CN201117721Y - 一种空气和氢气集成增湿设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种空气和氢气集成增湿设备，该设备包括增湿堆、中央集流板、末端端板，所述的增湿堆包括多块导流板、多块隔膜片，该隔膜片为透水隔气膜，所述的导流板与导流板之间夹设一隔膜片构成一增湿单元，该增湿单元上下叠加构成增湿部分，所述的增湿堆有至少两组，该至少两组增湿堆设置于中央集流板两侧或同侧的前、后，左、右或上、下位置，各组增湿堆与中央集流板相对的另一端设置一末端端板，该端板与至少两组增湿堆、中央集流板集成安装，空气进出管道、氢气进出管道和冷却水进出管道分别设置在中央集流板或各增湿堆的端板上。与现有技术相比，本实用新型具有可减小流阻、适合低压运行、增湿效果数倍增强等优点。

Description

一种空气和氢气集成增湿设备

技术领域

本实用新型涉及燃料电池，尤其涉及一种具有内增湿装置的质子交换膜燃料电池的集成方法。

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：H₂→2H⁺+2e

阴极反应：1/2O₂+2H⁺+2e→H₂O

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。这些导流电极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流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母板，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)冷却水(如水)的进出口与导流通道，将冷却水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、冷却水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，当大量干燥的燃料氢气或空气从膜电极两侧流过时，容易将质子交换膜中的水分子带跑，此时质子交换膜处于较干燥状态，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，向燃料电池供应的燃料氢气或空气一般来说需要经过增湿，使进入燃料电池的燃料氢气或空气相对湿度提高，以免使质子交换膜失水。

目前应用于质子交换膜燃料电池增湿的方式主要有二类：

(1)外增湿：湿化装置与燃料电池组分开，并在燃料电池组外部独立存在的湿化装置。如图1所示，该外增湿堆包括增湿堆1、末端端板2，空气(氢气)5从末端端板2进入增湿堆1、从另一端的末端端板2流出，冷却水3从与空气(氢气)流入端相对的另一端末端端板2进入增湿堆1，主要通过燃料氢气体或空气气体4直接在这种外增湿装置中与水分子通过充分混合碰撞促使气体吸收汽化的水分子。

(2)内增湿：内增湿装置是燃料电池组组成的一部分。燃料电池组分为二个部分，一个部分叫内增湿段，另一个部分叫电池活性工作段。内增湿段由增湿导流板与增湿膜片构成，而电池活性工作段由导流板与膜电极构成。增湿膜片往往由一种可以进行水分子自由交换的膜组成，例如杜邦公司牌号叫的离子交换膜，这种膜可以让去离子水在膜的一边流动，而让燃料气体或氧化剂气体，如空气在膜的另一边流动，膜可以将燃料气体或空气与液态水分子分隔开，但水分子又可以自由穿过膜进入燃料气体或空气中去，而达到湿化目的。

这种增湿装置的设计原理都是利用需要增湿的流体如空气、氢气在膜的一边导流板上的导流槽流动，而膜的另一边的导流板上的导流槽中流动冷却水(水)，水分子就会自动从膜的一边透过膜的另一边。

但是上述增湿装置的设计只能适合燃料电池较高压力运行的条件，运行压力高时，单个外增湿装置就可轻易达到燃料电池运行所需的相对湿度，当运行压力低时，流体运行带走的水量比运行压力高时大得多，单个外增湿装置就很难达到燃料电池运行所需的相对湿度，如果增加上述增湿装置的长宽度来满足增湿要求，增湿堆体积很大，压力损失也很大、增湿效率很低。

发明内容

本实用新型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以减少流阻、适合低压运行、增湿效果数倍增加的空气和氢气集成增湿设备。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种空气和氢气集成增湿设备，该设备包括增湿堆、中央集流板、末端端板，所述的增湿堆包括多块导流板、多块隔膜片，该隔膜片为透水隔气膜，所述的导流板与导流板之间夹设一隔膜片构成一增湿单元，该增湿单元上下叠加构成增湿部分，其特征在于，所述的增湿堆有至少两组，该至少两组增湿堆设置于中央集流板两侧或同侧的前、后，左、右或上、下位置，各组增湿堆与中央集流板相对的另一端设置一末端端板，该端板与至少两组增湿堆、中央集流板集成安装，空气进出管道、氢气进出管道和冷却水进出管道分别设置在中央集流板或各增湿堆的端板上。

所述的至少两组增湿堆包括空气增湿部分和氢气增湿部分，所述的空气增湿部分由空气导流板、隔膜片和冷却水导流板依次叠加设置，所述的氢气增湿部分由氢气导流板、隔膜片和冷却水导流板依次叠加设置，所述的空气导流板、氢气导流板、冷却水导流板上均设有空气进出孔、冷却水进出孔和/或氢气进出孔，每块导流板的正反两面分别设有空气导流场、氢气导流场或冷却水导流场。

所述的至少两组增湿堆中至少一组增湿堆全部由氢气增湿部分组成，至少一组增湿堆全部由空气增湿部分组成。

所述的至少两组增湿堆中一组或多组增湿堆的一端为氢气增湿部分另一端为空气增湿部分组成，所述的氢气增湿部分靠近中央集流板或末端端板，所述的空气增湿部分靠近末端端板或中央集流板。

所述的增湿堆有两组，分别设置于中央集流板两侧前后端，位于中间的中央集流板上设有空气和/或氢气进口管道和冷却水出口管道，两增湿堆的末端端板上设有空气和/或氢气出口管道和冷却水进口管道。

所述的增湿堆有两组，分别设置于中央集流板同侧左右端，两增湿堆的末端端板上设有空气和/或氢气进口管道和冷却水出口管道，中央集流板上设有空气和/或氢气出口管道和冷却水进口管道。

所述的增湿堆有两组，分别设置于中央集流板同侧上下位置，中央集流板上设有空气和/或氢气进口管道和冷却水出口管道，两增湿堆的末端端板上设有空气和/或氢气出口管道和冷却水进口管道。

所述的增湿堆有四组，分别设置于中央集流板前后左右端，空气进出管道、氢气进出管道和冷却水进出管道分别设置在中央集流板或各增湿堆的端板上。

所述的增湿堆的导流板材料包括金属不锈钢、聚碳酸酯塑料、环氧板；增湿膜片由透水但不透气的离子交换膜构成。

所述的冷却水为去离子水。

与现有技术相比，本实用新型将多个增湿堆集成设计，允许增湿面积有限的小尺寸导流板与增湿膜片经过集成式组合后，数倍增加增湿能力，同时不会增加空气、氢气或水的流动阻力。燃料电池的空气和氢气的压力很低时，也能使其充分增湿，而且增湿效率高，在达到相同的增湿效果条件下比传统增湿装置占用空间小。

附图说明

图1为现有燃料电池增湿装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1的燃料电池增湿装置的结构示意图；

图3为本实用新型实施例2的燃料电池增湿装置的结构示意图；

图4为本实用新型实施例3的燃料电池增湿装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例，对本实用新型作进一步说明。

实施例1

如图2所示，一种燃料电池轿车用集成式外增湿的装置，长500mm，宽150mm，高200mm，该装置包括两组增湿堆：空气增湿堆1a、氢气增湿堆1b，还包括中央集流板7、末端端板2a、2b，所述的增湿堆1包括20块导流板、40块隔膜片，该导流板和隔膜片长40mm、宽10mm，该隔膜片为透水隔气膜，所述的导流板与导流板之间夹设一隔膜片构成一增湿单元，该增湿单元上下叠加构成增湿部分，所述的空气增湿堆1a由空气导流板、隔膜片和冷却水导流板依次叠加而成，空气导流板的正反两面都设有空气导流场，冷却水导流板的正反两面都设有冷却水导流场，空气导流板和冷却水导流板上设有空气进出孔和冷却水进出孔。

空气增湿堆1a、氢气增湿堆1b分别设置于中央集流板7两侧前后端，空气从位于中间的中央集流板7上的空气进入管道5流入后，进入空气增湿堆1a，从空气增湿堆1a的末端端板2a上的空气流出管道6流出，氢气从中央集流板7上的氢气进入管道8流入后，进入氢气增湿堆1b，从氢气增湿堆1b的末端端板2b上的氢气流出管道9流出，冷却水从两侧增湿堆1a、1b的末端端板2a、2b上的冷却水入口管道3相对流入，并从位于中间的中央集流板7上的冷却水出孔管道4流出。

实施例2

如图3所示，一种燃料电池叉车用集成式外增湿的装置，长300mm，宽250mm，高250mm，该装置包括两组增湿堆1a、1b、中央集流板7、末端端板2a、2b，所述的增湿堆1a、1b分别设置于中央集流板7同侧上下位置，增湿堆1a包括氢气增湿部分11a和空气增湿部分12a，氢气增湿部分11a靠近中央集流板7，空气增湿部分12a靠近末端端板2a；增湿堆1b包括氢气增湿部分11b和空气增湿部分12b，氢气增湿部分11b靠近中央集流板7，空气增湿部分12b靠近末端端板2b，空气从中央集流板7上的空气进口管道5流入后分别流入上下位置的两增湿堆1a、1b，穿过氢气增湿部分11a、11b，在空气增湿部分12a、12b增湿后，从两增湿堆1a、1b的末端端板2a、2b上的空气出口管道6流出；氢气从中央集流板7上的氢气进口管道8流入后分别流入上下位置的两增湿堆1a、1b，在氢气增湿部分11a、11b增湿后，返回从中央集流板上的氢气出口管道9流出；冷却水从两侧增湿堆1a、1b的末端端板2a、2b上的冷却水入口管道3流入，并从位于中间的中央集流板7上的冷却水出孔管道4流出。

所述的空气增湿堆由10组冷却水导流板、20张增湿膜片、10组空气导流板依次叠加，所述的氢气增湿堆由20组冷却水导流板、40张增湿膜片、20组氢气导流板依次叠加组装而成，导流板和增湿膜片长20mm、宽20mm。

实施例3

如图4所示，一种燃料电池大巴用集成式外增湿的装置，该装置包括四组增湿堆1a、1b、1c、1d、中央集流板7、末端端板2a、2b、2c、2d，所述的四组增湿堆1a、1b、1c、1d分别设置于中央集流板7前后左右端，其中增湿堆1a全部由氢气增湿部分组成，增湿堆1b、1c全部由空气增湿部分组成，增湿堆1d由氢气增湿部分11d和空气增湿部分12d组成，氢气增湿部分11d靠近末端端板2d，空气增湿部分12d靠近中央集流板7。

空气从增湿堆1b、1c、1d的末端端板2b、2c、2d上的空气进口管道5流入，在空气增湿部分增湿后从中央集流板7上的空气出口管道6流出；氢气从重要集流板上的氢气进口管道8流入增湿堆1a和增湿堆1d，增湿后从末端端板2a、2d上的氢气出口管道9流出；冷却水3从位于中间的中央集流板7流入增湿堆1a、1b、1c、1d，并从增湿堆末端端板2a、2b、2c、2d流出。

参见图2～图4，上述增湿堆可以根据实际需要设置八组、十组，甚至更多，各组增湿堆可设置于中央集流板两侧或同侧的前、后，左、右或上、下位置，各组增湿堆与中央集流板相对的另一端设置一末端端板，该端板与至少两组增湿堆、中央集流板集成安装，空气、氢气或冷却水分别从中央集流板或各增湿堆的端板进入增湿堆，再从各增湿堆的端板或中央集流板流出增湿堆。

上述多组增湿堆包括空气增湿部分和氢气增湿部分，所述的空气增湿部分由空气导流板、隔膜片和冷却水导流板依次叠加而成，所述的氢气增湿部分由氢气导流板、隔膜片和冷却水导流板依次叠加而成，所述的空气导流板、氢气导流板、冷却水导流板上均设有空气进出孔、冷却水进出孔和/或氢气进出孔，每块导流板的正反两面分别设有空气导流场、氢气导流场或冷却水导流场。

Claims (10)

1、一种空气和氢气集成增湿设备，该设备包括增湿堆、中央集流板、末端端板，所述的增湿堆包括多块导流板、多块隔膜片，该隔膜片为透水隔气膜，所述的导流板与导流板之间夹设一隔膜片构成一增湿单元，该增湿单元上下叠加构成增湿部分，其特征在于，所述的增湿堆有至少两组，该至少两组增湿堆设置于中央集流板两侧或同侧的前、后，左、右或上、下位置，各组增湿堆与中央集流板相对的另一端设置一末端端板，该端板与至少两组增湿堆、中央集流板集成安装，空气进出管道、氢气进出管道和冷却水进出管道分别设置在中央集流板或各增湿堆的端板上。

2.根据权利要求1所述的一种空气和氢气集成增湿设备，其特征在于，所述的至少两组增湿堆包括空气增湿部分和氢气增湿部分，所述的空气增湿部分由空气导流板、隔膜片和冷却水导流板依次叠加设置，所述的氢气增湿部分由氢气导流板、隔膜片和冷却水导流板依次叠加设置，所述的空气导流板、氢气导流板、冷却水导流板上均设有空气进出孔、冷却水进出孔和/或氢气进出孔，每块导流板的正反两面分别设有空气导流场、氢气导流场或冷却水导流场。

3.根据权利要求1或2所述的一种空气和氢气集成增湿设备，其特征在于，所述的至少两组增湿堆中至少一组增湿堆全部由氢气增湿部分组成，至少一组增湿堆全部由空气增湿部分组成。

4.根据权利要求1或2所述的一种空气和氢气集成增湿设备，其特征在于，所述的至少两组增湿堆中一组或多组增湿堆的一端为氢气增湿部分另一端为空气增湿部分组成，所述的氢气增湿部分靠近中央集流板或末端端板，所述的空气增湿部分靠近末端端板或中央集流板。

5.根据权利要求1所述的一种空气和氢气集成增湿设备，其特征在于，所述的增湿堆有两组，分别设置于中央集流板两侧前后端，位于中间的中央集流板上设有空气和/或氢气进口管道和冷却水出口管道，两增湿堆的末端端板上设有空气和/或氢气出口管道和冷却水进口管道。

6.根据权利要求1所述的一种空气和氢气集成增湿设备，其特征在于，所述的增湿堆有两组，分别设置于中央集流板同侧左右端，两增湿堆的末端端板上设有空气和/或氢气进口管道和冷却水出口管道，中央集流板上设有空气和/或氢气出口管道和冷却水进口管道。

7.根据权利要求1所述的一种空气和氢气集成增湿设备，其特征在于，所述的增湿堆有两组，分别设置于中央集流板同侧上下位置，中央集流板上设有空气和/或氢气进口管道和冷却水出口管道，两增湿堆的末端端板上设有空气和/或氢气出口管道和冷却水进口管道。

8.根据权利要求1所述的一种空气和氢气集成增湿设备，其特征在于，所述的增湿堆有四组，分别设置于中央集流板前后左右端，空气进出管道、氢气进出管道和冷却水进出管道分别设置在中央集流板或各增湿堆的端板上。

9.根据权利要求1所述的一种空气和氢气集成增湿设备，其特征在于，所述的增湿堆的导流板材料包括金属不锈钢、聚碳酸酯塑料、环氧板；增湿膜片由透水但不透气的离子交换膜构成。

10.根据权利要求1所述的一种空气和氢气集成增湿设备，其特征在于，所述的冷却水为去离子水。

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