專利名稱：一種燃料電池加濕器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池加濕器。
背景技術(shù)：
燃料電池是藉由電池內(nèi)發(fā)生燃料燃燒反應(yīng)而將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，負(fù)極除作為燃
料與電解質(zhì)的共同界面，還催化燃料的氧化反應(yīng)；而正極則為氧氣與電解質(zhì)的共同界面，還 催化氧的還原反應(yīng)。燃料電池因電解質(zhì)不同分為磷酸型(PAFC， phosphate fuel cell )、 熔融碳酸鹽型(MCFC， melt carbonate fuel cell )、固態(tài)氧化物型(SOFC， solid oxide fuel cell ) 禾口質(zhì)子交換膜型 (PEMFC， proton exchange membrane fuel cell )。 其中質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)可在低溫環(huán)境下工作，由于其使用固態(tài)電解質(zhì)，因此能應(yīng) 用在需要可移動性能源的產(chǎn)業(yè)上，例如汽車產(chǎn)業(yè)與電子3C產(chǎn)業(yè)，是目前所有燃料電池種類中 最受關(guān)注的一種。質(zhì)子交換膜燃料電池的核心元件包括膜電極組(Membrane Electrode Assembly, MEA)、氣體擴散層與導(dǎo)電雙極板。而膜電極組是由觸媒電極與質(zhì)子傳導(dǎo)膜組裝而 成。
質(zhì)子交換膜是PEMFC關(guān)鍵部件，在PEMFC運行時，質(zhì)子交換膜在傳導(dǎo)質(zhì)子時必須有水的存 在。其電導(dǎo)率與膜的含水量呈線性關(guān)系。為了確保燃料電池的性能，反應(yīng)氣體必須預(yù)增濕。 目前主要的加濕器的設(shè)計有以下幾種
(1)尾氣循環(huán)反應(yīng)氣增濕；(2)中空纖維增濕器；(3)鼓泡法；(4)噴射法；(5 )膜加濕；(6)自增濕。其中能耗最小的加濕方式是膜增濕和尾氣循環(huán)增濕，膜加濕缺點 是膜的滲透量很小，加濕需要很大膜面積和片數(shù)。加濕量不容易任意調(diào)節(jié)，并且當(dāng)反應(yīng)電流 小時，容易造成加濕過量，液態(tài)水容易堵塞流場，引起單片反極。鼓泡法的加濕能夠控制加 濕器的水溫進行調(diào)節(jié)，但能耗較大，并且加濕器出口有液態(tài)水存在。所以對于大功率PEMFC電堆需要一個加濕量可調(diào)，能耗較小的加濕器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池加濕器，具有加濕量可調(diào)，無需儲水罐，加濕速度快 ，能夠快速達(dá)到設(shè)定的加濕溫度和加濕量，并且能耗較低等特點。
其具體技術(shù)方案如下 一種燃料電池加濕器，包括氣液交換區(qū)、位于其下部的換熱區(qū)以 及位于其上部的噴頭控制區(qū)，其中所述的氣液交換區(qū)的上部設(shè)有氣體進口，所述的換熱區(qū)與 氣體流出部分的下部相連通，所述的氣體流出部分的上部設(shè)有氣體出口 。
所述的氣液交換區(qū)設(shè)有多孔篩板，其孔徑為O. l-lmm，可以采用不銹鋼材料制成，其可 以使多余的液態(tài)水流向裝置下部，防止多余的水在氣液交換區(qū)積聚。
所述的噴頭控制區(qū)設(shè)有組合噴頭，其流量可以通過切換不同孔徑的噴頭和調(diào)整水壓進行 手動控制，也可以通過電磁閥進行控制。
所述的換熱區(qū)設(shè)有一塊或多塊多孔換熱板，所述的多孔換熱板可以是翅片管結(jié)構(gòu)，包括 若干平行設(shè)置的翅片和冷凝管，所述冷凝管可以設(shè)于所述翅片的下部，也可以是在平行設(shè)置 的翅片上沿其橫向至少在一排上設(shè)有多個通孔，將所述冷凝管沿垂直方向插入翅片通孔中； 所述的翅片與冷凝管之間可以通過焊接或其它方式連接，所述的冷凝管內(nèi)通有燃料電池冷凝 水。
所述的多孔換熱板也可以是熱管換熱器構(gòu)成，其包括吸熱端和放熱端，由熱管和平行設(shè) 置的翅片構(gòu)成；所述吸熱端為熱管結(jié)構(gòu)，其上設(shè)有冷凝水進口和冷凝水出口，所述放熱端為 翅片管結(jié)構(gòu)；所述熱管可以設(shè)于所述翅片的下部，也可以是在平行設(shè)置的翅片上沿其橫向至 少在一排上設(shè)有多個通孔，將所述熱管沿垂直方向插入翅片通孔中；所述的翅片與熱管之間 可以通過焊接或其它方式連接；所述的熱管為密閉結(jié)構(gòu)，其內(nèi)設(shè)有換熱介質(zhì)，可以是丙酮、 甲醇或氟利昂中的一種或者幾種的其混合物。
所述的翅片、冷凝管以及熱管可以是銅、鋁、不銹鋼等材料制成，為了防止翅片長期在 高濕空氣中的腐蝕，其表面可以燒結(jié)PTFE或噴涂鋁鎂涂層。
所述的熱管換熱器在工作時，首先使燃料電池電堆排出的冷凝水通過冷凝水進口進入所 述吸熱端，通過熱管的換熱后，冷凝水從冷凝水出口排出，熱管內(nèi)的工作介質(zhì)被加熱后，流 到放熱端，從而使得液態(tài)水逐漸氣化。
所述的換熱區(qū)的下方設(shè)有液態(tài)水存儲區(qū)，其與所述的氣體流出部分相連通，所述的液態(tài) 水存儲區(qū)設(shè)有液位計，用于檢測液態(tài)水存儲區(qū)內(nèi)是否有未完全氣化的水。所述的氣體流出部分設(shè)有電加熱裝置，其可以是電加熱棒、電加熱管或電加熱板，當(dāng)裝 置在低電流條件下工作時，換熱區(qū)的熱量較小，此時，所述的電加熱裝置可以對其進行補充
所述的氣體流出部分設(shè)有氣體出口，所述的氣體出口處設(shè)有過濾器，用于除去過量的液 態(tài)水。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的燃料電池加濕器，其加濕量可調(diào)，無需儲水罐，加濕速度快 ，能夠快速達(dá)到設(shè)定的加濕溫度和加濕量，并且能耗較低等特點。


圖l是本發(fā)明的燃料電池加濕器結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的燃料電池加濕器結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明的多孔換熱板結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明的另一種多孔換熱板結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步詳細(xì)的說明，但不限于本 實施例的內(nèi)容。
如圖l、圖2所示， 一種燃料電池加濕器，包括氣液交換區(qū)2、位于其下部的換熱區(qū)3以及 位于其上部的噴頭控制區(qū)5，其中所述的氣液交換區(qū)2的上部設(shè)有氣體進口1，所述的換熱區(qū)3 與氣體流出部分9的下部相連通，所述的氣體流出部分9的上部設(shè)有氣體出口7。
所述的氣液交換區(qū)2設(shè)有多孔篩板11，所述的噴頭控制區(qū)5設(shè)有組合噴頭6，其流量可以 通過切換不同孔徑的噴頭和調(diào)整水壓進行手動控制，也可以通過電磁閥進行控制。
所述的換熱區(qū)3設(shè)有一塊或多塊多孔換熱板12，所述的多孔換熱板12可以是翅片管結(jié)構(gòu) ，包括若干平行設(shè)置的翅片14和冷凝管16，如圖3所示，所述冷凝管16可以設(shè)于所述翅片14 的下部，也可以是在平行設(shè)置的翅片14上沿其橫向至少在一排上設(shè)有多個通孔，將冷凝管16 沿垂直方向插入翅片通孔中；所述的翅片14與冷凝管16之間可以通過焊接或其它方式連接， 所述的冷凝管16內(nèi)通有燃料電池冷凝水，其通過冷凝水進口13流入，通過冷凝水出口15排出
所述的多孔換熱板12也可以是熱管換熱器構(gòu)成，其包括吸熱端17和放熱端21，由熱管19 和平行設(shè)置的翅片20構(gòu)成，如圖4所示；所述吸熱端17為熱管結(jié)構(gòu)，其上設(shè)有冷凝水進口18 和冷凝水出口22，所述放熱端21為翅片管結(jié)構(gòu)；所述熱管19可以設(shè)于所述翅片20的下部，也 可以是在平行設(shè)置的翅片20上沿其橫向至少在一排上設(shè)有多個通孔，將所述熱管19沿垂直方向插入翅片通孔中；所述的翅片20與熱管19之間可以通過焊接或其它方式連接；所述的熱管 19為密閉結(jié)構(gòu)，其內(nèi)設(shè)有換熱介質(zhì)，可以是丙酮、甲醇或氟利昂中的一種或者幾種的其混合 物。
所述的翅片14、冷凝管16以及熱管19可以是銅、鋁、不銹鋼等材料制成，其表面可以燒 結(jié)PTFE或噴涂鋁鎂涂層。
所述的換熱區(qū)3的下部設(shè)有液態(tài)水存儲區(qū)4，其與所述的氣體流出部分9相連通，所述的 液態(tài)水存儲區(qū)4設(shè)有液位計；所述的氣體流出部分9設(shè)有電加熱裝置10，其可以是電加熱棒、 電加熱管或電加熱板；所述的氣體流出部分9設(shè)有氣體出口7，所述的氣體出口7處設(shè)有過濾 器8。
結(jié)合附圖l、附圖2對本發(fā)明的燃料電池加濕器的運行過程和原理作如下說明 首先，氣體進入氣液交換區(qū)2與噴頭控制區(qū)5噴出的水霧進行水熱交換，使空氣達(dá)到過飽 和，氣體攜帶大量液態(tài)水通過多孔篩板11進入換熱區(qū)3。
當(dāng)多孔換熱板12采用翅片管結(jié)構(gòu)時，燃料電池電堆排出的冷凝水通過冷凝水進口 13進入 換熱區(qū)3的冷凝管16中，從而使得液態(tài)水逐漸氣化；當(dāng)多孔換熱板12采用熱管換熱器時，燃 料電池電堆排出的冷凝水通過冷凝水進口18進入所述吸熱端17，通過熱管19的換熱后，冷凝 水從冷凝水出口22排出，熱管19內(nèi)的換熱介質(zhì)被加熱后，流到放熱端21，從而使得液態(tài)水逐 漸氣化。
經(jīng)過一塊或兩塊多孔換熱板12加熱后，氣體溫度逐漸升高，相對濕度逐漸增加，達(dá)到設(shè) 定溫度和濕度后，氣體進入氣體流出部分9，過量的液態(tài)水通過濾器8除去，然后氣體通過氣 體出口7排出后，進入燃料電池電堆。
如果換熱區(qū)3還有液態(tài)水沒有被氣化，剩余的水進入液態(tài)水存儲區(qū)4，此時減少組合噴頭 6的噴水量，這些水會被氣體帶入氣體流出部分9，通過其中設(shè)置的電加熱裝置10進行加熱， 使得氣體的溫度達(dá)到設(shè)定值，過量的液態(tài)水通過濾器8除去。通過測定氣體出口7處的液態(tài)水 含量來調(diào)節(jié)組合噴頭6的噴水量，使得加濕器滿足設(shè)定溫度下的飽和加濕。也可以通過改變 多孔換熱板溫度和組合噴頭6噴水量以及電加熱裝置10的溫度來設(shè)定一定相對濕度的氣體， 從而使得氣體溫度，相對濕度能夠任意調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池加濕器，包括氣液交換區(qū)(2)、位于其下部的換熱區(qū)(3)以及位于其上部的噴頭控制區(qū)(5)，其特征在于所述的氣液交換區(qū)(2)的上部設(shè)有氣體進口(1)，所述的換熱區(qū)(3)與氣體流出部分(9)的下部相連通，所述的氣體流出部分(9)的上部設(shè)有氣體出口(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池加濕器，其特征在于所述的氣液交 換區(qū)(2)設(shè)有多孔篩板(11)，其孔徑為0.1-lmm。
3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池加濕器，其特征在于所述的噴頭控 制區(qū)(5)設(shè)有組合噴頭(6)，其通過手動控制或電磁閥控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池加濕器，其特征在于所述的換熱區(qū) (3)設(shè)有一塊或多塊多孔換熱板(12)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池加濕器，其特征在于所述的多孔換 熱板(12)為翅片管結(jié)構(gòu)，包括平行設(shè)置的翅片(14)和冷凝管(16)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池加濕器，其特征在于所述的冷凝管 (16)設(shè)于多孔換熱板下部，或在平行設(shè)置的翅片(14)上沿其橫向至少在一排上設(shè)有多個 通孔，將冷凝管(16)沿垂直方向插入翅片通孔中。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池加濕器，其特征在于所述的多孔換 熱板為熱管換熱器，其包括吸熱端(17)和放熱端(21)，由熱管(19)和平行設(shè)置的翅片 (20)構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池加濕器，其特征在于所述吸熱端( 17)為熱管結(jié)構(gòu)，其上設(shè)有冷凝水進口 (18)和冷凝水出口 (22);所述放熱端(21)為翅 片管結(jié)構(gòu)；所述熱管(19)設(shè)于所述翅片(20)的下部，或在平行設(shè)置的翅片(20)上沿其 橫向至少在一排上設(shè)有多個通孔，將所述熱管(19)沿垂直方向插入翅片通孔中。
9.根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池加濕器，其特征在于所述的換熱區(qū) (2)的下方設(shè)有液態(tài)水存儲區(qū)(4)，其與所述的氣體流出部分(9)相連通。
10 根據(jù)權(quán)利要求io所述的燃料電池加濕器，其特征在于所述的液態(tài)水存儲區(qū)(4)設(shè)有液位計。
11 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池加濕器，其特征在于所述的氣體 流出部分(9)設(shè)有電加熱裝置(10)。
12 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的燃料電池加濕器，其特征在于所述的電加 熱裝置(10)是電加熱棒、電加熱管或電加熱板。
13 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池加濕器，其特征在于所述的氣體 出口 (7)處設(shè)有過濾器(8)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料電池加濕器，包括氣液交換區(qū)(2)、位于其下部的換熱區(qū)(3)以及位于其上部的噴頭控制區(qū)(5)，其中所述的氣液交換區(qū)(2)的上部設(shè)有氣體進口(1)，所述的換熱區(qū)(3)與氣體流出部分(9)的下部相連通，所述的氣體流出部分(9)的上部設(shè)有氣體出口(7)。本發(fā)明具有加濕量可調(diào)，無需儲水罐，加濕速度快，能夠快速達(dá)到設(shè)定的加濕溫度和加濕量，并且能耗較低等特點。
文檔編號H01M8/04GK101577338SQ20081030150
公開日2009年11月11日 申請日期2008年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月9日
發(fā)明者侯曉峰, 孫永欣, 鋼 肖 申請人:漢能科技有限公司