CN1455470A - 一种可为燃料电池输送空气的高效节能风机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可为燃料电池输送空气的高效节能风机，包括风机叶轮、助推叶轮、分隔膜、壳体、电动机，所述的分隔膜将壳体分隔成左右两部分，在壳体的左部分设有助推叶轮，在壳体的右部分设有风机叶轮，在壳体外部靠风机叶轮一侧设有电动机，所述的风机叶轮、助推叶轮与电动机的输出轴同轴，所述的壳体的右部分的底部设有空气进口，其顶部设有可供进入燃料电池的空气出口，所述的壳体的左部分的底部设有由燃料电池排出的湿空气进口，其顶部设有与大气相通的排空口。与现有技术相比，本发明具有高效、节能、造价低、可增湿等优点。

Description

一种可为燃料电池输送空气的高效节能风机

技术领域

本发明涉及燃料电池的辅助设备，尤其涉及一种可为燃料电池输送空气的高效节能风机。

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，又可作手提式、移动式、固定式的发电装置。

质子交换膜燃料电池一般用氢气或含富态氢或醇类作燃料。在用作车、船动力系统或移动式、固定式发电站时一般用空气作氧化剂。

质子交换膜燃料电池用作车、船动力系统或移动式、固定式发电站时，必须包括电池堆，燃料供应，空气供应，冷却散热，自动控制及电能输出各个部分。其中空气供应是必不可少。质子交换膜燃料电池中的电化学反应随着燃料、氧化剂空气的压力提高而加快。

所以，空气供应的压力提高，燃料电池输出电能的性能会提高，但另一方面，向燃料电池输出空气的装置，如空气压缩机也要消耗很大一部分的能量，大约占燃料电池总输出的5～20％。为了提高整个燃料电池发电系统的整体能量效率，降低空气输送装置的能耗是至关重要的。

另外，目前质子交换膜燃料电池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时，容易将质子交换膜中的水分子带跑，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，使空气中的含水相对湿度提高，以免使质子交换膜失水。

目前可以用于质子交换膜燃料电池发电系统空气输送的装置主要有以下二类：

(1)借助于容积的变化来实现空气压缩的压缩机，例如涡旋空气压缩机、螺杆式空气压缩机、活塞式空气压缩机。

(2)借助于快速运动的空气来实现空气压缩的风泵或风机，例如高压、中压、低压鼓风机、滑片式风泵等。

目前，第一类空气压缩机可以实现高压空气输送给燃料电池，一般可达1.5至5个大气压(相对压力)，但这类空气压缩机由于空气压缩比较大，压缩热也较大，导致压缩机功耗较大，虽然质子交换膜燃料电池由于空气压力增高而性能提高，但整个燃料电池发电系统的能量转换效率反而降低。

为了降低这类空气压缩机的功耗，目前往往与空气压缩机配套一个同轴的热膨胀机，将燃料电池中排出的热空气通过热膨胀机，达到回收能量，降低整体空气压缩机的功耗。目前美国的Vairex公司研制的专门为质子交换膜燃料电池输送空气的空压机就是利用上面原理，达到低能耗，工作压力可达到5个大气压(相对压力)。

第二类压缩机空气机械实际上是鼓风机，这一类压缩空气机械也可以实现低压或中压空气输送给燃料电池，空气压力一般不超过1.5个大气压(相对压力)，对一般鼓风机来说，空气压力就更低，工作压力一般在1～0.05个大气压之间(相对)。

第一类空气压缩机可以实现高压向燃料电池输送空气，并可配套一个与空压机同轴的热膨胀机，实现降低整体空气压缩机的功耗，但有许多难以克服的缺点：

(1)借助于容积的变化来实现空气压缩的压缩机，例如涡旋空气压缩机、螺杆式空气压缩机等加工精度要求很高，因此造价较高。

(2)实现高压向燃料电池输送空气时，对管路、接头、阀门以及控制系统要求也很高，因此造价也较高。

(3)实现高压向燃料电池输送空气时，燃料电池运行的危险性大大增加，安全性降低。

(4)噪声比较大。

第二类空气压缩机械是靠空气快速流动来实现空气压缩机的，如鼓风机、风泵等，可以实现向燃料电池低压或中压(工作压力在0.05～1.5个大气压相对压力)，输送空气，但也有缺点：

(1)向燃料电池输送空气时往往是相对压力低(0.05～1.5个大气压)，但空气流量大，很容易将质子交换膜燃料电池中的质子交换膜中的水分子带跑，导致电极内阻急剧增加，电池性能急剧下降。

(2)向燃料电池输送空气时虽然相对压力低(0.05～1.5个大气压)，但由于流量大，对整个鼓风机空气传输系统的能耗仍然高。

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可为燃料电池输送空气的高效节能风机，该风机造价低，还具有增湿功能。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种可为燃料电池输送空气的高效节能风机，其特征在于，包括风机叶轮、助推叶轮、分隔膜、壳体、电动机，所述的分隔膜将壳体分隔成左右两部分，在壳体的左部分设有助推叶轮，在壳体的右部分设有风机叶轮，在壳体外部靠风机叶轮一侧设有电动机，所述的风机叶轮、助推叶轮与电动机的输出轴同轴，所述的壳体的右部分的底部设有空气进口，其顶部设有可供进入燃料电池的空气出口，所述的壳体的左部分的底部设有由燃料电池排出的湿空气进口，其顶部设有与大气相通的排空口。

还包括一空气过滤器，该空气过滤器设在壳体右部分底部空气进口的前面。

所述的分隔膜为只透水分子而不透气体分子的分隔膜。

所述的分隔膜为高分子质子交换膜。

所述的分隔膜为聚苯乙烯磺酸类质子交换膜。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及效果：

(1)实现向燃料电池低压输送空气，燃料电池运行压力低，对管道、阀件要求低，使各种部件价格大大降低。

(2)风机本身制造简单，价格低。

(3)燃料电池运行压力低，安全性好。

(4)进入燃料电池的空气已经增湿不会导致燃料电池的质子交换膜失水。

(5)可以回收燃料电池中出来的饱和水热空气能量，使整个风机能耗降低。

(6)运行噪声低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明与燃料电池连接的结构示意图；

图3为本发明助推叶轮的结构示意图；

图4为本发明风机叶轮的结构示意图。

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，一种可为燃料电池输送空气的高效节能风机，包括风机叶轮1、助推叶轮2、分隔膜3、壳体4、电动机5、空气过滤器6，所述的分隔膜3将壳体4分隔成左右两部分，在壳体4的左部分设有助推叶轮2，在壳体4的右部分设有风机叶轮1，在壳体4外部靠风机叶轮1一侧设有电动机5，所述的风机叶轮1、助推叶轮2与电动机5的输出轴同轴，所述的壳体4的右部分的底部设有空气进口7，其顶部设有可供进入燃料电池的空气出8，所述的空气过滤器6设在空气进口7的前面，空气经空气过滤器6过滤后进入风机的空气进口7，所述的壳体4的左部分的底部设有由燃料电池排出的湿空气进口9，其顶部设有与大气相通的排空口10。

如图2所示，电动机5高速旋转带动风机叶轮1快速旋转，从大气中空气经过空气过滤器6吸入风机并产生快速流动的空气流，从风机出口8出来并从燃料电池11空气进口进入质子交换膜燃料电池，经过电化学反应后产生大量的水与热量，变成饱和水热空气及一些水，从燃料电池空气出口出来，又重新进入风机进口9，当这些热空气及水蒸气及水穿过助推叶轮2(图3)时，将叶轮助推旋转，由于助推叶轮2、风机叶轮1及电动机5都同轴，因此减少了电动机的能耗，以达到节能目的。另外，助推叶轮2与风机叶轮1由一张可以自由透水分子但不可以透过任何气体分子的分隔膜3分隔，这种膜可以杜邦公司的Nafion®质子交换膜或其他聚苯乙烯磺酸类质子交换膜，这种离子交换膜可以让饱和水蒸气的水分很快扩散透过膜，从助推叶轮2这一面到达风机叶轮1(图4)，并与大气中吸入的干燥空气混合成为有一定相对湿度的空气进入燃料电池。风机材料，包括助推叶轮2，风机叶轮1及主轴的材料均应抗腐蚀，无离子产生的材料，如不锈钢，高性能工程塑料，陶瓷等材料。

Claims (5)

1.一种可为燃料电池输送空气的高效节能风机，其特征在于，包括风机叶轮、助推叶轮、分隔膜、壳体、电动机，所述的分隔膜将壳体分隔成左右两部分，在壳体的左部分设有助推叶轮，在壳体的右部分设有风机叶轮，在壳体外部靠风机叶轮一侧设有电动机，所述的风机叶轮、助推叶轮与电动机的输出轴同轴，所述的壳体的右部分的底部设有空气进口，其顶部设有可供进入燃料电池的空气出口，所述的壳体的左部分的底部设有由燃料电池排出的湿空气进口，其顶部设有与大气相通的排空口。

2.根据权利要求1所述的一种可为燃料电池输送空气的高效节能风机，其特征在于，还包括一空气过滤器，该空气过滤器设在壳体右部分底部空气进口的前面。

3.根据权利要求1所述的一种可为燃料电池输送空气的高效节能风机，其特征在于，所述的分隔膜为只透水分子而不透气体分子的分隔膜。

4.根据权利要求3所述的一种可为燃料电池输送空气的高效节能风机，其特征在于，所述的分隔膜为高分子质子交换膜。

5.根据权利要求4所述的一种可为燃料电池输送空气的高效节能风机，其特征在于，所述的分隔膜为聚苯乙烯磺酸类质子交换膜。

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