CN1753223A - 一种高效的燃料电池增湿装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效的燃料电池增湿装置，包括燃料电池堆、供氢装置、冷却流体循环装置、空气压缩装置、水汽分离器、去离子器、去离子水水箱、喷水计量泵、喷水计量调节阀、高效空气增湿器，所述的高效空气增湿器设在空气压缩装置与燃料电池堆之间，来自空气压缩装置的高温干燥空气经过高效空气增湿器降温增湿后输入燃料电池堆使用。与现有技术相比，本发明可使进入燃料电池堆进行反应的空气温度与湿度得到有效控制，从而提高燃料电池的运行稳定性。

Description

一种高效的燃料电池增湿装置

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种高效的燃料电池增湿装置。

背景技术

电化学燃料电池是一种能够将氢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发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，每块导流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。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的流体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板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流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、固定式的发电装置时，必须包括电池堆、燃料氢气供应系统、空气供应子系统、冷却散热子系统、自动控制及电能输出各个部分。其中空气供应子系统是必不可少的。

质子交换膜燃料电池中电化学反应随着电极内的燃料、氧化剂浓度的提高而加快。所以用空气作氧化剂时，为了使电极阴极侧氧气浓度增加，必须做好二个方面，一方面是增加向燃料电池输送空气的压力，使氧气分压增加；另一方面是将电极阴极侧生成的水及时用过量的输送空气带跑，这样有利于氧气向电极反应区域扩散。所以一般来说当空气供应的压力提高并供应过量时，燃料电池输出性能会提高。但必须考虑到向燃料电池输送空气压力提高并供应过量的空气，会直接导致向燃料电池输送空气的装置(例如空气压缩机、空气泵、鼓风机)消耗的功率大大增加。从整个燃料电池动力系统或发电系统来看，系统中向燃料电池输送空气的装置也要消耗很大的一部分能量，大约占整个燃料电池系统总输出的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。另一方面，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水分子保湿。因为只有充分水化的质子才可以自由的穿过质子交换膜，从电极的阳极端到达电极的阴极端参加电化学反应。否则，当大量过量的干燥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，由于质子水化不充分无法自由穿过质子交换膜，导致电极内阻急剧增加，电极性能急剧下降。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、螺杆式空气压缩机等；

(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、低压鼓风机、滑片式风泵等。

这二类空气压缩装置用作向燃料电池输送空气的装置时都有以下共同缺点：

(1)当空气受到压缩时，空气温度会急剧升高。从常压空气压缩到绝对压力2个大气压，被压缩的空气温度会升高到一百多摄氏度。当压缩空气温度升高时，任何空气压缩装置的效率都降低，或能耗增大。

(2)当被压缩的空气达到一定的高温度时，例如高于80℃时，这种压缩空气无法直接进入燃料电池运行，因为燃料电池的工作温度一般不超过80℃。超过燃料电池工作温度的高热空气，进入燃料电池很快将燃料电池中的质子交换膜上的水分子带跑，使电极性能急剧下降。

目前解决上述问题的方法是将被压缩、升高温度的空气先经过一个外增湿兼热交换装置，这个装置既可将被压缩的、升高温度的空气冷却到燃料电池工作温度以下，又可以向被压缩的、升高温度的空气补充水分子，使相对水湿度增高到接近100％。这样，进入燃料电池运行后，燃料电池中的质子交换膜上的水分子就不会被带跑。但是，目前这种方法有以下缺点：

1)系统多了一个外增湿兼热交换膜装置，增加了整个燃料电池作为动力或发电系统的体积、重量及系统的复杂性。

2)当被压缩、升高温度的空气通过增湿兼热交换装置时，由于空气流动阻力增加，导致空气压力损失，使整个系统的能耗增加，能量效率下降。另外，增湿兼热交换装置往往需要额外消耗系统的能量，也使整个系统的能耗增加，能量效率下降。

上海神力科技公司申请的专利(中国专利号为02266352.5)提供了一种技术方案，即向燃料电池输送空气的空气压缩装置中喷入一定量的去离子水，喷入去离子水的量应该与该装置向燃料电池输送空气量成一定的比例关系，这种比例关系主要使这类空气压缩装置压缩输送一定量的空气达到既降温至低于燃料电池工作温度，又达到完全增湿到符合燃料电池运行的相对湿度的目的，且该去离子水是利用燃料电池堆本身的反应生成水经去离子水得到的，因此，它省去了现有技术中的外增湿兼热交换装置，使系统结构更加简单，且因反应生成水的重复利用，使燃料电池的运行成本及能耗进一步降低，同时，空压机及高压风机采用喷水后湿化运行，使电池性能明显提高，在大功率或小功率输出时都十分稳定。

如图1所示，一种可提高燃料电池运行效率的空气输送装置，包括燃料电池堆1、空气压缩装置2、水汽分离器8、去离子14、去离子水水箱7、喷水计量泵6、喷水计量调节阀16、喷水口5、空气过滤器15，所述的燃料电池堆设有空气进气口9、空气及生成水出口10，所述的空气压缩装置设有进气口3、出气口4，所述的水汽分离器8的进口与燃料电池堆的空气及生成水出口10连接，所述的去离子器14的进口与水汽分离器8的出口连接，所述的去离子水水箱7的进口与去离子器14的出口连接，所述的喷水计量泵6的进口与去离子水水箱7的出口连接，所述的喷水计量调节阀16的进口与喷水计量泵6的出口连接，所述的喷水口5设在空气压缩装置2的壳体上，并与壳体内部连通呈向内喷射状，该喷水口5与喷水计量调节阀16的出口连接，所述的空气过滤器15与空气压缩装置的进气口3连接：所述的空气压缩装置的出气口4与燃料电池堆的空气进气口9连接；所述的燃料电池堆1还包括供氢装置，该供氢装置由贮氢瓶13及氢气流量调节阀17组成，所述的燃料电池堆l还包括冷却流体循环装置，该冷却流体循环装置由流体散热器12及流体循环泵11组成。所述的燃料电池堆1反应生成及排出大量的水，经过水汽分离器8、去离子器14处理后成为去离子水进入去离子水水箱7，再经喷水计量泵6、喷水计量调节阀16、喷水口5喷入空气压缩装置2中循环使用。

但该专利技术也有以下技术缺陷：

1.向燃料电池输送空气的压缩装置喷入液态水，空气压缩装置向燃料电池输送的空气往往无法将所有的液态水汽化。这种情况会使液态水直接随空气带入燃料电池堆，从而造成燃料电池堆中某些空气导流槽堵水。空气导流槽堵水会引起该燃料电池单电池处于氧饥饿状态，严重时该单电池中的电极会处于反极状态而烧毁。

2.向燃料电池输送空气的压缩装置喷入液态水，经压缩与湿化后，空气温度即进入燃料电池堆反应的空气进温度往往无法精确控制，这会影响燃料电池堆的运行的稳定性。

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使进入燃料电池堆进行反应的空气温度与湿度得到有效控制的高效的燃料电池增湿装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高效的燃料电池增湿装置，包括燃料电池堆、供氢装置、冷却流体循环装置、空气压缩装置、水汽分离器、去离子器、去离子水水箱、喷水计量泵、喷水计量调节阀、其特征在于，还包括高效空气增湿器，该高效空气增湿器设在空气压缩装置与燃料电池堆之间，来自空气压缩装置的高温干燥空气经过高效空气增湿器降温增湿后输入燃料电池堆使用。

所述的高效空气增湿器设有空气入口管、空气出口管、冷却流体入口管、冷却流体出口管，所述的空气入口管与空气压缩装置的出气口连接，所述的空气出口管与燃料电池堆的空气进气口连接，所述的冷却流体入口管与冷却流体循环装置的流体散热器连接，所述的冷却流体出口管与燃料电池堆的冷却流体进口连接；在空气入口管与空气出口管之间的增湿器内装填有表面积很大的多孔陶瓷或细砂芯材料，在冷却流体入口管与出口管之间的冷却流体回路采用盘管反复盘绕穿过上述装填材料，在空气入口管处设有一延伸进入该入口管管内的喷水头，该喷水头与喷水计量调节阀的出口连接，其开、关与喷水量受喷水计量调节阀及喷水计量泵控制。

所述的空气入口管与空气出口管在高效空气增湿器上呈对角设置。

所述的燃料电池堆设有空气进气口、空气及生成水出口，所述的空气压缩装置设有进气口、出气口，所述的水汽分离器的进口与燃料电池堆的空气及生成水出口连接，所述的去离子器的进口与水汽分离器的出口连接，所述的去离子水水箱的进口与去离子器的出口连接，所述的喷水计量泵的进口与去离子水水箱的出口连接，所述的喷水计量调节阀的进口与喷水计量泵的出口连接。

所述的供氢装置由贮氢瓶及氢气流量调节阀组成。

所述的冷却流体循环装置由流体散热器及流体循环泵组成。

还包括空气过滤器，该空气过滤器的出口与空气压缩装置的进口连接。

所述的燃料电池堆反应生成及排出大量的水，经过水汽分离器、去离子器处理后成为去离子水进入去离子水水箱，再经喷水计量泵、喷水计量调节阀、喷水头喷入高效空气增湿器中循环使用。

当经过空气压缩装置压缩后的高温干燥空气经过空气入口管时，喷水计量泵将根据空气流量计算，并打开喷水计量调节阀喷水，去离子水经喷水头喷出，随高温干燥空气进入高效空气增湿器，大量喷入的液态水在增湿器内的填料上先吸附，又被快速流过的空气解吸附，这样经过反复吸附与解吸附过程后，最终流出增湿器的空气变成了达到一定温度与湿度的空气。实际上，空气的比热较小，反而水的汽化热需要很大，一般来说，经过压缩的高温(低于120℃)热空气与一定量的水在高效增湿器内经过吸附与解吸附的混和，温度会迅速降低，但经过燃料电池冷却流体盘旋管的加热，温度会回升到燃料电池冷却流体回路的温度，所以进入燃料电池堆反应的空气的温度与相对湿度就可以得到有效控制。

附图说明

图1为现有技术的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明高效空气增湿器的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图2、图3所示，一种高效的燃料电池增湿装置，包括燃料电池堆1、贮氢瓶13、氢气流量调节阀17、冷却流体散热器12、冷却流体循环泵11、空气压缩装置2、空气过滤器15、水汽分离器8、去离子器14、去离子水水箱7、喷水计量泵6、喷水计量调节阀16、高效空气增湿器18，所述的高效空气增湿器18设在空气压缩装置2与燃料电池堆1之间，来自空气压缩装置2的高温干燥空气经过高效空气增湿器18降温增湿后输入燃料电池堆1使用。

所述的高效空气增湿器18设有空气入口管180、空气出口管181、冷却流体入口管182、冷却流体出口管183，所述的空气入口管180与空气压缩装置的出气口4连接，所述的空气出口管181与燃料电池堆的空气进气口9连接，所述的冷却流体入口管182与冷却流体循环装置的流体散热器12连接，所述的冷却流体出口管183与燃料电池堆的冷却流体进口连接；在空气入口管180与空气出口管181之间的增湿器内装填有表面积很大的多孔陶瓷或细砂芯材料184，在冷却流体入口管182与出口管183之间的冷却流体回路采用盘管185反复盘绕穿过上述装填材料，在空气入口管处设有一延伸进入该入口管管内的喷水头186，该喷水头186与喷水计量调节阀16的出口连接，其开、关与喷水量受喷水计量调节阀16及喷水计量泵6控制。所述的空气入口管180与空气出口管181在高效空气增湿器18上呈对角设置。

所述的燃料电池堆1设有空气进气口9、空气及生成水出口10，所述的空气压缩装置2设有进气口3、出气口4，所述的水汽分离器8的进口与燃料电池堆的空气及生成水出口10连接，所述的去离子器14的进口与水汽分离器8的出口连接，所述的去离子水水箱7的进口与去离子器14的出口连接，所述的喷水计量泵6的进口与去离子水水箱7的出口连接，所述的喷水计量调节阀16的进口与喷水计量泵6的出口连接，所述的空气过滤器15与空气压缩装置的进气口3连接。

所述的燃料电池堆1反应生成及排出大量的水，经过水汽分离器8、去离子器14处理后成为去离子水进入去离子水水箱7，再经喷水计量泵6、喷水计量调节阀16、喷水头186喷入高效空气增湿器18中循环使用。

将本发明高效增湿装置应用于30KW的燃料电池发电系统中，按图2、图3技术方案实施，其中喷水量大约为1克/分钟～100克/分钟，对应空气流量为0.1立方米/分钟～2立方米/分钟，空气压缩输送装置为高压风机。

经电化学反应从燃料电池堆1排出的空气与生成的水，从出气口10排入水-汽分离器8，一部分水在水-汽分离器8中与空气分离留下来，而空气从水汽分离器8排出，留下来的水经过去离子器14净化后重新回到去离子水箱7，并经过喷水计量泵6及喷水计量调节阀16循环喷入高效空气增湿装置18的空气入口管180中，该入口管管内径是70mm，有一喷水头186探入入口管50mm，喷水头内径为5mm。高效空气增湿装置18为圆柱体，内径为170mm，长为170mm，内部是一个蜂窝状的整体陶瓷184，该陶瓷体内部埋有许多不锈钢管185，管内径为5mm，里面有燃料电池冷却流体循环加热，冷却流体温度是70℃。高压风机长时间工作过程中，将空气压缩后，空气出风机温度为90℃(常温空气为35℃)，空气流量为2立方米/分钟(0.2Bar)。喷入高效增湿装置18的去离子水大约100克/分钟，经过高效增湿装置18后，空气为增湿后的68℃的湿化空气直接进入燃料电池堆的空气入气口9进行电化学反应，此时燃料电池堆1输出总功率为35KW。进入燃料电池堆1的湿化空气不含有液态水，燃料电池性能稳定。在燃料电池堆小功率5KW输出时，将喷水量减到10克/分钟，空气流量是300升/分钟，进入燃料电池堆的湿化空气也不含液态水，温度仍为68℃，燃料电池堆工作仍然稳定。

实施例2

采用涡旋式空压机，工作性能大约是0.8Bar(相对压力)，空气流量1立方米/分钟，高效增湿装置中采用细砂芯材料，实施方法和效果与实施例1相同。

实施例3

省略空气过滤器，采用洁净空气或者直接采用氧气作为氧化剂，其余实施方法和效果与实施例1相同。

Claims (8)

1.一种高效的燃料电池增湿装置，包括燃料电池堆、供氢装置、冷却流体循环装置、空气压缩装置、水汽分离器、去离子器、去离子水水箱、喷水计量泵、喷水计量调节阀、其特征在于，还包括高效空气增湿器，该高效空气增湿器设在空气压缩装置与燃料电池堆之间，来自空气压缩装置的高温干燥空气经过高效空气增湿器降温增湿后输入燃料电池堆使用。

2.根据权利要求1所述的一种高效的燃料电池增湿装置，其特征在于，所述的高效空气增湿器设有空气入口管、空气出口管、冷却流体入口管、冷却流体出口管，所述的空气入口管与空气压缩装置的出气口连接，所述的空气出口管与燃料电池堆的空气进气口连接，所述的冷却流体入口管与冷却流体循环装置的流体散热器连接，所述的冷却流体出口管与燃料电池堆的冷却流体进口连接；在空气入口管与空气出口管之间的增湿器内装填有表面积很大的多孔陶瓷或细砂芯材料，在冷却流体入口管与出口管之间的冷却流体回路采用盘管反复盘绕穿过上述装填材料，在空气入口管处设有一延伸进入该入口管管内的喷水头，该喷水头与喷水计量调节阀的出口连接，其开、关与喷水量受喷水计量调节阀及喷水计量泵控制。

3.根据权利要求2所述的一种高效的燃料电池增湿装置，其特征在于，所述的空气入口管与空气出口管在高效空气增湿器上呈对角设置。

4.根据权利要求1所述的一种高效的燃料电池增湿装置，其特征在于，所述的燃料电池堆设有空气进气口、空气及生成水出口，所述的空气压缩装置设有进气口、出气口，所述的水汽分离器的进口与燃料电池堆的空气及生成水出口连接，所述的去离子器的进口与水汽分离器的出口连接，所述的去离子水水箱的进口与去离子器的出口连接，所述的喷水计量泵的进口与去离子水水箱的出口连接，所述的喷水计量调节阀的进口与喷水计量泵的出口连接。

5.根据权利要求1所述的一种高效的燃料电池增湿装置，其特征在于，所述的供氢装置由贮氢瓶及氢气流量调节阀组成。

6.根据权利要求1所述的一种高效的燃料电池增湿装置，其特征在于，所述的冷却流体循环装置由流体散热器及流体循环泵组成。

7.根据权利要求1所述的一种高效的燃料电池增湿装置，其特征在于，还包括空气过滤器，该空气过滤器的出口与空气压缩装置的进口连接。

8.根据权利要求1所述的一种高效的燃料电池增湿装置，其特征在于，所述的燃料电池堆反应生成及排出大量的水，经过水汽分离器、去离子器处理后成为去离子水进入去离子水水箱，再经喷水计量泵、喷水计量调节阀、喷水头喷入高效空气增湿器中循环使用。

Images