一種用于燃料電池的增濕器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及質(zhì)子交換膜燃料電池水管理方法，具體地說是涉及一種燃料電池反應(yīng)氣的增濕技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種能夠?qū)⑷剂现谢瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，不僅可用于建設(shè)分散電站，也適宜用作可移動動力電源，是電動汽車、潛艇的理想候選電源之一。
[0003]PEMFC中核心部件為膜電極(MEA)，MEA中膜的作用是傳導(dǎo)質(zhì)子、阻隔陰陽極氣體。由于膜傳導(dǎo)質(zhì)子需要水的參與，一般采用對反應(yīng)氣預(yù)增濕方法，保證膜處于良好的水合狀態(tài)。PEMFC中反應(yīng)氣增濕方法包括噴淋增濕、滲透膜增濕、焓輪增濕、鼓泡增濕等，其中鼓泡增濕法由于其所用設(shè)備簡單、工藝簡便、成本低廉等特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室燃料電池測試平臺中較為常見。
[0004]鼓泡增濕法示意圖如圖1所示。在燃料電池運(yùn)行前，首先往增濕器中添加合適的水量，電池運(yùn)行時反應(yīng)氣自下而上進(jìn)入增濕器，以鼓泡的方式得到潤濕，然后再通入燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。通過調(diào)節(jié)氣體流量、水溫、液面高度可改變加濕量的大小。為使得反應(yīng)氣達(dá)到較高的濕度，通常還需要對增濕器進(jìn)行加熱，并且還可以放置一些多孔物質(zhì)，如玻璃珠，用于分散增濕器內(nèi)的氣泡，增大水的蒸發(fā)表面積，便于反應(yīng)氣更好的潤濕。
[0005]在實(shí)際的PEMFC測試平臺中，反應(yīng)氣自氣源(如高壓氣瓶)中出來，首先經(jīng)過減壓設(shè)備(包括減壓閥、壓力表等)將氣壓降低至燃料電池操作壓力，然后才進(jìn)入增濕器進(jìn)行增濕。另外，為方便測量反應(yīng)氣流量，在增濕器之前還安裝氣體流量測量/控制設(shè)備(如轉(zhuǎn)子流量計、質(zhì)量流量控制器等)。上述減壓、氣體流量測量/控制設(shè)備通常需要在反應(yīng)氣干燥狀態(tài)下才能正常工作，潮濕的氣體會影響設(shè)備的測量、控制準(zhǔn)確度，嚴(yán)重時會腐蝕/堵塞部件，造成設(shè)備失效，甚至?xí)a(chǎn)生安全隱患。
[0006]由于減壓、氣體流量測量/控制設(shè)備安裝在增濕器之前，PEMFC正常運(yùn)行時，增濕器中的液態(tài)水是不會進(jìn)入這些設(shè)備的，但在PEMFC停車時通常需要使用減壓設(shè)備對整個管路中的氣體進(jìn)行泄壓，若泄壓速度控制不當(dāng)，增濕器出口氣體壓力高于進(jìn)口壓力，則增濕器內(nèi)的水極易沿管路倒灌進(jìn)入減壓、氣體流量測量/控制設(shè)備，造成設(shè)備的準(zhǔn)確度降低、失效或損壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對以上PEMFC中鼓泡增濕器常見的問題，本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種具有防止返水功能的增濕器，可防止增濕水返回增濕器之前的減壓、氣體流量測量/控制設(shè)備中。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種可防止返水的鼓泡增濕器，主要部件包括增濕器和防返水板。此增濕器可為反應(yīng)氣增濕，反應(yīng)氣自防返水板上方進(jìn)氣，經(jīng)防返水板下端出口進(jìn)入水中，經(jīng)鼓泡潤濕后的氣體再通入燃料電池。
[0009]所述的防返水板上端為反應(yīng)氣的進(jìn)口，下端沒入增濕器內(nèi)水面以下；防返水板上端與增濕器內(nèi)壁密封良好，將增濕器內(nèi)部空間分為上下兩部分，此上下兩部分空間僅通過防返水板下端氣孔連接。
[0010]防返水板上端與增濕器內(nèi)壁的密封方式包括焊接、彈性材料密封等。
[0011]所述的增濕器中水的體積不大于防返水板上方增濕器空間的體積。
[0012]所述增濕器反應(yīng)氣包括燃料和氧化劑。
[0013]所述增濕器的水中可添加多孔狀物質(zhì)，如陶瓷環(huán)、玻璃珠等，用于分散反應(yīng)氣，增加水的蒸發(fā)表面積。
[0014]所述增濕器還可安裝加熱裝置，可以用加熱棒等直接進(jìn)行加熱；也可以使用換熱器，使加熱介質(zhì)與增濕水進(jìn)行熱交換，所用的加熱介質(zhì)是高溫水、油等，還可以利用燃料電池循環(huán)冷卻水。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢:
[0016]通過在鼓泡增濕器中添加防返水板，可防止燃料電池停車時增濕器內(nèi)的水返回位于增濕器之前的減壓、氣體流量測量/控制設(shè)備中，防止水腐蝕/堵塞設(shè)備部件，保證減壓、氣體測量/控制設(shè)備的正常使用壽命。本發(fā)明所述增濕器尤其適合應(yīng)用于燃料電池測試平臺中。
【附圖說明】
:
[0017]圖1常見的鼓泡增濕器結(jié)構(gòu)示意圖
[0018]圖2實(shí)施例1可防止返水的鼓泡增濕器結(jié)構(gòu)示意圖
[0019]圖3實(shí)施例1中的防返水板
[0020]圖4實(shí)施例2可防止返水的鼓泡增濕器結(jié)構(gòu)示意圖[0021 ] 圖5實(shí)施例2中的防返水板
【具體實(shí)施方式】
:
[0022]為使熟悉該項技藝人士了解本發(fā)明的目的、特征及功效，由下述具體實(shí)施例，并配合所附圖式，對本發(fā)明詳加說明，說明如后。
[0023]實(shí)施例1:
[0024]圖2中的I為根據(jù)本發(fā)明所制作、具有防止返水功能的一種鼓泡增濕器，此增濕器可用于給PEMFC氧氣增濕。此增濕器反應(yīng)氣進(jìn)口、出口分別為2、3，進(jìn)口 2與增濕器之前的減壓閥、壓力表、氣體流量計等相連接，出口 3與燃料電池氧化劑入口相連接。此增濕器所用防返水板4形似漏斗，如圖3所示，其中8為防返水板上端，9為下端。5為增濕器內(nèi)高純水，水位最低需淹沒防返水板的下端，最高為反應(yīng)氣出口 3的下邊緣7。需要注意的是，增濕器內(nèi)所能容納的水體積不應(yīng)超過防返水板上方空間的體積，即圖2中的陰影6所示空間。
[0025]PEMFC運(yùn)行前首先往增濕器I中注入適量的高純水5，使水位淹沒防返水板下端。當(dāng)電池開始運(yùn)行時，氧化劑氧氣自進(jìn)口 2進(jìn)入增濕器，然后從漏斗形防返水板下端9出來，在高純水5中鼓泡潤濕，然后自出口 3進(jìn)入燃料電池進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。
[0026]當(dāng)PEMFC停車時，即使增濕器之前的減壓閥泄壓速度很快，在增濕器進(jìn)出口間形成負(fù)壓(出口壓力高于進(jìn)口)，增濕器內(nèi)的水5將沿防返水板4的下端9上升進(jìn)入空間6，由于空間6的體積可容納增濕器內(nèi)所有液態(tài)水，因此將不會有多余液態(tài)水通過進(jìn)口 2進(jìn)入減壓閥、壓力表、氣體流量計等設(shè)備，從而達(dá)到保護(hù)這些設(shè)備的目的。
[0027]實(shí)施例2:
[0028]圖4中的I為根據(jù)本發(fā)明所制作、具有防止返水功能的另一種鼓泡增濕器，此增濕器可用于給PEMFC氫氣增濕。
[0029]與實(shí)施例1不同的是，此增濕器防返水板進(jìn)行了改進(jìn)，如圖4所示，漏斗的容積更大，這樣可使得防返水板上方空間更大，容納更多的增濕水；增濕器內(nèi)添加了一些多孔陶瓷環(huán)10，用于分散氣泡，增加水的蒸發(fā)表面積；此外還安裝了換熱器11，換熱器用于為增濕器內(nèi)水加熱，其中12為增濕器內(nèi)被加熱的水、氣體通道，13、14分別換熱器的進(jìn)出口。此換熱器11與燃料電池循環(huán)冷卻水腔連接，因此可以利用燃料電池?zé)崃?，有利于?jié)約能源、提高能量利用率。
[0030]此增濕器反應(yīng)氣進(jìn)口 2與增濕器之前的減壓閥、壓力表、氣體流量控制器相連接，出口 3與燃料電池燃料入口相連接。PEMFC開始運(yùn)行時，燃料氫氣自進(jìn)口 2進(jìn)入增濕器，然后從防返水板下端9出來，在高純水5中所鼓氣泡被多空陶瓷環(huán)10分散；另外由于換熱器11的作用，增濕水溫較高，散碎的氣泡與高溫增濕水進(jìn)行充分的水汽交換，達(dá)到一定的濕度，然后自出口 3進(jìn)入燃料電池進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。
[0031]當(dāng)PEMFC停車時，即使在增濕器進(jìn)出口間形成負(fù)壓，在防返水板4的作用下也不會有多余液態(tài)水通過進(jìn)口 2進(jìn)入減壓閥、壓力表、流量計等設(shè)備，從而達(dá)到保護(hù)這些設(shè)備的目的。
【主權(quán)項】
1.一種具有防止返水功能的鼓泡增濕器，其特征在于:增濕器(I)內(nèi)部設(shè)置防返水板(4)，燃料電池反應(yīng)氣自增濕器防返水板上端(8)進(jìn)氣，經(jīng)防返水板下端(9)出口進(jìn)入增濕水(5 )中，經(jīng)鼓泡潤濕后的氣體再通入燃料電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有防止返水功能的鼓泡增濕器，其特征在于:所述防返水板上端(8 )為反應(yīng)氣的進(jìn)口，下端(9 )沒入增濕水面以下；防返水板上端(8 )與增濕器內(nèi)壁為密封結(jié)構(gòu)，將增濕器內(nèi)部空間分為上下兩部分，此上下兩部分空間僅通過防返水板下端(9)氣孔連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有防止返水功能的鼓泡增濕器，其特征在于:所述防返水板上端(8)與增濕器內(nèi)壁的密封結(jié)構(gòu)，是通過焊接或彈性材料密封實(shí)現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有防止返水功能的鼓泡增濕器，其特征在于:所述增濕水(5)的體積不大于防返水板上方增濕器空間的體積。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有防止返水功能的鼓泡增濕器，其特征在于:所述增濕水(5)中可添加多孔狀物質(zhì)，如陶瓷環(huán)或玻璃珠，用于分散反應(yīng)氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有防止返水功能的鼓泡增濕器，其特征在于:所述反應(yīng)氣包括燃料和氧化劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有防止返水功能的鼓泡增濕器，其特征在于:所述增濕器能夠安裝加熱裝置，用加熱棒直接進(jìn)行加熱或使用換熱器使加熱介質(zhì)與增濕水進(jìn)行熱交換，所用的加熱介質(zhì)是高溫水、油或燃料電池循環(huán)冷卻水。
【專利摘要】本發(fā)明開發(fā)了一種燃料電池用增濕器，它采用鼓泡法對進(jìn)入燃料電池的反應(yīng)氣（燃料和氧化劑）進(jìn)行增濕。與常見的鼓泡增濕器不同，本發(fā)明的增濕器具有防止返水功能，可防止增濕器內(nèi)的水返回增濕器之前的減壓、氣體流量測量/控制設(shè)備中，避免水腐蝕/堵塞設(shè)備部件，保證其正常使用壽命。
【IPC分類】H01M8-04
【公開號】CN104716357
【申請?zhí)枴緾N201310684259
【發(fā)明人】洪有陸, 耿江濤, 陳中巖, 邵志剛, 侯明, 衣寶廉
【申請人】中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2013年12月13日