专利名称：燃料电池湿化器的制作方法
专利说明
一、技术领域本实用新型涉及一种燃料电池，具体的说是一种燃料电池湿化器。
二背景技术：
燃料电池堆是一种通过氢燃料和氧化剂的电化学反应产生电能的装置。该装置的核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，由两张多孔性的气体扩散层和夹在中间的一片质子交换膜组成。在质子交换膜与气体扩散层(如碳纸)的界面上附着有电化学催化剂。
燃料电池堆的另一重要部件是双极板。双极板的表面至少含有一条气体导流槽，气体导流槽为参加电极反应的气体提供了到达膜电极的通道，在反应中产生的反应产物(如水)通过气体导流槽排出电堆。双极板内至少含有一条冷却流道，冷却介质(如空气或水)流经双极板中的冷却流道，将反应中产生的热量带出电堆。双极板由导电材料经过模压、冲压或机械雕刻而成，为电子的流动提供了通道。双极板具有一定的强度，为膜电极提供支撑。双极板具有一定的气密性，双极板、膜电极以及双极板与膜电极之间的密封材料把参加反应的燃料和氧化剂分开。
当氢气由燃料电池堆的氢气入口进入双极板的氢气导流槽后，透过多孔性的气体扩散层(如碳纸)到达催化剂的表面。在催化剂的作用下，氢气发生电化学反应，氢原子失去电子成为正离子(质子)。电子通过多孔性的气体扩散层(如碳纸)和双极板到达用电器，再通过双极板及多孔性的气体扩散层(如碳纸)到达膜电极另一侧的催化剂表面。在催化剂的作用下，电子与透过多孔性的气体扩散层(如碳纸)到达催化剂表面的氧化剂(如氧气)和通过质子交换膜到达催化剂表面的质子发生电化学反应，生成反应产物(如水)。在氢燃料电池中发生的电化学反应可用以下的反应方程式来表示阳极反应阴极反应目前通用的质子交换膜为含有C-F链的全氟磺酸膜，在C-F链支链的末端为磺酸基。全氟磺酸膜为选择透过性膜，只有正离子(如质子)可以通过，而电子和气体则无法通过。在燃料电池堆中，当氢气在阳极被催化剂解离为质子和电子后，质子与水结合形成水合质子H+(nH2O)的形式，在质子交换膜中从一个磺酸基(-SO3H)转移到另一个磺酸基(-SO3H)，最后到达阴极一侧。如果氢气一侧没有水分，则无法形成水合质子，反应就无法进行。如果质子交换膜处于干燥状态，水合质子就不会在磺酸基(-SO3H)之间进行转移，反应也无法进行。如果氢气在进入燃料电池堆前没有被加湿，虽然反应过程中会有水生成，但在膜电极气体入口区域，质子交换膜与氢气的湿度较低，会影响燃料电池堆的性能和稳定性。如果空气在进入燃料电池堆前没有被加湿，则湿度较低的空气会进一步降低质子交换膜的质子传递性能。为了保证燃料电池堆的发电性能，对空气和氢气的湿化是非常必要的。
目前质子交换膜燃料电池湿化器主要采用以下几种方法1.纯净水鼓泡法反应气体在纯净水中经过时被湿化。
2.喷水法在反应气体进入电堆前被喷入雾状的水滴。
3.渗透法在水分子可自由通过而气体无法通过的膜两边，一边流过纯净水，另一边流过反应气体，反应气体被透过膜的水分湿化。
采用这几种方法的湿化器存在着共同的缺陷1.需要经常向湿化器添加纯净水，增加了燃料电池系统维护的难度。
2.需要向湿化器提供热源以保证反应气体的温度和湿度，这降低了燃料电池的效率，增加了燃料电池系统的成本。
专利申请号为CN02111824.8，名称为“一种用于燃料电池的高效增湿装置”的一项中国专利申请所涉及的湿化器是由一个柱状内胆和一个旋转电机构成，内胆内设有填料，中间有隔膜。来自燃料电池的湿热空气经过内胆的一侧时，把所带的水分留在填料中。电极旋转180℃后，干空气经过这一侧，将填料中的水分带走。这种湿化器的优点在于，湿化器中的水分来自燃料电池反应中产生的水分，因此不需要额外向湿化器中添加。但这种湿化器有下述缺陷1.结构复杂，增加了燃料电池系统的维护难度。
2.电机旋转需要消耗一部分能量，降低了燃料电池的整体效率。
3.不能对氢气进行湿化。
专利申请号为CN03115482.4，名称为“一种适合燃料电池低压运行的高效增湿装置”的一项中国专利申请所涉及的湿化器是利用从燃料电池中排出的湿热空气作为湿化源，利用隔膜把湿热空气与反应气体分开。隔膜可让水分子自由通行，却能阻止气体通过。湿热空气中的水分渗透过隔膜后到达反应气体一侧，将反应气体湿化。这种湿化器的优点在于，湿化器中的水分来自燃料电池反应中产生的水分，因此不需要额外向湿化器中添加。但这种湿化器的缺陷为不能同时湿化两种反应气体(如氢气和空气)。
三
发明内容
1、发明目的本实用新型的目的是为了克服上述技术问题而提供一种高效紧凑的燃料电池湿化器，其可以同时对两种反应气体进行湿化处理。
2、技术方案本实用新型所述的一种燃料电池湿化器，其特征是它包括隔板、端板和湿化单元，所述隔板的两边至少分别设有一个湿化单元，并由外侧的端板夹紧固定，所述湿化单元包括导流板和湿化膜，导流板的两面分别设有湿热空气导流槽和反应气体导流槽，导流板上还设有与湿热空气导流槽相通的第一湿热空气通孔，以及与反应气体导流槽相通的反应气体通孔，所述一块导流板上设有湿热空气导流槽的一面与相邻的另一块导流板上设有反应气体导流槽的一面中间夹持湿化膜构成一个湿化单元；在隔板上设有与第一湿热空气通孔相通的第二湿热空气通孔，在两侧的端板上分别设有与第一湿热空气通孔相通的湿热空气入口和湿热空气出口，其中一侧的端板上还设有与反应气体通孔相通的第一反应气体入口和第一反应气体出口，另一侧的端板上设有第二反应气体入口和第二反应气体出口。
由隔板将整个湿化器分隔成两个湿化区，一个湿化区用于湿化反应气体中的燃料(如氢气)，另一个湿化区用于湿化反应气体中的氧化剂(如空气)，隔板上只有用于湿热空气流通的第二湿热空气通孔，而没有反应气体流通的导气通孔，所以其两边的反应气体只在其各自的湿化区流动互不干扰，而湿热空气则可以通过隔板的第二湿热空气通孔从一侧的湿化区流入另一侧的湿化区，即可以同时湿化两种反应气体，不仅使效率提高，同时也使湿化器的结构更加紧凑。该湿化器可以利用从燃料电池中排出的湿热空气作为湿化源，湿热空气通过入口流经导流板上的湿热空气导流槽，而反应气体则在各自湿化区内导流板的反应气体导流槽中流动，导流板之间的湿化膜可让水分子自由通行，却能阻止气体通过，从而使湿热空气中的水分渗透过湿化膜后到达反应气体一侧，将反应气体湿化。
隔板的两面分别设有湿热空气导流槽和反应气体导流槽，其中一面上的湿热空气导流槽与第二湿热空气通孔相通，而在具有反应气体导流槽的一面上对应相邻导流板上反应气体通孔的位置设有凹槽，该凹槽与隔板上的反应气体导流槽相通，在隔板的两侧分别设置湿化膜以与相邻的导流板对应构成两个附加湿化单元。设置凹槽的目的是为了使反应气体能顺利的通过凹槽从相邻导流板的反应气体通孔中流入及流出，同时由于凹槽是非贯通的，所以反应气体只在自己的湿化区流动而不会穿过隔板进入另一湿化区。这样的结构使隔板还起到了导流板的作用，进一步提高了湿化器的功效。
所述湿化膜可以是全氟磺酸膜，也可以是其它水分可以通过而气体无法通过的薄膜。
3、有益效果本实用新型具有以下优点(1)通过隔板将整个湿化器分隔成两个湿化区，两种反应气体在各自的湿化区内被湿化，而湿热空气则可以穿过隔板从一侧的湿化区流入另一侧的湿化区，即可以同时湿化两种反应气体，采用这样的结构不仅使湿化效率大大提高，同时也使湿化器的结构更加紧凑；(2)在隔板的两面也可以分别设有湿热空气导流槽和反应气体导流槽，并与两边的湿化膜及导流板相对应构成两个湿化单元。这样隔板还起到了导流板的作用，进一步提高了湿化器的功效。
四
图1是本实用新型的总装图；图2是导流板具有湿热空气导流槽的一面；图3是导流板具有反应气体导流槽的一面；
图4是隔板具有湿热空气导流槽的一面；图5是隔板具有反应气体导流槽的一面；图6是本实用新型实施例1的结构示意图；图7是实施例1中两种反应气体的流向示意图；图8是本实用新型实施例2的结构示意图；图9是实施例2中两种反应气体的流向示意图；图10是两个实施例中湿热空气的流向示意图。
五具体实施方式
下面通过附图和实施例对本实用新型作进一步说明如图1所示，本实用新型所述的一种燃料电池湿化器，它包括隔板1、端板2和湿化单元，所述隔板1的两边至少分别设有一个湿化单元，并由外侧的端板2夹紧固定，所述湿化单元包括导流板3和湿化膜4，如图2、图3所示，导流板3的两面分别设有湿热空气导流槽5和反应气体导流槽6，导流板3上还设有与湿热空气导流槽5相通的第一湿热空气通孔7，以及与反应气体导流槽6相通的反应气体通孔8，所述一块导流板3上设有湿热空气导流槽5的一面与相邻的另一块导流板3上设有反应气体导流槽6的一面中间夹持湿化膜4构成一个湿化单元，相邻两块导流板3及湿化膜4之间采用密封圈16保持密封以使反应气体及湿热空气不发生泄漏；在隔板1上设有与第一湿热空气通孔7相通的第二湿热空气通孔9，如图4、图5所示，在隔板1的两面也分别设有湿热空气导流槽5和反应气体导流槽6，并且其中的湿热空气导流槽5与第二湿热空气通孔9相通，而在设有反应气体导流槽6一面上对应相邻的导流板上反应气体通孔8的位置设有与反应气体导流槽6相通的凹槽17，隔板1两面也以密封圈16保持密封，在隔板1的两侧分别设置湿化膜4以与相邻的导流板3对应构成两个附加湿化单元。在两侧的端板2上分别设有与第一湿热空气通孔7相通的湿热空气入口10和湿热空气出口11，其中一侧的端板2上还设有与反应气体通孔8相通的第一反应气体入口12和第一反应气体出口13，另一侧的端板上设有第二反应气体入口14和第二反应气体出口15。上述湿化膜4是全氟磺酸膜，当然其也可以是其它水分可以通过而气体无法通过的薄膜。
如图6所示的实施例1中，第一反应气体入口12高于第一反应气体出口13，第二反应气体入口14高于第一反应气体出口15，图7是实施例1中反应气体在湿化器中的流向图。
如图8所示的实施例2中，第一反应气体入口12低于第一反应气体出口13，第二反应气体入口14低于第一反应气体出口15，图9是实施例2中反应气体在湿化器中的流向图。
图10是上述两实施例中湿热空气在湿化器中的流向图。
权利要求1.一种燃料电池湿化器，其特征是它包括隔板(1)、端板(2)和湿化单元，所述隔板(1)的两边至少分别设有一个湿化单元，并由外侧的端板(2)夹紧固定，所述湿化单元包括导流板(3)和湿化膜(4)，导流板(3)的两面分别设有湿热空气导流槽(5)和反应气体导流槽(6)，导流板(3)上还设有与湿热空气导流槽(5)相通的第一湿热空气通孔(7)，以及与反应气体导流槽(6)相通的反应气体通孔(8)，所述一块导流板(3)上设有湿热空气导流槽(5)的一面与相邻的另一块导流板(3)上设有反应气体导流槽(6)的一面中间夹持湿化膜(4)构成一个湿化单元；在隔板(1)上设有与第一湿热空气通孔(7)相通的第二湿热空气通孔(9)，在两侧的端板(2)上分别设有与第一湿热空气通孔(7)相通的湿热空气入口(10)和湿热空气出口(11)，其中一侧的端板(2)上还设有与反应气体通孔(8)相通的第一反应气体入口(12)和第一反应气体出口(13)，另一侧的端板上设有第二反应气体入口(14)和第二反应气体出口(15)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池湿化器，其特征是隔板(1)的两面分别设有湿热空气导流槽(5)和反应气体导流槽(6)，其中一面的湿热空气导流槽(5)与第二湿热空气通孔(9)相通，在另一面对应相邻的导流板上反应气体通孔(8)的位置设有与反应气体导流槽(6)相通的凹槽(17)，隔板(1)的两侧分别设置湿化膜(4)以与相邻的导流板(3)对应构成两个附加湿化单元。
3.根据权利要求1所述的燃料电池湿化器，其特征是所述湿化膜(4)是全氟磺酸膜。
专利摘要本实用新型公开了一种燃料电池湿化器，它包括隔板、端板和湿化单元，隔板的两边至少分别设有一个湿化单元，并由外侧的端板夹紧固定。通过隔板将整个湿化器分隔成两个湿化区，隔板上只有用于湿热空气流通的第二湿热空气通孔，而没有反应气体流通的导气通孔，两种反应气体在各自的湿化区内被湿化，而湿热空气则可以穿过隔板从一侧的湿化区流入另一侧的湿化区，即可以同时湿化两种反应气体，采用这样的结构不仅使湿化效率大大提高，同时也使湿化器的结构更加紧凑。
文档编号H01M8/02GK2879435SQ200620069310
公开日2007年3月14日 申请日期2006年2月15日 优先权日2006年2月15日
发明者乔永进, 沈建跃, 曲平, 康新 申请人:南京博能燃料电池有限责任公司