TWI323953B - - Google Patents

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1323953 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種氣體加濕裝置，應用於質子交換膜 型燃料電池，特別是一種回收利用燃料電池所產生高溫廢熱， 再藉由氣體加濕裝置之處理’可使反應氣體在短時間内提升其 含濕量的燃料電池之外部氣體加濕裝置。 【先前技術】 質子交換膜型燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel

Cells，PEMFCs)係一種藉由電化學反應，直接利用氫氣(H2)與 氧氣(〇2)產生電力的裝置，由於操作溫度低、啟動快、能量密 度高、污染低，並且應用的範圍廣泛，故成為世界各國相繼研 發與推廣之技術。 典型質子交換膜型燃料電池(PEMFC)主要的構成組件包 括質子膜交換膜(Proton Exchange Membrane ,簡稱PEM )、觸 媒層(Catalyst Layer)、氣體擴散層(Gas Division Layer，簡稱 GDL )及雙極板(Bipolar Plate)等。質子臈交換膜(pEM)它是一 種固態的高分子薄膜(如DuPont的Nafion膜、Asahi Chemical 的 Aciplex 膜、Ballard 的 BAM 膜及 Gore 的 Gore Select 膜）， 匕在PEMFC電池中主要功用為隔絕陰極、陽極兩種反應氣體 分子，同時也隔離電子，它僅容許水分子(H2〇)及氫離子(h+) 傳導，所以此種高分子薄膜它是一種不透氣薄臈，只能導氫離 子(H+)但不導電子。當氫離子(h^在此高分子薄膜中進行傳導 時，它必須藉由水分子的攜帶才能完成，所以高分子薄膜的含 濕莖越南’虱離子(H"*")的傳導性就越佳。因此，如何提升高分 子薄膜的含濕量，以獲得較佳的氫離子導電效率，此乃維持質 子交換膜型燃料電池(PEMFC)良好性能的必要條件。 5 燃料電輯於反減_蝴枝與設計， ，種方式’各有各的優缺點。以外部:Ϊ ^占用工間^也需要額外的電力供應加濕器 & ΐΠ’Λ Λ反Λ㈣的溫纽秘，奴雜術主= ，點：但它也有許多優點：⑴可提供穩定的加濕 二 及處理較大量的氣體加濕（4)容易進行i修 ,濕方式，它主要是在燃料電池的内部進 =二加濕機構的設計，此方式主要優點：⑴體積小、不伯 =(2)不賴外設置城||及加熱器，故可節省成本 了直接回收姻燃料電池本身產生的廢熱或水。但它也有許多 ，點加濕機構的管道設計及與電池的連接多相當複雜 力:濕罝不紐做調整（3)當貞載大時，氣體加濕往往不易達 到飽和狀態（4)不易進行維修及保養工作。 有關燃料電池系統之反應氣體加濕設計的專利，近幾年 來也陸續被提出與改進，前案如美國專利公告第5,482,68〇、 5,527,363號專利，主要是在燃料Staek)__^i 一加濕段，缺點是大幅增加電池堆的體積與重量，另外電池堆 内部之燃料、氧化劑與水的流道設計多相當複雜。美國專利公 告第6,406,807號專利係在碳板上氣體流道間之肋埂(Rid、Land) 處設計喷水孔’可直接對PEM[膜加水；美國專利公告第 6,403,249號專利係在電池組中加上一薄膜式加濕段，可直接 對反應氣體進行加濕。美國專利公告第6,2〇7,312號專利係採 用封閉式流道(Interdigitated flow field)與碳板上設計薄膜式加 濕區，此為自潤濕設計。美國專利公告第6,066,4〇8號專利係 在氣體流道中加入一吸水蕊(Wick)，並設計加水孔以補充吸水 蕊的含水量。美國專利公告第5,998,054號專利係在碳板上對 每一氣體流道之前端進行喷水加濕之設計。美國專利公告第 5,952,119號專利係在氣體擴散層(碳布)上縫製固定間隔之親 ^性細線’外加補充水藉由此細線將水分佈在PEM膜上。而 ^國專利公告第5,965,288號專利係採用一外部透水膜加濕器 對反應氣體進行加濕。 【發明内容】 ^ 本發明之主要目的係提出一種燃料電池之外部氣體加濕 f置了使反應氣體在短時間内提升其含濕量，並使高分子薄 膜獲得良好的加濕效果，藉此提升燃料電池(PEMFC)之發電效 率及使用壽命。 根據本發明所揭露之燃料電池之外部氣體加濕裝置，係 包^有筒體、預熱蛇管、氣體分散器’藉由氣體分散器隔開存 於筒體内的液體，而預熱蛇管之蛇管段則浸於液體内，出口端 位於氣體分散器所隔開之氣體腔室内，使反應氣體進入預熱蛇 管内’經過蛇管段與液體進行熱交換’並由氣體腔室透過氣體 分散器而以微小氣泡的狀態進入液體内，提升反應氣體的溫度 及濕度。同時’配合回收利用燃料電池所產生之高溫廢熱，將 此廢熱透過筒體内之液體轉移給反應氣體，節省加熱液體所需 之能源損耗’且反應氣體產生大量的微小氣泡，可大幅度增加 氣體與水的接觸面積與接觸的停留時間(RetentionTime)，如此 可提升反應氣體的加濕效果。 另一方面，可於筒體之出口前利用含有鰭片設計的氣體 檔板，可降低氣體的露點溫度(Dewpoint)，使過度飽和的水氣 分子聚集而凝結下來，這樣可防止燃料電池產生淹水現象 (Flooding) ° 有關本發明之詳細内容及技術，茲就配合圖式說明如下. 【實施方式】 ^ 1323953 根據本發明所揭露之燃料電池之外部氣體加濕裝置，古青 參閱「第1圖」，係應用於燃料電池（圖中未示）ϋ應氣= 的加濕，其反應氣體可為氫氣(Η2)或空氣(air)等氣體的力 =溫及 加濕。燃料電池主要的構成組件包括質子膜交換膜(Pr〇t〇n Exchange Membrane，簡稱 PEM )、觸媒層(Catalyst Uyer)、氣 體擴散層(Gas Dififtision Layer，簡稱 GDL )及雙極板(Bip〇laf ^late)等。當PEMFC電池運轉操作時，在陽極(An〇de)是進行 虱氣(H2)的氧化反應，在陰極(Cathode)則是進行氧氣(〇2)的還 原反應。首先反應氣體疋經觸媒的催化作用，使氫^(Η2)分解 成氫離子(H )與電子(e)(H2~>2H++2e·)，電子(e-)自陽極、、*屮δ 電池外部電路，經負載(Load)作功後流入陰極(。^時氮離$ 也透過質子膜交換膜(PEM)由陽極到達陰極，並氧分子及 電子（e-)結合產生水(H2〇)及熱田伽)(1/2〇2+2矿+2匕— HW+Heat)。氣離子(H+)在陽極產生時，由於電池内部存在的 電位降’此齡子會鹤地向陰極料移動。#氫離子(H+ 傳導而移動時，它必須要伴隨數個水分子才能進行傳 以 水合離子形態ίΤ(Η2〇)η移動）。因此電池運轉辦時水分子合 不斷地向陰極移動，此時若不能適時的補脉分，將導致ρΕ&

膜過度乾燥’崎低氫離子(Η+)的料能力，這將使ρΕΜ? 電池的發電性能大幅下降。 < ^ 如「第1圖」所示，外部氣體加濕裝置j包含有筒體1〇、 =蛇管20、氣體分散n 3〇、熱交換器4()減赌板5〇。 ^體10如圖中鱗不，係為直立式管狀的水槪構，内部且 有-容置空間11 ’用來儲存加顯之液體12，此容置空間^ 的外側可具有-層絕歸防止液體12溫度料，當然也可 接有液位控制器70與熱電偶溫度計6卜62。 7〇主要用來控制及調節液體12之容量，使其液體 ，持，1度（原則上以能夠涵蓋預熱蛇管2()之蛇管段^ 為佳），_電偶溫度計6丨、主要时控做指示液體12 8 1323953 的溫度，頂端具有出口 112以及液態水源入口 in，藉由液態 水源入口 111可以補充液體丨2的水量。 預熱蛇管20具有入口端21、出口端22以及位於中間部 分的蛇管段23，藉由蛇管段23婉蜒盤繞的設計，浸於液體12 内，而可增加與液體12的接觸面積，進而增加熱交換的效果。 而氣體分散器30設置於筒體1〇接近底部，而將容置空間“ 之液體12隔開而形成氣體腔室31，預熱蛇管2〇之出口端22 則為於氣體腔室31内。氣體分散器30係為平板式的多孔材料

結構二其孔徑非常小約在〇.lmm以下，可為發泡金屬、多孔 金屬氧化物、多孔碳材等材料。氣體檔板5〇係為至少一片的 板體組成，其上分別具有複數個鰭片51，並具有向下傾斜的 角度。 、百先當反應氣體(氫氣(¾)或空氣(air))進入經由入口端21 進入外部氣體加濕裝置1，經過預熱蛇管2〇之蛇管段23，此 時，因預熱蛇官20之蛇管段23是完全沉沒於液體12中，因 經由蛇管段23與液體12進撇換而使反應氣

度：而液體12的熱源可以藉由燃料電池反應後所 產生的尚熱廢氣提供，藉由廢氣入口 41導引進入埶 =而=熱交換器4〇之熱交換管43，而與液體12進行轨 ΪΪ 液體12之溫度，而後由廢氣出口 42離開，此熱ί 換g 43可以為板狀、蛇管等任意型態。 M 氣Λ通過蛇管段23而由出口端22進人氣體 ^ Γ) ’因氣體分㈣是多孔材料結構，所以 =時可產生大量的微小氣泡而進入液體 (果 9 1323953 ςη 1 加濕後要由出口 112離開筒體10之前，會經過氣體檔板 、阻擋，因為此氣體檔板5〇的表面有許多鰭片51，這些鰭 ji主要用來降低反應氣體的露點溫度(Dew ρ〇㈣，並使反 中之水氣分子t集而凝結下來，如此可防止過飽和的反 ，體進人燃料電劾，因為過飽和的氣體很料凝結成液態 ⑥的:^燃料電池產生淹水現象㈣—心這樣會使燃料電 幅降低°藉此’即可在短時間内使反應氣體有 效的k升其含濕量、溫度進入燃料電池。 以前狀較佳實施觸露如上，«並非用 i i何熟習此技藝者’在不脫離本發明之精神和 刷内，虽可作些許之更動與潤飾，因此 視後附之申料·_界定者鱗。W之财範圍當 【圖式簡單說明】 第1圖係為本發明燃料電池之外部氣體加濕裝置之示立 1323953

【主要元件符號說明】 1 10 11 111 112 12 20 21 22 23 30 31 40 41 42 43 50 51 61 ' 62 70 外部氣體加濕裝置 筒體 容置空間 液態水源入口 出口 液體 預熱蛇管 入口端 出口端 蛇管段 氣體分散器 氣體腔室 熱交換器 廢氣入口 廢氣出口 熱交換管 氣體檔板 鰭片 熱電偶溫度計 液位控制器

Claims (1)

1. 、申請專利範圍： L 一種燃料電池之外部氣體加濕裝置，該燃料電池係通入一反 應氣體反應而產生電力，並排出一高熱的廢氣，該外部惫辦 加濕裝置係包含有： —筒體，其内存有一液體，頂面具有一出口； 一預熱蛇管，裝設於該筒體内，具有一出口端、一入口端以 及一蛇管段，該入口端供該反應氣體進入，且該蛇管段 浸於該液體内；及 一氣體分散器，設置於該筒體底部，而將該液體隔開形成一 氣體腔室，使該預熱蛇管之出口端設於該氣體腔室，而 使該反應氣體，進入該氣體腔室而以微小氣泡的狀態進 入該液體，並藉由該出口輸出。 “ 2·如申請專利範圍第1項所述之燃料電池之外部氣體加濕裝 置’更包含有一熱交換器，裝設於該筒體，用以導引該廢氣， 而與該液體進行熱交換，提高該液體溫度。 3，如申請專利範圍第1項所述之燃料電池之外部氣體加濕裝 置，更包含有一熱電偶溫度計，裝設於該筒體，並置入該液 體’可控制及指示該液體溫度。 4. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池之外部氣體加濕褒 置’其中該氣體分散器係為多孔材料所構成。 、 5. 如申請專利範圍第4項所述之燃料電池之外部氣體加濕裝 置’其中s亥多孔材料係選自由發泡金屬、多孔金屬氧化物、 多孔碳材所構成之組合。 6. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池之外部氣體加濕裝 置’更包含有一氣體檔板，設置於該筒體之出口前，用來阻 擋該反應氣體，使過飽和水氣在此凝結下來。 7·如申凊專利範圍第6項所述之燃料電池之外部氣體加濕裳 置’其中該氣體檔板上更包含有複數個鰭片。 8.如申凊專利範圍第6項所述之燃料電池之外部氣體加濕裝 1323953 置，其中該氣體檔板係具有一向下的傾斜角度。

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