CN108091910B - 一种用于燃料电池的多孔介质增湿器 - Google Patents

一种用于燃料电池的多孔介质增湿器 Download PDF

Info

Publication number
CN108091910B
CN108091910B CN201611032038.2A CN201611032038A CN108091910B CN 108091910 B CN108091910 B CN 108091910B CN 201611032038 A CN201611032038 A CN 201611032038A CN 108091910 B CN108091910 B CN 108091910B
Authority
CN
China
Prior art keywords
porous medium
humidifier
fuel cell
plate
water
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201611032038.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108091910A (zh
Inventor
邵志刚
王志强
瞿丽娟
秦晓平
衣宝廉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Original Assignee
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian Institute of Chemical Physics of CAS filed Critical Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority to CN201611032038.2A priority Critical patent/CN108091910B/zh
Publication of CN108091910A publication Critical patent/CN108091910A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108091910B publication Critical patent/CN108091910B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04149—Humidifying by diffusion, e.g. making use of membranes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)

Abstract

本发明属于燃料电池水管理领域，具体涉及一种用于燃料电池的多孔介质增湿器。本发明所述的增湿器包括端板、多孔介质板、隔板、筒状容器、循环泵与密封紧固件等。采用类燃料电池结构，多孔介质板与隔板依次排开，并与两端的端板通过密封紧固件组装于筒状容器中。与现有技术相比，本发明的增湿装置可以同时给燃料电池的燃料气与氧化剂增湿，提高了气体增湿的效率，既可以单独使用作为燃料电池的气体增湿器，也可以与燃料电池电堆集成，提高燃料电池电堆系统的集成度。

Description

一种用于燃料电池的多孔介质增湿器
技术领域：
本发明属于燃料电池水管理领域，具体涉及一种用于燃料电池的多孔介质增湿器。
技术背景：
能源问题与环境的日益严峻迫使人们不断地寻求新能源装置，质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将化学能直接转化为电能的能量转化装置，具有能量转化效率高、能量密度高、环境友好、兼容可再生能源等优势，受到了学术界与工业界的多方关注，成为了全球的热点课题。
PEMFC中的核心部件为膜电极(MEA)，MEA由电解质膜、催化层与扩散层组成，其中电解质膜的作用是传导质子、隔绝燃料与氧化剂，目前通常使用杜邦公司的Nafion膜作为质子交换膜，由于Nafion膜在传导质子时是以水合质子的形式传导，因此通常要给反应气体进行增湿处理，使膜达到较高的质子传导率与使用寿命。PEMFC中常见的增湿方法有内增湿与外增湿。内增湿技术又称为假电池增湿法，是燃料电池发展早期的一种增湿方法，采用一段没有催化剂的燃料电池结构，一侧通入热水，另一侧通入增湿气体，这种方法通常只能给一侧气体进行增湿，且增湿效率低、增加了系统的体积、重量与复杂度。目前，外增湿技术的应用最广，主要包括鼓泡增湿法、喷淋增湿法、渗透膜增湿法以及焓轮增湿法等。鼓泡增湿法的原理是在增湿罐中放入一定的水量，将气体自下而上进入增湿罐，采用鼓泡的方式给气体增湿，可以通过调节增湿罐的水位、温度与气体流速来控制气体的增湿度，如中国专利CN104716357。该方法设备简单、工艺成熟、成本低廉，在小流量时能够得到很高的湿度，但是大流量时会出现出口处液态水聚集的问题，因此该方法主要适用于实验室研究。喷淋增湿法是将液态水直接注入到反应气体中进行增湿，可以起到很好的补水与冷却作用，起到水热管理的双重作用，但是这种增湿方法可能会造成扩散层内的水淹问题。渗透膜增湿器是目前常用的大功率增湿器之一，如中国专利CN102832402，它在膜的一侧通入燃料电池进气，另一侧通入燃料电池尾气或者液态水，然后在浓度差的作用下对进气进行有效的增湿。此类增湿器具有工艺成熟、易于操作的优势，但是通常采用商用的Nafion膜最为渗透膜材料，因此承压能力与机械强度较差，长时间的使用中会出现破损串气的现象。此外，增湿效率较低，因此大功率电堆所需的膜增湿器体积较大。焓轮增湿法的原理是采用多孔陶瓷转轮，将燃料电池湿热的尾气中的水与热量转移到燃料电池进气之中，如中国专利CN203056020。此类增湿器的技术成熟、简化系统、可以同时进行水热管理，但是多孔陶瓷的密度较大，操作时尾气会混入反应气中，并且需要焓轮需要外界的动力才会转动。此外，中国专利CN101510619采用多孔板作为车用燃料电池的增湿器，采用尾排气体给进气增湿，该方法可以解决Nafion膜强度不够的问题，但是该方法只能同时给一种气体增湿，且也可能出现尾气与进气的混合。
发明内容
针对以上PEMFC用增湿器的常见问题，本发明开发了一种燃料电池用的多孔介质增湿器，可以同时将燃料气与氧化剂进行高效的增湿，达到良好的增湿效果，并且采用强度较好的材料作为主体，提升了增湿器的密封性能与机械性能，此外，可以与燃料电池电堆进行很好的集成。
为了实现以上目的，本发明采用如下的技术方案：
所述的一种用于燃料电池的多孔介质增湿器，它包括上下二端开口的筒状容器，于容器的二开口端分别设有端板，端板与开口端密闭连接；
于容器内横向设有一块多孔介质板；多孔介质板的四周边缘与容器内壁面间相固接，于多孔介质板上表面或端板下表面设有作为第一进气通道的流场，于多孔介质板下表面或端板上表面设有作为第二进气通道的流场；
或，于容器内横向设有二块以上的多孔介质板，相邻多孔介质板间通过隔板相间隔，隔板的四周边缘与容器内壁面间密闭连接；多孔介质板的四周边缘与容器内壁面间相固接，于最上面一块多孔介质板上表面或端板下表面设有作为第一进气通道的流场，于最下面一块多孔介质板下表面或端板上表面设有作为第二进气通道的流场，于靠近隔板的隔板下方的多孔介质板上表面或隔板下表面设有作为第一进气通道的流场，于靠近隔板的隔板上方的多孔介质板下表面或隔板上表面设有作为第二进气通道的流场；
于每块多孔介质板中部设有作为水通道的通孔；第一进气通道的二端分别通过管路与燃料气气源和燃料电池的燃料气进气口相连，第二进气通道的二端分别通过管路与储罐和燃料电池的氧化剂进口相连，水通道的二端分别通过管路经循环泵与水箱相连。
增湿器端板上设有燃料气、氧化剂以及水的进口与出口；燃料气的进口与出口分别和第一进气通道的二端相连通；氧化剂的进口与出口分别和第二进气通道的二端相连通；水的进口与出口分别和水通道的二端相连通。
多孔介质的材料可以为石墨、金属、陶瓷或其他无机多孔材料，孔隙率为1％～40％，孔径为0.01μm～100μm；端板、隔板和容器的材料可以分别为金属或石墨。
操作时，燃料气体与氧化剂分别位于第一腔室与第二腔室中，其中第一腔室与第二腔室内气体与水腔内水的压力差需要大于0，但是要小于多孔介质的初始泡点压力P，其中P＝2γcosθ/r,γ为水的表面张力，θ为多孔介质的接触角，r为多孔介质的最大孔径。
所述增湿器可以单独作为外增湿器置于燃料电池外部，给燃料电池的气体增湿；或，也可以与燃料电池相集成，即直接将增湿器和膜电极同时组装于电池之中，循环水依次通过增湿器与燃料电池，通过循环泵循环；增湿器的气体出口与燃料电池的气体入口端相连。
与其他现有的技术相比，本发明的有益之处在于：
1.本装置采用多孔介质板同时为燃料电池的燃料气体与氧化剂进行增湿，可以达到较好的增湿效果。
2.本装置的主要部件均可以采用强度较高的材料，并且内部无转动部件，具有良好的密封性与机械性能。
3.本装置具有类燃料电池结构，可以直接集成到燃料电池电堆中，循环水可以与燃料电池冷却水集成，提高了系统的集成度。
附图说明：
图1是多孔介质增湿器的结构示意图；
图2是多孔介质增湿器作为外增湿器的结构示意图；
图3是多孔介质增湿器与燃料电池电堆耦合的结构示意图；
图中：1是端板，2是多孔介质板，3是隔板，4是筒状容器，5是循环泵，6是第一气体腔室，7是水腔，8是第二气体腔室，9是多孔介质增湿器，10是燃料电池。
具体实施方式
以两个实例为例，对本发明作进一步说明。
实施例1
采用多孔介质增湿器作为外增湿器对燃料电池气体进行增湿。将有效面积为100cm2的多孔石墨板进行加工处理，使其两侧分别具有氢气与空气的流场，中间具有水流场。其中多孔石墨板的孔径为12μm，接触角为63°。将一块多孔石墨板置于密闭容器中，并通过两侧端板进行密封组装。端板上氢气的进口与氢气气源相连接，氢气的出口与燃料电池的氢气进口连接；空气进口与空气气源相连接，空气出口与燃料电池空气进口连接；水的进出口通过循环泵与水箱连接。在60℃下，该增湿器可以在氢气流量1.5L/min下达到95％的增湿，在空气流量5L/min下达到88％的增湿度。
实施例2
采用多孔介质增湿器与燃料电池的电堆集成。采用实施例1中的多孔介质板3块，与相同大小的金属隔板2块，采用相间排列的方式置于密闭容器中。由于具有类燃料电池结构，燃料电池的组件双极板与膜电极同样采用相间排列的方式置于增湿器段之上，两端通过端板进行密封组装。氢气与空气从气源首先进入增湿段，增湿段的气体出口与燃料电池的气体入口相连；增湿器与燃料电池共用一个水腔，水的进出口通过循环泵与水箱相连，采用上述结构可以将多孔介质增湿器与燃料电池电堆进行集成。

Claims (6)

1.一种用于燃料电池的多孔介质增湿器，其特征在于：它包括上下二端开口的筒状容器（4），于容器（4）的二开口端分别设有端板（1），端板（1）与开口端密闭连接；
于容器（4）内横向设有一块多孔介质板（2）；多孔介质板（2）的四周边缘与容器（4）内壁面间相固接，于多孔介质板（2）上表面或端板（1）下表面设有作为第一进气通道的流场，于多孔介质板（2）下表面或端板（1）上表面设有作为第二进气通道的流场；
或，于容器（4）内横向设有二块以上的多孔介质板（2），相邻多孔介质板（2）间通过隔板（3）相间隔，隔板（3）的四周边缘与容器（4）内壁面间密闭连接；多孔介质板（2）的四周边缘与容器（4）内壁面间相固接，于最上面一块多孔介质板（2）上表面或端板（1）下表面设有作为第一进气通道的流场，于最下面一块多孔介质板（2）下表面或端板（1）上表面设有作为第二进气通道的流场，于靠近隔板（3）的隔板下方的多孔介质板（2）上表面或隔板（3）下表面设有作为第一进气通道的流场，于靠近隔板（3）的隔板上方的多孔介质板（2）下表面或隔板（3）上表面设有作为第二进气通道的流场；
于每块多孔介质板（2）中部设有作为水通道的通孔；第一进气通道的二端分别通过管路与燃料气气源和燃料电池的燃料气进气口相连，第二进气通道的二端分别通过管路与储罐和燃料电池的氧化剂进口相连，水通道的二端分别通过管路经循环泵（5）与水箱相连。
2.根据权利要求1所述的增湿器，其特征在于：增湿器端板（1）上设有燃料气、氧化剂以及水的进口与出口；燃料气的进口与出口分别和第一进气通道的二端相连通；氧化剂的进口与出口分别和第二进气通道的二端相连通；水的进口与出口分别和水通道的二端相连通。
3.根据权利要求1所述的增湿器，其特征在于：多孔介质板（2）的材料为石墨、金属、陶瓷或其他无机多孔材料，孔隙率为1%～40%，孔径为0.01μm～100μm；端板（1）、隔板（3）和容器（4）的材料分别为金属或石墨。
4.根据权利要求1所述的增湿器，其特征在于：操作时，燃料气体与氧化剂分别位于第一腔室（6）与第二腔室（8）中，其中第一腔室（6）与第二腔室（8）内气体与水腔（7）内水的压力差需要大于0，但是要小于多孔介质的初始泡点压力P，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE002
,γ为水的表面张力，θ为多孔介质的接触角，r为多孔介质的最大孔径。
5.根据权利要求1所述的增湿器，其特征在于：所述增湿器（9）单独作为外增湿器置于燃料电池（10）外部，给燃料电池（10）的气体增湿；增湿器（9）的气体出口与燃料电池（10）的气体入口端相连。
6.根据权利要求1所述的增湿器，其特征在于：所述增湿器（9）与燃料电池（10）相集成，即直接将增湿器（9）和膜电极同时组装于电池之中，循环水依次通过增湿器（9）与燃料电池（10），通过循环泵（5）循环；增湿器（9）的气体出口与燃料电池（10）的气体入口端相连。
CN201611032038.2A 2016-11-22 2016-11-22 一种用于燃料电池的多孔介质增湿器 Active CN108091910B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201611032038.2A CN108091910B (zh) 2016-11-22 2016-11-22 一种用于燃料电池的多孔介质增湿器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201611032038.2A CN108091910B (zh) 2016-11-22 2016-11-22 一种用于燃料电池的多孔介质增湿器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108091910A CN108091910A (zh) 2018-05-29
CN108091910B true CN108091910B (zh) 2020-04-14

Family

ID=62169811

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201611032038.2A Active CN108091910B (zh) 2016-11-22 2016-11-22 一种用于燃料电池的多孔介质增湿器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108091910B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108987767B (zh) * 2018-08-07 2021-06-04 同济大学 一种多岐管空气供应的燃料电池系统及方法
CN109361002B (zh) * 2018-11-30 2023-09-19 安徽明天氢能科技股份有限公司 一种大功率燃料电池测试台用增湿器
DE102019212717A1 (de) * 2019-08-26 2021-03-04 Audi Ag Befeuchterflussfeldplatte und Befeuchter

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101017905A (zh) * 2007-01-16 2007-08-15 武汉理工大学 一种通过双极板保持质子交换膜燃料电池中水的平衡方法
CN101510619A (zh) * 2009-03-24 2009-08-19 武汉理工大学 带多孔板增湿器的负压增湿车载燃料电池系统
CN103915638A (zh) * 2012-12-31 2014-07-09 上海恒劲动力科技有限公司 一种燃料电池用加湿器及带有该加湿器的燃料电池堆
CN204903436U (zh) * 2015-08-28 2015-12-23 天津大学 燃料电池增湿器用多孔介质板的热湿传递特性测试系统

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100952023B1 (ko) * 2008-02-14 2010-04-08 현대자동차주식회사 연료전지 스택 가습 장치

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101017905A (zh) * 2007-01-16 2007-08-15 武汉理工大学 一种通过双极板保持质子交换膜燃料电池中水的平衡方法
CN101510619A (zh) * 2009-03-24 2009-08-19 武汉理工大学 带多孔板增湿器的负压增湿车载燃料电池系统
CN103915638A (zh) * 2012-12-31 2014-07-09 上海恒劲动力科技有限公司 一种燃料电池用加湿器及带有该加湿器的燃料电池堆
CN204903436U (zh) * 2015-08-28 2015-12-23 天津大学 燃料电池增湿器用多孔介质板的热湿传递特性测试系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Improvement of PEMFC performance and endurance by employing continuous silica film incorporated water transport plate;Xiaoqian Guo等;《Electrochimica Acta》;20160112;第191卷;第116-123页 *
使用多孔介质的燃料电池增湿器的模拟研究;王世学 等;《高等学校工程热物理第十九届全国学术会议论文集》;20130501;第659-667页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108091910A (zh) 2018-05-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101577342B (zh) 一种带单体电池增湿区的燃料电池
US20200343567A1 (en) Electrochemical hydrogen compressor and method for operating electrochemical hydrogen compressor
Ramya et al. Study of a porous membrane humidification method in polymer electrolyte fuel cells
KR20100108092A (ko) 연료전지용 가습기
CN208753435U (zh) 一种用于燃料电池的双极板
CN108091910B (zh) 一种用于燃料电池的多孔介质增湿器
CN100416902C (zh) 质子交换膜燃料电池交指-平行组合流场
CN102800876A (zh) 一种自增湿燃料电池
CN205543068U (zh) 一种燃料电池
CN111987334A (zh) 一种氢燃料电池可控式空气加湿装置
JPH10284096A (ja) 固体高分子電解質型燃料電池
EP4033576B1 (en) Fuel cell membrane humidifier capable of controlling flow direction of fluid
CN216528970U (zh) 一种燃料电池系统
CN113363534B (zh) 一种燃料电池雾化增湿系统及其增湿方法
CN105470542B (zh) 一种燃料电池
KR20210004152A (ko) 연료전지용 가습기
CN112490464B (zh) 一种具有内增湿结构的燃料电池双极板及电堆
JP2000277128A (ja) 固体高分子型燃料電池
CN203774400U (zh) 一种高效燃料电池加湿器
CN115425257A (zh) 一种自调节紧凑型质子交换膜燃料电池的自增湿装置
KR101258325B1 (ko) 연료 전지용 분리기 플레이트 구성
CN107302099B (zh) 一种用于燃料电池的膜加湿器
CN216488174U (zh) 一种小功率燃料电池测试台用增湿系统
CN115064730A (zh) 一种燃料电池全生命周期的增湿方法
CN106129437B (zh) 一种圆形智能燃料电池加湿器及其加湿方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant