質子交換膜燃料電池的增溼裝置的製作方法

2023-05-11 17:15:21

專利名稱：質子交換膜燃料電池的增溼裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及質子交換膜燃料電池，尤其涉及一種質子交換膜燃料電池的增溼
>J-U ρ α裝直。
背景技術：
燃料電池相當於一種電化學池，其將燃料的化學能直接轉化為電能，效率高達40 60%。質子交換膜燃料電池是燃料電池的一種，由於其工作溫度低，在室溫下就可以啟動。質子交換膜燃料電池以氫氣為燃料，氫氣在電池陽極吸附解離為氫離子，電解質膜是一種特殊的膜，其只允許氫離子通過。目前使用最廣泛的是氟化磺酸膜，氫離子在此膜中以水合質子(H3O+)的形式，從陽極遷移至陰極，與陰極的氧氣或者空氣發生反應生成水。氟化磺酸膜在足夠的溼度下才具有很好的氫離子導電性，當缺水時膜內阻急劇增加，電池性能會迅速下降。雖然燃料電池在陰極端會生成水，但是當使用空氣作為氧化劑時，需要通入過量空氣，當大量幹空氣吹入時，未反應的高溫氣體會將生成的水分帶走，致使陰極端缺水。為此在進電堆前一般對空氣進行加溼。質子交換膜燃料電池的加溼方式一般有以下幾種:蒸汽加溼:利用電阻絲加熱去離子水，產生水蒸氣，將需要加溼的氣體通過來加溼。此方法需要加熱裝置和額外的加水，具有體積大，耗能等缺點。利用質子交換膜加溼:該加溼方法利用質子交換膜的阻氣特性和水在膜內的濃差擴散實現，在膜的一側通水，一側通氣體，水分通過膜達到另一側，將氣體加溼。此方法使用昂貴的質子交換膜，一般做成與電堆一樣的結構，和電堆裝在一起。其缺點是成本高，增大了電堆體積，增溼效率低，需要額外提供去離子水，而且對氣體產生很大的阻力。還有一種是焓輪增溼器，燃料電池的尾氣和原料氣分別進入增溼器兩側，利用陶瓷材料的微孔吸收尾氣中的水分和熱量，電機驅動轉動焓輪，原料氣再將陶瓷材料中的水分和熱量吸收，進而加溼。此方法的缺點是密封難，尾氣與原料氣易串氣；同時也不能用於氫氣側加溼。在對空氣側進行加溼時，各種增溼裝置會對空氣的流動產生阻力，空氣壓力的下降直接影響了電堆的性能。目前對於千瓦級燃料電池系統，空氣端的能耗佔系統總能量的10% 15%，而且市場上符合要求的空壓機或者鼓風機很少。有了增溼器以後，為了滿足進電堆空氣的壓力需求，就需要從空壓機或者鼓風機出來的空氣壓力更大，這樣需要更大功率的空氣壓縮裝置，燃料電池系統的總能耗、成本和體積都會增加。

實用新型內容本實用新型旨在克服現有技術的不足 ，提供一種節能、高效，同時對加溼氣體壓力進行調節的質子交換膜燃料電池的增溼裝置。本實用新型的技術方案是:質子交換膜燃料電池的增溼裝置，主要由外筒、內筒、螺旋葉片、傳動軸構成，所述外筒與內筒同軸設置，螺旋葉片固定在內筒外表面，其外緣與外筒內壁靠近、有小間隙，內筒的筒壁上有微孔，內筒由連接杆與傳動軸相連，該裝置的首端設有與內、外筒之間的空腔相連通的原料氣進口，以及與內筒內腔相連通的尾氣出口，該裝置的尾端設有連接內、外筒之間的空腔與電堆的原料氣管道以及連接內筒空腔與電堆的
尾氣管道。所述內筒筒壁上的微孔孔徑為0.01 1.0mm ;所述尾氣出口有兩個、對稱設置；所述尾氣管道與該裝置尾端的連接口有兩個，對稱設置；所述內筒的兩端與該裝置首尾端之間的滑動部位設有密封圈；所述傳動軸與電機及調速機構相連接。與傳統的增溼方式相比，本實用新型具有以下優點:首先,利用尾氣加溼,不需要額外加水,可以減小系統的體積和功耗；其次，通過螺旋葉片的設計，可以在氣體增溼的同時調節其壓力，彌補增溼器對氣體的阻力，提聞電池性能；再次，待加溼空氣與燃料電池尾氣在不同的管道對流運行中傳遞水分與熱量，兩種氣體的流量相互之間無影響，增強電堆的穩定性；同時，加溼氣體的流速可以調節，從而滿足增溼要求和進電堆壓力要求。上述的燃料電池質子交換膜的增溼裝置，待增溼氣體從原料氣進口 7進入外筒10與內筒9形成的空腔2中，在螺旋葉片11的轉動推動下到達增溼器的尾端，從外筒尾端的原料氣管道I出來進入燃料電池電堆13中；燃料電池電堆的尾氣從尾氣管道12進入內筒的空腔3中，高溫高溼尾氣在離心力作用下，通過內筒壁上的孔，將熱量和水分傳遞給空腔2中的氣體，尾氣中的氣體成分從尾氣出口 6排出系統外；內筒通過若干連接杆4與傳動軸固定連接，螺旋葉片與內筒外壁固定相連，在傳動軸的帶動下，內筒、螺旋葉片隨傳動軸一起轉動；外筒固定不動。上述的燃料電池質子交換膜的增溼裝置，外筒與內筒之間有螺旋葉片，螺旋葉片與內筒外壁固定連接，與外筒內壁實現動態密封；內筒兩端與裝置的端面滑動部位有密封圈8。上述的燃料電池質子交換膜的增溼裝置，內筒與傳動軸通過連接杆固定，電機與傳動軸相連。電機帶動傳動軸轉動，傳動軸帶動內筒轉動，內筒帶動螺旋葉片轉動；螺旋葉片的旋向與傳動軸轉動方向相反。上述的燃料電池質子交換膜的增溼裝置，傳動軸的轉速可調，從而螺旋葉片的轉速可調，實現加溼氣體的流速可調。本實用新型的主要特點是其解決了因增溼器對氣體阻力而使進電堆的壓力不夠問題，降低了對空氣壓縮機或者鼓風機的要求；同時加溼氣體的流速通過電機的控制調節，根據不同的系統選擇合適的轉速，也可以改變螺旋葉片的螺距大小或者選擇不同形狀的螺旋面，使其滿足電堆對加溼氣體的溼度和壓力需求。本裝置還具有高增溼效率、低耗能、低成本的特點。

附圖為本實用新型的質子交換膜燃料電池增溼裝置結構示意圖。
具體實施方式
[0023]
以下結合附圖對本實用新型作進一步說明。如圖所示，本實用新型中外筒10為一個固定的密封空心圓柱體，內筒9與外筒同軸，其壁上分布有大小不一的微孔道，孔徑為0.01 1.0毫米，孔隙率為50% 80%，螺旋葉片11固定於內筒外壁上，與外筒留有很小的縫隙，類似於鼓風機風輪與外壁的結構，內筒通過連接杆4與傳動軸5固定連接，在傳動軸帶動下，內筒和螺旋葉片一起轉動。原料氣通過原料氣進口 7進入外筒與內筒之間的空腔2中，從原料氣管道I出去直接進入電堆13。電堆的尾氣通過尾氣管道12進入內筒內腔3中，最後從尾氣出口 6排出系統外。內筒與外筒滑動部位有密封圈8，防止原料氣和尾氣串氣。燃料電池的高溫高溼尾氣進入空腔3中，電機開啟，傳動軸帶動內筒和螺旋葉片一起轉動，尾氣中的水分遇到冷的內筒壁部分液化，在離心作用下從內筒壁上的微孔被甩入空腔2中，原料氣進入空腔2中將水分攜帶走，內筒材料選用熱的良導體，如不鏽鋼或者其他金屬材料，尾氣中的熱量將傳遞給原料氣，外筒材料為絕熱體，保證增溼裝置內熱量幾乎不被環境吸收。加溼氣體的流速跟螺旋葉片的轉速、螺距大小和螺旋面的形狀有關，傳動軸的轉速通過電控部分在500 IlOOrpm範圍內可調，螺旋葉片的轉速可通過傳動軸的轉速來控制，傳動軸轉速越快，螺旋葉片轉速也越快，原料氣的流速加快，原料氣與尾氣的熱交換和溼度交換就越快。同時該裝置中傳動軸的轉動方向與螺旋葉片的旋向方向相反，在轉動時可以使空腔2中的氣體壓力增加，且壓力的改變可以通過調節螺旋葉片轉速來實現。傳動軸、螺旋葉片的轉動對空腔3內燃料電池尾氣的流速和壓力幾乎不產生影響，從而能使原料氣更好的加溼和換熱，能使燃料電池系統快速啟動且高效運行。本實用新型中螺旋葉片與內筒外壁固定連接，與外筒內壁之間的空隙越小越好，從而保證更好的控制原料氣的壓力。螺旋葉片的螺距和螺旋面形狀可以根據實際電堆的工作條件確定。根據燃料電池系統對加溼效果的要求，可以改變空腔3的大小，來改變尾氣在腔體內的停留時間和容量；可以根據原料氣的流量和增溼要求來改變空腔3的大小，同時也可以通過改變傳動軸的轉速或者螺旋葉片的螺旋角度，來調節原料氣的流速、壓力和加溼效果。
權利要求1.一種質子交換膜燃料電池的增溼裝置，其特徵是該裝置主要由外筒(10)、內筒(9)、螺旋葉片(11)、傳動軸(5)構成，所述外筒與內筒同軸設置，螺旋葉片固定在內筒外表面，其外緣與外筒內壁靠近、有小間隙，內筒的筒壁上有微孔，內筒由連接杆(4)與傳動軸相連，該裝置的首端設有與內、外筒之間的空腔(2)相連通的原料氣進口(7)，以及與內筒內腔(3)相連通的尾氣出口(6)，該裝置的尾端設有連接內、外筒之間的空腔(2)與電堆(13)的原料氣管道(I)以及連接內筒空腔(3)與電堆(13)的尾氣管道(12)。
2.根據權利要求1所述的質子交換膜燃料電池的增溼裝置，其特徵在於:所述內筒(9)筒壁上的微孔孔徑為0.01 1.0mm。
3.根據權利要求1所述的質子交換膜燃料電池的增溼裝置，其特徵在於:所述尾氣出口(6)有兩個，對稱設置。
4.根據權利要求1所述的質子交換膜燃料電池的增溼裝置，其特徵在於:所述尾氣管道(12)與該裝置尾端的連接口有兩個，對稱設置。
5.根據權利要求1所述的質子交換膜燃料電池的增溼裝置，其特徵在於:所述內筒(9)的兩端與該裝置首尾端之間的滑動部位設有密封圈(8)。
6.根據權利要求1所述的質子交換膜燃料電池的增溼裝置，其特徵在於:所述傳動軸(5)與電機及調速機構相連接。
專利摘要本實用新型公開一種質子交換膜燃料電池的增溼裝置，屬於燃料電池技術領域。該裝置主要由外筒、內筒、螺旋葉片、傳動軸構成，所述螺旋葉片固定在內筒外表面，內筒的筒壁上有微孔，內筒由連接杆與傳動軸相連。該裝置用於對質子交換膜燃料電池原料氣進入電堆前的加溼，充分利用尾氣中的水份和熱量，並能調節增溼氣體的壓力，具有節能、高效、調節方便的優點，滿足原料氣增溼要求和進電堆壓力要求，使燃料電池系統能耗、成本降低，體積減小，效果顯著。
文檔編號H01M8/04GK202996967SQ20122061485
公開日2013年6月12日 申請日期2012年11月20日 優先權日2012年11月20日
發明者佘沛亮, 王利生, 仙存妮 申請人:北京慧峰聚能科技有限公司