CN111029621A - 一种氢燃料电池自増湿结构及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氢燃料电池自増湿结构及系统，一种氢燃料电池自増湿结构，包括增湿通道、渗透膜和尾气流动通道，所述增湿通道与尾气流动通道贴合，所述增湿通道与尾气流动通道之间设有渗透膜增湿通道与尾气流动通道内的气体流动方向相反，所述增湿通道与尾气流动通道上均设置用于控制流速的阀门；一种氢燃料电池系统，包括燃料电池电堆、输送管道和权所述自増湿结构，所述染料电池电堆的底部设有输送管道，所述输送管道与自增湿结构连通。本发明能够有效解决燃料电池气体増湿问题，同时避免采用额外的増湿器，降低了系统复杂度和体积；进一步增加了燃料电池尾气区域的水蒸气真空度，提高了电池内部水蒸气的排出能力，强化了排水性能。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体为一种氢燃料电池自増湿结构及系统。
背景技术
氢燃料电池(亦质子交换膜燃料电池)是一种将氢氧反应气体的化学能直接转化成电能的装置，具有能量转换率高、环境友好、操作温度低等优点，是一种极具发展前景的清洁能源技术。质子交换膜燃料电池运行过程包含了复杂物理过程，其中水热管理问题是极具挑战性的综合性工程问题。反应产物水和热的分布特性决定着燃料电池内部反应气体的分布特性，进一步又决定着电流分布。若气体分布不均匀，轻则引起局部“燃料饥饿”而不能产生电流，重则引起反极，破坏催化剂，最终导致电池性能衰减。对于工作在大电流密度下的燃料电池，水淹导致的气体传输阻碍往往是燃料电池性能衰减的主要原因。此外，目前广泛采用的质子交换膜主要为氟磺酸型膜，其质子导通率与其水合度密切相关，若膜中的水含量不足或膜失水，质子传导阻力迅速增加，也会导致电池性能的衰减，甚至引起膜的穿孔。但若膜电极中含水量过高且无法排出，会进一步阻碍反应气体的传质，并造成催化剂的腐蚀和流失，加速燃料电池性能及寿命的衰减。
可见，质子交换膜的保湿需求和燃料电池的排水需求互相矛盾，合理的控制方案则须实现两者的平衡。一方面，为了避免质子交换膜脱水，一种常见措施是将反应气体进行増湿。为此，目前商业化的燃料电池系统中往往包含额外増湿器，虽然起到了増湿作用，但増湿器的存在增加了系统体积和复杂度。另一方面，由于燃料电池反应生成水沿着反应气体通道逐步富集，在流场尾部一般会形成包含反应尾气、液态水和水蒸气的汽液两相流体，随后汇集到出口通道中，形成饱和的汽水混合气体。有文献报道了通过构造电堆内部与阴极出口之间的水蒸气浓度梯度差，可加速电池内部的水蒸气的排出。但目前的实现方案主要是对燃料电池尾气进行冷凝，水蒸气从高温区流向低温区，在低温区换热器内被冷凝成液态水，同时电池内部的液态水不断蒸发成水蒸气以维持平衡，从而将电堆内部的液态水转移到换热器中，达到缓解电堆“水淹”的目的。这种方案无疑增加了系统复杂度，如果采用主动式换热器，也将增加系统的寄生功率。
发明内容
本发明就是针对现有技术存在的上述不足，提供一种氢燃料电池自増湿结构，能够有效解决燃料电池气体増湿问题。
本发明还提供一种氢燃料电池系统。
为实现上述目的，发明提供如下技术方案：
一种氢燃料电池自増湿结构，包括增湿通道、渗透膜和尾气流动通道，所述增湿通道与尾气流动通道贴合，所述增湿通道与尾气流动通道之间设有渗透膜增湿通道与尾气流动通道内的气体流动方向相反，所述增湿通道与尾气流动通道上均设置用于控制流速的阀门。
优选的，所述渗透膜为改性高吸水性树脂和全合成高吸水性树脂。
优选的，所述增湿通道的进气端连接空压机或风机。
优选的，所述增湿通道的进气端连接风机。
一种氢燃料电池系统，包括燃料电池电堆、输送管道和权所述自増湿结构，所述染料电池电堆的底部设有输送管道，所述输送管道与自增湿结构连通。
优选的，所述燃料电池电堆包括流场单元结构，所述流场单元结构包括阴极气体流道，所述阴极气体流道的一端为阴极空气进口，所述阴极气体流道的另一端连接尾气流动通道，所述输送管道的一端与阴极空气进口连接，输送管道的另一端与增湿通道连通，增湿通道与尾气流动通道之间设有渗透膜。
优选的，所述尾气流动通道的末端连接引流泵。
优选的，所述尾气流动通道的末端设置阀门。
优选的，所述增湿通道与尾气流动通道均为矩形管。
与现有技术相比，发明的有益效果是：
1、本发明能够有效解决燃料电池气体増湿问题，同时避免采用额外的増湿器，降低了系统复杂度和体积；进一步增加了燃料电池尾气区域的水蒸气真空度，提高了电池内部水蒸气的排出能力，强化了排水性能。
2、本发明实现了进气増湿的功能的同时强化了尾气排水能力，也降低了系统复杂度和体积。
3、本发明所述的自増湿系统中，尾气流动通道末端可接引流泵或阀门，用于调节尾气流动通道中的气体流速和压力，进而调整进气増湿通道内的气体湿度。
附图说明
图1为自增湿结构的结构示意图；
图2为包含自増湿结构的氢燃料电池流场单元结构；
图3为包含自増湿结构的氢燃料电池堆结构示意图。
图中：1-尾气流动通道；2-渗透膜；3-增湿通道；4-阴极气体流道；5-阴极空气进口；6-燃料电池电堆；7-输送管道。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一，
如图1所示，一种氢燃料电池自増湿结构，包括增湿通道3、渗透膜2和尾气流动通道1，所述增湿通道3与尾气流动通道1贴合，所述增湿通道3与尾气流动通道1之间设有渗透膜2增湿通道3与尾气流动通道1内的气体流动方向相反，所述增湿通道3与尾气流动通道1上均设置用于控制流速的阀门。
所述渗透膜2为改性高吸水性树脂，所述增湿通道3的进气端连接空压机。
采用本发明所述结构及系统，能够有效解决燃料电池气体増湿问题，同时避免采用额外的増湿器，降低了系统复杂度和体积；进一步增加了燃料电池尾气区域的水蒸气真空度，提高了电池内部水蒸气的排出能力，强化了排水性能。
在燃料电池尾气流动通道1中布置渗透膜2，用于隔离尾气区域和进气区域。渗透膜2能够收集尾气区域中的水蒸气，使其凝结渗透至进气区域，用于进气的増湿。而尾气区域的水蒸气浓度下降，加速了电池内部水蒸气的排出。燃料电池工况变化时，进气量及所需的加湿水量均发生变化，可增加三通阀对尾气排放进行反馈控制，从而实现稳定的自増湿。本发明所述的自増湿结构及系统，实现了进气増湿的功能的同时强化了尾气排水能力，也降低了系统复杂度和体积。
实施例二，
如图1所示，一种氢燃料电池自増湿结构，包括增湿通道3、渗透膜2和尾气流动通道1，所述增湿通道3与尾气流动通道1贴合，所述增湿通道3与尾气流动通道1之间设有渗透膜2增湿通道3与尾气流动通道1内的气体流动方向相反，所述增湿通道3与尾气流动通道1上均设置用于控制流速的阀门。
所述增湿通道3的进气端连接空压机。
在本实施例中，所述渗透膜2为全合成高吸水性树脂。
实施例三，
如图1所示，一种氢燃料电池自増湿结构，包括增湿通道3、渗透膜2和尾气流动通道1，所述增湿通道3与尾气流动通道1贴合，所述增湿通道3与尾气流动通道1之间设有渗透膜2增湿通道3与尾气流动通道1内的气体流动方向相反，所述增湿通道3与尾气流动通道1上均设置用于控制流速的阀门。
所述渗透膜2为改性高吸水性树脂。
在本实施例中，所述增湿通道3的进气端连接风机。
实施例四，
一种氢燃料电池系统包括燃料电池电堆、输送管道7和所述自増湿结构，所述染料电池电堆6的底部设有输送管道7，所述输送管道7与自增湿结构连通。
所述燃料电池电堆包括流场单元结构，所述流场单元结构包括阴极气体流道4，所述阴极气体流道4的一端为阴极空气进口5，所述阴极气体流道4的另一端连接尾气流动通道1，所述输送管道7的一端与阴极空气进口5连接，输送管道7的另一端与增湿通道3连通，增湿通道3与尾气流动通道1之间设有渗透膜2。
所述尾气流动通道1的末端连接引流泵，尾气流动通道1的末端设置阀门。
本发明所述的氢燃料电池自増湿结构中尾气流动通道1、进气通道及渗透膜2结构如图1所示。含水(水蒸气和液态水)尾气与干燥的新鲜空气分别通过尾气流动通道1和进气増湿通道逆向流动，水蒸气和液态水通过渗透膜2渗透至较为干燥的进气母管道，从而对进气进行加湿。
自増湿的目的是简化燃料电池系统复杂度，减小体积。将图1所示的结构应用至电堆上，如图3所示，其中尾气流动通道1汇集了各个燃料电池单元的阴极反应尾气，其成分主要是未反应的氧气、氮气、水蒸气及液态水。新鲜空气来自于空压机或风机，进入増湿通道并被加湿，然后通过输送管道7送至电堆的阴极进口，然后进入电堆参加反应。进气的増湿意味着尾气的脱湿，因此，在燃料电池尾气流动通道1内水蒸气分压因水分的移除而降低，而电堆内部的，尤其是尾部反应气体通道内，富含反应生成水，仍然处于水蒸气饱和状态，在电堆内部与尾气流动通道1之间形成了显著的水蒸气浓度差和压差，如此便有利于液态水的汽化和排出，增强了电堆排水性能。本发明所述的自増湿系统中，尾气流动通道1末端可接引流泵或阀门，用于调节尾气流动通道1中的气体流速和压力，进而调整进气増湿通道内的气体湿度。
为了进一步设计能够实现本发明所述的自増湿结构，图2给出了氢燃料电池阴极极板结构的设计示意图。其中阴极尾气流动通道1外侧设置进气増湿通道，两者之间用于布置渗透膜2。图2所示结构中，渗透膜2两侧的气密性要求无须过高，因为膜两侧的气体泄漏和混合不具有危险性。图3给出的尾气流动通道1和进气増湿通道均为矩形，事实上，为了调节増湿效果或为了加工的便利，尾气流动通道1和増湿通道可设计为任意形状，例如圆柱形、长方体形、半圆柱形、三棱柱形等，此时渗透膜2上具有更大的水蒸气渗透传输面积。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种氢燃料电池自増湿结构，其特征在于：包括增湿通道、渗透膜和尾气流动通道，所述增湿通道与尾气流动通道贴合，所述增湿通道与尾气流动通道之间设有渗透膜增湿通道与尾气流动通道内的气体流动方向相反，所述增湿通道与尾气流动通道上均设置用于控制流速的阀门。
2.如权利要求1所述的一种氢燃料电池自増湿结构，其特征在于：所述渗透膜为改性高吸水性树脂和全合成高吸水性树脂。
3.如权利要求1所述的一种氢燃料电池自増湿结构，其特征在于：所述增湿通道的进气端连接空压机或风机。
4.如权利要求1所述的一种氢燃料电池自増湿结构，其特征在于：所述增湿通道的进气端连接风机。
5.一种氢燃料电池系统，其特征在于：包括燃料电池电堆、输送管道和权利要求1-4任一项所述自増湿结构，所述染料电池电堆的底部设有输送管道，所述输送管道与自增湿结构连通。
6.如权利要求5所述的一种氢燃料电池系统，其特征在于：所述燃料电池电堆包括流场单元结构，所述流场单元结构包括阴极气体流道，所述阴极气体流道的一端为阴极空气进口，所述阴极气体流道的另一端连接尾气流动通道，所述输送管道的一端与阴极空气进口连接，输送管道的另一端与增湿通道连通，增湿通道与尾气流动通道之间设有渗透膜。
7.如权利要求6所述的一种氢燃料电池系统，其特征在于：所述尾气流动通道的末端连接引流泵。
8.如权利要求7所述的一种氢燃料电池系统，其特征在于：所述尾气流动通道的末端设置阀门。
9.如权利要求7所述的一种氢燃料电池系统，其特征在于：所述增湿通道与尾气流动通道均为矩形管。
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