CN114243059A - 一种内增湿燃料电池电堆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种内增湿液冷燃料电池电堆，一个电堆分为两段，一段是反应后的含有水蒸汽的湿空气增湿新鲜干空气的增湿段，另一段是发生氢氧电化学反应产生电能的反应段，增湿段位于反应段和电堆的空气进出端板之间；可以通过改变增湿段增湿膜两侧流场的流道截面积方法，促使空气向增湿膜扩散，提高增湿效果；反应段的空气流场也可以通过改变流道截面积，促使空气向膜电极扩散，提高电池性能。本发明取消了外增湿器和增湿保温管路，简化了系统结构，提高了系统集成度和系统体积比功率、重量比功率；减少了燃料电池两端的单电池性能衰减的边缘效应，保持每节电池中的气体和水分布的均匀性，提高了电堆的一致性，进一步促进燃料电池长期稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及用于燃料电池技术领域，具体涉及一种适用于液冷燃料电池的增湿技术。
背景技术
国家在“双碳”政策指引下，氢能的利用受到极大关注与重视。燃料电池是利用氢能的最为理想方式之一。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种可以快速启动的低噪音、高能量转换效率的零排放发电装置，可广泛用于车用动力电源、固定式电站、航空动力电源、水下动力电源、移动电源、便携电源等，满足多领域的用电需要，是最接近于实际应用的燃料电池之一。
在质子交换膜燃料电池中，电解质为具有质子传递性能的质子交换膜，目前广泛采用的是全氟磺酸膜。质子在电解质膜中的传递要依靠水分子作为传导载体，所以，质子交换膜中的水含量对燃料电池的性能有非常大的影响，膜中水处于饱和状态时具有最佳的质子电导性，同时燃料电池发挥最好的发电性能。因此，对质子交换膜进行增湿或者保湿是质子交换膜燃料电池中的必然选择。
目前，传统的质子交换膜燃料电池增湿技术为有源增湿方式，即从外界提供水源。增湿方法有鼓泡增湿、喷淋增湿、膜增湿、露点加湿、直接注水等，按照与电堆的集成紧密程度可分为外增湿与内增湿两类：外增湿是将增湿子系统与电池分开，在反应气体之前进行增湿；内增湿是将增湿子系统与电池集成为一体，在反应气体进入电池之后进行增湿。
有用外加水源对燃料电池电堆进行增湿的情况，这就必须要构建水路系统，至少需要水箱、水循环管路、泵、阀门的相关组件，同时需要对水位进行监控，在水箱水位不足时进行补水。然而，由于燃料电池在工作时氢气和氧气反应生成水，产生的水可以经过汽水分离后循环到水箱，外加水增湿带来了系统的复杂性。对于燃料电池而言，水所起的作用在于保持膜的润湿性，以保持良好的离子导电性能。在现实中，电堆电化学反应产生的水足够给新鲜空气增湿。所以回收燃料电池阴极尾气中的水蒸汽给新鲜干空气进行增湿就非常重要了。回收尾气中的水蒸汽用于增湿进气，有利于简化系统，降低系统内部辅机功耗，提供全系统的功率密度。
目前市场上普遍采用膜增湿器利用含水蒸汽尾气对进电池的干空气进行增湿。膜增湿器内部装有中空纤维管，新鲜干空气走中空纤维管管内，燃料电池阴极尾气走管外。燃料电池尾气中的水蒸汽在中空纤维管的外管壁上凝结下来形成水膜，水通过管壁进入管内加湿新鲜干空气，达到增湿的目的。新鲜干空气被增湿后需要经过保温管道输送到燃料电池，避免水蒸汽冷凝。同时，增湿后的空气进入电堆的公共管道中，再通过每节电池上的分配通道进入到流场中。由于增湿后的新鲜干空气从公共管道进入到电池流场的过程中水蒸汽会在气体分配通道中部分凝结，要保持进入到每节电池的气体保持在相同的湿度水平是很难做到的。由于气体分配的不均匀性，容易造成每节电池性能的差异，这种差异在电堆长时间工作后会得到放大。经过实验证明，处于燃料电池两端的单电池性能衰减的几率和幅度都要比处于中部的单电池要大。所以，如何保持每节电池中的气体和水分布的均匀性是燃料电池长期稳定运行需要解决的一个关键问题。
发明内容
针对实际使用中的液冷型燃料电池所存在增湿不充分、一致性不高，导致电池性能不高等问题，本发明将一个电堆分为两段，第一段为增湿段，第二段为反应段。这保证了电堆增湿的充分性，并维持增湿温度与电池反应温度趋于一致，避免了温度降低所引起的水蒸汽凝结，因此制造和后续的装配工序都相对简单，非常适于大规模加工制造同时降低成本，并可得到大规模实际应用。本发明简化了系统结构，进一步了提高系统的质量比功率和体积比功率。
本发明技术方案具体如下：
一种内增湿液冷燃料电池电堆，所述电堆从一侧至另一侧依次设有端板I、增湿段、隔板、反应段、端板II，所述增湿段包括一个或多个增湿单元，每个增湿单元包括依次设置的增湿板反面流场、增湿膜和增湿板正面流场；所述增湿板反面流场通入反应后的湿空气，所述增湿板正面流场通入未反应的干空气，所述增湿膜为导水阻气膜，用于将湿空气中的水分传递给干空气；所述反应段包括集流板、多个双极板与膜电极交互叠放组成的重复单元、另一侧的集流板，所述反应段通过发生氢氧电化学反应产生电能。
基于上述方案，优选地，通过改变增湿段增湿膜两侧流场的流道截面积方法，促使空气向增湿膜扩散，提高增湿效果；反应段的空气流场也可以通过改变截面积，促使空气向膜电极扩散，提高电池性能。
基于以上技术方案，优选地，所述改变增湿段增湿膜两侧流场的流道截面积方法，可以通过改变流道的宽度，也可以通过改变流道的深度实现。改变流道的宽度，可以通过重复设置多个流道加宽段和流道减窄段实现，同时要顾及到流场脊沟比例，避免膜两侧流场对膜的剪切；改变流道的深度时，主要是在流道内增加凸点或成凸台，其高矮以不要过度增加气体流通阻力为原则。
基于以上技术方案，优选地，所述增湿板正面流场和反面流场内的流道呈一次或多次折返型分布。
基于以上技术方案，优选地，所述增湿膜两侧流道内的气体呈逆流流向。
基于以上技术方案，优选地，所述增湿段的各增湿单元之间串联或并联，或部分增湿单元串联后再并联，增湿单元之间串联提高了增湿效果，但是多次折返也增加了空气传输阻力。
基于以上技术方案，优选地，所述反应段和增湿段共用增湿后的空气管道和反应后的空气管道，减少传输阻力；所述增湿后的空气管道将增湿段增湿后的空气传输至反应段，所述反应后的空气管道将反应段反应后的空气传输至增湿段。
基于以上技术方案，优选地，所述气体公共管道在双端的双极板板型，采用氢气进出口和冷却液进出口位于端板II上，干空气进口和电堆尾气出口位于端板I上；气体公共管道在四周的双极板板型，可以采用氢气进出口、冷却液进出口以及干空气进口以及电堆尾气出口在同一个端板上。
基于以上技术方案，优选地，所述导水阻气膜，可以为全氟磺酸膜、磺化聚酰亚胺膜、磺化聚砜膜、聚醚砜膜、磺化聚醚砜膜、磺化聚苯砜膜、磺化聚醚醚酮膜中的一种或多种。
本发明优点：
1.本发明取消了外增湿器和增湿保温管路，简化了系统结构，提高了系统集成度和系统体积比功率、重量比功率；
2.本发明减少了燃料电池两端的单电池性能衰减的边缘效应，保持每节电池中的气体和水分布的均匀性，提高了电堆的一致性，进一步促进燃料电池长期稳定运行；
3.本发明采用变流场流道截面积的方法提高了增湿效果和电池性能。
附图说明
图1为内增湿燃料电池电堆示意图；
图2为增湿流场板示意图；
图3为增加凸点改变流场流道深浅示意图；
图4为改变流场流道宽窄示意图；
图5为改变流场流道宽窄示意图；
图6为内增湿燃料电池电堆性能；
图7为内增湿燃料电池电堆示意图；
图8为增湿流场板示意图；
图9为内增湿燃料电池电堆性能；
示意图说明：
A新鲜干空气；B电堆尾气；C增湿后的空气；D反应后的湿空气；
1.增湿段；2.反应段；3.绝缘端板；4.增湿板(显示背面流场)；5.增湿膜；6.增湿板(显示正面流场)；7.绝缘分隔板；8.集流板；9.双极板；10.膜电极；11.双极板；12.集流板；13.绝缘端板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
双极板两端为气体公共管道的板型。按照图1组装出质子交换膜燃料电池电堆，电堆由增湿段1和反应段2构成，电堆的两端是只带有空气进出口的绝缘端板3和带有氢气进出口、冷却剂进出口的绝缘端板13。增湿段1主要由至少一片增湿膜5(m片)和增湿膜两侧的增湿板4、6(m+1个)组成；反应段2主要由至少一片膜电极10(n片)，膜电极两侧的双极板9、11(n+1个)，以及集流板8、12组成。增湿段1和反应段2之间用绝缘分隔板7分隔。
新鲜干空气A经绝缘端板3的空气接口进入电堆增湿段1，在增湿板6的正面流场与增湿膜5接触，增湿板6的正面流场如图2中的图2-1所示，新鲜干空气A流入流场与增湿膜5接触成为增湿后的空气C进入增湿段1与反应段2公用的公共管道到达反应段2的双极板11的空气入口，流经双极板的空气流场同时参与电化学反应，带走更多的反应生成水，反应后的空气D进入反应段2与增湿段1公用的公共管道到达增湿段1的增湿板4的背面流场如图2中的图2-2所示，反应后的空气D流入流场与增湿膜5接触，成为电堆尾气B，从电堆排出。
在制备过程中，每个增湿板的正反两面都制备出流场，如图2所示的2-1和2-2，每两个增湿板之间为增湿膜，也就是说，增湿膜两侧的流场和每片增湿板的正反两面的流场是一致的，两侧流道内的气体流向呈逆流方向，以提高增湿效果。
电化学反应后带有更多的反应生成水形成反应后的空气D流经增湿板4的背面流场(图2-2)，将水传输给增湿膜5，增湿膜5再将水传输给流经相邻增湿板6正面流场(图2-1)的新鲜干空气A，这样新鲜空气A被增湿后形成增湿后的空气C，进入反应段参与电化学反应。增湿膜5是一种阻气导水膜，阻止膜两侧气体互窜，同将水传到另一侧。本实施例所用的增湿膜为磺化聚醚砜膜。
改变流道截面积，可以改变气体的局部阻力，进一步转化为局部压力，可以促使气体向膜表面的纵向扩散，提高增湿效果。图3中，在流道内通过增加凸点改变流道深浅改变截面积。图4和图5中，是通过改变流道宽窄来改变流道的截面积。
按照本发明技术，组装增湿膜为磺化聚醚砜膜的30节相并联的增湿单元，增湿段流场流道内增加凸点(图3所示)，正常深度为0.5mm，凸点处深度为0.25mm；反应段为145节燃料电池电堆，电极有效面积300cm2。以氢气为燃料，以空气为氧化剂，氢气操作压力为1.2bar，空气压力为1.0bar，空气化学计量比为2；冷却介质为去离子水，进口温度为65℃，出口温度为70℃，电池性能如图6所示，最大可以输出40kW。
实施例2
双极板四周为气体公共管道的板型。按照图7组装出质子交换膜燃料电池电堆，电堆由增湿段1和反应段2构成，电堆的一端是带有空气进出口、氢气进出口、冷却剂进出口的绝缘端板3，另一端为平面绝缘端板13。增湿段1主要由至少一片增湿膜5(m片)和增湿膜两侧的增湿板4、6(m+1个)组成；反应段2主要由至少一片膜电极10(n片)，膜电极两侧的双极板9、11(n+1个)，以及集流板8、12组成。增湿段1和反应段2之间用绝缘分隔板7分隔。
新鲜干空气A经绝缘端板3的空气接口进入电堆增湿段1，在增湿板4的背面流场与增湿膜5接触，增湿板4的背面流场如图8中的图8-1所示，新鲜干空气A流入流场与增湿膜5接触成为增湿后的空气C进入增湿段1与反应段2公用的公共管道到达反应段2的双极板11的空气入口，流经双极板的空气流场同时参与电化学反应，带走更多的反应生成水，反应后的空气D进入反应段2与增湿段1公用的公共管道到达增湿段1的增湿板6的正面流场如图8中的图8-2所示，反应后的空气D流入流场与增湿膜5接触，成为电堆尾气B，从电堆排出。
在制备过程中，每个增湿板的正反两面都制备出流场，如图8所示的8-1和8-2，每两个增湿板之间为增湿膜，也就是说，增湿膜两侧的流场和每片增湿板的正反两面的流场是一致的，两侧流道内的气体流向呈逆流方向，以提高增湿效果。
电化学反应后带有更多的反应生成水形成反应后的空气D流经增湿板6的正面流场(图8-2)，将水传输给增湿膜5，增湿膜5再将水传输给流经相邻增湿板4背面流场(图8-1)的新鲜干空气A，这样新鲜空气A被增湿后形成增湿后的空气C，进入反应段参与电化学反应。增湿膜5是一种阻气导水膜，阻止膜两侧气体互窜，同将水传到另一侧。本实施例所用的增湿膜为全氟磺酸膜。
改变流道截面积，可以改变气体的局部阻力，进一步转化为局部压力，可以促使气体向膜表面的纵向扩散，提高增湿效果。图4和图5中，是通过改变流道宽窄来改变流道的截面积。
按照本发明技术，组装增湿膜为全氟磺酸膜的10节相并联的增湿单元，增湿段内通过改变流场流道宽度改变截面积(如图4所示)，正常宽度为1.0mm，宽处变为1.2mm，窄处变为0.8mm；反应段为50节燃料电池电堆，电极有效面积300cm2。以氢气为燃料，以空气为氧化剂，氢气操作压力为1.2bar，空气压力为1.0bar，空气化学计量比为2；冷却介质为去离子水，进口温度为65℃，出口温度为70℃，电池性能如图9所示，最大可以输出15kW。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种内增湿液冷燃料电池电堆，其特征在于：所述电堆从一侧至另一侧依次设有端板I、增湿段、隔板、反应段、端板II，所述增湿段包括一个或多个增湿单元，每个增湿单元包括依次设置的增湿板反面流场、增湿膜和增湿板正面流场；所述增湿板反面流场通入反应后的湿空气，所述增湿板正面流场通入未反应的干空气，所述增湿膜为导水阻气膜，用于将湿空气中的水分传递给干空气；所述反应段包括集流板、多个双极板与膜电极交互叠放组成的重复单元、另一侧的集流板，所述反应段通过发生氢氧电化学反应产生电能。
2.按照权利要求1所述的内增湿液冷燃料电池电堆，其特征在于：通过改变增湿板正面流场和反面流场内流道的宽度或深度改变流道截面积。
3.按照权利要求2所述的内增湿液冷燃料电池电堆，其特征在于：通过在所述流道内间隔设置凸起改变流道深度，通过重复设置多个流道加宽段和流道减窄段改变流道宽度。
4.按照权利要求1所述的内增湿液冷燃料电池电堆，其特征在于：所述增湿板正面流场和反面流场内的流道呈一次或多次折返型分布。
5.按照权利要求1所述的内增湿液冷燃料电池电堆，其特征在于：所述增湿膜两侧流道内的气体呈逆流流向。
6.按照权利要求1所述的内增湿液冷燃料电池电堆，其特征在于：所述增湿段的各增湿单元之间串联或并联，或部分增湿单元串联后再并联。
7.按照权利要求1所述的内增湿液冷燃料电池电堆，其特征在于：所述反应段和增湿段共用增湿后的空气管道和反应后的空气管道；所述增湿后的空气管道将增湿段增湿后的空气传输至反应段，所述反应后的空气管道将反应段反应后的空气传输至增湿段。
8.按照权利要求1所述的内增湿液冷燃料电池电堆，其特征在于：双极板两端为气体公共管道的板型，氢气进出口和冷却液进出口位于端板II上，干空气进口和电堆尾气出口位于端板I上；双极板四周为气体公共管道的板型，氢气进出口、冷却液进出口、干空气进口以及电堆尾气出口分布在同一个端板上。
9.按照权利要求1所述的内增湿液冷燃料电池电堆，其特征在于：所述增湿膜为全氟磺酸膜、磺化聚酰亚胺膜、磺化聚砜膜、聚醚砜膜、磺化聚醚砜膜、磺化聚苯砜膜、磺化聚醚醚酮膜中的一种或多种。
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