CN1320678C - 一种用于燃料电池的增湿装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池的高效增湿装置，包括一外壳、一内胆、一电动机；所述的外壳及内胆为柱状体，该外壳及内胆底部左、右两边各设有一湿空气出口、湿空气进口，其顶部左、右两边各设有一干空气进口、干空气出口，所述的内胆内设有填料，其中间设有隔板，所述的电动机通过其传动轴驱动内胆旋转。与现有技术相比，本发明具有运行成本低、操作方便等优点。

Description

一种用于燃料电池的增湿装置

技术领域

本发明涉及燃料电池的辅助设备，尤其涉及一种用于燃料电池的高效增湿装置。

背景技术

电化学燃料电池是一种能够将氢燃料及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学反应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。

在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。

在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。

在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：

阳极反应：

阴极反应：

在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导膜电极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导膜电极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导膜电极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流极板与阴极氧化剂的导流极板。这些导流极板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流极板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。

为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。

一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或由甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组后进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。

质子交换膜燃料电池可用作一切车、船等运载工具的动力系统，又可用作手提式、移动式、固定式的发电装置。

质子交换膜燃料电池中核心部件是膜电极，而质子交换膜又是膜电极中的核心部件。

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，当大量干燥的空气向燃料电池供应、并离开燃料电池时，容易将质子交换膜中的水分子带跑，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空气一般来说需要经过增湿，使进入燃料电池的空气相对湿度提高，以免使质子交换膜失水。

目前应用子质子交换膜燃料电池增湿装置主要有两种：

(1).干空气与纯净水进入燃料电池前，通过增湿装置进行直接碰撞后使水分子与空气分子呈混合均匀的气态空气、水分子，进入燃料电池时，是达到一定相对湿度的空气。

(2).干空气与纯净水在进入燃料电池前在增湿装置并没有直接接触，而是由一层可以让水分子自由透过但不让气体分子透过的膜分隔开来，当膜一边流过干空气，而膜另一边流过纯净水时，水分子就会自动从膜一边透过膜另一边，使空气分子与水分子混合达到一定的相对湿度的空气。这种膜可以是质子交换膜，如杜帮公司的nafion膜等。

以上两种增湿方法有以下不可克服的缺陷：

(1).上述两种增湿装置需要外加提供纯净水，提供纯净水主要靠水泵、管路等器件来控制，这大大增加增湿装置的复杂性，并增加了能耗。

(2).向增湿装置外加提供纯净水时，由于纯净水不断消耗，必须及时补给，这造成燃料电池运行过程的成本很高，且操作不便。

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成本较低、操作方便的用于燃料电池的高效增湿装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于燃料电池的高效增湿装置，其特征在于，包括一外壳、一内胆、一电动机；所述的外壳为柱状体，其底部左、右两边各设有一湿空气出口、湿空气进口，其顶部左、右两边各设有一干空气进口、干空气出口，外壳的顶部中央还设有一中心孔；所述的内胆设在外壳内，其亦为与外壳相应的柱状体，其底部左、右两边各设有一与外壳湿空气出口、湿空气进口相对应的空气出口、空气进口，其顶部左、右两边各设有一与外壳体干空气进口、干空气出口相对应的空气进口、空气出口，所述的内胆中间设有隔板，该隔板将内胆分隔成相等的左、右两半，在隔板的左半部、右半部内设有亲水性的多孔性填料；所述的电动机外设于外壳的顶部，其传动轴穿设于外壳顶部中央的中心孔，并与内胆固定连接；电动机通过其传动轴驱动内胆旋转；所述的外壳底部的湿空气出口外接燃料电池的空气进口，所述的外壳底部的湿空气进口外接燃料电池的空气出口；当燃料电池排出的剩余空气和生成水由增湿装置的湿空气进口进入后，沿内胆右半部前进，设于内胆内的填料会让空气通过而使水截流下来，达到饱和状态后，电动机驱动内胆旋转180°，右半部内胆转到左半部位置，当干空气从增湿装置的干空气进口进入后，沿内胆左半部前进，正好与截流下来的水相遇，变成湿空气从湿空气出口出来进入燃料电池。

所述的外壳与内胆为圆柱体。

所述的外壳与内胆相对应的空气进、出口之间设有密封圈。

所述的电动机的传动轴穿设于内胆中央，并与内胆焊接成一体。

所述的外壳底部中央设有一轴承座，所述的传动轴的顶端设在该轴承座中。

所述的填料可以选自硅胶、多孔陶瓷或多孔玻璃中的一种或几种，或其它吸水材料。

本发明由于采用了以上技术方案，即将燃料电池运行过程生成的水排入增湿装置重复使用，因此不需要外加额外高能耗动力设备，如水泵等，也不需要向该增湿装置补给纯净水，从而可以节约能源，同时大大降低燃料电池的运行成本，还使过程操作非常方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种用于燃料电池的高效增湿装置，包括一外壳1、一内胆2、一电动机3；所述的外壳1为圆柱体，其底部左、右两边各设有一湿空气出口11、湿空气进口12，其顶部左、右两边各设有一干空气进口13、干空气出口14，外壳的顶部中央还设有一中心孔15，外壳的底部中央设有一轴承座(图未示)；所述的内胆2设在外壳1内，其亦为与外壳相应的圆柱体，所述的内胆2底部左、右两边各设有一与外壳湿空气出口11、湿空气进口12相对应的空气出口21、空气进口22，在外壳1与内胆2相对应的空气进出口11与21以及12与22之间设有密封圈(图未示)，所述的内胆2顶部左、右两边各设有一与外壳干空气进口13、干空气出口14相对应的空气进口23、空气出口24，在外壳1与内胆2相对应的干空气进出口13与23以及14与24之间亦设有密封圈(图未示)，所述的内胆2中间设有隔板25，该隔板25将内胆分隔成相等的左、右两半，在隔板的左半部、右半部内设有亲水性的多孔性填料26，该填料26选自硅胶、多孔陶瓷或多孔玻璃中的一种或几种；所述的电动机3外设于外壳1的顶部，其传动轴31穿过外壳顶部中央的中心孔15，以及内胆2中央，并与内胆2焊接成一体，所述的传动轴31的顶端设在外壳底部的轴承座中，电动机3通过其传动轴31驱动内胆2旋转；所述的外壳底部的湿空气出口11外接燃料电池4的空气进口41，所述的外壳底部的湿空气进口12外接燃料电池的空气出口42。

空气从燃料电池4的进口41进入燃料电池，发生电化学反应后，空气中的部分氧分子转化为水分子与过量未反应的空气从燃料电池的出口42排出燃料电池，当燃料电池排出的剩余空气和生成水由增湿装置的湿空气进口12进入后，沿内胆右半部前进，设于内胆内的填料26会让空气通过而使水截流下来，达到饱和状态后，电动机3驱动内胆2旋转180°，右半部内胆转到左半部位置，当干空气从增湿装置的干空气进口13进入后，沿内胆左半部前进，正好与截流下来的水相遇，变成湿空气从湿空气出口11出来进入燃料电池。

随着电动机3每隔一定时间不断旋转180°，干空气从进气口13进入时，总能与截留下来的燃料电池生成的水相遇，达到湿化目的，湿化后的空气由增湿装置的出气口11排出，再进入燃料电池进行电化学反应；而从燃料电池排出的水总可以在增湿装置中被截留下来，剩余空气从空气出口14排出该增湿装置。

Claims (6)

1.一种用于燃料电池的增湿装置，其特征在于，包括一外壳(1)、一内胆(2)、一电动机(3)；所述的外壳(1)为柱状体，其底部左、右两边各设有一湿空气出口(11)、湿空气进口(12)，其顶部左、右两边各设有一干空气进口(13)、干空气出口(14)，外壳的顶部中央还设有一中心孔(15)；所述的内胆(2)设在外壳(1)内，其亦为与外壳相应的柱状体，其底部左、右两边各设有一与外壳湿空气出口(11)、湿空气进口(12)相对应的空气出口(21)、空气进口(22)，其顶部左、右两边各设有一与外壳体干空气进口(13)、干空气出口(14)相对应的空气进口(23)、空气出口(24)，所述的内胆(2)中间设有隔板(25)，该隔板(25)将内胆分隔成相等的左、右两半，在隔板的左半部、右半部内设有亲水性的多孔性填料(26)；所述的电动机(3)外设于外壳(1)的顶部，其传动轴(31)穿设于外壳顶部中央的中心孔(15)，并与内胆(2)固定连接；电动机(3)通过其传动轴(31)驱动内胆(2)旋转；所述的外壳底部的湿空气出口(11)外接燃料电池的空气进口，所述的外壳底部的湿空气进口(12)外接燃料电池的空气出口；当燃料电池排出的剩余空气和生成水由增湿装置的湿空气进口(12)进入后，沿内胆右半部前进，设于内胆内的填料(26)会让空气通过而使水截流下来，达到饱和状态后，电动机(3)驱动内胆(2)旋转180°，右半部内胆转到左半部位置，当干空气从增湿装置的干空气进口(13)进入后，沿内胆左半部前进，正好与截流下来的水相遇，变成湿空气从湿空气出口(11)出来进入燃料电池。

2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的增湿装置，其特征在于，所述的外壳(1)与内胆(2)为圆柱体。

3.根据权利要求1所述的用于燃料电池的增湿装置，其特征在于，所述的外壳(1)与内胆(2)相对应的空气进、出口之间设有密封圈。

4.根据权利要求1所述的用于燃料电池的增湿装置，其特征在于，所述的电动机的传动轴(31)穿设于内胆中央，并与内胆焊接成一体。

5.根据权利要求4所述的用于燃料电池的增湿装置，其特征在于，所述的外壳(1)底部中央设有一轴承座，所述的传动轴(31)的顶端设在该轴承座中。

6.根据权利要求1所述的用于燃料电池的增湿装置，其特征在于，所述的填料选自硅胶、多孔陶瓷或多孔玻璃中的一种或几种。