截水式加溼模組的製作方法
2023-09-13 15:43:20
專利名稱：截水式加溼模組的製作方法
技術領域：
本發明涉及到一種燃料電池組的加溼裝置，特別是關於一種截水式加溼模組。
背景技術：
燃料電池(Fuel Cell)是一種借著電化學反應，直接利用含氫燃料和空氣產生電力的裝置。典型的燃料電池組是由多個膜電極組體(Membrane ElectrodeAssembles，MEA)組構而成，每一個膜電極組體中包括有陽極觸媒層、高分子質子交換膜與陰極觸媒層。將該膜電極組體結合氣體擴散層與雙極板疊置組合即成為一基本的燃料電池單電池。
燃料電池在反應時依賴高分子質子交換膜傳輸氫離子(質子)以完成電化學反應，其電池性能與各項操作條件，例如溫度、溼度、氫氣流量、空氣流量等皆息息相關。例如以溼度條件而言，必須使該燃料電池的高分子質子交換膜維持在合適的操作溼度下才能使該燃料電池保持較佳的質子交換效率。
在現有的技術之下，為了維持該燃料電池操作在適當的操作溼度，一般作法是在反應氣體供應管線中配置一加溼器，以使該反應氣體在經過該加溼器時提高其相對溼度，然後再供應至該燃料電池中。例如以空氣(氧氣)的供應而言，一般作法即是在鼓風機的後面配置該加溼器，然後再連接至燃料電池中的陰極反應氣體輸入孔，以使該空氣在進入至燃料電池中時能得到適當的相對溼度。
圖1顯示公知技術中，一配置有傳統加溼器的燃料電池系統的示意圖，而圖2顯示該傳統加溼器的立體外觀圖。該燃料電池組1由多個膜電極組體(Membrane Electrode Assemblies)所組構而成，每一個膜電極組體結合陽極觸媒層、質子交換膜、與陰極觸媒層、陽極氣體擴散層、陰極氣體擴散層而構成了燃料電池電化學反應的基本單位。各個膜電極組體間以電氣串聯的方式予以連接以達到所需的電壓準位及電流值後，再由一正極端(+)及一負極端(-)輸出一輸出電壓Vout。
該燃料電池組1反應所需的氫氣是由一氫氣供應源2所供應，該氫氣供應源2所供應的氫氣由該燃料電池組1的氫氣入口11送入，而可由氫氣出口12送出。該氫氣供應源2可由公知的儲氫罐或其它氫氣產生裝置而供應。
該燃料電池組1反應所需的氧氣由一空氣源3所供應。一加溼器4可連接在該空氣源3與燃料電池組1的空氣入口13之間。該加溼器4的氣體導入端41可將空氣源3所供應的空氣引入至加溼器4中，經過該加溼器4中的溼度調節功能再由氣體導出端42送出經過調節過的反應氣體至該燃料電池組1的空氣入口13，以供應該燃料電池組1反應所需的氧氣。前述的氣體源3可由一般鼓風裝置所供應。
在前述的公知技術中，也有些方案額外增加了廢熱回收管路的設計，以增強該加溼器在加溼及加熱方面的效能。例如該燃料電池組1的排放氣體出口14可經由一管線141連通至該加溼器4的一排放氣體導入端43，該排放氣體經過該加溼器4內部之後，再由該加溼器4的排放氣體導出端44予以排放。藉由此一結構的設計，可充分利用該燃料電池組1於操作時所產生的熱使該加溼器得到適當的加熱，使燃料電池組發揮較高的效能。
在前述公知的燃料電池反應氣體加溼技術中，雖然能達到控制反應氣體相對溼度的目的，但是在實際使用時發現仍有許多待改進之處。例如以加溼器成本而言，該加溼器需使用到高分子交換膜，以使該反應氣體經由高分子交換膜而吸取水中的水氣。而該高分子交換膜的成本相當高，且其使用壽命並不常，且常常會因為不同的使用環境條件(例如反應氣體的壓力、溫度)而影響到其使用期限及使用效能，在環境適應性、耐用度方面仍存在了許多問題。
因此，在目前加溼器的技術方面，仍有待進一步改良的空間。
發明內容
本發明的主要目的是提供一種截水式加溼模組，其藉由截取燃料電池的排放氣體出口所排放出的氣體中的水份，以供應出一經過溼度調節後的反應氣體至該燃料電池中。
本發明的另一目的是提供一種結構配置簡易的加溼模組，其只需配合簡易的卻水器及蒸發器，即可使送入至該燃料電池組的反應氣體能得到適當的溫度及溼度調節。
本發明的另一目的是提供一種可回收燃料電池的排放氣體中的水份作為加溼源的截水式加溼模組，其加溼模組中的氣體導入端可經由一氣體導入管路連接至該燃料電池的排放氣體出口，而善加利用了該排放氣體中的水份，以作為該燃料電池反應氣體所需的加溼源。
本發明的另一目的是提供一種低成本的加溼模組，其不需使用到高分子交換膜，卻能達到應有的氣體加溼功能，故可降低整個加溼模組的材料及製造成本。
本發明解決問題的技術手段本發明為解決公知技術的問題所採用的技術手段是提供一截水式加溼模組，其包括有一卻水器，其氣體導入端經由一氣體導入管路連接至燃料電池的排放氣體出口；一氣體導出端，可連接一氣體導出管路。一蒸發器，其需加溼氣體導入端連接至該卻水器的出水端管路，一反應氣體導出端可經由管路連接至該燃料電池中。該卻水器可將燃料電池的排放氣體經由氣體導入端導入，而由氣體導出端導出，並將該排放氣體中的水份予以截取，再經由該蒸發器進行溫度的調節，據以供應一經過溼度及溫度調節的反應氣體至該燃料電池組中。
本發明較佳實施例中，該卻水器的氣體導入管路及氣體導出管路中可分別設置一控制閥，用以控制氣體的導入與排放。再者，該卻水器的出水端管路中更可包括有一出水控制單元，用以控制該卻水器的水份容置室中所截取的水是否經由該出水端管路供應出。該卻水器及蒸發器組立在一模組殼體中，而呈一單體模組化的結構設計。
本發明對與現有技術相比具備的優點和特點經由本發明所採用的技術手段，可以提供一不需使用高分子交換膜、複雜結構、或是特定結構設計的加溼器產品，故在材料成本及製造成本方面皆極具產業上的利用價值。而在本發明的整個模組化結構下，其使用壽命較公知的加溼器長，耐用度也較高，不論使用在任何應用場合中，本發明的加溼模組皆能展現較佳的適應性。對於應用在燃料電池的反應氣體加溼方面，本發明實為優良的設計。
圖1顯示公知技術中，一配置有傳統加溼器的燃料電池系統的示意圖；圖2顯示傳統加溼器的立體外觀圖；圖3顯示本發明截水式加溼模組的相關構件配置及管路示意圖；圖4顯示本發明截水式加溼模組的實施例立體圖；圖5顯示本發明截水式加溼模組應用在一燃料電池系統時的管線配置示意圖。
附圖標號說明1、燃料電池組 11、氫氣入口12、氫氣出口13、空氣入口 14、排放氣體出口141、管線2、氫氣供應源 3、空氣源 4、加溼器41、氣體導入端 42、氣體導出端 43、排放氣體導入端44、排放氣體導出端 5、卻水器 51、氣體導入端511、氣體導入管路 52、氣體導出端 521、氣體導出管路53、出水端 531、出水端管路 54、過濾器55、水份容置室 61、第一控制閥 611、第一控制閥出口端612、連通管62、第二控制閥 621、第二控制閥入口端
622、第二控制閥排放端 7、蒸發器 71、需加溼氣體導入端72、反應氣體導出端 721、反應氣體導出管路 73、反應氣體導入管路8、出水控制單元9、送風裝置91、空氣供應管線92、空氣壓力調節閥 93、壓力計 94、空氣質流控制器95、空氣流量控制計 96、空氣流量控制旋鈕 100、截水式加溼模組具體實施方式
本發明的其它目的及其功效，將藉由以下的實施例及附圖作進一步的說明圖3顯示本發明截水式加溼模組的相關構件配置及管路示意圖。本發明的截水式加溼模組100可用以將燃料電池反應所需的反應氣體經過溼度及溫度調節之後，供應至燃料電池組中，該截水式加溼模組100包括有一卻水器5，其具有一氣體導入端51、氣體導出端52、以及一出水端53。
該卻水器5的氣體導入端51可經由一氣體導入管路511而連接至一富含水氣的氣體源A，例如當本發明應用在燃料電池的領域時，該氣體源乃為燃料電池於運作時由氣體排放端所排放出的排放氣體。該卻水器5的氣體導出端52可連接一氣體導出管路521。該卻水器5的出水端53可連接一出水端管路531。
在該卻水器5內部具有一過濾器54、以及一水份容置室55。該水份容置室55連接於該氣體導入端51與氣體導出端52之間，用以收集水份。經由該卻水器5，可將氣體導入端51導入而由氣體導出端52導出的氣體中的水份予以截取，並由該出水端53將截取的水份予以導出。
在該卻水器5的氣體導入管路511中連接有一第一控制閥61，可用以控制該富含水氣的氣體源A是否供應至該卻水器5中或經由第一控制閥出口端611經由連通管612連接第二控制閥排放端622直接排放。該第一控制閥61的選用，視應用領域的不同，而可為一手動控制閥，亦可為一電磁驅動閥、氣壓控制閥、或是一液壓控制閥。
在該卻水器5的氣體導出管路521中連接有一第二控制閥62，可用以控制卻水器5中的氣體是否經由該氣體導出管路521予以排放出或由第二控制閥入口端621所連接的一送風裝置9導入較高壓力的空氣源至卻水器5內部，以提供卻水器5出水的驅動力。該第二控制閥62的選用，亦可視應用領域的不同，而可為一手動控制閥，亦可為一電磁驅動閥、氣壓控制閥、或是一液壓控制閥。
在自動化的應用時，該第一控制閥61及第二控制閥62可利用自動控制技術或微控器技術來產生控制信號s1、s2來分別控制該第一控制閥61及第二控制閥62的動作。當截水式加溼模組100操作於「截水」動作模式時，控制信號s1及s2需能使富含水氣的氣體源A經卻水器5，從氣體導出管路521排放出；當截水式加溼模組100操作於「加溼」動作模式時，控制信號s1及s2需能使富含水氣的氣體源A暫時由第一控制閥出口端611接第二控制閥排放端622直接排放出，同時由第二控制閥入口端621導入較高壓力空氣源在卻水器5內部，以提供該卻水器5的出水端管路531出水的驅動力。
一蒸發器7，連接於該卻水器5的出水端管路531，用以調節該卻水器5送出水的溫度。蒸發器7的需加溼氣體導入端71連接至該卻水器5的出水端管路531，而該蒸發器7的反應氣體導出端72可經由一反應氣體導出管路721連接至一標的裝置。例如當本發明應用在燃料電池的領域時，該反應氣體導出管路721連接於燃料電池的空氣供應管線中，以使該空氣供應管線中的氣體溼度得到適當的加溼作用。
在該卻水器5的出水端管路531中更可包括有一出水控制單元8，例如其可為一手動控制閥、一電磁驅動閥、一氣壓控制閥、或是一液壓控制閥，用以控制該卻水器5的水份容置室55中所截取的水是否經由該出水端管路531供應出；在氣壓驅動模式下，此出水控制單元8需配合「加溼」作動的進行；若該出水控制單元8為一抽水泵浦，則「加溼」作動因不影響加水的效果而可以省略。
圖4顯示本發明截水式加溼模組100的實施例立體圖。在此一實施例中，該截水式加溼模組100製成一單體模組的型態。其可將該截水式加溼模組100的各相關構件組立在一模組殼體101中。
圖5顯示本發明截水式加溼模組100應用在一燃料電池系統時的管線配置示意圖。為了簡化該燃料電池系統，在圖式中僅表現出該燃料電池系統與空氣供應管線間的連接關係。
而在空氣源的供應方面，其由一送風裝置9(例如一無油式空氣壓縮機)經一空氣供應管線91供應空氣至該燃料電池組1的空氣入口13。在該空氣供應管線91中包括有一空氣壓力調節閥92可作空氣壓力的減壓調節。一壓力計93可用來檢測出及顯示空氣的壓力。一空氣質流控制器94可測量該空氣的質量流速。一空氣流量控制計95亦配置在該空氣供應管線91中，以利觀測氣體流量狀態，其前端可配置一空氣流量控制旋鈕96。
當空氣源在經由空氣流量控制計95送出之後，可經由蒸發器7的需加溼氣體導入端71送入蒸發器7中。且由於該卻水器5的出水端管路531亦經由出水控制單元8而與該蒸發器7的需加溼氣體導入端71相連通，故經由反應氣體導入管路73送至該蒸發器7的空氣源即含有適當水份，然後再由該蒸發器7作適當的溫度調節。如此，即可由反應氣體導出管路721供應一經過溼度及溫度調節的反應氣體。
藉由上述的設計，本發明確能提供一個不需使用高分子交換膜、不需複雜結構、不需特定結構設計、材料成本低、製造成本低、使用壽命較長、耐用度較高的加溼模組，故本發明確具產業利用價值，且本發明在申請專利前，並未有相同或類似的專利或產品公開在先，故本發明業已符合於專利的要件。
以上的實施例說明，僅為本發明的較佳實施例說明，凡精於此項技術者當可依據本發明的上述實施例說明而作其它種種的改良及變化。然而這些依據本發明實施例所作的種種改良及變化，當仍屬於本發明的發明精神及所界定的專利範圍內。
權利要求
1.一種截水式加溼模組，用以將燃料電池反應所需的反應氣體經過溼度及溫度調節後，供應至燃料電池組中，該加溼模組包括有，一卻水器，其具有一氣體導入端，可經由一氣體導入管路連接至該燃料電池的排放氣體出口；一氣體導出端，可連接一氣體導出管路；一出水端，可連接一出水端管路；一水份容置室，連接於該氣體導入端與氣體導出端之間，用以收集水份；一蒸發器，其具有一需加溼氣體導入端，連接至該卻水器的出水端管路；一反應氣體導出端，可經由一反應氣體導出管路連接至該燃料電池的反應氣體供應管線中；該卻水器可將燃料電池的排放氣體出口所產生的排放氣體經由氣體導入端導入，而由氣體導出端導出，並將該排放氣體中的水份予以截取，並由該卻水器的出水端管路將截取的水份予以導出，再與反應氣體一同送入該蒸發器中予以進行溫度的調節，再由該蒸發器的反應氣體導出端供應該經過溼度及溫度調節的反應氣體至該燃料電池組中。
2.如權利要求1所述的截水式加溼模組，其特徵在於該卻水器的氣體導入管路中更連接有一第一控制閥，用以控制該燃料電池的排放氣體出口所送出的氣體是否供應至該卻水器中。
3.如權利要求2所述的截水式加溼模組，其特徵在於該第一控制閥具有一第一控制閥出口端，且該第一控制閥出口端更經由一連通管連接至該氣體導出管路。
4.如權利要求1所述的截水式加溼模組，其特徵在於該卻水器的氣體導出管路中更連接有一第二控制閥，用以控制該卻水器中的氣體是否經由該氣體導出管路予以排放出。
5.如權利要求4所述的截水式加溼模組，其特徵在於該第二控制閥具有一第二控制閥入口端，其可連接一送風裝置，以將一較高壓力的空氣源導入至該卻水器內部，以提供卻水器於出水端出水的驅動力。
6.如權利要求1所述的截水式加溼模組，其特徵在於該卻水器的出水端管路中更包括有一出水控制單元，用以控制該卻水器的水份容置室中所截取的水是否經由該出水端管路供應出。
7.如權利要求1所述的截水式加溼模組，其特徵在於該卻水器及蒸發器組立在一模組殼體中。
8.一種截水式加溼模組，包括有，一卻水器，其具有一氣體導入端，可連接一氣體導入管路，用以引入一富含水氣的氣體源；一氣體導出端，可連接一氣體導出管路；一出水端，可連接一出水端管路；一水份容置室，連接於該氣體導入端與氣體導出端之間，用以收集水份；一蒸發器，其具有一需加溼氣體導入端，連接至該卻水器的出水端管路；一反應氣體導出端，可連接一反應氣體導出管路；該卻水器可將該富含水氣的氣體源經由氣體導入端導入，而由氣體導出端導出，並將該富含水氣的氣體源中的水份予以截取，並由該卻水器的出水端管路將截取的水份予以導出，再送入該蒸發器中予以進行溫度的調節，再由該蒸發器的反應氣體導出端供應出一經過溼度及溫度調節的反應氣體。
9.如權利要求8所述的截水式加溼模組，其特徵在於該卻水器的氣體導入管路中更連接有一第一控制閥，用以控制該氣體源的氣體是否供應至該卻水器中。
10.如權利要求9所述的截水式加溼模組，其特徵在於該第一控制閥具有一第一控制閥出口端，且該第一控制閥出口端更經由一連通管連接至該氣體導出管路。
11.如權利要求8所述的截水式加溼模組，其特徵在於該卻水器的氣體導出管路中更連接有一第二控制閥，用以控制該卻水器中的氣體是否經由該氣體導出管路予以排放出。
12.如權利要求11所述的截水式加溼模組，其特徵在於該第二控制閥具有一第二控制閥入口端，其可連接一送風裝置，以將一較高壓力的空氣源導入至該卻水器內部，以提供卻水器於出水端出水的驅動力。
13.如權利要求8所述的截水式加溼模組，其特徵在於該卻水器的出水端管路中更包括有一出水控制單元，用以控制該卻水器的水份容置室中所截取的水是否經由該出水端管路供應出。
14.如權利要求8所述的截水式加溼模組，其特徵在於該卻水器及蒸發器組立在一模組殼體中。
全文摘要
一種截水式加溼模組，包括有一卻水器，其氣體導入端經由一氣體導入管路連接至燃料電池的排放氣體出口；一氣體導出端，可連接一氣體導出管路。一蒸發器，其需加溼氣體導入端連接至該卻水器的出水端管路，一反應氣體導出端可經由管路連接至該燃料電池中。該卻水器可將燃料電池的排放氣體經由氣體導入端導入，而由氣體導出端導出，並將該排放氣體中的水份予以截取，再經由該蒸發器進行溫度的調節，據以供應一經過溼度及溫度調節的反應氣體至該燃料電池組中。該卻水器的氣體導入管路及氣體導出管路中可分別設置一控制閥，用以控制氣體的導入與排放。
文檔編號H01M8/04GK1815793SQ20051000530
公開日2006年8月9日 申請日期2005年1月31日 優先權日2005年1月31日
發明者徐耀升 申請人:亞太燃料電池科技股份有限公司