專利名稱：一種適合燃料電池低壓運行的高效增濕裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及燃料電池的輔助裝置，尤其涉及一種適合燃料電池低壓運行的高效增濕裝置。
背景技術(shù)：
電化學燃料電池是一種能夠?qū)淙剂霞把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細小分散的引發(fā)電化學反應的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導電物體將發(fā)生電化學反應過程中生成的電子，通過外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學反應，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質(zhì)子交換膜，到達膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學反應得到電子，形成負離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發(fā)生反應，形成反應產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)的催化電化學反應就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負離子，并與陽極區(qū)遷移過來的氫正離子反應，生成反應產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽極反應與陰極反應可以用以下方程式表達
陽極反應陰極反應在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導電的極板中間，每塊導流電極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機械銑刻，形成至少一條以上的導流槽。這些導流電極板可以是金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導流電極板上的導流孔道與導流槽分別將燃料和氧化劑導入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導流極板與陰極氧化劑的導流極板。這些導流極板既作為電流集流母板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導流極板上的導流槽又作為燃料與氧化劑進入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通常可通過直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過上端板、下端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導流進口和導流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學放熱反應生成的熱吸收并帶出電池組后進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應的導流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池可用作一切車、船等運載工具的動力系統(tǒng)，又可用作手提式、移動式、固定式的發(fā)電裝置。
質(zhì)子交換膜燃料電池中核心部件是膜電極，而質(zhì)子交換膜又是膜電極中的核心部件。目前質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極中所用的質(zhì)子交換膜，在電池運行過程中需要有水分子存在保濕，因為只有水化的質(zhì)子才可以自由地穿過質(zhì)子交換膜，從電極陽極端到達電極陰極端參加電化學反應。否則當大量干燥的空氣或燃料氫氣向燃料電池供應，并離開燃料電池時，容易將質(zhì)子交換膜中的水分子帶跑，這樣質(zhì)子交換膜處于一種干燥失水狀態(tài)，質(zhì)子無法自由地穿過質(zhì)子交換膜，導致電極內(nèi)阻急劇增加，電池性能急劇下降。所以向燃料電池供應的空氣或燃料氫氣一般來說需要經(jīng)過增濕，使進入燃料電池的空氣或氫氣相對濕度提高，以免使質(zhì)子交換膜失水。
目前應用于質(zhì)子交換膜燃料電池增濕裝置主要有以下幾種1、干空氣、燃料氫氣進入燃料電池前，在增濕裝置中與純凈水進行接觸、碰撞后使水分子與空氣分子呈混合均勻的氣態(tài)空氣、水分子進入燃料電池時，是達到一定相對濕度的空氣。
2、干空氣或燃料氫氣與純凈水進入燃料電池前，在增濕裝置中并沒有直接接觸，而是由一層可以讓水分子自由透過但不讓氣體分子透過的膜分隔開來，當膜一邊流過干空氣，而膜另一邊流過純凈水時，水分子就會自動從膜一邊透過膜另一邊，使空氣分子與水分子混合達到一定的相對濕度的空氣。這種膜可以是質(zhì)子交換膜，如杜邦公司的Nafion膜等。
3、上海神力科技有限公司實用新型的一種利用進入燃料電池前的干空氣與出燃料電池的濕空氣進行水交換的增濕裝置(專利申請?zhí)?2217654.3)，該增濕裝置由一個旋轉(zhuǎn)內(nèi)膽構(gòu)成，內(nèi)填充吸水材料，當干空氣通過時，把內(nèi)膽中填充材料表面的水分子帶走，而濕空氣與水通過內(nèi)膽中填充材料表面重新吸附水分子。
以上幾種增濕方法都有技術(shù)缺陷(1)第1、2種增濕裝置需要外加提供純凈水，提供純凈水主要靠水泵、管路等器件來控制，從而大大增加了增濕裝置的復雜性，并增加了能耗。
(2)向第1、2種增濕裝置外加提供純凈水時，由于純凈水不斷消耗，必須及時補給，這造成燃料電池運行過程的成本提高，而且操作不便。
(3)當干空氣或燃料氫氣將水分子帶走時需要吸收大量的熱量才能促使水分子汽化，第1種方法需要外界熱源。
(4)第3種增濕裝置需要有一個電動機帶動增濕內(nèi)膽裝置旋轉(zhuǎn)，從而增加了增濕裝置的能耗與復雜性。
(5)第2種增濕裝置中所采用的方法有如US Patent 5,382,478中所描述的方法一樣，如圖1a、圖1b、圖1c、圖1d、圖1e、圖1f所示，增濕裝置段可以并入燃料電池堆中，也可以單獨在燃料電池堆外存在。
這種增濕裝置在工程制作上由許多片如圖2a所示導流板及許多片如圖2b所示隔膜片組成，其中隔膜片是一種可以透水，但不可以透氣的質(zhì)子交換膜，如杜邦公司的Nafion膜等，在導流板上設有許多導流孔與導流槽。
這種增濕裝置的設計原理是利用需要增濕的流體如空氣、氫氣在膜的一邊導流板上的導流槽流動，而膜的另一邊的導流板上的導流槽中流動純凈水，水分子就會自動從膜一邊透過膜的另一邊。
但這種增濕裝置的設計有以下技術(shù)缺陷①導流板上的導流孔很多，每個導流孔的面積不可能很大，否則會嚴重減少增濕導流板的有效面積；②導流板上有許多導流槽，由于各個導流孔的大小與位置限制，迫使導流槽在設計上必然有折彎處(如圖2a)；所以上述增濕裝置的設計只能適合于燃料電池較高壓力運行的條件，當待增濕的空氣等流體經(jīng)過增濕裝置時必然會因為流道大小的限制以及導流槽的折彎造成流體阻力而引起壓力損失。也就是說流體進入增濕裝置的壓力與出增濕裝置的壓力有較大的壓力降損失。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，并可以適合燃料電池低壓運行的高效增濕裝置。
本實用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種適合燃料電池低壓運行的高效增濕裝置，其特征在于，包括多塊雙極板、多塊隔膜片、一上端板、一下端板以及集流套管；所述的雙極板正面設有多條平行的導流槽，所述的雙極板背面設有多條平行的與正面導流槽呈90°排列的導流槽，所述的隔膜片為透水隔氣膜；所述的雙極板與雙極板之間夾設一隔膜片構(gòu)成一增濕單元，該增濕單元上下疊加并在上、下端各設置一上、下端板構(gòu)成增濕部分；該增濕部分的一側(cè)面成為流體的入口，該入口的相對側(cè)面成為流體的出口，該增濕部分的另一側(cè)面成為另一流體的入口，該入口的相對側(cè)面成為另一流體的出口；所述的集流套管設置在增濕部分的四個側(cè)面構(gòu)成增濕裝置。
所述的雙極板采用金屬材料或薄塑料或石墨材料或復合材料。
所述的雙極板上的導流槽是多條平行的直形槽或波浪形槽。
所述的隔膜片包括基材，以及在該基材上浸漬含離子的樹脂。
所述的基材為多孔性材料。
所述的多孔性材料選自多孔性陶瓷、多孔性不銹鋼、砂蕊玻璃、多孔性聚四氟乙烯、聚乙烯塑料薄膜中的一種。
所述的含離子的樹脂選自聚苯乙烯磺酸樹脂、聚全氟磺酸樹脂中的一種。
所述的雙極板正面與背面的導流槽呈同向排列。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下特點1、利用燃料電池排除熱、濕空氣及水來增濕，不需要外界提供純水增濕進入增濕裝置的干氣體；2、不需要外界提供熱源或消耗額外功率；3、結(jié)構(gòu)緊湊；4、適合于燃料電池低壓運行，進入增濕裝置的流體由于導流孔道足夠大，以及通過許多條平行的直導流槽后，經(jīng)受的流體阻力小，也就是說需要增濕的流體進、出增濕裝置后的幾乎沒有壓力損失。


圖1a為現(xiàn)有增濕裝置第一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖1b為現(xiàn)有增濕裝置第二種結(jié)構(gòu)示意圖；圖1c為現(xiàn)有增濕裝置第三種結(jié)構(gòu)示意圖；圖1d為現(xiàn)有增濕裝置第四種結(jié)構(gòu)示意圖；圖1e為現(xiàn)有增濕裝置第五種結(jié)構(gòu)示意圖；圖1f為現(xiàn)有增濕裝置第六種結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a為現(xiàn)有增濕裝置雙極板及其導流槽和導流孔的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2b為現(xiàn)有增濕裝置隔膜片及其導流孔的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實用新型雙極板及其正面導流槽的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實用新型雙極板及其背面導流槽的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本實用新型隔膜片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本實用新型增濕部分的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本實用新型增濕裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本實用新型雙極板及其正面導流槽另一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為本實用新型雙極板及其背面導流槽另一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為本實用新型增濕裝置另一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
如圖3～圖7所示，一種適合燃料電池低壓運行的高效增濕裝置，包括多塊雙極板1、多塊隔膜片2、一上端板3、一下端板4以及集流套管5；所述的雙極板1正面設有多條平行的導流槽11，所述的雙極板1背面設有多條平行的與正面導流槽呈90排列的導流槽12，所述的隔膜片2為透水隔氣膜；所述的雙極板與雙極板之間夾設一隔膜片構(gòu)成一增濕單元，該增濕單元上下疊加并在上、下端各設置一上、下端板3、4構(gòu)成增濕部分Z；該增濕部分Z的一側(cè)面A成為流體的入口，該入口的相對側(cè)面成為流體的出口，該增濕部分的另一側(cè)面B成為另一流體的入口，該入口的相對側(cè)面成為另一流體的出口；所述的集流套管5設置在增濕部分的四個側(cè)面構(gòu)成增濕裝置。
本實用新型的增濕裝置呈正方形結(jié)構(gòu)，雙極板與雙極板之間有一片很薄的可以讓水分子自由互相透過，但氣體分子無法互相透過的膜。
雙極板的材料一般是有利于傳熱的金屬材料(如不銹鋼)或薄的塑料或石墨材料，或復合材料雙極板的一邊走進燃料電池氣體(例如空氣或氫氣)，另一邊走出燃料電池氣體(例如濕、熱的空氣或氫氣)，流槽可以互相平行的多條直道或互相平行的多條波浪形的彎道(利于傳熱、傳質(zhì)，但阻力有較小)。雙極板與雙極板之間的隔膜片，可以是質(zhì)子交換膜，如杜邦Nafion膜，或是基材是一種多孔性材料，例如多孔性陶瓷，多孔性不銹鋼，砂蕊玻璃，多孔性聚四氟乙烯，聚乙烯等塑料薄膜，這類多孔性材料中的許多小孔都充滿這些質(zhì)子交換樹脂(非水溶性的離子樹脂)，而這些樹脂分子可以自由交換水分子，但不讓氣體分子透過，如采用全氟磺酸樹脂，聚苯乙烯磺酸樹脂等。
為了減少流體阻力，所有的雙極板正反二面都是互相平行的直通或波浪導流槽，這些導流雙極板與隔膜片裝配疊在一起組成一個正方形的堆(增濕部分Z)后，整個堆的一側(cè)(A面)可以成為流體的入口，而入口的整個相對側(cè)面可以成為流體的出口，整個堆的另一側(cè)(B面)可以成為另一流體的入口，而入口的整個相對側(cè)面可以成為流體的出口，將這四個側(cè)面用集流套管引出，成為一個完整的增濕裝置。
如圖8～10所示，為本實用新型的另一實施例，該實施例的雙極板導流板的正、反兩面均為一樣的互相平行的直通流道槽導流場，增濕裝置裝配四側(cè)另加集流套管引出兩個進口，兩個出口成為完整的增濕裝置。
權(quán)利要求1.一種適合燃料電池低壓運行的高效增濕裝置，其特征在于，包括多塊雙極板、多塊隔膜片、一上端板、一下端板以及集流套管；所述的雙極板正面設有多條平行的導流槽，所述的雙極板背面設有多條平行的與正面導流槽呈90°排列的導流槽，所述的隔膜片為透水隔氣膜；所述的雙極板與雙極板之間夾設一隔膜片構(gòu)成一增濕單元，該增濕單元上下疊加并在上、下端各設置一上、下端板構(gòu)成增濕部分；該增濕部分的一側(cè)面成為流體的入口，該入口的相對側(cè)面成為流體的出口，該增濕部分的另一側(cè)面成為另一流體的入口，該入口的相對側(cè)面成為另一流體的出口；所述的集流套管設置在增濕部分的四個側(cè)面構(gòu)成增濕裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適合燃料電池低壓運行的高效增濕裝置，其特征在于，所述的雙極板采用金屬材料或薄塑料或石墨材料或復合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適合燃料電池低壓運行的高效增濕裝置，其特征在于，所述的雙極板上的導流槽是多條平行的直形槽或波浪形槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適合燃料電池低壓運行的高效增濕裝置，其特征在于，所述的隔膜片包括多孔基材，以及在該基材上浸漬含離子的樹脂。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種適合燃料電池低壓運行的高效增濕裝置，其特征在于，所述的基材為多孔性材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種適合燃料電池低壓運行的高效增濕裝置，其特征在于，所述的多孔性材料選自多孔性陶瓷、多孔性不銹鋼、砂蕊玻璃、多孔性聚四氟乙烯、聚乙烯塑料薄膜中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種適合燃料電池低壓運行的高效增濕裝置，其特征在于，所述的含離子的樹脂選自聚苯乙烯磺酸樹脂、聚全氟磺酸樹脂中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適合燃料電池低壓運行的高效增濕裝置，其特征在于，所述的雙極板正面與背面的導流槽呈同向排列。
專利摘要本實用新型涉及一種適合燃料電池低壓運行的高效增濕裝置，包括多塊雙極板、多塊隔膜片、一上端板、一下端板以及集流套管；所述的雙極板正面設有多條平行的導流槽，所述的雙極板背面設有多條平行的與正面導流槽呈90°排列的導流槽，所述的隔膜片為透水隔氣膜；所述的雙極板、隔膜片以及上、下端板組合構(gòu)成增濕部分；所述的集流套管設置在增濕部分的四個側(cè)面構(gòu)成增濕裝置。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、節(jié)能等優(yōu)點。
文檔編號H01M8/04GK2624415SQ0322893
公開日2004年7月7日 申請日期2003年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月21日
發(fā)明者胡里清, 李拯, 夏建偉 申請人:上海神力科技有限公司