專利名稱：一種可提高燃料電池運行效率的空氣輸送裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及燃料電池，尤其涉及一種可提高燃料電池運行效率的空氣輸送裝置。
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(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(xué)反應(yīng)，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(xué)反應(yīng)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(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(yīng)。
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(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，陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達陽極反應(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)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(dǎo)流槽。這些導(dǎo)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(dǎo)流電極板上的導(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(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母板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導(dǎo)流極板上的導(dǎo)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?？赏ㄟ^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(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個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一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、后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(dǎo)流進口和導(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)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導(dǎo)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(xué)放熱反應(yīng)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(yīng)的導(dǎo)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)子交換膜燃料電池一般用氫氣或含富態(tài)氫或醇類作燃料。在用作車、船動力系統(tǒng)或移動式、固定式發(fā)電站時，一般用空氣作氧化劑。質(zhì)子交換膜燃料電池用作車、船動力系統(tǒng)或移動式、固定式的發(fā)電裝置時，必須包括電池堆、燃料氫氣供應(yīng)、空氣供應(yīng)、冷卻散熱、自動控制及電能輸出各個部分。其中空氣供應(yīng)是必不可少的。
質(zhì)子交換膜燃料電池中電化學(xué)反應(yīng)隨著電極內(nèi)的燃料、氧化劑的濃度提高而加快。所以用空氣作氧化劑時，為了使電極陰極側(cè)氧氣濃度增加，必須做好二個方面，一方面是增加向燃料電池輸送空氣壓力，使氧氣分壓增加，另一方面是將電極陰極側(cè)生成的水及時用過量的輸送空氣帶跑，這樣有利于氧氣向電極反應(yīng)區(qū)域擴散。所以一般來說空氣供應(yīng)的壓力提高并供應(yīng)過量，燃料電池輸出性能會提高。但必須考慮到向燃料電池輸送空氣壓力提高，并供應(yīng)過量的空氣會直接導(dǎo)致向燃料電池輸送空氣的裝置，例如空氣壓縮機、空氣泵、鼓風(fēng)機消耗的功率大大增加。從整個燃料電池動力系統(tǒng)或發(fā)電系統(tǒng)來看，系統(tǒng)中向燃料電池輸送空氣的裝置也要消耗很大的一部分能量，大約占整個燃料電池系統(tǒng)總輸出的5～20％，為了提高整個燃料電池發(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。另一方面，目前質(zhì)子交換膜燃料電池電極中所用的質(zhì)子交換膜，在電池運行過程中需要水分子保濕。因為只有充分水化的質(zhì)子才可以自由地穿過質(zhì)子交換膜，從電極的陽極端到達電極的陰極端參加電化學(xué)反應(yīng)。否則，當大量的過量的干燥的空氣向燃料電池供應(yīng)時，容易將質(zhì)子交換膜中的水分子帶跑，由于質(zhì)子水化不充分無法自由穿過質(zhì)子交換膜，導(dǎo)致電極內(nèi)阻急劇增加，電極性能急劇下降。所以，向燃料電池供應(yīng)的空氣一般來說需要經(jīng)過增濕，使空氣中的含水相對濕度提高，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(1)借助于容積的變化來實現(xiàn)空氣壓縮的壓縮機，例如渦旋空氣壓縮機、螺桿式空氣壓縮機等；(2)借助于快速運動的空氣來實現(xiàn)空氣壓縮的風(fēng)泵或風(fēng)機，例如高壓、低壓鼓風(fēng)機、滑片式風(fēng)泵等。
這二類空氣壓縮裝置用作向燃料電池輸送空氣的裝置時都有以下共同缺點(1)當空氣受到壓縮時，空氣溫度會急劇升高。從常壓空氣壓縮到絕對壓力2個大氣壓，被壓縮的空氣溫度會升高到一百多攝氏度。當壓縮空氣溫度升高時，任何空氣壓縮裝置的效率都降低，或能耗增大。
(2)當被壓縮的空氣達到一定的高溫度時，例如高于80℃時，這種壓縮空氣無法直接進入燃料電池運行，因為燃料電池的工作溫度一般不超過80℃。超過燃料電池工作溫度的高熱空氣，進入燃料電池很快將燃料電池中的質(zhì)子交換膜上的水分子帶跑，使電極性能急劇下降。
目前解決上述問題的方法是將被壓縮、升高溫度的空氣先經(jīng)過一個外增濕兼熱交換裝置，這個裝置既可將被壓縮的、升高溫度的空氣冷卻到燃料電池工作溫度以下，又可以向被壓縮的、升高溫度的空氣補充水分子，使相對水濕度增高到接近100％。這樣，進入燃料電池運行后，燃料電池中的質(zhì)子交換膜上的水分子就不會被帶跑。但是，目前這種方法有以下缺點1)系統(tǒng)多了一個外增濕兼熱交換膜裝置，增加了整個燃料電池作為動力或發(fā)電系統(tǒng)的體積、重量及系統(tǒng)的復(fù)雜性。
2)當被壓縮、升高溫度的空氣通過增濕兼熱交換裝置時，由于空氣流動阻力增加，導(dǎo)致空氣壓力損失，使整個系統(tǒng)的能耗增加，能量效率下降。另外，增濕兼熱交換裝置往往需要額外消耗系統(tǒng)的能量，也使整個系統(tǒng)的能耗增加，能量效率下降。

發(fā)明內(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、能耗降低、性能穩(wěn)定的可提高燃料電池運行效率的空氣輸送裝置。
本實用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種可提高燃料電池運行效率的空氣輸送裝置，包括燃料電池堆、空壓機或高壓風(fēng)機，其特征在于，還包括水汽分離器、去離子器、去離子水水箱、噴水壓縮泵、噴水量計量調(diào)節(jié)閥、噴水口、空氣過濾器，所述的燃料電池堆設(shè)有空氣進氣口、空氣及生成水出口，所述的空壓機或高壓風(fēng)機設(shè)有進氣口、出氣口，所述的水汽分離器的進口與燃料電池堆的空氣及生成水出口連接，所述的去離子器的進口與水汽分離器的出口連接，所述的去離子水水箱的進口與去離子器的出口連接，所述的噴水壓縮泵的進口與去離子水水箱的出口連接，所述的噴水量計量調(diào)節(jié)閥的進口與噴水壓縮泵的出口連接，所述的噴水口設(shè)在空壓機或高壓風(fēng)機的殼體上，并與殼體內(nèi)部連通呈向內(nèi)噴射狀，該噴水口與噴水量計量調(diào)節(jié)閥的出口連接，所述的空氣過濾器與空壓機或高壓風(fēng)機的進氣口連接，所述的空壓機或高壓風(fēng)機的出氣口與燃料電池堆的空氣進氣口連接；所述的燃料電池堆反應(yīng)生成及排出大量的水，經(jīng)過水汽分離器、去離子器處理后成為去離子水進入去離子水水箱，再經(jīng)噴水壓縮泵、噴水量計量調(diào)節(jié)閥、噴水口噴入空壓機或高壓風(fēng)機中循環(huán)使用。
所述的空壓機為渦旋式空氣壓縮機或螺桿式空氣壓縮機，所述的從噴水口噴出的去離子水直接噴在渦旋式空氣壓縮機的渦盤中或螺桿式空氣壓縮機的螺桿中。
所述的高壓風(fēng)機設(shè)有快速轉(zhuǎn)動的葉輪，所述的從噴水口噴出的去離子水直接噴在高壓風(fēng)機的葉輪上。
所述的空壓機的殼體、渦盤或螺桿采用316型號不銹鋼、鈦，或者采用耐腐蝕合金，或者采用經(jīng)陽極氧化鈍化處理過的鋁，并在表面鍍不銹鋼或鎳，或者采用工程塑料或陶磁材料。
所述的高壓風(fēng)機殼體、葉輪采用316型號不銹鋼、鈦，或者采用耐腐蝕合金，或者采用經(jīng)陽極氧化鈍化處理過的鋁，并在表面鍍不銹鋼或鎳，或者采用工程塑料或陶磁材料。
所述的燃料電池堆還包括供氫裝置，該供氫裝置由貯氫瓶及氫氣流量調(diào)節(jié)閥組成。
所述的燃料電池堆還包括冷卻流體循環(huán)裝置，該冷卻流體循環(huán)裝置由流體散熱器及流體循環(huán)泵組成。
本實用新型由于采用了以上技術(shù)方案，即向燃料電池輸送空氣的空氣壓縮裝置中噴入一定量的去離子水(噴入去離子水的量應(yīng)該與該裝置向燃料電池輸送空氣量成一定的比例關(guān)系，這種比例關(guān)系主要使這類空氣壓縮裝置壓縮輸送一定量的空氣達到既降溫至低于燃料電池工作溫度，又達到完全增濕到符合燃料電池運行的相對濕度的目的)，且該去離子水是利用燃料電池堆本身的反應(yīng)生成水經(jīng)去離子化得到的，因此，它省去了現(xiàn)有技術(shù)中的外增濕兼熱交換裝置，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單，且因反應(yīng)生成水的重復(fù)利用，使燃料電池的運行成本及能耗進一步降低，同時，空壓機及高壓風(fēng)機采用噴水后濕化運行，使電池性能明顯提高，在大功率或小功率輸出時都十分穩(wěn)定。


圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖及具體實施例對本實用新型作進一步說明。
實施例1如圖1所示，一種可提高燃料電池運行效率的空氣輸送裝置，包括燃料電池堆1、高壓風(fēng)機2、水汽分離器8、去離子器14、去離子水水箱7、噴水壓縮泵6、噴水量計量調(diào)節(jié)閥16、噴水口5、空氣過濾器15，所述的燃料電池堆設(shè)有空氣進氣口9、空氣及生成水出口10，所述的高壓風(fēng)機設(shè)有進氣口3、出氣口4，所述的水汽分離器8的進口與燃料電池堆的空氣及生成水出口10連接，所述的去離子器14的進口與水汽分離器8的出口連接，所述的去離子水水箱7的進口與去離子器1 4的出口連接，所述的噴水壓縮泵6的進口與去離子水水箱7的出口連接，所述的噴水量計量調(diào)節(jié)閥16的進口與噴水壓縮泵6的出口連接，所述的噴水口5設(shè)在高壓風(fēng)機2的殼體上，并與殼體內(nèi)部連通呈向內(nèi)噴射狀，該噴水口5與噴水量計量調(diào)節(jié)閥16的出口連接，所述的空氣過濾器15與高壓風(fēng)機的進氣口3連接，所述的高壓風(fēng)機的出氣口4與燃料電池堆的空氣進氣口9連接；所述的燃料電池堆1還包括供氫裝置，該供氫裝置由貯氫瓶13及氫氣流量調(diào)節(jié)閥17組成，所述的燃料電池堆1還包括冷卻流體循環(huán)裝置，該冷卻流體循環(huán)裝置由流體散熱器12及流體循環(huán)泵11組成。所述的燃料電池堆1反應(yīng)生成及排出大量的水，經(jīng)過水汽分離器8、去離子器14處理后成為去離子水進入去離子水水箱7，再經(jīng)噴水壓縮泵6、噴水量計量調(diào)節(jié)閥16、噴水口5噴入高壓風(fēng)機2中循環(huán)使用。
所述的高壓風(fēng)機2，工作性能大約為0.5Bar(相對壓力)，空氣流量為1立方米/分鐘，在沒有采用噴水前，高壓風(fēng)機將空氣壓縮后，空氣溫度會升到80多度(常溫空氣為35℃)。在該高壓風(fēng)機2的殼體上打一個噴水口5，水箱7中貯存有去離子水，去離子水由小型，消耗功率很小(50w～100w)的水泵6經(jīng)過計量調(diào)節(jié)閥16通過噴水口5直接噴在高壓風(fēng)機的葉輪上。高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)機葉輪將去離子水打散并氣化與高速運動而被壓縮的空氣混合產(chǎn)生一定相對濕度的空氣，噴水量大約為100克～1克/分鐘，對應(yīng)空氣流量為0.1～2立方米/分鐘。由于去離子水汽化需要大量的汽化熱，將風(fēng)機2及壓縮空氣溫度降低至40～60℃，并達到與壓縮空氣均勻混合，形成一定相對濕度的壓縮空氣，由風(fēng)機出氣口4輸出。風(fēng)機殼體及軸承及葉輪均為鋁材料經(jīng)陽極氧化并鍍不銹鋼。所在風(fēng)機2工作時吸入空氣經(jīng)過濾器3濾去任何顆粒大于0.3～0.1Micron以上的粉塵，然后輸出有一定相對濕度的壓縮空氣不含任何離子，直接可以從燃料電池堆的空氣入氣口9進入，經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)后從燃料電池堆出氣口10排入水一汽分離器8，一部分水在水一汽分離器8中與空氣分離留下來，而空氣從水汽分離器8排出。留下來的水經(jīng)過去離器14凈化后重新回到去離子水箱7，并經(jīng)過小水泵6及計量閥16循環(huán)噴入噴水口5進入風(fēng)機。
通過上述的循環(huán)噴水過程，風(fēng)機2長時間工作過程中將空氣壓縮后，空氣出風(fēng)機的溫度降為50℃(常溫空氣為35℃)，在同樣的工作壓力與流量下(0.5Bar，1立方米/分鐘)風(fēng)機2比原來不噴水時的消耗功率明顯減少，而且燃料電池在原來的同樣供氫系統(tǒng)(包括氫氣源等)及冷卻流體循環(huán)散熱系統(tǒng)(包括冷卻流體泵11，與散熱器12等)支持下，采用噴水后的濕化壓縮空氣運行，電池性能明顯提高，且可以提高工作溫度，在大功率或小功率輸出時都十分穩(wěn)定。
實施例2采用渦漩式空壓機，工作性能大約為0.8Bar(相對壓力)，空氣流量為1立方米/分鐘，實施方法及結(jié)果與實施例1相同。
權(quán)利要求1.一種可提高燃料電池運行效率的空氣輸送裝置，包括燃料電池堆、空壓機或高壓風(fēng)機，其特征在于，還包括水汽分離器、去離子器、去離子水水箱、噴水壓縮泵、噴水量計量調(diào)節(jié)閥、噴水口、空氣過濾器，所述的燃料電池堆設(shè)有空氣進氣口、空氣及生成水出口，所述的空壓機或高壓風(fēng)機設(shè)有進氣口、出氣口，所述的水汽分離器的進口與燃料電池堆的空氣及生成水出口連接，所述的去離子器的進口與水汽分離器的出口連接，所述的去離子水水箱的進口與去離子器的出口連接，所述的噴水壓縮泵的進口與去離子水水箱的出口連接，所述的噴水量計量調(diào)節(jié)閥的進口與噴水壓縮泵的出口連接，所述的噴水口設(shè)在空壓機或高壓風(fēng)機的殼體上，并與殼體內(nèi)部連通呈向內(nèi)噴射狀，該噴水口與噴水量計量調(diào)節(jié)閥的出口連接，所述的空氣過濾器與空壓機或高壓風(fēng)機的進氣口連接，所述的空壓機或高壓風(fēng)機的出氣口與燃料電池堆的空氣進氣口連接；所述的燃料電池堆反應(yīng)生成及排出大量的水，經(jīng)過水汽分離器、去離子器處理后成為去離子水進入去離子水水箱，再經(jīng)噴水壓縮泵、噴水量計量調(diào)節(jié)閥、噴水口噴入空壓機或高壓風(fēng)機中循環(huán)使用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可提高燃料電池運行效率的空氣輸送裝置，其特征在于，所述的空壓機為渦旋式空氣壓縮機或螺桿式空氣壓縮機，所述的從噴水口噴出的去離子水直接噴在渦旋式空氣壓縮機的渦盤中或螺桿式空氣壓縮機的螺桿中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可提高燃料電池運行效率的空氣輸送裝置，其特征在于，所述的高壓風(fēng)機設(shè)有快速轉(zhuǎn)動的葉輪，所述的從噴水口噴出的去離子水直接噴在高壓風(fēng)機的葉輪上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可提高燃料電池運行效率的空氣輸送裝置，其特征在于，所述的空壓機的殼體、渦盤或螺桿采用316型號不銹鋼、鈦，或者采用耐腐蝕合金，或者采用經(jīng)陽極氧化鈍化處理過的鋁，并在表面鍍不銹鋼或鎳，或者采用工程塑料或陶磁材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的可提高燃料電池運行效率的空氣輸送裝置，其特征在于，所述的高壓風(fēng)機殼體、葉輪采用316型號不銹鋼、鈦，或者采用耐腐蝕合金，或者采用經(jīng)陽極氧化鈍化處理過的鋁，并在表面鍍不銹鋼或鎳，或者采用工程塑料或陶磁材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可提高燃料電池運行效率的空氣輸送裝置，其特征在于，所述的燃料電池堆還包括供氫裝置，該供氫裝置由貯氫瓶及氫氣流量調(diào)節(jié)閥組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可提高燃料電池運行效率的空氣輸送裝置，其特征在于，所述的燃料電池堆還包括冷卻流體循環(huán)裝置，該冷卻流體循環(huán)裝置由流體散熱器及流體循環(huán)泵組成。
專利摘要本實用新型涉及一種可提高燃料電池運行效率的空氣輸送裝置，包括燃料電池堆、空壓機或高壓風(fēng)機、水汽分離器、去離子器、去離子水水箱、噴水壓縮泵、噴水量計量調(diào)節(jié)閥、噴水口、空氣過濾器，所述的燃料電池堆設(shè)有空氣進氣口、空氣及生成水出口，所述的空壓機或高壓風(fēng)機設(shè)有進氣口、出氣口，所述的燃料電池堆的空氣及生成水出口與水汽分離器連接，所述的水汽分離器依次與去離子器、去離子水水箱、噴水壓縮泵、噴水量計量調(diào)節(jié)閥、噴水口連接，設(shè)在空壓機或高壓風(fēng)機的殼體上，所述的空壓機或高壓風(fēng)機的出氣口與燃料電池堆的空氣進氣口連接；與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗降低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。
文檔編號H01M8/04GK2558093SQ0226635
公開日2003年6月25日 申請日期2002年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月16日
發(fā)明者夏建偉, 章波, 付明竹, 胡里清 申請人:上海神力科技有限公司