專(zhuān)利名稱(chēng)：一種可為燃料電池輸送空氣的高效節(jié)能風(fēng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及燃料電池的輔助設(shè)備，尤其涉及一種可為燃料電池輸送空氣的高效節(jié)能風(fēng)機(jī)。
背景技術(shù)：
電化學(xué)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(yīng)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(jiǎn)稱(chēng)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(dǎo)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(xì)小分散的引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中生成的電子，通過(guò)外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽(yáng)極端，燃料可以通過(guò)滲透穿過(guò)多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過(guò)遷移穿過(guò)質(zhì)子交換膜，到達(dá)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(guò)滲透穿過(guò)多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離子。在陰極端形成的陰離子與陽(yáng)極端遷移過(guò)來(lái)的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)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(yáng)極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)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(yáng)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(kāi)來(lái)，使它們不會(huì)相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負(fù)離子，并與陽(yáng)極區(qū)遷移過(guò)來(lái)的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)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(yáng)極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)陽(yáng)極反應(yīng)
陰極反應(yīng)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(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)膜電極板與膜電極接觸的表面通過(guò)壓鑄、沖壓或機(jī)械銑刻，形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)膜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(dǎo)膜電極板上的導(dǎo)流孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽(yáng)極區(qū)與陰極區(qū)。在一個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個(gè)膜電極，膜電極兩邊分別是陽(yáng)極燃料的導(dǎo)流極板與陰極氧化劑的導(dǎo)流極板。這些導(dǎo)流極板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機(jī)械支撐，導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽(yáng)極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運(yùn)行過(guò)程中生成的水的通道。
為了增大整個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個(gè)或兩個(gè)以上的單電池通?？赏ㄟ^(guò)直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過(guò)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(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個(gè)膜電極的陽(yáng)極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個(gè)相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過(guò)一定方式連在一起而組成一個(gè)電池組。電池組通常通過(guò)前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個(gè)典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)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(gè)陽(yáng)極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個(gè)電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組后進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時(shí)，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(jìn)出口都開(kāi)在燃料電池組的一個(gè)端板上或兩個(gè)端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池可用作一切車(chē)、船等運(yùn)載工具的動(dòng)力系統(tǒng)，又可作手提式、移動(dòng)式、固定式的發(fā)電裝置。
質(zhì)子交換膜燃料電池一般用氫氣或含富態(tài)氫或醇類(lèi)作燃料。在用作車(chē)、船動(dòng)力系統(tǒng)或移動(dòng)式、固定式發(fā)電站時(shí)一般用空氣作氧化劑。
質(zhì)子交換膜燃料電池用作車(chē)、船動(dòng)力系統(tǒng)或移動(dòng)式、固定式發(fā)電站時(shí)，必須包括電池堆，燃料供應(yīng)，空氣供應(yīng)，冷卻散熱，自動(dòng)控制及電能輸出各個(gè)部分。其中空氣供應(yīng)是必不可少。質(zhì)子交換膜燃料電池中的電化學(xué)反應(yīng)隨著燃料、氧化劑空氣的壓力提高而加快。
所以，空氣供應(yīng)的壓力提高，燃料電池輸出電能的性能會(huì)提高，但另一方面，向燃料電池輸出空氣的裝置，如空氣壓縮機(jī)也要消耗很大一部分的能量，大約占燃料電池總輸出的5～20％。為了提高整個(gè)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的整體能量效率，降低空氣輸送裝置的能耗是至關(guān)重要的。
另外，目前質(zhì)子交換膜燃料電池電極中所用的質(zhì)子交換膜，在電池運(yùn)行過(guò)程中需要有水分子保濕，因?yàn)橹挥兴馁|(zhì)子才可以自由地穿過(guò)質(zhì)子交換膜從電極陽(yáng)極端到達(dá)電極陰極端參加電化學(xué)反應(yīng)。否則，當(dāng)大量干燥的空氣向燃料電池供應(yīng)時(shí)，容易將質(zhì)子交換膜中的水分子帶跑，導(dǎo)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(yīng)的空氣一般來(lái)說(shuō)需要經(jīng)過(guò)增濕，使空氣中的含水相對(duì)濕度提高，以免使質(zhì)子交換膜失水。
目前可以用于質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)空氣輸送的裝置主要有以下二類(lèi)(1)借助于容積的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)空氣壓縮的壓縮機(jī)，例如渦旋空氣壓縮機(jī)、螺桿式空氣壓縮機(jī)、活塞式空氣壓縮機(jī)。
(2)借助于快速運(yùn)動(dòng)的空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)空氣壓縮的風(fēng)泵或風(fēng)機(jī)，例如高壓、中壓、低壓鼓風(fēng)機(jī)、滑片式風(fēng)泵等。
目前，第一類(lèi)空氣壓縮機(jī)可以實(shí)現(xiàn)高壓空氣輸送給燃料電池，一般可達(dá)1.5至5個(gè)大氣壓(相對(duì)壓力)，但這類(lèi)空氣壓縮機(jī)由于空氣壓縮比較大，壓縮熱也較大，導(dǎo)致壓縮機(jī)功耗較大，雖然質(zhì)子交換膜燃料電池由于空氣壓力增高而性能提高，但整個(gè)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率反而降低。
為了降低這類(lèi)空氣壓縮機(jī)的功耗，目前往往與空氣壓縮機(jī)配套一個(gè)同軸的熱膨脹機(jī)，將燃料電池中排出的熱空氣通過(guò)熱膨脹機(jī)，達(dá)到回收能量，降低整體空氣壓縮機(jī)的功耗。目前美國(guó)的Vairex公司研制的專(zhuān)門(mén)為質(zhì)子交換膜燃料電池輸送空氣的空壓機(jī)就是利用上面原理，達(dá)到低能耗，工作壓力可達(dá)到5個(gè)大氣壓(相對(duì)壓力)。
第二類(lèi)壓縮機(jī)空氣機(jī)械實(shí)際上是鼓風(fēng)機(jī)，這一類(lèi)壓縮空氣機(jī)械也可以實(shí)現(xiàn)低壓或中壓空氣輸送給燃料電池，空氣壓力一般不超過(guò)1.5個(gè)大氣壓(相對(duì)壓力)，對(duì)一般鼓風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，空氣壓力就更低，工作壓力一般在1～0.05個(gè)大氣壓之間(相對(duì))。
第一類(lèi)空氣壓縮機(jī)可以實(shí)現(xiàn)高壓向燃料電池輸送空氣，并可配套一個(gè)與空壓機(jī)同軸的熱膨脹機(jī)，實(shí)現(xiàn)降低整體空氣壓縮機(jī)的功耗，但有許多難以克服的缺點(diǎn)(1)借助于容積的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)空氣壓縮的壓縮機(jī)，例如渦旋空氣壓縮機(jī)、螺桿式空氣壓縮機(jī)等加工精度要求很高，因此造價(jià)較高。
(2)實(shí)現(xiàn)高壓向燃料電池輸送空氣時(shí)，對(duì)管路、接頭、閥門(mén)以及控制系統(tǒng)要求也很高，因此造價(jià)也較高。
(3)實(shí)現(xiàn)高壓向燃料電池輸送空氣時(shí)，燃料電池運(yùn)行的危險(xiǎn)性大大增加，安全性降低。
(4)噪聲比較大。
第二類(lèi)空氣壓縮機(jī)械是靠空氣快速流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)的，如鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)泵等，可以實(shí)現(xiàn)向燃料電池低壓或中壓(工作壓力在0.05～1.5個(gè)大氣壓相對(duì)壓力)，輸送空氣，但也有缺點(diǎn)(1)向燃料電池輸送空氣時(shí)往往是相對(duì)壓力低(0.05～1.5個(gè)大氣壓)，但空氣流量大，很容易將質(zhì)子交換膜燃料電池中的質(zhì)子交換膜中的水分子帶跑，導(dǎo)致電極內(nèi)阻急劇增加，電池性能急劇下降。
(2)向燃料電池輸送空氣時(shí)雖然相對(duì)壓力低(0.05～1.5個(gè)大氣壓)，但由于流量大，對(duì)整個(gè)鼓風(fēng)機(jī)空氣傳輸系統(tǒng)的能耗仍然高。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)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可為燃料電池輸送空氣的高效節(jié)能風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)造價(jià)低，還具有增濕功能。
本實(shí)用新型的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種可為燃料電池輸送空氣的高效節(jié)能風(fēng)機(jī)，其特征在于，包括風(fēng)機(jī)葉輪、助推葉輪、分隔膜、殼體、電動(dòng)機(jī)，所述的分隔膜將殼體分隔成左右兩部分，在殼體的左部分設(shè)有助推葉輪，在殼體的右部分設(shè)有風(fēng)機(jī)葉輪，在殼體外部靠風(fēng)機(jī)葉輪一側(cè)設(shè)有電動(dòng)機(jī)，所述的風(fēng)機(jī)葉輪、助推葉輪與電動(dòng)機(jī)的輸出軸同軸，所述的殼體的右部分的底部設(shè)有空氣進(jìn)口，其頂部設(shè)有可供進(jìn)入燃料電池的空氣出口，所述的殼體的左部分的底部設(shè)有由燃料電池排出的濕空氣進(jìn)口，其頂部設(shè)有與大氣相通的排空口。
還包括一空氣過(guò)濾器，該空氣過(guò)濾器設(shè)在殼體右部分底部空氣進(jìn)口的前面。
所述的分隔膜為只透水分子而不透氣體分子的分隔膜。
所述的分隔膜為高分子質(zhì)子交換膜。
所述的分隔膜為聚苯乙烯磺酸類(lèi)質(zhì)子交換膜。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)及效果(1)實(shí)現(xiàn)向燃料電池低壓輸送空氣，燃料電池運(yùn)行壓力低，對(duì)管道、閥件要求低，使各種部件價(jià)格大大降低。
(2)風(fēng)機(jī)本身制造簡(jiǎn)單，價(jià)格低。
(3)燃料電池運(yùn)行壓力低，安全性好。
(4)進(jìn)入燃料電池的空氣已經(jīng)增濕不會(huì)導(dǎo)致燃料電池的質(zhì)子交換膜失水。
(5)可以回收燃料電池中出來(lái)的飽和水熱空氣能量，使整個(gè)風(fēng)機(jī)能耗降低。
(6)運(yùn)行噪聲低。


圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型與燃料電池連接的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型助推葉輪的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實(shí)用新型風(fēng)機(jī)葉輪的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
如圖1所示，一種可為燃料電池輸送空氣的高效節(jié)能風(fēng)機(jī)，包括風(fēng)機(jī)葉輪1、助推葉輪2、分隔膜3、殼體4、電動(dòng)機(jī)5、空氣過(guò)濾器6，所述的分隔膜3將殼體4分隔成左右兩部分，在殼體4的左部分設(shè)有助推葉輪2，在殼體4的右部分設(shè)有風(fēng)機(jī)葉輪1，在殼體4外部靠風(fēng)機(jī)葉輪1一側(cè)設(shè)有電動(dòng)機(jī)5，所述的風(fēng)機(jī)葉輪1、助推葉輪2與電動(dòng)機(jī)5的輸出軸同軸，所述的殼體4的右部分的底部設(shè)有空氣進(jìn)口7，其頂部設(shè)有可供進(jìn)入燃料電池的空氣出口8，所述的空氣過(guò)濾器6設(shè)在空氣進(jìn)口7的前面，空氣經(jīng)空氣過(guò)濾器6過(guò)濾后進(jìn)入風(fēng)機(jī)的空氣進(jìn)口7，所述的殼體4的左部分的底部設(shè)有由燃料電池排出的濕空氣進(jìn)口9，其頂部設(shè)有與大氣相通的排空口10。
如圖2所示，電動(dòng)機(jī)5高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪1快速旋轉(zhuǎn)，從大氣中空氣經(jīng)過(guò)空氣過(guò)濾器6吸入風(fēng)機(jī)并產(chǎn)生快速流動(dòng)的空氣流，從風(fēng)機(jī)出口8出來(lái)并從燃料電池11空氣進(jìn)口進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池，經(jīng)過(guò)電化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生大量的水與熱量，變成飽和水熱空氣及一些水，從燃料電池空氣出口出來(lái)，又重新進(jìn)入風(fēng)機(jī)進(jìn)口9，當(dāng)這些熱空氣及水蒸氣及水穿過(guò)助推葉輪2(圖3)時(shí)，將葉輪助推旋轉(zhuǎn)，由于助推葉輪2、風(fēng)機(jī)葉輪1及電動(dòng)機(jī)5都同軸，因此減少了電動(dòng)機(jī)的能耗，以達(dá)到節(jié)能目的。另外，助推葉輪2與風(fēng)機(jī)葉輪1由一張可以自由透水分子但不可以透過(guò)任何氣體分子的分隔膜3分隔，這種膜可以杜邦公司的Nafion質(zhì)子交換膜或其他聚苯乙烯磺酸類(lèi)質(zhì)子交換膜，這種離子交換膜可以讓飽和水蒸氣的水分很快擴(kuò)散透過(guò)膜，從助推葉輪2這一面到達(dá)風(fēng)機(jī)葉輪1(圖4)，并與大氣中吸入的干燥空氣混合成為有一定相對(duì)濕度的空氣進(jìn)入燃料電池。風(fēng)機(jī)材料，包括助推葉輪2，風(fēng)機(jī)葉輪1及主軸的材料均應(yīng)抗腐蝕，無(wú)離子產(chǎn)生的材料，如不銹鋼，高性能工程塑料，陶瓷等材料。
權(quán)利要求1.一種可為燃料電池輸送空氣的高效節(jié)能風(fēng)機(jī)，其特征在于，包括風(fēng)機(jī)葉輪、助推葉輪、分隔膜、殼體、電動(dòng)機(jī)，所述的分隔膜將殼體分隔成左右兩部分，在殼體的左部分設(shè)有助推葉輪，在殼體的右部分設(shè)有風(fēng)機(jī)葉輪，在殼體外部靠風(fēng)機(jī)葉輪一側(cè)設(shè)有電動(dòng)機(jī)，所述的風(fēng)機(jī)葉輪、助推葉輪與電動(dòng)機(jī)的輸出軸同軸，所述的殼體的右部分的底部設(shè)有空氣進(jìn)口，其頂部設(shè)有可供進(jìn)入燃料電池的空氣出口，所述的殼體的左部分的底部設(shè)有由燃料電池排出的濕空氣進(jìn)口，其頂部設(shè)有與大氣相通的排空口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可為燃料電池輸送空氣的高效節(jié)能風(fēng)機(jī)，其特征在于，還包括一空氣過(guò)濾器，該空氣過(guò)濾器設(shè)在殼體右部分底部空氣進(jìn)口的前面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可為燃料電池輸送空氣的高效節(jié)能風(fēng)機(jī)，其特征在于，所述的分隔膜為只透水分子而不透氣體分子的分隔膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種可為燃料電池輸送空氣的高效節(jié)能風(fēng)機(jī)，其特征在于，所述的分隔膜為高分子質(zhì)子交換膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種可為燃料電池輸送空氣的高效節(jié)能風(fēng)機(jī)，其特征在于，所述的分隔膜為聚苯乙烯磺酸類(lèi)質(zhì)子交換膜。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種可為燃料電池輸送空氣的高效節(jié)能風(fēng)機(jī)，包括風(fēng)機(jī)葉輪、助推葉輪、分隔膜、殼體、電動(dòng)機(jī)，所述的分隔膜將殼體分隔成左右兩部分，在殼體的左部分設(shè)有助推葉輪，在殼體的右部分設(shè)有風(fēng)機(jī)葉輪，在殼體外部靠風(fēng)機(jī)葉輪一側(cè)設(shè)有電動(dòng)機(jī)，所述的風(fēng)機(jī)葉輪、助推葉輪與電動(dòng)機(jī)的輸出軸同軸，所述的殼體的右部分的底部設(shè)有空氣進(jìn)口，其頂部設(shè)有可供進(jìn)入燃料電池的空氣出口，所述的殼體的左部分的底部設(shè)有由燃料電池排出的濕空氣進(jìn)口，其頂部設(shè)有與大氣相通的排空口。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有高效、節(jié)能、造價(jià)低、可增濕等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)F04D25/06GK2543217SQ0221716
公開(kāi)日2003年4月2日 申請(qǐng)日期2002年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月29日
發(fā)明者胡里清 申請(qǐng)人:上海神力科技有限公司