CN2624415Y

CN2624415Y - 一种适合燃料电池低压运行的高效增湿装置

Info

Publication number: CN2624415Y
Application number: CNU032289375U
Authority: CN
Inventors: 胡里清; 李拯; 夏建伟
Original assignee: Shanghai Shen Li High Tech Co Ltd
Current assignee: Shanghai Shenli Technology Co Ltd
Priority date: 2003-02-21
Filing date: 2003-02-21
Publication date: 2004-07-07
Anticipated expiration: 2013-02-21

Abstract

本实用新型涉及一种适合燃料电池低压运行的高效增湿装置，包括多块双极板、多块隔膜片、一上端板、一下端板以及集流套管；所述的双极板正面设有多条平行的导流槽，所述的双极板背面设有多条平行的与正面导流槽呈90°排列的导流槽，所述的隔膜片为透水隔气膜；所述的双极板、隔膜片以及上、下端板组合构成增湿部分；所述的集流套管设置在增湿部分的四个侧面构成增湿装置。与现有技术相比，本实用新型具有结构简单、成本较低、节能等优点。

Description

一种适合燃料电池低压运行的高效增湿装置

技术领域

本实用新型涉及燃料电池的辅助装置，尤其涉及一种适合燃料电池低压运行的高效增湿装置。

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。电池组通常通过上端板、下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或燃料氢气向燃料电池供应，并离开燃料电池时，容易将质子交换膜中的水分子带跑，这样质子交换膜处于一种干燥失水状态，质子无法自由地穿过质子交换膜，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或燃料氢气一般来说需要经过增湿，使进入燃料电池的空气或氢气相对湿度提高，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装置主要有以下几种：

1、干空气、燃料氢气进入燃料电池前，在增湿装置中与纯净水进行接触、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、干空气或燃料氢气与纯净水进入燃料电池前，在增湿装置中并没有直接接触，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，如杜邦公司的Nafion膜等。

3、上海神力科技有限公司实用新型的一种利用进入燃料电池前的干空气与出燃料电池的湿空气进行水交换的增湿装置(专利申请号：02217654.3)，该增湿装置由一个旋转内胆构成，内填充吸水材料，当干空气通过时，把内胆中填充材料表面的水分子带走，而湿空气与水通过内胆中填充材料表面重新吸附水分子。

以上几种增湿方法都有技术缺陷：

(1)第1、2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，从而大大增加了增湿装置的复杂性，并增加了能耗。

(2)向第1、2种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提高，而且操作不便。

(3)当干空气或燃料氢气将水分子带走时需要吸收大量的热量才能促使水分子汽化，第1种方法需要外界热源。

(4)第3种增湿装置需要有一个电动机带动增湿内胆装置旋转，从而增加了增湿装置的能耗与复杂性。

(5)第2种增湿装置中所采用的方法有如US Patent 5,382,478中所描述的方法一样，如图1a、图1b、图1c、图1d、图1e、图1f所示，增湿装置段可以并入燃料电池堆中，也可以单独在燃料电池堆外存在。

这种增湿装置在工程制作上由许多片如图2a所示导流板及许多片如图2b所示隔膜片组成，其中隔膜片是一种可以透水，但不可以透气的质子交换膜，如杜邦公司的Nafion膜等，在导流板上设有许多导流孔与导流槽。

这种增湿装置的设计原理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纯净水，水分子就会自动从膜一边透过膜的另一边。

但这种增湿装置的设计有以下技术缺陷：

①导流板上的导流孔很多，每个导流孔的面积不可能很大，否则会严重减少增湿导流板的有效面积；

②导流板上有许多导流槽，由于各个导流孔的大小与位置限制，迫使导流槽在设计上必然有折弯处(如图2a)；

所以上述增湿装置的设计只能适合于燃料电池较高压力运行的条件，当待增湿的空气等流体经过增湿装置时必然会因为流道大小的限制以及导流槽的折弯造成流体阻力而引起压力损失。也就是说流体进入增湿装置的压力与出增湿装置的压力有较大的压力降损失。

实用新型内容

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结构简单、成本较低，并可以适合燃料电池低压运行的高效增湿装置。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种适合燃料电池低压运行的高效增湿装置，其特征在于，包括多块双极板、多块隔膜片、一上端板、一下端板以及集流套管；所述的双极板正面设有多条平行的导流槽，所述的双极板背面设有多条平行的与正面导流槽呈90°排列的导流槽，所述的隔膜片为透水隔气膜；所述的双极板与双极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并在上、下端各设置一上、下端板构成增湿部分；该增湿部分的一侧面成为流体的入口，该入口的相对侧面成为流体的出口，该增湿部分的另一侧面成为另一流体的入口，该入口的相对侧面成为另一流体的出口；所述的集流套管设置在增湿部分的四个侧面构成增湿装置。

所述的双极板采用金属材料或薄塑料或石墨材料或复合材料。

所述的双极板上的导流槽是多条平行的直形槽或波浪形槽。

所述的隔膜片包括基材，以及在该基材上浸渍含离子的树脂。

所述的基材为多孔性材料。

所述的多孔性材料选自多孔性陶瓷、多孔性不锈钢、砂蕊玻璃、多孔性聚四氟乙烯、聚乙烯塑料薄膜中的一种。

所述的含离子的树脂选自聚苯乙烯磺酸树脂、聚全氟磺酸树脂中的一种。

所述的双极板正面与背面的导流槽呈同向排列。

与现有技术相比，本实用新型具有以下特点：

1、利用燃料电池排除热、湿空气及水来增湿，不需要外界提供纯水增湿进入增湿装置的干气体；

2、不需要外界提供热源或消耗额外功率；

3、结构紧凑；

4、适合于燃料电池低压运行，进入增湿装置的流体由于导流孔道足够大，以及通过许多条平行的直导流槽后，经受的流体阻力小，也就是说需要增湿的流体进、出增湿装置后的几乎没有压力损失。

附图说明

图1a为现有增湿装置第一种结构示意图；

图1b为现有增湿装置第二种结构示意图；

图1c为现有增湿装置第三种结构示意图；

图1d为现有增湿装置第四种结构示意图；

图1e为现有增湿装置第五种结构示意图；

图1f为现有增湿装置第六种结构示意图；

图2a为现有增湿装置双极板及其导流槽和导流孔的结构示意图；

图2b为现有增湿装置隔膜片及其导流孔的结构示意图；

图3为本实用新型双极板及其正面导流槽的结构示意图；

图4为本实用新型双极板及其背面导流槽的结构示意图；

图5为本实用新型隔膜片的结构示意图；

图6为本实用新型增湿部分的结构示意图；

图7为本实用新型增湿装置的结构示意图；

图8为本实用新型双极板及其正面导流槽另一实施例的结构示意图；

图9为本实用新型双极板及其背面导流槽另一实施例的结构示意图；

图10为本实用新型增湿装置另一实施例的结构示意图。

具体实施方式

如图3～图7所示，一种适合燃料电池低压运行的高效增湿装置，包括多块双极板1、多块隔膜片2、一上端板3、一下端板4以及集流套管5；所述的双极板1正面设有多条平行的导流槽11，所述的双极板1背面设有多条平行的与正面导流槽呈90排列的导流槽12，所述的隔膜片2为透水隔气膜；所述的双极板与双极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并在上、下端各设置一上、下端板3、4构成增湿部分Z；该增湿部分Z的一侧面A成为流体的入口，该入口的相对侧面成为流体的出口，该增湿部分的另一侧面B成为另一流体的入口，该入口的相对侧面成为另一流体的出口；所述的集流套管5设置在增湿部分的四个侧面构成增湿装置。

本实用新型的增湿装置呈正方形结构，双极板与双极板之间有一片很薄的可以让水分子自由互相透过，但气体分子无法互相透过的膜。

双极板的材料一般是有利于传热的金属材料(如不锈钢)或薄的塑料或石墨材料，或复合材料双极板的一边走进燃料电池气体(例如空气或氢气)，另一边走出燃料电池气体(例如湿、热的空气或氢气)，流槽可以互相平行的多条直道或互相平行的多条波浪形的弯道(利于传热、传质，但阻力有较小)。双极板与双极板之间的隔膜片，可以是质子交换膜，如杜邦Nafion膜，或是基材是一种多孔性材料，例如多孔性陶瓷，多孔性不锈钢，砂蕊玻璃，多孔性聚四氟乙烯，聚乙烯等塑料薄膜，这类多孔性材料中的许多小孔都充满这些质子交换树脂(非水溶性的离子树脂)，而这些树脂分子可以自由交换水分子，但不让气体分子透过，如采用全氟磺酸树脂，聚苯乙烯磺酸树脂等。

为了减少流体阻力，所有的双极板正反二面都是互相平行的直通或波浪导流槽，这些导流双极板与隔膜片装配叠在一起组成一个正方形的堆(增湿部分Z)后，整个堆的一侧(A面)可以成为流体的入口，而入口的整个相对侧面可以成为流体的出口，整个堆的另一侧(B面)可以成为另一流体的入口，而入口的整个相对侧面可以成为流体的出口，将这四个侧面用集流套管引出，成为一个完整的增湿装置。

如图8～10所示，为本实用新型的另一实施例，该实施例的双极板导流板的正、反两面均为一样的互相平行的直通流道槽导流场，增湿装置装配四侧另加集流套管引出两个进口，两个出口成为完整的增湿装置。

Claims

1.一种适合燃料电池低压运行的高效增湿装置，其特征在于，包括多块双极板、多块隔膜片、一上端板、一下端板以及集流套管；所述的双极板正面设有多条平行的导流槽，所述的双极板背面设有多条平行的与正面导流槽呈90°排列的导流槽，所述的隔膜片为透水隔气膜；所述的双极板与双极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并在上、下端各设置一上、下端板构成增湿部分；该增湿部分的一侧面成为流体的入口，该入口的相对侧面成为流体的出口，该增湿部分的另一侧面成为另一流体的入口，该入口的相对侧面成为另一流体的出口；所述的集流套管设置在增湿部分的四个侧面构成增湿装置。

2.根据权利要求1所述的一种适合燃料电池低压运行的高效增湿装置，其特征在于，所述的双极板采用金属材料或薄塑料或石墨材料或复合材料。

3.根据权利要求1所述的一种适合燃料电池低压运行的高效增湿装置，其特征在于，所述的双极板上的导流槽是多条平行的直形槽或波浪形槽。

4.根据权利要求1所述的一种适合燃料电池低压运行的高效增湿装置，其特征在于，所述的隔膜片包括多孔基材，以及在该基材上浸渍含离子的树脂。

5.根据权利要求4所述的一种适合燃料电池低压运行的高效增湿装置，其特征在于，所述的基材为多孔性材料。

6.根据权利要求5所述的一种适合燃料电池低压运行的高效增湿装置，其特征在于，所述的多孔性材料选自多孔性陶瓷、多孔性不锈钢、砂蕊玻璃、多孔性聚四氟乙烯、聚乙烯塑料薄膜中的一种。

7.根据权利要求4所述的一种适合燃料电池低压运行的高效增湿装置，其特征在于，所述的含离子的树脂选自聚苯乙烯磺酸树脂、聚全氟磺酸树脂中的一种。

8.根据权利要求1所述的一种适合燃料电池低压运行的高效增湿装置，其特征在于，所述的双极板正面与背面的导流槽呈同向排列。