專利名稱：一種高效的燃料電池增濕裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及一種高效的燃料電池增濕裝置。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)浼把趸瘎┺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)發(fā)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)流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)流極板可以上金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導(dǎo)流極板上的流體孔道與導(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)流板與陰極氧化劑的導(dǎo)流板。這些導(dǎo)流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)以上的單電池通常可通過(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、船等運(yùn)載工具的動(dòng)力系統(tǒng)，又可用作手提式、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)氫或醇類作燃料。在用作車、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、船動(dòng)力系統(tǒng)或移動(dòng)式、固定式的發(fā)電裝置時(shí)，必須包括電池堆、燃料氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)子系統(tǒng)、冷卻散熱子系統(tǒng)、自動(dòng)控制及電能輸出各個(gè)部分。其中空氣供應(yīng)子系統(tǒng)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、氧化劑濃度的提高而加快。所以用空氣作氧化劑時(shí)，為了使電極陰極側(cè)氧氣濃度增加，必須做好二個(gè)方面，一方面是增加向燃料電池輸送空氣的壓力，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(shí)用過(guò)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(kuò)散。所以一般來(lái)說(shuō)當(dāng)空氣供應(yīng)的壓力提高并供應(yīng)過(guò)量時(shí)，燃料電池輸出性能會(huì)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(guò)量的空氣，會(huì)直接導(dǎo)致向燃料電池輸送空氣的裝置(例如空氣壓縮機(jī)、空氣泵、鼓風(fēng)機(jī))消耗的功率大大增加。從整個(gè)燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)或發(fā)電系統(tǒng)來(lái)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(gè)燃料電池系統(tǒng)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(yùn)行過(guò)程中需要水分子保濕。因?yàn)橹挥谐浞炙馁|(zhì)子才可以自由的穿過(guò)質(zhì)子交換膜，從電極的陽(yáng)極端到達(dá)電極的陰極端參加電化學(xué)反應(yīng)。否則，當(dāng)大量過(guò)量的干燥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，由于質(zhì)子水化不充分無(wú)法自由穿過(guò)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(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(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；(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、低壓鼓風(fēng)機(jī)、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(shí)都有以下共同缺點(diǎn)
(1)當(dāng)空氣受到壓縮時(shí)，空氣溫度會(huì)急劇升高。從常壓空氣壓縮到絕對(duì)壓力2個(gè)大氣壓，被壓縮的空氣溫度會(huì)升高到一百多攝氏度。當(dāng)壓縮空氣溫度升高時(shí)，任何空氣壓縮裝置的效率都降低，或能耗增大。
(2)當(dāng)被壓縮的空氣達(dá)到一定的高溫度時(shí)，例如高于80℃時(shí)，這種壓縮空氣無(wú)法直接進(jìn)入燃料電池運(yùn)行，因?yàn)槿剂想姵氐墓ぷ鳒囟纫话悴怀^(guò)80℃。超過(guò)燃料電池工作溫度的高熱空氣，進(jìn)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(wèn)題的方法是將被壓縮、升高溫度的空氣先經(jīng)過(guò)一個(gè)外增濕兼熱交換裝置，這個(gè)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(bǔ)充水分子，使相對(duì)水濕度增高到接近100％。這樣，進(jìn)入燃料電池運(yùn)行后，燃料電池中的質(zhì)子交換膜上的水分子就不會(huì)被帶跑。但是，目前這種方法有以下缺點(diǎn)1)系統(tǒng)多了一個(gè)外增濕兼熱交換膜裝置，增加了整個(gè)燃料電池作為動(dòng)力或發(fā)電系統(tǒng)的體積、重量及系統(tǒng)的復(fù)雜性。
2)當(dāng)被壓縮、升高溫度的空氣通過(guò)增濕兼熱交換裝置時(shí)，由于空氣流動(dòng)阻力增加，導(dǎo)致空氣壓力損失，使整個(gè)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(gè)系統(tǒng)的能耗增加，能量效率下降。
上海神力科技公司申請(qǐng)的專利(中國(guó)專利號(hào)為02266352.5)提供了一種技術(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(dá)到既降溫至低于燃料電池工作溫度，又達(dá)到完全增濕到符合燃料電池運(yùn)行的相對(duì)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)去離子水得到的，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(jiǎn)單，且因反應(yīng)生成水的重復(fù)利用，使燃料電池的運(yùn)行成本及能耗進(jìn)一步降低，同時(shí)，空壓機(jī)及高壓風(fēng)機(jī)采用噴水后濕化運(yùn)行，使電池性能明顯提高，在大功率或小功率輸出時(shí)都十分穩(wěn)定。
如圖1所示，一種可提高燃料電池運(yùn)行效率的空氣輸送裝置，包括燃料電池堆1、空氣壓縮裝置2、水汽分離器8、去離子14、去離子水水箱7、噴水計(jì)量泵6、噴水計(jì)量調(diào)節(jié)閥16、噴水口5、空氣過(guò)濾器15，所述的燃料電池堆設(shè)有空氣進(jìn)氣口9、空氣及生成水出口10，所述的空氣壓縮裝置設(shè)有進(jìn)氣口3、出氣口4，所述的水汽分離器8的進(jìn)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(jìn)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(jìn)口與去離子器14的出口連接，所述的噴水計(jì)量泵6的進(jìn)口與去離子水水箱7的出口連接，所述的噴水計(jì)量調(diào)節(jié)閥16的進(jìn)口與噴水計(jì)量泵6的出口連接，所述的噴水口5設(shè)在空氣壓縮裝置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與噴水計(jì)量調(diào)節(jié)閥16的出口連接，所述的空氣過(guò)濾器15與空氣壓縮裝置的進(jìn)氣口3連接所述的空氣壓縮裝置的出氣口4與燃料電池堆的空氣進(jìn)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l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(guò)水汽分離器8、去離子器14處理后成為去離子水進(jìn)入去離子水水箱7，再經(jīng)噴水計(jì)量泵6、噴水計(jì)量調(diào)節(jié)閥16、噴水口5噴入空氣壓縮裝置2中循環(huán)使用。
但該專利技術(shù)也有以下技術(shù)缺陷1.向燃料電池輸送空氣的壓縮裝置噴入液態(tài)水，空氣壓縮裝置向燃料電池輸送的空氣往往無(wú)法將所有的液態(tài)水汽化。這種情況會(huì)使液態(tài)水直接隨空氣帶入燃料電池堆，從而造成燃料電池堆中某些空氣導(dǎo)流槽堵水?？諝鈱?dǎo)流槽堵水會(huì)引起該燃料電池單電池處于氧饑餓狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)該單電池中的電極會(huì)處于反極狀態(tài)而燒毀。
2.向燃料電池輸送空氣的壓縮裝置噴入液態(tài)水，經(jīng)壓縮與濕化后，空氣溫度即進(jìn)入燃料電池堆反應(yīng)的空氣進(jìn)溫度往往無(wú)法精確控制，這會(huì)影響燃料電池堆的運(yùn)行的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明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使進(jìn)入燃料電池堆進(jìn)行反應(yīng)的空氣溫度與濕度得到有效控制的高效的燃料電池增濕裝置。
本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種高效的燃料電池增濕裝置，包括燃料電池堆、供氫裝置、冷卻流體循環(huán)裝置、空氣壓縮裝置、水汽分離器、去離子器、去離子水水箱、噴水計(jì)量泵、噴水計(jì)量調(diào)節(jié)閥、其特征在于，還包括高效空氣增濕器，該高效空氣增濕器設(shè)在空氣壓縮裝置與燃料電池堆之間，來(lái)自空氣壓縮裝置的高溫干燥空氣經(jīng)過(guò)高效空氣增濕器降溫增濕后輸入燃料電池堆使用。
所述的高效空氣增濕器設(shè)有空氣入口管、空氣出口管、冷卻流體入口管、冷卻流體出口管，所述的空氣入口管與空氣壓縮裝置的出氣口連接，所述的空氣出口管與燃料電池堆的空氣進(jìn)氣口連接，所述的冷卻流體入口管與冷卻流體循環(huán)裝置的流體散熱器連接，所述的冷卻流體出口管與燃料電池堆的冷卻流體進(jìn)口連接；在空氣入口管與空氣出口管之間的增濕器內(nèi)裝填有表面積很大的多孔陶瓷或細(xì)砂芯材料，在冷卻流體入口管與出口管之間的冷卻流體回路采用盤(pán)管反復(fù)盤(pán)繞穿過(guò)上述裝填材料，在空氣入口管處設(shè)有一延伸進(jìn)入該入口管管內(nèi)的噴水頭，該噴水頭與噴水計(jì)量調(diào)節(jié)閥的出口連接，其開(kāi)、關(guān)與噴水量受噴水計(jì)量調(diào)節(jié)閥及噴水計(jì)量泵控制。
所述的空氣入口管與空氣出口管在高效空氣增濕器上呈對(duì)角設(shè)置。
所述的燃料電池堆設(shè)有空氣進(jìn)氣口、空氣及生成水出口，所述的空氣壓縮裝置設(shè)有進(jìn)氣口、出氣口，所述的水汽分離器的進(jìn)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(jìn)口與水汽分離器的出口連接，所述的去離子水水箱的進(jìn)口與去離子器的出口連接，所述的噴水計(jì)量泵的進(jìn)口與去離子水水箱的出口連接，所述的噴水計(jì)量調(diào)節(jié)閥的進(jìn)口與噴水計(jì)量泵的出口連接。
所述的供氫裝置由貯氫瓶及氫氣流量調(diào)節(jié)閥組成。
所述的冷卻流體循環(huán)裝置由流體散熱器及流體循環(huán)泵組成。
還包括空氣過(guò)濾器，該空氣過(guò)濾器的出口與空氣壓縮裝置的進(jìn)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(guò)水汽分離器、去離子器處理后成為去離子水進(jìn)入去離子水水箱，再經(jīng)噴水計(jì)量泵、噴水計(jì)量調(diào)節(jié)閥、噴水頭噴入高效空氣增濕器中循環(huán)使用。
當(dāng)經(jīng)過(guò)空氣壓縮裝置壓縮后的高溫干燥空氣經(jīng)過(guò)空氣入口管時(shí)，噴水計(jì)量泵將根據(jù)空氣流量計(jì)算，并打開(kāi)噴水計(jì)量調(diào)節(jié)閥噴水，去離子水經(jīng)噴水頭噴出，隨高溫干燥空氣進(jìn)入高效空氣增濕器，大量噴入的液態(tài)水在增濕器內(nèi)的填料上先吸附，又被快速流過(guò)的空氣解吸附，這樣經(jīng)過(guò)反復(fù)吸附與解吸附過(guò)程后，最終流出增濕器的空氣變成了達(dá)到一定溫度與濕度的空氣。實(shí)際上，空氣的比熱較小，反而水的汽化熱需要很大，一般來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)壓縮的高溫(低于120℃)熱空氣與一定量的水在高效增濕器內(nèi)經(jīng)過(guò)吸附與解吸附的混和，溫度會(huì)迅速降低，但經(jīng)過(guò)燃料電池冷卻流體盤(pán)旋管的加熱，溫度會(huì)回升到燃料電池冷卻流體回路的溫度，所以進(jìn)入燃料電池堆反應(yīng)的空氣的溫度與相對(duì)濕度就可以得到有效控制。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明高效空氣增濕器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1如圖2、圖3所示，一種高效的燃料電池增濕裝置，包括燃料電池堆1、貯氫瓶13、氫氣流量調(diào)節(jié)閥17、冷卻流體散熱器12、冷卻流體循環(huán)泵11、空氣壓縮裝置2、空氣過(guò)濾器15、水汽分離器8、去離子器14、去離子水水箱7、噴水計(jì)量泵6、噴水計(jì)量調(diào)節(jié)閥16、高效空氣增濕器18，所述的高效空氣增濕器18設(shè)在空氣壓縮裝置2與燃料電池堆1之間，來(lái)自空氣壓縮裝置2的高溫干燥空氣經(jīng)過(guò)高效空氣增濕器18降溫增濕后輸入燃料電池堆1使用。
所述的高效空氣增濕器18設(shè)有空氣入口管180、空氣出口管181、冷卻流體入口管182、冷卻流體出口管183，所述的空氣入口管180與空氣壓縮裝置的出氣口4連接，所述的空氣出口管181與燃料電池堆的空氣進(jìn)氣口9連接，所述的冷卻流體入口管182與冷卻流體循環(huán)裝置的流體散熱器12連接，所述的冷卻流體出口管183與燃料電池堆的冷卻流體進(jìn)口連接；在空氣入口管180與空氣出口管181之間的增濕器內(nèi)裝填有表面積很大的多孔陶瓷或細(xì)砂芯材料184，在冷卻流體入口管182與出口管183之間的冷卻流體回路采用盤(pán)管185反復(fù)盤(pán)繞穿過(guò)上述裝填材料，在空氣入口管處設(shè)有一延伸進(jìn)入該入口管管內(nèi)的噴水頭186，該噴水頭186與噴水計(jì)量調(diào)節(jié)閥16的出口連接，其開(kāi)、關(guān)與噴水量受噴水計(jì)量調(diào)節(jié)閥16及噴水計(jì)量泵6控制。所述的空氣入口管180與空氣出口管181在高效空氣增濕器18上呈對(duì)角設(shè)置。
所述的燃料電池堆1設(shè)有空氣進(jìn)氣口9、空氣及生成水出口10，所述的空氣壓縮裝置2設(shè)有進(jìn)氣口3、出氣口4，所述的水汽分離器8的進(jìn)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(jìn)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(jìn)口與去離子器14的出口連接，所述的噴水計(jì)量泵6的進(jìn)口與去離子水水箱7的出口連接，所述的噴水計(jì)量調(diào)節(jié)閥16的進(jìn)口與噴水計(jì)量泵6的出口連接，所述的空氣過(guò)濾器15與空氣壓縮裝置的進(jìn)氣口3連接。
所述的燃料電池堆1反應(yīng)生成及排出大量的水，經(jīng)過(guò)水汽分離器8、去離子器14處理后成為去離子水進(jìn)入去離子水水箱7，再經(jīng)噴水計(jì)量泵6、噴水計(jì)量調(diào)節(jié)閥16、噴水頭186噴入高效空氣增濕器18中循環(huán)使用。
將本發(fā)明高效增濕裝置應(yīng)用于30KW的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，按圖2、圖3技術(shù)方案實(shí)施，其中噴水量大約為1克/分鐘～100克/分鐘，對(duì)應(yīng)空氣流量為0.1立方米/分鐘～2立方米/分鐘，空氣壓縮輸送裝置為高壓風(fēng)機(jī)。
經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)從燃料電池堆1排出的空氣與生成的水，從出氣口10排入水-汽分離器8，一部分水在水-汽分離器8中與空氣分離留下來(lái)，而空氣從水汽分離器8排出，留下來(lái)的水經(jīng)過(guò)去離子器14凈化后重新回到去離子水箱7，并經(jīng)過(guò)噴水計(jì)量泵6及噴水計(jì)量調(diào)節(jié)閥16循環(huán)噴入高效空氣增濕裝置18的空氣入口管180中，該入口管管內(nèi)徑是70mm，有一噴水頭186探入入口管50mm，噴水頭內(nèi)徑為5mm。高效空氣增濕裝置18為圓柱體，內(nèi)徑為170mm，長(zhǎng)為170mm，內(nèi)部是一個(gè)蜂窩狀的整體陶瓷184，該陶瓷體內(nèi)部埋有許多不銹鋼管185，管內(nèi)徑為5mm，里面有燃料電池冷卻流體循環(huán)加熱，冷卻流體溫度是70℃。高壓風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作過(guò)程中，將空氣壓縮后，空氣出風(fēng)機(jī)溫度為90℃(常溫空氣為35℃)，空氣流量為2立方米/分鐘(0.2Bar)。噴入高效增濕裝置18的去離子水大約100克/分鐘，經(jīng)過(guò)高效增濕裝置18后，空氣為增濕后的68℃的濕化空氣直接進(jìn)入燃料電池堆的空氣入氣口9進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，此時(shí)燃料電池堆1輸出總功率為35KW。進(jìn)入燃料電池堆1的濕化空氣不含有液態(tài)水，燃料電池性能穩(wěn)定。在燃料電池堆小功率5KW輸出時(shí)，將噴水量減到10克/分鐘，空氣流量是300升/分鐘，進(jìn)入燃料電池堆的濕化空氣也不含液態(tài)水，溫度仍為68℃，燃料電池堆工作仍然穩(wěn)定。
實(shí)施例2采用渦旋式空壓機(jī)，工作性能大約是0.8Bar(相對(duì)壓力)，空氣流量1立方米/分鐘，高效增濕裝置中采用細(xì)砂芯材料，實(shí)施方法和效果與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例3省略空氣過(guò)濾器，采用潔凈空氣或者直接采用氧氣作為氧化劑，其余實(shí)施方法和效果與實(shí)施例1相同。
權(quán)利要求
1.一種高效的燃料電池增濕裝置，包括燃料電池堆、供氫裝置、冷卻流體循環(huán)裝置、空氣壓縮裝置、水汽分離器、去離子器、去離子水水箱、噴水計(jì)量泵、噴水計(jì)量調(diào)節(jié)閥、其特征在于，還包括高效空氣增濕器，該高效空氣增濕器設(shè)在空氣壓縮裝置與燃料電池堆之間，來(lái)自空氣壓縮裝置的高溫干燥空氣經(jīng)過(guò)高效空氣增濕器降溫增濕后輸入燃料電池堆使用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高效的燃料電池增濕裝置，其特征在于，所述的高效空氣增濕器設(shè)有空氣入口管、空氣出口管、冷卻流體入口管、冷卻流體出口管，所述的空氣入口管與空氣壓縮裝置的出氣口連接，所述的空氣出口管與燃料電池堆的空氣進(jìn)氣口連接，所述的冷卻流體入口管與冷卻流體循環(huán)裝置的流體散熱器連接，所述的冷卻流體出口管與燃料電池堆的冷卻流體進(jìn)口連接；在空氣入口管與空氣出口管之間的增濕器內(nèi)裝填有表面積很大的多孔陶瓷或細(xì)砂芯材料，在冷卻流體入口管與出口管之間的冷卻流體回路采用盤(pán)管反復(fù)盤(pán)繞穿過(guò)上述裝填材料，在空氣入口管處設(shè)有一延伸進(jìn)入該入口管管內(nèi)的噴水頭，該噴水頭與噴水計(jì)量調(diào)節(jié)閥的出口連接，其開(kāi)、關(guān)與噴水量受噴水計(jì)量調(diào)節(jié)閥及噴水計(jì)量泵控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高效的燃料電池增濕裝置，其特征在于，所述的空氣入口管與空氣出口管在高效空氣增濕器上呈對(duì)角設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高效的燃料電池增濕裝置，其特征在于，所述的燃料電池堆設(shè)有空氣進(jìn)氣口、空氣及生成水出口，所述的空氣壓縮裝置設(shè)有進(jìn)氣口、出氣口，所述的水汽分離器的進(jìn)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(jìn)口與水汽分離器的出口連接，所述的去離子水水箱的進(jìn)口與去離子器的出口連接，所述的噴水計(jì)量泵的進(jìn)口與去離子水水箱的出口連接，所述的噴水計(jì)量調(diào)節(jié)閥的進(jìn)口與噴水計(jì)量泵的出口連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高效的燃料電池增濕裝置，其特征在于，所述的供氫裝置由貯氫瓶及氫氣流量調(diào)節(jié)閥組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高效的燃料電池增濕裝置，其特征在于，所述的冷卻流體循環(huán)裝置由流體散熱器及流體循環(huán)泵組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高效的燃料電池增濕裝置，其特征在于，還包括空氣過(guò)濾器，該空氣過(guò)濾器的出口與空氣壓縮裝置的進(jìn)口連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高效的燃料電池增濕裝置，其特征在于，所述的燃料電池堆反應(yīng)生成及排出大量的水，經(jīng)過(guò)水汽分離器、去離子器處理后成為去離子水進(jìn)入去離子水水箱，再經(jīng)噴水計(jì)量泵、噴水計(jì)量調(diào)節(jié)閥、噴水頭噴入高效空氣增濕器中循環(huán)使用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高效的燃料電池增濕裝置，包括燃料電池堆、供氫裝置、冷卻流體循環(huán)裝置、空氣壓縮裝置、水汽分離器、去離子器、去離子水水箱、噴水計(jì)量泵、噴水計(jì)量調(diào)節(jié)閥、高效空氣增濕器，所述的高效空氣增濕器設(shè)在空氣壓縮裝置與燃料電池堆之間，來(lái)自空氣壓縮裝置的高溫干燥空氣經(jīng)過(guò)高效空氣增濕器降溫增濕后輸入燃料電池堆使用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可使進(jìn)入燃料電池堆進(jìn)行反應(yīng)的空氣溫度與濕度得到有效控制，從而提高燃料電池的運(yùn)行穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1753223SQ20041006664
公開(kāi)日2006年3月29日 申請(qǐng)日期2004年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月24日
發(fā)明者胡里清 申請(qǐng)人:上海神力科技有限公司