专利名称：一种高效燃料电池的空气增湿系统结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及燃料电池的配套装置，尤其涉及一种高效燃料电池的空气增湿系统结构。
背景技术：
电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。
在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。
在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达
阳极反应阴极反应在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导膜电极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导膜电极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导膜电极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。
为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。
一个典型电池组通常包括(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。
质子交换膜燃料电池可用作一切车、船等运载工具的动力系统，又可用作手提式、移动式、固定式的发电装置。
质子交换膜燃料电池中核心部件是膜电极，而质子交换膜又是膜电极中的核心部件。目前质子交换膜燃料电池膜电极中所用的质子交换膜在电池运行过程中需要有水分子存在保湿，因为只有水化的质子才可以自由地穿过质子交换膜，从电极阳极端到达电极阴极端参加电化学反应。否则，当大量干燥的空气向燃料电池供应、并离开燃料电池时，容易将质子交换膜中的水分子带跑，质子无法穿过质子交换膜，导致电极内阻急剧增加，电池性能急剧下降。所以向燃料电池供应的空气一般来说需要经过增湿，使进入燃料电池的空气相对湿度提高，以免使质子交换膜失水。
目前应用于质子交换膜的燃料电池增湿装置主要有二类第一类是用纯净水泵入增湿装置，并使水分子蒸发与空气分子呈混合均匀的气态空气，水分子进入燃料电池时是达到一定相对湿度的空气。第二类是利用燃料电池自身排出的湿空气与水引入增湿装置，并与进入增湿装置的干空气交换水分子，使进入燃料电池时的空气是达到一定相对湿度的空气。
第一类增湿装置需要外部提供纯净水。提供纯净水主要靠水泵、管路等器件来控制，大大增加了增湿装置的复杂性，并增加了能源消耗；而且由于纯净水不断消耗，必须及时补给，造成燃料电池运行过程的成本很高，且操作不便。
所以第二类的应用于质子交换膜燃料电池的增湿装置具有很高的实用价值与优越性。第二类的增湿装置一般有利用旋转内胆形的高效增湿装置，如上海神力科技有限公司在专利中所述的“一种用于燃料电池高效增湿装置”(专利号02111824.8)；另一种增湿装置利用透水但不透气的膜，例如杜邦公司的Nafion膜等，这种膜可以让水分子自由透过但不让气体分子透过，当膜的一边流过干空气，膜的另一边流过从燃料电池排出的湿空气或水，水分子可以穿过膜扩散到干空气中，达到增湿的目的。例如US Patent 6,106964中可利用的就是这种增湿装置。上海神力科技有限公司在专利中所述的“一种适合燃料电池低压运行的高效增湿装置”(专利号03115482.4)也属于这种增湿装置。
目前所有的用于质子膜燃料电池的第二类增湿装置都如US Patent6,106964所述的那样，被放置在空气输送装置(例如空气压缩机，高压鼓风机等)与燃料电池之间。如图1所示，空气输送装置先将大气中的空气吸入，并经过压缩后先经过第二类增湿装置，再进入燃料电池堆，经过电化学反应后排出燃料电池堆并进入增湿装置，最后二种空气的热水交换后排出增湿装置。
目前这种增湿装置与燃料电池的连接方式有如下技术缺陷(1)当空气输送装置是鼓风机时，由于空气输送的压力很少，很难克服增湿装置的流体阻力，导致空气输送进入燃料电池堆前的压力与流量损失很大，直接导致燃料电池运行性能损失。(2)这种连接方式会导致进入增湿装置的干空气压力高于排出增湿装置的压力，采用旋转内胆型的增湿装置难免有内漏，内漏会导致高压一边的大量输送空气不进入燃料电池就抄短路从增湿装置的另一低压一边排出，直接影响燃料电池性能。采用膜增湿的增湿装置低压一边的排出湿空气水分子，由于压力差也不利于向高压一边输送干空气扩散，降低了增湿效率。
实用新型内容本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种增湿效率高、压力损失小的高效燃料电池的空气增湿系统结构。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现一种高效燃料电池的空气增湿系统结构，包括空气过滤器、空气增湿装置、燃料电池堆、空气输送装置以及控制阀，所述的空气过滤器设有空气进口与出口，所述的空气增湿装置由增湿部分与去湿部分组成，所述的增湿部分设有干空气进口、湿空气出口，所述的去湿部分设有湿空气进口、去湿空气出口，所述的燃料电池堆设有空气进口与出口，所述的空气输送装置设有进口与出口，其特征在于，所述的空气过滤器的空气进口与大气相通，所述的空气过滤器的空气出口通过控制阀与增湿装置的干空气进口连接，所述的增湿装置的湿空气出口与空气输送装置的进口连接，该空气输送装置的出口与燃料电池堆的空气进口连接，该燃料电池堆的空气出口与增湿装置的湿空气进口连接，所述的增湿装置的去湿空气出口与大气相通。
所述的控制阀包括设在空气过滤器出口与增湿装置干空气进口之间的第一控制阀，以及设在空气过滤器出口与增湿装置湿空气出口之间的第二控制阀。
所述的控制阀为电动自动控制阀。
所述的空气输送装置为高压鼓风机或空气压缩机。
所述的增湿装置为旋转内胆型或膜增湿型。
所述的旋转内胆型增湿装置设有可带动内胆旋转的电机。
与现有技术相比，本实用新型具有以下特点(1)增湿装置放在空气过滤器与空气输送装置(空压机或鼓风机)之间。
(2)进入空气输送装置的空气是已经达到一定相对湿度的热空气。
(3)增湿装置的增湿部分与去湿部分二侧吸进空气与排出空气的压力相比，反而比排出空气侧低，这样有二个好处第一，在增湿装置存在内漏的情况下，进入燃料电池堆的空气流量不会减少；第二，有利于增湿装置排出空气侧的水分子向吸进空气侧扩散、渗透，提高增湿效果。
图1为现有燃料电池空气增湿系统结构的示意图；图2为本实用新型高效燃料电池空气增湿系统结构的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。
如图2所示，一种高效燃料电池的空气增湿系统结构，包括空气过滤器1、空气增湿装置4、燃料电池堆6、空气输送装置5以及控制阀2、3，所述的空气过滤器1设有空气进口11与出口12，所述的空气增湿装置4由增湿部分41与去湿部分42组成，所述的增湿部分41设有干空气进口411、湿空气出口412，所述的去湿部分42设有湿空气进口421、去湿空气出口422，所述的燃料电池堆6设有空气进口61与出口62，所述的空气输送装置5设有进口51与出口52，所述的空气过滤器1的空气进口11与大气相通，所述的空气过滤器的空气出口12通过控制阀3与增湿装置的干空气进口411连接，所述的增湿装置的湿空气出口412与空气输送装置的进口51连接，该空气输送装置的出口52与燃料电池堆的空气进口61连接，该燃料电池堆的空气出口62与增湿装置的湿空气进口421连接，所述的增湿装置的去湿空气出口422与大气相通。
在图2所示的实施例中，大气中的空气通过空气过滤器1滤去大气中的任何粉尘、油滴等；2，3是电动自动控制阀，通过2，3的开、关可以控制空气进入增湿装置4的流量，从而可以控制进入燃料电池6的空气相对湿度；增湿装置4是旋转内胆型或膜增湿型，图中7是旋转电机；5是高压鼓风机，空气输送流量是3～5立方米/分钟，静压0.6Bar(相对压力)，该高压鼓风机的风鼓、叶轮是工程塑料材料或铝金属材料经表面处理制成的。这样，经过过滤的空气吸入增湿装置4，再经过高压鼓风机5，压缩进入燃料电池堆6，吸入增湿装置的空气与排出燃料电池堆的空气进行热、水交换成为一定相对湿度的热空气，进入燃料电池堆进行电化学反应，并再从增湿装置4排出。
权利要求1.一种高效燃料电池的空气增湿系统结构，包括空气过滤器、空气增湿装置、燃料电池堆、空气输送装置以及控制阀，所述的空气过滤器设有空气进口与出口，所述的空气增湿装置由增湿部分与去湿部分组成，所述的增湿部分设有干空气进口、湿空气出口，所述的去湿部分设有湿空气进口、去湿空气出口，所述的燃料电池堆设有空气进口与出口，所述的空气输送装置设有进口与出口，其特征在于，所述的空气过滤器的空气进口与大气相通，所述的空气过滤器的空气出口通过控制阀与增湿装置的干空气进口连接，所述的增湿装置的湿空气出口与空气输送装置的进口连接，该空气输送装置的出口与燃料电池堆的空气进口连接，该燃料电池堆的空气出口与增湿装置的湿空气进口连接，所述的增湿装置的去湿空气出口与大气相通。
2.根据权利要求1所述的高效燃料电池的空气增湿系统结构，其特征在于，所述的控制阀包括设在空气过滤器出口与增湿装置干空气进口之间的第一控制阀，以及设在空气过滤器出口与增湿装置湿空气出口之间的第二控制阀。
3.根据权利要求1或2所述的高效燃料电池的空气增湿系统结构，其特征在于，所述的控制阀为电动自动控制阀。
4.根据权利要求1所述的高效燃料电池的空气增湿系统结构，其特征在于，所述的空气输送装置为高压鼓风机或空气压缩机。
5.根据权利要求1所述的高效燃料电池的空气增湿系统结构，其特征在于，所述的增湿装置为旋转内胆型或膜增湿型。
6.根据权利要求5所述的高效燃料电池的空气增湿系统结构，其特征在于，所述的旋转内胆型增湿装置设有可带动内胆旋转的电机。
专利摘要本实用新型涉及一种高效燃料电池的空气增湿系统结构，包括空气过滤器、空气增湿装置、燃料电池堆、空气输送装置以及控制阀，所述的空气过滤器的空气进口与大气相通，所述的空气过滤器的空气出口通过控制阀与增湿装置的干空气进口连接，所述的增湿装置的湿空气出口与空气输送装置的进口连接，该空气输送装置的出口与燃料电池堆的空气进口连接，该燃料电池堆的空气出口与增湿装置的湿空气进口连接，所述的增湿装置的去湿空气出口与大气相通。与现有技术相比，本实用新型具有增湿效率高、压力损失小等特点。
文档编号H01M8/04GK2624416SQ0323227
公开日2004年7月7日 申请日期2003年6月18日 优先权日2003年6月18日
发明者胡里清, 夏建伟, 章波 申请人:上海神力科技有限公司