專利名稱：燃料電池濕化器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池，具體的說(shuō)是一種燃料電池濕化器。
背景技術(shù)：
燃料電池堆是一種通過(guò)氫燃料和氧化劑的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的裝置。該裝置的核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡(jiǎn)稱MEA)，由兩張多孔性的氣體擴(kuò)散層和夾在中間的一片質(zhì)子交換膜組成。在質(zhì)子交換膜與氣體擴(kuò)散層(如碳紙)的界面上附著有電化學(xué)催化劑。
燃料電池堆的另一重要部件是雙極板。雙極板的表面至少含有一條氣體導(dǎo)流槽，氣體導(dǎo)流槽為參加電極反應(yīng)的氣體提供了到達(dá)膜電極的通道，在反應(yīng)中產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物(如水)通過(guò)氣體導(dǎo)流槽排出電堆。雙極板內(nèi)至少含有一條冷卻流道，冷卻介質(zhì)(如空氣或水)流經(jīng)雙極板中的冷卻流道，將反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量帶出電堆。雙極板由導(dǎo)電材料經(jīng)過(guò)模壓、沖壓或機(jī)械雕刻而成，為電子的流動(dòng)提供了通道。雙極板具有一定的強(qiáng)度，為膜電極提供支撐。雙極板具有一定的氣密性，雙極板、膜電極以及雙極板與膜電極之間的密封材料把參加反應(yīng)的燃料和氧化劑分開(kāi)。
當(dāng)氫氣由燃料電池堆的氫氣入口進(jìn)入雙極板的氫氣導(dǎo)流槽后，透過(guò)多孔性的氣體擴(kuò)散層(如碳紙)到達(dá)催化劑的表面。在催化劑的作用下，氫氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，氫原子失去電子成為正離子(質(zhì)子)。電子通過(guò)多孔性的氣體擴(kuò)散層(如碳紙)和雙極板到達(dá)用電器，再通過(guò)雙極板及多孔性的氣體擴(kuò)散層(如碳紙)到達(dá)膜電極另一側(cè)的催化劑表面。在催化劑的作用下，電子與透過(guò)多孔性的氣體擴(kuò)散層(如碳紙)到達(dá)催化劑表面的氧化劑(如氧氣)和通過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)催化劑表面的質(zhì)子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物(如水)。在氫燃料電池中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)可用以下的反應(yīng)方程式來(lái)表示陽(yáng)極反應(yīng)陰極反應(yīng)目前通用的質(zhì)子交換膜為含有C-F鏈的全氟磺酸膜，在C-F鏈支鏈的末端為磺酸基。全氟磺酸膜為選擇透過(guò)性膜，只有正離子(如質(zhì)子)可以通過(guò)，而電子和氣體則無(wú)法通過(guò)。在燃料電池堆中，當(dāng)氫氣在陽(yáng)極被催化劑解離為質(zhì)子和電子后，質(zhì)子與水結(jié)合形成水合質(zhì)子H+(nH2O)的形式，在質(zhì)子交換膜中從一個(gè)磺酸基(-SO3H)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)磺酸基(-SO3H)，最后到達(dá)陰極一側(cè)。如果氫氣一側(cè)沒(méi)有水分，則無(wú)法形成水合質(zhì)子，反應(yīng)就無(wú)法進(jìn)行。如果質(zhì)子交換膜處于干燥狀態(tài)，水合質(zhì)子就不會(huì)在磺酸基(-SO3H)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移，反應(yīng)也無(wú)法進(jìn)行。如果氫氣在進(jìn)入燃料電池堆前沒(méi)有被加濕，雖然反應(yīng)過(guò)程中會(huì)有水生成，但在膜電極氣體入口區(qū)域，質(zhì)子交換膜與氫氣的濕度較低，會(huì)影響燃料電池堆的性能和穩(wěn)定性。如果空氣在進(jìn)入燃料電池堆前沒(méi)有被加濕，則濕度較低的空氣會(huì)進(jìn)一步降低質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳遞性能。為了保證燃料電池堆的發(fā)電性能，對(duì)空氣和氫氣的濕化是非常必要的。
目前質(zhì)子交換膜燃料電池濕化器主要采用以下幾種方法1.純凈水鼓泡法反應(yīng)氣體在純凈水中經(jīng)過(guò)時(shí)被濕化。
2.噴水法在反應(yīng)氣體進(jìn)入電堆前被噴入霧狀的水滴。
3.滲透法在水分子可自由通過(guò)而氣體無(wú)法通過(guò)的膜兩邊，一邊流過(guò)純凈水，另一邊流過(guò)反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體被透過(guò)膜的水分濕化。
采用這幾種方法的濕化器存在著共同的缺陷1.需要經(jīng)常向濕化器添加純凈水，增加了燃料電池系統(tǒng)維護(hù)的難度。
2.需要向濕化器提供熱源以保證反應(yīng)氣體的溫度和濕度，這降低了燃料電池的效率，增加了燃料電池系統(tǒng)的成本。
專利申請(qǐng)?zhí)枮镃N02111824.8，名稱為“一種用于燃料電池的高效增濕裝置”的一項(xiàng)中國(guó)專利申請(qǐng)所涉及的濕化器是由一個(gè)柱狀內(nèi)膽和一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)構(gòu)成，內(nèi)膽內(nèi)設(shè)有填料，中間有隔膜。來(lái)自燃料電池的濕熱空氣經(jīng)過(guò)內(nèi)膽的一側(cè)時(shí)，把所帶的水分留在填料中。電極旋轉(zhuǎn)180℃后，干空氣經(jīng)過(guò)這一側(cè)，將填料中的水分帶走。這種濕化器的優(yōu)點(diǎn)在于，濕化器中的水分來(lái)自燃料電池反應(yīng)中產(chǎn)生的水分，因此不需要額外向濕化器中添加。但這種濕化器有下述缺陷1.結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了燃料電池系統(tǒng)的維護(hù)難度。
2.電機(jī)旋轉(zhuǎn)需要消耗一部分能量，降低了燃料電池的整體效率。
3.不能對(duì)氫氣進(jìn)行濕化。
專利申請(qǐng)?zhí)枮镃N03115482.4，名稱為“一種適合燃料電池低壓運(yùn)行的高效增濕裝置”的一項(xiàng)中國(guó)專利申請(qǐng)所涉及的濕化器是利用從燃料電池中排出的濕熱空氣作為濕化源，利用隔膜把濕熱空氣與反應(yīng)氣體分開(kāi)。隔膜可讓水分子自由通行，卻能阻止氣體通過(guò)。濕熱空氣中的水分滲透過(guò)隔膜后到達(dá)反應(yīng)氣體一側(cè)，將反應(yīng)氣體濕化。這種濕化器的優(yōu)點(diǎn)在于，濕化器中的水分來(lái)自燃料電池反應(yīng)中產(chǎn)生的水分，因此不需要額外向濕化器中添加。但這種濕化器的缺陷為不能同時(shí)濕化兩種反應(yīng)氣體(如氫氣和空氣)。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本發(fā)明的目的是為了克服上述技術(shù)問(wèn)題而提供一種高效緊湊的燃料電池濕化器，其可以同時(shí)對(duì)兩種反應(yīng)氣體進(jìn)行濕化處理。
2、技術(shù)方案本發(fā)明所述的一種燃料電池濕化器，其特征是它包括隔板、端板和濕化單元，所述隔板的兩邊至少分別設(shè)有一個(gè)濕化單元，并由外側(cè)的端板夾緊固定，所述濕化單元包括導(dǎo)流板和濕化膜，導(dǎo)流板的兩面分別設(shè)有濕熱空氣導(dǎo)流槽和反應(yīng)氣體導(dǎo)流槽，導(dǎo)流板上還設(shè)有與濕熱空氣導(dǎo)流槽相通的第一濕熱空氣通孔，以及與反應(yīng)氣體導(dǎo)流槽相通的反應(yīng)氣體通孔，所述一塊導(dǎo)流板上設(shè)有濕熱空氣導(dǎo)流槽的一面與相鄰的另一塊導(dǎo)流板上設(shè)有反應(yīng)氣體導(dǎo)流槽的一面中間夾持濕化膜構(gòu)成一個(gè)濕化單元；在隔板上設(shè)有與第一濕熱空氣通孔相通的第二濕熱空氣通孔，在兩側(cè)的端板上分別設(shè)有與第一濕熱空氣通孔相通的濕熱空氣入口和濕熱空氣出口，其中一側(cè)的端板上還設(shè)有與反應(yīng)氣體通孔相通的第一反應(yīng)氣體入口和第一反應(yīng)氣體出口，另一側(cè)的端板上設(shè)有第二反應(yīng)氣體入口和第二反應(yīng)氣體出口。
由隔板將整個(gè)濕化器分隔成兩個(gè)濕化區(qū)，一個(gè)濕化區(qū)用于濕化反應(yīng)氣體中的燃料(如氫氣)，另一個(gè)濕化區(qū)用于濕化反應(yīng)氣體中的氧化劑(如空氣)，隔板上只有用于濕熱空氣流通的第二濕熱空氣通孔，而沒(méi)有反應(yīng)氣體流通的導(dǎo)氣通孔，所以其兩邊的反應(yīng)氣體只在其各自的濕化區(qū)流動(dòng)互不干擾，而濕熱空氣則可以通過(guò)隔板的第二濕熱空氣通孔從一側(cè)的濕化區(qū)流入另一側(cè)的濕化區(qū)，即可以同時(shí)濕化兩種反應(yīng)氣體，不僅使效率提高，同時(shí)也使?jié)窕鞯慕Y(jié)構(gòu)更加緊湊。該濕化器可以利用從燃料電池中排出的濕熱空氣作為濕化源，濕熱空氣通過(guò)入口流經(jīng)導(dǎo)流板上的濕熱空氣導(dǎo)流槽，而反應(yīng)氣體則在各自濕化區(qū)內(nèi)導(dǎo)流板的反應(yīng)氣體導(dǎo)流槽中流動(dòng)，導(dǎo)流板之間的濕化膜可讓水分子自由通行，卻能阻止氣體通過(guò)，從而使?jié)駸峥諝庵械乃譂B透過(guò)濕化膜后到達(dá)反應(yīng)氣體一側(cè)，將反應(yīng)氣體濕化。
隔板的兩面分別設(shè)有濕熱空氣導(dǎo)流槽和反應(yīng)氣體導(dǎo)流槽，其中一面上的濕熱空氣導(dǎo)流槽與第二濕熱空氣通孔相通，而在具有反應(yīng)氣體導(dǎo)流槽的一面上對(duì)應(yīng)相鄰導(dǎo)流板上反應(yīng)氣體通孔的位置設(shè)有凹槽，該凹槽與隔板上的反應(yīng)氣體導(dǎo)流槽相通，在隔板的兩側(cè)分別設(shè)置濕化膜以與相鄰的導(dǎo)流板對(duì)應(yīng)構(gòu)成兩個(gè)附加濕化單元。設(shè)置凹槽的目的是為了使反應(yīng)氣體能順利的通過(guò)凹槽從相鄰導(dǎo)流板的反應(yīng)氣體通孔中流入及流出，同時(shí)由于凹槽是非貫通的，所以反應(yīng)氣體只在自己的濕化區(qū)流動(dòng)而不會(huì)穿過(guò)隔板進(jìn)入另一濕化區(qū)。這樣的結(jié)構(gòu)使隔板還起到了導(dǎo)流板的作用，進(jìn)一步提高了濕化器的功效。
所述濕化膜可以是全氟磺酸膜，也可以是其它水分可以通過(guò)而氣體無(wú)法通過(guò)的薄膜。
3、有益效果本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)通過(guò)隔板將整個(gè)濕化器分隔成兩個(gè)濕化區(qū)，兩種反應(yīng)氣體在各自的濕化區(qū)內(nèi)被濕化，而濕熱空氣則可以穿過(guò)隔板從一側(cè)的濕化區(qū)流入另一側(cè)的濕化區(qū)，即可以同時(shí)濕化兩種反應(yīng)氣體，采用這樣的結(jié)構(gòu)不僅使?jié)窕蚀蟠筇岣?，同時(shí)也使?jié)窕鞯慕Y(jié)構(gòu)更加緊湊；(2)在隔板的兩面也可以分別設(shè)有濕熱空氣導(dǎo)流槽和反應(yīng)氣體導(dǎo)流槽，并與兩邊的濕化膜及導(dǎo)流板相對(duì)應(yīng)構(gòu)成兩個(gè)濕化單元。這樣隔板還起到了導(dǎo)流板的作用，進(jìn)一步提高了濕化器的功效。
四

圖1是本發(fā)明的總裝圖；圖2是導(dǎo)流板具有濕熱空氣導(dǎo)流槽的一面；圖3是導(dǎo)流板具有反應(yīng)氣體導(dǎo)流槽的一面；
圖4是隔板具有濕熱空氣導(dǎo)流槽的一面；圖5是隔板具有反應(yīng)氣體導(dǎo)流槽的一面；圖6是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是實(shí)施例1中兩種反應(yīng)氣體的流向示意圖；圖8是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是實(shí)施例2中兩種反應(yīng)氣體的流向示意圖；圖10是兩個(gè)實(shí)施例中濕熱空氣的流向示意圖。
五具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明如圖1所示，本發(fā)明所述的一種燃料電池濕化器，它包括隔板1、端板2和濕化單元，所述隔板1的兩邊至少分別設(shè)有一個(gè)濕化單元，并由外側(cè)的端板2夾緊固定，所述濕化單元包括導(dǎo)流板3和濕化膜4，如圖2、圖3所示，導(dǎo)流板3的兩面分別設(shè)有濕熱空氣導(dǎo)流槽5和反應(yīng)氣體導(dǎo)流槽6，導(dǎo)流板3上還設(shè)有與濕熱空氣導(dǎo)流槽5相通的第一濕熱空氣通孔7，以及與反應(yīng)氣體導(dǎo)流槽6相通的反應(yīng)氣體通孔8，所述一塊導(dǎo)流板3上設(shè)有濕熱空氣導(dǎo)流槽5的一面與相鄰的另一塊導(dǎo)流板3上設(shè)有反應(yīng)氣體導(dǎo)流槽6的一面中間夾持濕化膜4構(gòu)成一個(gè)濕化單元，相鄰兩塊導(dǎo)流板3及濕化膜4之間采用密封圈16保持密封以使反應(yīng)氣體及濕熱空氣不發(fā)生泄漏；在隔板1上設(shè)有與第一濕熱空氣通孔7相通的第二濕熱空氣通孔9，如圖4、圖5所示，在隔板1的兩面也分別設(shè)有濕熱空氣導(dǎo)流槽5和反應(yīng)氣體導(dǎo)流槽6，并且其中的濕熱空氣導(dǎo)流槽5與第二濕熱空氣通孔9相通，而在設(shè)有反應(yīng)氣體導(dǎo)流槽6一面上對(duì)應(yīng)相鄰的導(dǎo)流板上反應(yīng)氣體通孔8的位置設(shè)有與反應(yīng)氣體導(dǎo)流槽6相通的凹槽17，隔板1兩面也以密封圈16保持密封，在隔板1的兩側(cè)分別設(shè)置濕化膜4以與相鄰的導(dǎo)流板3對(duì)應(yīng)構(gòu)成兩個(gè)附加濕化單元。在兩側(cè)的端板2上分別設(shè)有與第一濕熱空氣通孔7相通的濕熱空氣入口10和濕熱空氣出口11，其中一側(cè)的端板2上還設(shè)有與反應(yīng)氣體通孔8相通的第一反應(yīng)氣體入口12和第一反應(yīng)氣體出口13，另一側(cè)的端板上設(shè)有第二反應(yīng)氣體入口14和第二反應(yīng)氣體出口15。上述濕化膜4是全氟磺酸膜，當(dāng)然其也可以是其它水分可以通過(guò)而氣體無(wú)法通過(guò)的薄膜。
如圖6所示的實(shí)施例1中，第一反應(yīng)氣體入口12高于第一反應(yīng)氣體出口13，第二反應(yīng)氣體入口14高于第一反應(yīng)氣體出口15，圖7是實(shí)施例1中反應(yīng)氣體在濕化器中的流向圖。
如圖8所示的實(shí)施例2中，第一反應(yīng)氣體入口12低于第一反應(yīng)氣體出口13，第二反應(yīng)氣體入口14低于第一反應(yīng)氣體出口15，圖9是實(shí)施例2中反應(yīng)氣體在濕化器中的流向圖。
圖10是上述兩實(shí)施例中濕熱空氣在濕化器中的流向圖。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池濕化器，其特征是它包括隔板(1)、端板(2)和濕化單元，所述隔板(1)的兩邊至少分別設(shè)有一個(gè)濕化單元，并由外側(cè)的端板(2)夾緊固定，所述濕化單元包括導(dǎo)流板(3)和濕化膜(4)。導(dǎo)流板(3)的兩面分別設(shè)有濕熱空氣導(dǎo)流槽(5)和反應(yīng)氣體導(dǎo)流槽(6)，導(dǎo)流板(3)上還設(shè)有與濕熱空氣導(dǎo)流槽(5)相通的第一濕熱空氣通孔(7)，以及與反應(yīng)氣體導(dǎo)流槽(6)相通的反應(yīng)氣體通孔(8)，所述一塊導(dǎo)流板(3)上設(shè)有濕熱空氣導(dǎo)流槽(5)的一面與相鄰的另一塊導(dǎo)流板(3)上設(shè)有反應(yīng)氣體導(dǎo)流槽(6)的一面中間夾持濕化膜(4)構(gòu)成一個(gè)濕化單元；在隔板(1)上設(shè)有與第一濕熱空氣通孔(7)相通的第二濕熱空氣通孔(9)，在兩側(cè)的端板(2)上分別設(shè)有與第一濕熱空氣通孔(7)相通的濕熱空氣入口(10)和濕熱空氣出口(11)，其中一側(cè)的端板(2)上還設(shè)有與反應(yīng)氣體通孔(8)相通的第一反應(yīng)氣體入口(12)和第一反應(yīng)氣體出口(13)，另一側(cè)的端板上設(shè)有第二反應(yīng)氣體入口(14)和第二反應(yīng)氣體出口(15)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池濕化器，其特征是隔板(1)的兩面分別設(shè)有濕熱空氣導(dǎo)流槽(5)和反應(yīng)氣體導(dǎo)流槽(6)，其中一面的濕熱空氣導(dǎo)流槽(5)與第二濕熱空氣通孔(9)相通，在另一面對(duì)應(yīng)相鄰的導(dǎo)流板上反應(yīng)氣體通孔(8)的位置設(shè)有與反應(yīng)氣體導(dǎo)流槽(6)相通的凹槽(17)，隔板(1)的兩側(cè)分別設(shè)置濕化膜(4)以與相鄰的導(dǎo)流板(3)對(duì)應(yīng)構(gòu)成兩個(gè)附加濕化單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池濕化器，其特征是所述濕化膜(4)是全氟磺酸膜。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種燃料電池濕化器，它包括隔板、端板和濕化單元，隔板的兩邊至少分別設(shè)有一個(gè)濕化單元，并由外側(cè)的端板夾緊固定。通過(guò)隔板將整個(gè)濕化器分隔成兩個(gè)濕化區(qū)，隔板上只有用于濕熱空氣流通的第二濕熱空氣通孔，而沒(méi)有反應(yīng)氣體流通的導(dǎo)氣通孔，兩種反應(yīng)氣體在各自的濕化區(qū)內(nèi)被濕化，而濕熱空氣則可以穿過(guò)隔板從一側(cè)的濕化區(qū)流入另一側(cè)的濕化區(qū)，即可以同時(shí)濕化兩種反應(yīng)氣體，采用這樣的結(jié)構(gòu)不僅使?jié)窕蚀蟠筇岣?，同時(shí)也使?jié)窕鞯慕Y(jié)構(gòu)更加緊湊。
文檔編號(hào)H01M8/02GK1808749SQ20061003830
公開(kāi)日2006年7月26日 申請(qǐng)日期2006年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月15日
發(fā)明者喬永進(jìn), 沈建躍, 曲平, 康新 申請(qǐng)人:南京博能燃料電池有限責(zé)任公司