CN2758990Y - 带有空气温度调节与湿度稳定装置的燃料电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及带有空气温度调节与湿度稳定装置的燃料电池，包括燃料电池堆、储氢装置、氢减压阀、氢气增湿装置、氢气水－汽分离器、氢循环泵、水箱、冷却水循环泵、冷却水散热器、空气过滤装置、空气压缩供应装置、空气增湿装置、空气温度调节与湿度稳定装置，该空气温度调节与湿度稳定装置设置在空气增湿装置与燃料电池堆的空气入口之间。与现有技术相比，本实用新型由于在空气进入燃料电池堆参加反应之前进行了温度与湿度的调节，因此避免了燃料电池堆内过湿或过干现象，提高了燃料电池的运行稳定性。

Description

带有空气温度调节与湿度稳定装置的燃料电池

技术领域

本实用新型涉及燃料电池，尤其涉及带有空气温度调节与湿度稳定装置的燃料电池。

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车、船等运载工具的动力系统，又可用作移动式、固定式的发电装置。

质子交换膜燃料电池用作车、船动力系统或移动式和固定式发电站时，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。

图1为目前典型的燃料电池发电系统，在图1中1为燃料电池堆，2为储氢瓶或其他储氢装置，3为减压阀，4为空气过滤虑装置，5为空气压缩供应装置，6为氢气水-汽分离器，6’为空气水-汽分离器，7为水箱，8为冷却水循环泵，9为冷却水散热器，10为氢循环泵，11为氢气增湿装置，12为空气增湿装置。

按照目前典型的燃料电池发电系统集成与运行原理，向燃料电池堆输送的氢气与空气必须经过稳压并经过增湿装置(11，12)后，变成达到一定相对湿度与温度的湿空气、氢气然后再进入燃料电池堆中发生电化学反应。否则干燥的或增湿不充分的空气、氢气向燃料电池堆输送时，过量的空气、氢气可以造成燃料电池堆中的核心部件-膜电极中的质子交换膜失水，质子交换膜失水将造成燃料电池内阻急剧增加，运行性能急剧下降。

目前应用于质子交换膜燃料电池的空气温度调节与湿度稳定的方法主要是根据环境温度、燃料电池输出电流等变化，通过调节增湿转桶的开关时间、增湿电机转速的方法来控制进入燃料电池空气的温度、湿度，使用水气分离器分离空气中的液态水。

但是目前的技术方案向燃料电池堆输送的空气经过增湿后变成达到一定相对湿度与温度的湿空气后直接进入燃料电池堆发生电化学反应有以下技术缺陷：

由于受到外界环境的影响，当外界温度变化及外界空气相对湿度变化较大时，在同一工况不同环境下，从增湿转桶送出的空气温度和湿度就会偏离目标控制值，不能保证进入燃料电池空气温度、湿度的恒定，引起燃料电池运行性能不稳定。因此不得不通过修改增湿转桶和增湿电机的控制参数来让燃料电池来适应环境的变化，造成了控制上的不便。

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控制方便的带有空气温度调节与湿度稳定装置的燃料电池。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：带有空气温度调节与湿度稳定装置的燃料电池，包括燃料电池堆、储氢装置、氢减压阀、氢气增湿装置、氢气水-汽分离器、氢循环泵、水箱、冷却水循环泵、冷却水散热器、空气过滤装置、空气压缩供应装置、空气增湿装置，其特征在于，还包括空气温度调节与湿度稳定装置，该空气温度调节与湿度稳定装置设置在空气增湿装置与燃料电池堆的空气入口之间。

所述的空气温度调节与湿度稳定装置包括风机、空气散热器、水汽分离器。

所述的空气散热器的空气入口端与风机相连，空气散热器的空气出口端连接水汽分离器。

所述的空气散热器包括散热管、散热风扇。

所述的散热管包括多根平行排列的散热管，该散热管上带有散热片。

所述的散热风扇位于散热管上端或下端，面向散热管送风散热。

所述的散热风扇可以根据进入湿空气的温度进行转速或开关调节。

所述的水汽分离器为圆柱形腔体，该腔体底部呈喇叭口状收集冷凝水，腔体顶部为空气出口，该水汽分离器与散热管出空气端相连。

所述的空气温度调节与湿度稳定装置形式之一为包括风机、空气散热器、水汽分离器，所述的空气散热器包括空气进气管、空气散热管、空气出气管、散热风扇，所述的空气进气管、空气出气管设在空气散热管的两端并与其垂直相交连接，所述的空气出气管的空气出口端与水汽分离器的圆柱形腔体的中部连接，由空气进气管流入的空气流经空气散热管后，通过空气出气管汇集流入水汽分离器的圆柱形腔体，所述的水汽分离器上下端均呈喇叭口状，空气从腔体上部流出并进入燃料电池堆参加反应，冷凝水从腔体下部排出。

所述的空气温度调节与湿度稳定装置形式之二为包括风机、空气散热器、水汽分离器，所述的空气散热器包括散热管、散热风扇，所述的散热管的进气和出气端均垂直相交连接两水汽分离器，其中，与散热管进气端相连的水汽分离器上端封闭，下端呈喇叭口状收集冷凝水，与散热管出气端相连的水汽分离器上下端均呈喇叭口状，空气从腔体上部流出并进入燃料电池堆参加反应，冷凝水从腔体下部排出。

与现有技术相比，本实用新型由于在空气进入燃料电池堆参加反应之前设置了一个可调节空气温度与可恒定湿度到100％的装置，简化了系统控制，避免了燃料电池堆内过湿或过干现象，提高了燃料电池的运行稳定性。

附图说明

图1为现有燃料电池的结构示意图；

图2为本实用新型一种带有空气温度调节与湿度稳定装置的结构示意图；

图3为本实用新型另一种带有空气温度调节与湿度稳定装置的结构示意图；

图4为本实用新型燃料电池的结构示意图。

图4中：1燃料电池堆，7燃料电池冷却水水箱，8冷却水循环泵，9冷却水散热器，13空气增湿转桶，14风机，15空气散热器，16水汽分离器，17温湿监控器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，对本实用新型作进一步说明。

如图4并结合图1所示，一种带有空气温度调节与湿度稳定装置的燃料电池，包括燃料电池堆1、储氢装置2、氢减压阀3、氢气增湿装置11、空气过滤装置4、空气压缩供应装置5、空气增湿装置12、氢气水-汽分离器6、氢循环泵10、空气水-汽分离器6’、水箱7、冷却水循环泵8、冷却水散热器9，风机14、空气散热器15、水汽分离器16，所述的风机14、空气散热器15和水汽分离16组成空气温度调节与湿度稳定装置，所述的空气温度调节与湿度稳定装置设在空气增湿装置12与燃料电池堆1的空气入口之间。

所述的空气温度调节与湿度稳定装置包括风机14、空气散热器15、水汽分离器16。空气散热器15的空气入口端与风机14相连，空气散热器的空气出口端连接水汽分离器16。空气散热器15包括散热管302、散热风扇303。散热管包括多根平行排列的散热管，散热管上带有散热片。散热风扇303位于散热管15上端或下端，面向散热管送风散热。散热风扇303的转速可以根据进入湿空气的温度进行调节。水汽分离器305，305’为圆柱形腔体，该腔体底部呈喇叭口状收集冷凝水，腔体顶部为空气出口，该水汽分离器305与散热管15出空气端相连。

根据安装位置的不同所述的带有空气温度调节与湿度稳定装置可以有以下两种实施例：

1.如图2所示，一种带有空气温度调节与湿度稳定装置，包括空气散热器15、水汽分离器16，所述的空气散热器包括空气进气管301、空气散热管307、空气出气管304、散热风扇303，所述的空气进气管301、空气出气管307设在空气散热管302的两端并与其垂直相交连接，所述的空气出气管307的空气出口端与水汽分离器305的圆柱形腔体的中部连接，由空气进气管301流入的空气流经空气散热管302后，通过空气出气管307汇集流入水汽分离器305的圆柱形腔体，所述的水汽分离器305上下端均呈喇叭口状，空气从腔体上部流出并进入燃料电池堆1参加反应，冷凝水从腔体下部306排出。

2.如图3所示，一种带有空气温度调节与湿度稳定装置，包括空气散热器15、水汽分离器16，所述的空气散热器包括散热管302、散热风扇303，所述的散热管302的进气和出气端均垂直相交连接两水汽分离器305，305’，其中，与散热管302进气端相连的水汽分离器305’上端封闭，下端呈喇叭口状收集冷凝水，与散热管302出气端相连的水汽分离器305上下端均呈喇叭口状，空气从腔体上部流出并进入燃料电池堆1参加反应，冷凝水从腔体下部306排出。

Claims (10)

1.带有空气温度调节与湿度稳定装置的燃料电池，包括燃料电池堆、储氢装置、氢减压阀、氢气增湿装置、氢气水一汽分离器、氢循环泵、水箱、冷却水循环泵、冷却水散热器、空气过滤装置、空气压缩供应装置、空气增湿装置，其特征在于，还包括空气温度调节与湿度稳定装置，该空气温度调节与湿度稳定装置设置在空气增湿装置与燃料电池堆的空气入口之间。

2.根据权利要求1所述的带有空气温度调节与湿度稳定装置的燃料电池，其特征在于，所述的空气温度调节与湿度稳定装置包括风机、空气散热器、水汽分离器。

3.根据权利要求2所述的带有空气温度调节与湿度稳定装置的燃料电池，其特征在于，所述的空气散热器的空气入口端与风机相连，空气散热器的空气出口端连接水汽分离器。

4.根据权利要求2所述的带有空气温度调节与湿度稳定装置的燃料电池，其特征在于，所述的空气散热器包括散热管、散热风扇。

5.根据权利要求4所述的带有空气温度调节与湿度稳定装置的燃料电池，其特征在于，所述的散热管包括多根平行排列的散热管，该散热管上带有散热片。

6.根据权利要求4所述的带有空气温度调节与湿度稳定装置的燃料电池，其特征在于，所述的散热风扇位于散热管上端或下端，面向散热管送风散热。

7.根据权利要求6所述的带有空气温度调节与湿度稳定装置的燃料电池，其特征在于，所述的散热风扇可以根据进入湿空气的温度进行转速或开关调节。

8.根据权利要求2所述的带有空气温度调节与湿度稳定装置的燃料电池，其特征在于，所述的水汽分离器为圆柱形腔体，该腔体底部呈喇叭口状收集冷凝水，腔体顶部为空气出口，该水汽分离器与散热管出空气端相连。

9.根据权利要求1所述的带有空气温度调节与湿度稳定装置的燃料电池，其特征在于，所述的空气温度调节与湿度稳定装置形式之一为包括风机、空气散热器、水汽分离器，所述的空气散热器包括空气进气管、空气散热管、空气出气管、散热风扇，所述的空气进气管、空气出气管设在空气散热管的两端并与其垂直相交连接，所述的空气出气管的空气出口端与水汽分离器的圆柱形腔体的中部连接，由空气进气管流入的空气流经空气散热管后，通过空气出气管汇集流入水汽分离器的圆柱形腔体，所述的水汽分离器上下端均呈喇叭口状，空气从腔体上部流出并进入燃料电池堆参加反应，冷凝水从腔体下部排出。

10.根据权利要求1所述的带有空气温度调节与湿度稳定装置的燃料电池，其特征在于，所述的空气温度调节与湿度稳定装置形式之二为包括风机、空气散热器、水汽分离器，所述的空气散热器包括散热管、散热风扇，所述的散热管的进气和出气端均垂直相交连接两水汽分离器，其中，与散热管进气端相连的水汽分离器上端封闭，下端呈喇叭口状收集冷凝水，与散热管出气端相连的水汽分离器上下端均呈喇叭口状，空气从腔体上部流出并进入燃料电池堆参加反应，冷凝水从腔体下部排出。

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