CN110085888A - 一种燃料电池增湿器、燃料电池及增湿处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池增湿器，包括上端板、下端板和位于上端板和下端板之间的至少一个增湿器板芯，增湿器板芯包括导热基底板，导热基底板的两面涂布吸水树脂，上端板上设置空气入口，下端板上设置空气出口。增湿器板芯还包括外圈密封垫和内圈密封垫，外圈密封垫和内圈密封垫设置于导热基底板上形成“回”字形，分别形成流动通道。本发明利用吸水树脂超强吸性能制作成燃料电池可用的增湿器，用于替代膜管式增湿器，达到国产化和低成本的要求，破除对进口产品和技术的依赖；另外，本发明突破传统渗透膜承压能力与机械强度差易出现破损串气情况的技术瓶颈，可以承载较高的压力和机械强度。
Description
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，尤其涉及一种燃料电池增湿器装置、相应的燃料电池及运用该燃料电池增湿器装置的增湿处理方法。
背景技术
PEMFC一般采用全氟磺酸树脂膜作为质子交换膜，实验表明只有在一定湿度情况下才能发挥较好的质子交换性。目前很难做到电池内部自增湿的方式稳定燃料电池工作性能，通常在空气进气口增加增湿器的方式，增加进气空气的湿度用于保证燃料电池的输出性能。现在市场一般采用全氟磺酸树脂所制作的膜管式或板式增湿器，通过浓度差的形式将反应过程含水量较大的空气中的水传递到新进空气侧，增加新进空气的湿度，保证燃料电池性能输出。该技术目前基本掌握在日本、韩国和美国等较为发达的国家手中，目前燃料电池系统中所采用的增湿器均为进口产品，其价格较为昂贵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全新结构的燃料电池增湿器装置、相应的燃料电池及运用该燃料电池增湿器装置的增湿处理方法，用于取代价格昂贵的进口的全氟磺酸树脂所制作的膜管式或板式增湿器。
为了实现上述目的，本发明的一种燃料电池增湿器，包括上端板、下端板和位于上端板和下端板之间的至少一个增湿器板芯，增湿器板芯包括导热基底板，导热基底板的两面涂布吸水树脂，上端板上设置空气入口，下端板上设置空气出口。
进一步的，增湿器板芯还包括外圈密封垫和内圈密封垫，外圈密封垫和内圈密封垫设置于导热基底板上形成“回”字形，分别形成流动通道。
进一步的，只有导热基底板的“回”字形结构的内圈“口”内两面涂布吸水树脂。
进一步的，导热基底板的“回”字形结构的内圈“口”字形的两端开设反应气体进口和反应气体出口，供预进入燃料电池堆反应的反应气体的进入和放出，形成反应气体流动通道。
进一步的，导热基底板的“回”字形结构的外圈“口”字形两端开设热空气进口和热空气出口，供高温空气的进入和放出，形成热空气流动通道。
进一步的，导热基底板为不锈钢板。
进一步的，吸水树脂的外侧设置无纺布层，防止吸水树脂脱落。
进一步的，上端板和下端板之间设置多个增湿器板芯，增湿器板芯平行堆叠设置，通过外圈密封垫和内圈密封垫的高度堆叠形成增湿器板芯之间的流动通道。
进一步的，反应气体进口与热空气进口分设于导热基底板的两端，反应气体出口与热空气出口也分设于导热基底板的两端，使反应气体流动通道与热空气流动通道内气体或液体的流动方向逆向流动。
进一步的，上端板上的空气入口包括反应气体进口，下端板上的空气出口包括反应气体出口，反应气体进口和反应气体出口与导热基底板上的反应气体进口和反应气体出口位置对应。
进一步的，上端板上的空气入口包括热空气进口，下端板上的空气出口包括热空气出口，热空气进口和热空气出口与导热基底板上的热空气进口和热空气出口位置对应。
一种燃料电池系统，具有以上所述的燃料电池增湿器。
进一步的，还包括与燃料电池增湿器的反应气体进口连通的反应气体进气管道和反应后气体管道，还包括与燃料电池增湿器的热空气进口连通的热空气输入管道，燃料电池增湿器的反应气体出口通过反应气体出口管道连通燃料电池的空气侧入口。
进一步的，反应气体进气管道、反应后气体管道和反应气体出口管道上设置阀体，优选为电磁阀，并通过中控机构控制阀体的开关及流量大小切换。
一种燃料电池增湿器的增湿处理方法，反应气体中的氧气在燃料电池工作时与氢气侧传递过来的氢质子结合产生大量的水，水以水蒸气和液体水的形成混合在反应后的气体中，当反应后的气体通过反应气体进口进入燃料电池增湿器，经过吸水树脂和无纺布区域时，吸水树脂将大部分气态水和液态水吸收存储在吸水树脂中，其余反应得到的水将通过出口排出。
进一步的，燃料电池需要大功率输出时，将压缩冷却后的气体注入反应气体进口，此时水会通过浓度差的方式传递到新鲜空气中，同时在热空气进口中注入未冷却过高温压缩空气，热量通过不锈钢板传导到吸水树脂上，将吸水树脂之前吸取的水分通过蒸发的方式混合到新鲜空中，再进入电堆进行反应。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明利用吸水树脂超强吸性能制作成燃料电池可用的增湿器，用于替代膜管式增湿器，达到国产化和低成本的要求，其结构简单，原材料易获取，可以降低增湿器成本，破除对进口产品和技术的依赖；另外，本发明突破传统渗透膜承压能力与机械强度差易出现破损串气情况的技术瓶颈，可以承载较高的压力和机械强度；再有，本发明耗材少，易损件少，维护成本低。
附图说明
图1为增湿器板芯1的结构示意图一；
图2为增湿器板芯1的结构示意图二；
图3为图2中增湿器板芯1的内部气体流向图；
图4为燃料电池增湿器的结构示意图一；
图5为燃料电池增湿器的结构示意图二；
图6为实施例4中燃料电池系统的结构示意图；
其中，1-增湿器板芯，2-导热基底板，3-吸水树脂，4-外圈密封垫，5-内圈密封垫，6-反应气体进口，7-反应气体出口，8-反应气体流动通道，9-热空气进口，10-热空气出口，11-热空气流动通道，12-上端板，13-下端板，14-燃料电池增湿器，15-燃料电池15，16-空压机，17-PLC或单片机控制装置，18-反应气体进气管道，19-反应后气体管道，20-电磁阀，21-热空气输入管道，22-反应气体出口管道，23-无纺布。
具体实施方式
以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一种燃料电池增湿器，包括上端板、下端板和如图1所示的位于上端板和下端板之间的至少一个增湿器板芯1，增湿器板芯1包括导热基底板2，导热基底板2的两面涂布吸水树脂3，上端板上设置空气入口，下端板上设置空气出口。反应气体中的氧气在燃料电池工作时与氢气侧传递过来的氢质子结合产生大量的水，水以水蒸气和液体水的形成混合在反应后的气体中，当反应后的气体通过空气入口进入燃料电池增湿器，经过吸水树脂3区域时，吸水树脂3将大部分气态水和液态水吸收存储在吸水树脂3中，使燃料电池反应产物水做到内部循环使用，减少燃料电池系统的外协物，其余反应得到的水将通过出口排出。燃料电池需要大功率输出时，可以对导热基底板2进行加热，使热量通过导热基底板2传导到吸水树脂3上，将吸水树脂3之前吸取的水分通过蒸发的方式混合到新鲜空中，再进入电堆进行反应，此时水会通过浓度差的方式传递到新鲜空气中，进而对进入燃料电池的反应空气进行合理增湿，使燃料电池大功率和小功率之间的切换无需更多辅助外协物，也无需频繁调控反应气体的供应量。如上所述，本实施例利用吸水树脂3超强吸性能制作成燃料电池可用的增湿器，用于替代膜管式或模板式增湿器，达到国产化和低成本的要求；另一方面，本实施例的燃料电池增湿器结构简单，导热基底板2及吸水树脂3等材料易获取，可以降低增湿器成本，破除对进口产品和技术的依赖；另外，本实施例的燃料电池增湿器突破了传统渗透膜承压能力与机械强度差易出现破损串气情况的技术瓶颈，可以承载较高的压力和机械强度；再有，本实施例的燃料电池增湿器耗材少，易损件少，维护成本低。
实施例2
一种燃料电池增湿器，包括上端板、下端板和如图2所示的位于上端板和下端板之间的至少一个增湿器板芯1，增湿器板芯1包括导热基底板2，增湿器板芯1还包括外圈密封垫4和内圈密封垫5，外圈密封垫4和内圈密封垫5设置于导热基底板2上形成“回”字形，形成两个隔开区域流动通道，实现增湿器板芯1流动载体的多样性和流动方式、方向及流速、流动条件的多样化。如图1、2和3所示，导热基底板2的“回”字形结构的内圈“口”内两面涂布吸水树脂3。导热基底板2的“回”字形结构的内圈“口”字形的两端开设反应气体进口6和反应气体出口7，供预进入燃料电池堆反应的反应气体的进入和放出，形成反应气体流动通道8。反应气体中的氧气在燃料电池工作时与氢气侧传递过来的氢质子结合产生大量的水，水以水蒸气和液体水的形成混合在反应后的气体中，当反应后的气体通过空气入口进入燃料电池增湿器，经过吸水树脂3区域时，吸水树脂3将大部分气态水和液态水吸收存储在吸水树脂3中，使燃料电池反应产物水做到内部循环使用，减少燃料电池系统的外协物，其余反应得到的水将通过出口排出。导热基底板2的“回”字形结构的外圈“口”字形两端开设热空气进口9和热空气出口10，供高温空气的进入和放出，形成热空气流动通道11。上端板上的空气入口包括反应气体进口，下端板上的空气出口包括反应气体出口，反应气体进口和反应气体出口与导热基底板2上的反应气体进口6和反应气体出口7位置对应。上端板上的空气入口包括热空气进口，下端板上的空气出口包括热空气出口，热空气进口和热空气出口与导热基底板2上的热空气进口9和热空气出口10位置对应。从反应气体进口6进入的压缩空气及反应后携水产物通过“回”字形结构的内圈“口”字形的反应气体流动通道8流通至反应气体出口7，多余水分会经吸水树脂3吸收储存，使进入燃料电池的反应气体携带一定水分，保证反应湿度，但又不至于因携带水分过多，湿度过大而形成水淹，而影响燃料电池反应效率。
反应气体进口6与热空气进口9分设于导热基底板2的两端，反应气体出口7与热空气出口10也分设于导热基底板2的两端，使反应气体流动通道8与热空气流动通道11内气体或液体的流动方向逆向流动，使流通的反应气体和热空气或液体逆向流动，相互交错，使各自的流通效果更加均匀交互影响。燃料电池需要大功率输出时，通过热空气流动通道11对导热基底板2进行加热，使热量通过导热基底板2传导到吸水树脂3上，使对导热基底板2的加热及反应到对吸水树脂3中水分的蒸发更加均匀高效，将吸水树脂3之前吸取的水分通过蒸发的方式混合到新鲜空中，再进入电堆进行反应，此时水会通过浓度差的方式传递到新鲜空气中，进而对进入燃料电池的反应空气进行合理增湿，使燃料电池大功率和小功率之间的切换无需更多辅助外协物，也无需频繁调控反应气体的供应量。如上所述，一方面，本实施例的燃料电池增湿器结构简单，导热基底板2及吸水树脂3等材料易获取，可以降低增湿器成本，破除对进口产品和技术的依赖；另外，本实施例的燃料电池增湿器突破了传统渗透膜承压能力与机械强度差易出现破损串气情况的技术瓶颈，可以承载较高的压力和机械强度；再有，本实施例的燃料电池增湿器耗材少，易损件少，维护成本低。
实施例3
如图4和5所示，一种燃料电池增湿器，包括上端板12、下端板13和如图2所示的位于上端板12和下端板13之间的增湿器板芯1，上端板12和下端板13之间设置多个单体增湿器板芯1，单体增湿器板芯1平行堆叠设置，每个单体增湿器板芯1包括作为导热基底板2的不锈钢板。不锈钢板长期处于潮湿环境中亦能保持不生锈和稳定良好的导热性能和强度，有利于增加电池增湿器的使用寿命和效率。另外，不锈钢板可以承载较高的压力和机械强度，突破了传统渗透膜承压能力与机械强度差易出现破损串气情况的技术瓶颈。增湿器板芯1还包括外圈密封垫4和内圈密封垫5，外圈密封垫4和内圈密封垫5设置于不锈钢板上形成“回”字形，堆叠的单体增湿器板芯1通过外圈密封垫4和内圈密封垫5的高度堆叠形成增湿器板芯1之间的流动通道。“回”字形形成两个隔开区域流动通道，实现增湿器板芯1流动载体的多样性和流动方式、方向及流速、流动条件的多样化。堆叠的单体增湿器板芯1可以根据不同燃料电池的需求增加或减少堆叠的单体增湿器板芯1的数量，进而调控吸水树脂3的使用面积、流道的面积，进而调控反应气体的湿度。
如图1、2和3所示，不锈钢板的“回”字形结构的内圈“口”内两面涂布吸水树脂3，吸水树脂3的外侧设置无纺布层23，防止吸水树脂3脱落。不锈钢板的“回”字形结构的内圈“口”字形的两端开设反应气体进口6和反应气体出口7，供预进入燃料电池堆反应的反应气体的进入和放出，形成反应气体流动通道8。反应气体中的氧气在燃料电池工作时与氢气侧传递过来的氢质子结合产生大量的水，水以水蒸气和液体水的形成混合在反应后的气体中，当反应后的气体通过空气入口进入燃料电池增湿器，经过吸水树脂3区域时，吸水树脂3将大部分气态水和液态水吸收存储在吸水树脂3中，使燃料电池反应产物水做到内部循环使用，减少燃料电池系统的外协物，其余反应得到的水将通过出口排出。不锈钢板的“回”字形结构的外圈“口”字形两端开设热空气进口9和热空气出口10，供高温空气的进入和放出，形成热空气流动通道11。上端板12上的空气入口包括反应气体进口6，下端板13上的空气出口包括反应气体出口7，反应气体进口6和反应气体出口7与不锈钢板上的反应气体进口6和反应气体出口7位置对应。上端板12上的空气入口包括热空气进口9，下端板13上的空气出口包括热空气出口10，热空气进口9和热空气出口10与不锈钢板上的热空气进口9和热空气出口10位置对应。从反应气体进口6进入的压缩空气及反应后携水产物通过“回”字形结构的内圈“口”字形的反应气体流动通道8流通至反应气体出口7，多余水分会经吸水树脂3吸收储存，使进入燃料电池的反应气体携带一定水分，保证反应湿度，但又不至于因携带水分过多，湿度过大而形成水淹，而影响燃料电池反应效率。
反应气体进口6与热空气进口9分设于不锈钢板的两端，反应气体出口7与热空气出口10也分设于不锈钢板的两端，使反应气体流动通道8与热空气流动通道11内气体或液体的流动方向逆向流动，使流通的反应气体和热空气或液体逆向流动，相互交错，使各自的流通效果更加均匀交互影响。燃料电池需要大功率输出时，通过热空气流动通道11对不锈钢板进行加热，使热量通过导热基底板2传导到吸水树脂3上，使对不锈钢板的加热及反应到对吸水树脂3中水分的蒸发更加均匀高效，将吸水树脂3之前吸取的水分通过蒸发的方式混合到新鲜空中，再进入电堆进行反应，此时水会通过浓度差的方式传递到新鲜空气中，进而对进入燃料电池的反应空气进行合理增湿，使燃料电池大功率和小功率之间的切换无需更多辅助外协物，也无需频繁调控反应气体的供应量。如上所述，一方面，本实施例的燃料电池增湿器结构简单，不锈钢板及吸水树脂3等材料易获取，可以降低增湿器成本，破除对进口产品和技术的依赖；另外，本实施例的燃料电池增湿器耗材少，易损件少，维护成本低。
实施例4
如图6所示，一种燃料电池系统，包括如实施例3所述的燃料电池增湿器14、燃料电池15、空压机16和PLC或单片机控制装置17。还包括与燃料电池增湿器的反应气体进口6连通的反应气体进气管道18和反应后气体管道19，反应气体进气管道18和反应后气体管道19与反应气体进口6连通，反应气体进气管道18和反应后气体管道19上分别设置电磁阀20，电池阀20与PLC或单片机控制装置17电连接，用于根据程序控制反应气体进气管道18和反应后气体管道19的进气量。燃料电池系统还包括与燃料电池增湿器14的热空气进口9连通的热空气输入管道21，用于通入热空气，热空气是指空压机16将新鲜空气压缩后未冷却的高温气体；燃料电池增湿器14的反应气体出口7通过反应气体出口管道22连通燃料电池的空气侧入口。
反应气体进气管道18、反应后气体管道19、热空气输入管道21和反应气体出口管道22上分别设置电磁阀20，并通过作为中控机构的PLC或单片机控制装置17控制电磁阀20的开关及流量大小切换。
利用本发明的燃料电池增湿器14的增湿处理方法为：反应气体中的氧气在燃料电池工作时与氢气侧传递过来的氢质子结合产生大量的水，水以水蒸气和液体水的形成混合在反应后的气体中，当反应后的气体通过反应气体进口6进入燃料电池增湿器14，经过吸水树脂3和无纺布23区域时，吸水树脂3将大部分气态水和液态水吸收存储在吸水树脂3中，其余反应得到的水将通过出口排出。需要说明的是，反应气体是指空压机16将新鲜空气压缩冷却后欲注入到燃料电池中进行反应的气体。
当燃料电池需要大功率输出时，将压缩冷却后的气体注入燃料电池增湿器14的反应气体进口6，此时水会通过浓度差的方式传递到新鲜空气中，同时在热空气进口9中注入未冷却过高温压缩空气，热空气是指空压机16将新鲜空气压缩后未冷却的气体，该温度一般在150℃左右，热量通过不锈钢传导到吸水树脂3上，将吸水树脂3之前吸取的水分通过蒸发的方式混合到新鲜空中再进入电堆进行反应。反应后的气体再进入另外一个增湿器中将反应后水进行收集。在此过程中通过电磁阀20的切换，达到气体和水分交换的目的，实现对反应气体的增湿的效果。
显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (16)
1.一种燃料电池增湿器，其特征在于：包括上端板、下端板和位于所述上端板和所述下端板之间的至少一个增湿器板芯，所述增湿器板芯包括导热基底板，所述导热基底板的两面涂布吸水树脂，所述上端板上设置空气入口，所述下端板上设置空气出口。
2.如权利要求1所述的燃料电池增湿器，其特征在于：所述增湿器板芯还包括外圈密封垫和内圈密封垫，所述外圈密封垫和所述内圈密封垫设置于所述导热基底板上形成“回”字形，分别形成流动通道。
3.如权利要求2所述的燃料电池增湿器，其特征在于：只有所述导热基底板的“回”字形结构的内圈“口”内两面涂布吸水树脂。
4.如权利要求2所述的燃料电池增湿器，其特征在于：所述导热基底板的“回”字形结构的内圈“口”字形的两端开设反应气体进口和反应气体出口，供预进入燃料电池堆反应的反应气体的进入和放出，形成反应气体流动通道。
5.如权利要求2至4任一项所述的燃料电池增湿器，其特征在于：所述导热基底板的“回”字形结构的外圈“口”字形两端开设热空气进口和热空气出口，供高温空气的进入和放出，形成热空气流动通道。
6.如权利要求1或2所述的燃料电池增湿器，其特征在于：所述导热基底板为不锈钢板。
7.如权利要求1所述的燃料电池增湿器，其特征在于：所述吸水树脂的外侧设置无纺布层，防止吸水树脂脱落。
8.如权利要求1或2所述的燃料电池增湿器，其特征在于：所述上端板和所述下端板之间设置多个增湿器板芯，所述增湿器板芯平行堆叠设置，通过所述外圈密封垫和内圈密封垫的高度堆叠形成所述增湿器板芯之间的流动通道。
9.如权利要求5所述的燃料电池增湿器，其特征在于：所述反应气体进口与所述热空气进口分设于所述导热基底板的两端，所述反应气体出口与所述热空气出口也分设于所述导热基底板的两端，使所述反应气体流动通道与所述热空气流动通道内气体或液体的流动方向逆向流动。
10.如权利要求4所述的燃料电池增湿器，其特征在于：所述上端板上的空气入口包括反应气体进口，所述下端板上的空气出口包括反应气体出口，所述反应气体进口和所述反应气体出口与所述导热基底板上的反应气体进口和反应气体出口位置对应。
11.如权利要求5所述的燃料电池增湿器，其特征在于：所述上端板上的空气入口包括热空气进口，所述下端板上的空气出口包括热空气出口，所述热空气进口和所述热空气出口与所述导热基底板上的热空气进口和热空气出口位置对应。
12.一种燃料电池系统，其特征在于：具有如权利要求1至11任一项所述的燃料电池增湿器。
13.如权利要求12所述的燃料电池系统，其特征在于：还包括与所述燃料电池增湿器的反应气体进口连通的反应气体进气管道和反应后气体管道，还包括与所述燃料电池增湿器的热空气进口连通的热空气输入管道，所述燃料电池增湿器的反应气体出口通过反应气体出口管道连通燃料电池的空气侧入口。
14.如权利要求13所述的燃料电池系统，其特征在于：所述反应气体进气管道、所述反应后气体管道和所述反应气体出口管道上设置阀体，优选为电磁阀，并通过中控机构控制阀体的开关及流量大小切换。
15.一种基于权利要求1至11所述的燃料电池增湿器的增湿处理方法，其特征在于：反应气体中的氧气在燃料电池工作时与氢气侧传递过来的氢质子结合产生大量的水，水以水蒸气和液体水的形成混合在反应后的气体中，当反应后的气体通过反应气体进口进入所述燃料电池增湿器，经过吸水树脂和无纺布区域时，吸水树脂将大部分气态水和液态水吸收存储在吸水树脂中，其余反应得到的水将通过出口排出。
16.如权利要求15所述的燃料电池增湿器的增湿处理方法，其特征在于：燃料电池需要大功率输出时，将压缩冷却后的气体注入所述反应气体进口，此时水会通过浓度差的方式传递到新鲜空气中，同时在热空气进口中注入未冷却过高温压缩空气，热量通过不锈钢板传导到吸水树脂上，将吸水树脂之前吸取的水分通过蒸发的方式混合到新鲜空中，再进入电堆进行反应。
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| CN103022536A (zh) * | 2012-12-20 | 2013-04-03 | 上海交通大学 | 用于燃料电池的膜增湿器 |
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2019
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