专利名称：质子交换膜燃料电池堆及其内增湿装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种质子交换膜燃料电池内增湿装置，并且涉及一种具有该内增湿装置的质子交换膜燃料电池堆。
背景技术：
质子交换膜燃料电池以其优异的大电流放电性能日益成为燃料电池研究发展重点，质子交换膜燃料电池性能与其膜电极中使用的质子交换膜的电导率密切相关，膜中质子传递速率直接限制了电池放电电流密度的大小。膜的电导率与其水含量呈线性关系，即膜的水含量越高，其电导率越高；也就是说质子交换膜燃料电池的工作性能在很大程度上依靠膜中的水含量，在水饱和状态下的电池性能比不饱和状态下要好很多。因此为了保持质子交换膜的高电导率，降低电池内阻，必须对反应气体进行增湿，保证膜不失水，尤其是在氢电极侧和进口处不失水，确保质子交换膜处于良好的水合状态，解决膜在电池运行中的干燥问题。
目前质子交换膜燃料电池中的膜增湿技术主要是有源增湿和无源增湿两种方式。有源增湿方式有外部增湿和内部增湿两种方式。外部增湿将增湿系统放在燃料电池或电池组的外部；内部增湿则将增湿系统与电池或电池组连成一个整体。
一般实验室均采用鼓泡增湿这种外增湿方式，反应气体分别通过各自的鼓泡增湿器，夹带水蒸气进入电池的正、负极，进入电池反应气体湿度由加湿器的温度决定。此外，常见的外加湿方式还有水蒸气注射、尾气循环增湿、中空纤维增湿器及直接液态水注射等。
外部增湿方式电池结构简单，将增湿系统与电池或电池组分开，简化了电池组装和密封难度，可以有效保持膜的良好水合状态，但结构相对分散，不利于质子交换膜燃料电池系统集成和稳定控制，因此工程实用化程度相对较低。
内部增湿主要应用于电池组中，将增湿系统与电池组构成一体化。一般均采用在电池组内增加一个“假电池”——增湿段的方法为反应气体增湿，增湿段结构与电池类似。其增湿原理是流经电池内部的循环冷却水携带电池废热流出电池时进入增湿段时，依靠水的浓差，通过一层阻气透水膜，一般为Nafion膜，由膜的水侧迁移到需要增湿的反应气体侧，再汽化，提高反应气体的相对湿度。一般使电池组循环冷却水流经增湿段，为内增湿段提供水源和热源。内增湿能力由水的温度、压力，反应气流量，膜的结构和厚度决定。上述电池组内增湿方法已获得成功应用，但它增加了电池组的重量和体积，并使电池结构复杂化。
实用新型内容针对上述已有技术存在的缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种重量轻、体积小的质子交换膜燃料电池内增湿装置。
本实用新型所要解决的另一个技术问题是提供一种具有上述内增湿装置的质子交换膜燃料电池堆。
为了解决上述技术问题，根据本实用新型的一个方案，提供一种质子交换膜燃料电池内增湿装置，包括前端板、挡板和密封垫，所述的前端板中设有三个平行腔体，所述腔体之间分别设置一个流体单向流动装置，并在所述前端板一侧三个腔体中分别设有一个孔，所述挡板和与其对邻的所述橡胶密封垫上均分别设置与所述三个平行腔体相对应的三个流动孔。
根据本实用新型的另一个方案，提供一种具有内增湿装置的质子交换膜燃料电池堆，包括由前端板、挡板和密封垫构成的电堆增湿装置、后端板以及装配在前端板、后端板之间的导电板和至少一个单电池，所述的前端板中设有三个平行腔体，所述腔体之间分别设置一个流体单向流动装置，并在所述前端板一侧三个腔体中分别设有一个孔，所述挡板和与其对邻的所述橡胶密封垫上均分别设置与所述三个平行腔体相对应的三个流动孔。
而且，上述的三个平行腔体依次为氢气加湿区、循环冷却水流动区、空气或氧气加湿区，所述流动孔分别为加湿后氢气流动孔、循环冷却水流动孔和加湿后空气或氧气流动孔。
而且，上述氢气加湿区和上述空气或氧气加湿区设有多孔亲水填充物。
本实用新型与现有技术相比较，有如下有益效果采用本实用新型的内增湿装置的质子交换膜燃料电池堆利用流体单向流动阀门特性，使质子交换膜燃料电池的前端板为一增湿装置，通过携带电堆运行产生热量、并具有一定压力的冷却循环水在前端板中的流动为反应气体增湿，确保电堆长时间稳定运行。并且具有以下特点一是电池堆前端板被分为氢气加湿区、空气或氧气加湿区、循环冷却水流动三个区，具有一定压力并携带热量的循环冷却水通过一流体单向流动阀门单方向流入氢气、空气或氧气加湿区对反应气体进行加湿，而气体则不能进入循环冷却水流动区域；二是挡板上在反应气体加湿后流向电堆位置和循环冷却水直接流向电堆位置开孔，可控制反应气体和循环冷却水的流动方向；三是调节单向流动阀门可控制循环冷却水流量，从而控制反应气体湿度，满足不同功率电堆稳定运行需要；四是利用电堆前端板结构取代原内增湿结构中的增湿段，从而减轻了电堆重量、减小体积和降低制造成本。
附图1内增湿装置结构示意图；附图2前端板结构示意图；附图3挡板和密封圈结构示意图；具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步描述。
根据附图1，电堆内增湿装置由前端板2和挡板7通过螺栓8与橡胶密封垫9紧固而成。
根据附图2所示，前端板2内部被部分镂空为三个平行腔体，分别为氢气加湿区10、空气或氧气加湿区11、循环冷却水流动12三个区。在前端板周围有8个电堆装配螺栓孔13。前端板2一侧分别有氢气进气孔14，循环冷却水进孔15和空气或氧气进气孔16。在循环冷却水流动区12内部通向氢气加湿区10、空气或氧气加湿区11分别安装有一流体单向流动装置17，允许循环冷却水通过流体单向流动装置17流向氢气加湿区10、空气或氧气加湿区11，而氢气、空气或氧气却不能进入循环冷却水流动区12发生混合。根据此装置结构，具有一定压力并携带电堆运行产生废热的循环冷却水能够对氢气、空气或氧气进行加湿，并且调节单向流动装置可控制循环冷却水流量，从而控制反应气体湿度，满足不同功率电堆稳定运行需要。同时填充在氢气加湿区10和空气或氧气加湿区11的多孔亲水填充物18能够较好地对反应气体进行增湿。定位孔19则保证电堆装配精度。
根据附图3所示，挡板7和橡胶密封圈9分别在对应于前端板2的氢气加湿区10、循环冷却水流动12、空气或氧气加湿区11中氢气进气孔14，循环冷却水进孔15和空气或氧气进气孔16的另一侧位置有加湿后氢气流动孔20、加湿后空气或氧气流动孔21和循环冷却水流动孔22，可以控制加湿后反应气体流向。橡胶密封圈9起到阻止氢气和空气或氧气互相混合的作用。
权利要求1.一种质子交换膜燃料电池内增湿装置，包括前端板、挡板和密封垫，其特征在于所述的前端板中设有三个平行腔体，所述腔体之间分别设置一个流体单向流动装置，并在所述前端板一侧三个腔体中分别设有一个孔，所述挡板和与其对邻的所述橡胶密封垫上均分别设置与所述三个平行腔体相对应的三个流动孔。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池内增湿装置，其特征在于所述的三个平行腔体依次为氢气加湿区、循环冷却水流动区、空气或氧气加湿区，所述流动孔分别为加湿后氢气流动孔、循环冷却水流动孔和加湿后空气或氧气流动孔。
3.根据权利要求1或2所述的质子交换膜燃料电池内增湿装置，其特征在于所述氢气加湿区和所述空气或氧气加湿区设有多孔亲水填充物。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池内增湿装置，其特征在于所述密封垫为高弹性密封圈。
5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池内增湿装置，其特征在于所述挡板为薄铝板。
6.一种质子交换膜燃料电池堆，包括由前端板、挡板和密封垫构成的电堆增湿装置、后端板以及装配在前端板、后端板之间的导电板和至少一个单电池，其特征在于所述的前端板中设有三个平行腔体，所述腔体之间分别设置一个流体单向流动装置，所述挡板和与其对邻的所述橡胶密封垫上均分别设置与所述三个平行腔体相对应的三个流动孔。
7.根据权利要求6所述的质子交换膜燃料电池堆，其特征在于所述的三个平行腔体依次为氢气加湿区、循环冷却水流动区、空气或氧气加湿区，所述流动孔分别为加湿后氢气流动孔、循环冷却水流动孔和加湿后空气或氧气流动孔。
8.根据权利要求6或7所述的质子交换膜燃料电池堆，其特征在于所述氢气加湿区和所述空气或氧气加湿区设有多孔亲水填充物。
9.根据权利要求6所述的质子交换膜燃料电池堆，其特征在于所述密封垫为高弹性密封圈。
10.根据权利要求6所述的质子交换膜燃料电池堆，其特征在于所述挡板为薄铝板。
专利摘要一种质子交换膜燃料电池内增湿装置，前端板中设有三个平行腔体，腔体之间分别设置一个流体单向流动装置，并在端板一侧三个腔体中分别设有一个孔，内增湿装置的质子交换膜燃料电池堆利用流体单向流动阀门特性，使质子交换膜燃料电池的前端板为一增湿装置，通过携带电堆运行产生热量、并具有一定压力的冷却循环水在前端板中的流动为反应气体增湿，确保电堆长时间稳定运行。
文档编号H01M8/10GK2758989SQ20042011431
公开日2006年2月15日 申请日期2004年12月16日 优先权日2004年12月16日
发明者王东 申请人:上海空间电源研究所