿所述网状结构的平面流动。

所述的支撑网板与交换隔膜之间还可以垫衬纤维膜。

实施例2

氢气增湿

电堆的结构如实施例1，设置一个加湿器，仅将总氢气进气口与总空气进气口进行交换，并将总氢气出气口与总空气出口进行交换，加湿器上的进气支口连接前端板上的总氢气进气口，干面板8上的氧化剂进口21作为氢气进口。其余同实施例1。

实施例3

同时增湿空气和氢气

如图3所示，待增湿气体为氢气和空气，所述的加湿器设置两个，一个作为氢气加湿器28，另一个作为空气加湿器29。

所述的氢气加湿器28与空气加湿器29的加湿单元结构相同，仅将在氢气加湿器28上作为总氢气进气口15的位置，在空气加湿器29上作为总空气进气口11，并将在氢气加湿器28作为总氢气出气口12的位置，在空气加湿器29上作为总空气出口14。

氢气从前端板流入后从氢气加湿器的进气支口流入进行增湿，然后穿过空气加湿器上设置的总氢气进口流入发电堆进行反应；空气从前端板流入，穿过氢气加湿器上设置的总空气进口，进入空气加湿器，从空气加湿器上的进气支口流入进行增湿后进入发电堆参与反应。其余同实施例1。

Claims (7)

1.一种燃料电池用加湿器，其特征在于，该加湿器由若干加湿单元和加湿膜组件叠加而成，其中所述加湿单元由干面板、加湿膜组件、湿面板依此叠加组成，两个所述加湿单元之间夹设一加湿膜组件，所述加湿膜组件和干面板、湿面板上设有三进三出口：燃料进口、氧化剂进口、冷却剂进口、燃料出口、氧化剂出口、冷却剂出口，其中干面板和湿面板上还设有进气支口和出气支口；

所述的干面板和湿面板中间为反应区域，所述干面板上进气支口和氧化剂进口通过连通槽连接所述反应区域，所述湿面板上出气支口和氧化剂出口通过连通槽连接所述反应区域；

所述的加湿膜组件包括交换隔膜、以及夹设在交换隔膜两侧的支撑网板，所述的交换隔膜为待增湿气体和反应后携带反应生成水的剩余气体在其两侧流过并进行温度和湿度交换的隔膜，所述的支撑网板为支撑交换隔膜并提高其强度及作为反应干湿气体通道的网状结构。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池用加湿器，其特征在于，所述的支撑网板为具有网孔的泡沫透气板。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池用加湿器，其特征在于，所述的支撑网板具有可根据需要设定的厚度，各路干的和湿的流体均可从所述网状结构的侧部进入，并可沿所述网状结构的平面流动。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种燃料电池用加湿器，其特征在于，所述的支撑网板与交换隔膜之间还垫衬有纤维膜。

5.一种带有如权利要求1所述加湿器的燃料电池堆，该燃料电池堆包括依次叠加的前端板、加湿器、电堆和后端板，所述的前端板、电堆上均设有三进三出口：燃料进口、氧化剂进口、冷却剂进口、燃料出口、氧化剂出口、冷却剂出口；其特征在于，所述的加湿器的各组加湿单元上的进气支口连通构成进气通道，出气支口连通构成出气通道，根据待增湿气体的种类，将所述增湿器的进气通道与前端板的燃料进口或者氧化剂进口连通，干气体从前端板流入加湿器后，从加湿器的进气通道分配到各组加湿单元的干面板，从各干面板的进气支口进入反应区域增湿后沿燃料进口或氧化剂进口进入电堆参与反应；在电堆中反应后的气体携带反应后生成的水返回加湿器，进入加湿器的出气通道，分配到各组加湿单元的湿面板，从各湿面板的出气支口进入反应区域与干气体交换温度湿度后沿燃料出口或氧化剂出口流出加湿器，从前端板上的燃料出口或氧化剂出口流出。

6.根据权利要求5所述的一种带有加湿器的燃料电池堆，其特征在于，所述的加湿器设有一个，为燃料或氧化剂增湿；或者加湿器设置2个，同时为燃料和氧化剂增湿。

7.根据权利要求6所述的一种燃料电池用加湿器及带有该加湿器的燃料电池堆，其特征在于，所述的加湿器设置2个，紧靠前端板的加湿器作为燃料加湿器，另一个作为氧化剂加湿器，燃料从前端板流入后从燃料加湿器的进气支口流入进行增湿，然后穿过氧化剂加湿器上设置的总燃料进口流入发电堆进行反应；氧化剂从前端板流入，穿过燃料加湿器上设置的总氧化剂进口，进入氧化剂加湿器，从氧化剂加湿器上的进气支口流入进行增湿后进入电堆参与反应；或者，紧靠前端板的加湿器作为氧化剂加湿器，另一个作为燃料加湿器。