燃料電池的外部氣體加溼裝置的製作方法

2023-05-19 08:53:46 1

專利名稱：燃料電池的外部氣體加溼裝置的製作方法
技術領域：
本發明是有關於一種氣體加溼裝置，應用於質子交換膜型燃料電池，特別是一種回收利用燃料電池所產生高溫廢熱，再通過由氣體加溼裝置的處理，可使反應氣體在短時間內提升其含溼量的燃料電池的外部氣體加溼裝置。
背景技術：
質子交換膜型燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells，PEMFCs)是一種通過由電化學反應，直接利用氫氣(H2)與氧氣(O2)產生電力的裝置，由於操作溫度低、啟動快、能量密度高、汙染低，並且應用的範圍廣泛，故成為世界各國相繼研發與推廣的技術。
典型質子交換膜型燃料電池(PEMFC)主要的構成組件包括質子膜交換膜(Proton Exchange Membrane，簡稱PEM)、觸媒層(Catalyst Layer)、氣體擴散層(Gas Diffusion Layer，簡稱GDL)及雙極板(Bipolar Plate)等。質子膜交換膜(PEM)它是一種固態的高分子薄膜(如DuPont的Nafion膜、Asahi Chemical的Aciplex膜、Ballard的BAM膜及Gore的Gore Select膜)，它在PEMFC電池中主要功用為隔絕陰極、陽極兩種反應氣體分子，同時也隔離電子，它僅容許水分子(H2O)及氫離子(H+)傳導，所以此種高分子薄膜它是一種不透氣薄膜，只能導氫離子(H+)但不導電子。當氫離子(H+)在此高分子薄膜中進行傳導時，它必須通過由水分子的攜帶才能完成，所以高分子薄膜的含溼量越高，氫離子(H+)的傳導性就越佳。因此，如何提升高分子薄膜的含溼量，以獲得較佳的氫離子導電效率，此乃維持質子交換膜型燃料電池(PEMFC)良好性能的必要條件。
燃料電池對於反應氣體的加溼方法與設計，一般可分成內部加溼及外部加溼兩種方式，各有各的優缺點。以外部加溼方式而言，它需要在燃料電池的外部添加一加溼器，此方式除了佔用空間外，也需要額外的電力供應加溼器內的加熱器(Heater)，以提高反應氣體的溫度及溼度，這是該技術主要的缺點。但它也有許多優點(1)可提供穩定的加溼量(2)可控制及調整加溼量(3)可處理較大量的氣體加溼(4)容易進行維修及保養工作。而內部加溼方式，它主要是在燃料電池的內部進行一些加溼機構的設計，此方式主要優點(1)體積小、不佔用空間(2)不用額外設置加溼器及加熱器，故可節省成本(3)可直接回收利用燃料電池本身產生的廢熱或水。但它也有許多缺點(1)加溼機構的管道設計及與電池的連接多相當複雜(2)加溼量不易控制及調整(3)當負載大時，氣體加溼往往不易達到飽和狀態(4)不易進行維修及保養工作。
有關燃料電池系統的反應氣體加溼設計的專利，近幾年來也陸續被提出與改進，前案如美國專利公告第5,482,680、5,527,363號專利，主要是在燃料電池堆(Cell Stack)中特別加上一加溼段，缺點是大幅增加電池堆的體積與重量，另外電池堆內部的燃料、氧化劑與水的流道設計多相當複雜。美國專利公告第6,406,807號專利是在碳板上氣體流道間的肋埂(Rid、Land)處設計噴水孔，可直接對PEM膜加水；美國專利公告第6,403,249號專利是在電池組中加上一薄膜式加溼段，可直接對反應氣體進行加溼。美國專利公告第6,207,312號專利是採用封閉式流道(Interdigitated flow field)與碳板上設計薄膜式加溼區，此為自潤溼設計。美國專利公告第6,066,408號專利是在氣體流道中加入一吸水蕊(Wick)，並設計加水孔以補充吸水蕊的含水量。美國專利公告第5,998,054號專利是在碳板上對每一氣體流道的前端進行噴水加溼的設計。美國專利公告第5,952,119號專利是在氣體擴散層(碳布)上縫製固定間隔的親水性細線，外加補充水通過由此細線將水分布在PEM膜上。而美國專利公告第5,965,288號專利是採用一外部透水膜加溼器對反應氣體進行加溼。

發明內容
本發明的主要目的是提出一種燃料電池的外部氣體加溼裝置，可使反應氣體在短時間內提升其含溼量，並使高分子薄膜獲得良好的加溼效果，通過此提升燃料電池(PEMFC)的發電效率及使用壽命。
根據本發明所揭露的燃料電池的外部氣體加溼裝置，是包含有筒體、預熱蛇管、氣體分散器，通過由氣體分散器隔開存於筒體內的液體，而預熱蛇管的蛇管段則浸於液體內，出口端位於氣體分散器所隔開的氣體腔室內，使反應氣體進入預熱蛇管內，經過蛇管段與液體進行熱交換，並由氣體腔室透過氣體分散器而以微小氣泡的狀態進入液體內，提升反應氣體的溫度及溼度。同時，配合回收利用燃料電池所產生的高溫廢熱，將此廢熱透過筒體內的液體轉移給反應氣體，節省加熱液體所需的能源損耗，且反應氣體產生大量的微小氣泡，可大幅度增加氣體與水的接觸面積與接觸的停留時間(Retention Time)，如此可提升反應氣體的加溼效果。
另一方面，可於筒體的出口前利用含有鰭片設計的氣體檔板，可降低氣體的露點溫度(Dew point)，使過度飽和的水氣分子聚集而凝結下來，這樣可防止燃料電池產生淹水現象(Flooding)。
有關本發明的詳細內容及技術，茲就配合圖式說明如下


圖1是為本發明燃料電池的外部氣體加溼裝置的示意圖。
主要組件符號說明1外部氣體加溼裝置
10筒體11容置空間111 液態水源入口112 出口12液體20預熱蛇管21入口端22出口端23蛇管段30氣體分散器31氣體腔室40熱交換器41廢氣入口42廢氣出口43熱交換管50氣體檔板51鰭片61、62熱電偶溫度計70液位控制器具體實施方式
根據本發明所揭露的燃料電池的外部氣體加溼裝置，請參閱圖1，是應用於燃料電池(圖中未示)的反應氣體的加溼，其反應氣體可為氫氣(H2)或空氣(air)等氣體的加溫及加溼。燃料電池主要的構成組件包括質子膜交換膜(Proton Exchange Membrane，簡稱PEM)、觸媒層(Catalyst Layer)、氣體擴散層(Gas Diffusion Layer，簡稱GDL)及雙極板(Bipolar Plate)等。當PEMFC電池運轉操作時，在陽極(Anode)是進行氫氣(H2)的氧化反應，在陰極(Cathode)則是進行氧氣(O2)的還原反應。首先反應氣體是經觸媒的催化作用，使氫氣(H2)分解成氫離子(H+)與電子(e-)(H2→2H++2e-)，電子(e-)自陽極流出至電池外部電路，經負載(Load)作功後流入陰極。同時氫離子(H+)也透過質子膜交換膜(PEM)由陽極到達陰極，並氧分子(O2)及電子(e-)結合產生水(H2O)及熱(Heat)(1/2O2+2H++2e-→H2O+Heat)。氫離子(H+)在陽極產生時，由於電池內部存在的電位降，此氫離子會不斷地向陰極傳導移動。當氫離子(H+)因傳導而移動時，它必須要伴隨數個水分子才能進行傳導(即以水合離子形態H+(H2O)n移動)。因此電池運轉操作時水分子會不斷地向陰極移動，此時若不能適時的補充水分，將導致PEM膜過度乾燥，而降低氫離子(H+)的傳導能力，這將使PEMFC電池的發電性能大幅下降。
如圖1所示，外部氣體加溼裝置1包含有筒體10、預熱蛇管20、氣體分散器30、熱交換器40與氣體檔板50。筒體10如圖中所繪示，是為直立式管狀的水槽結構，內部具有一容置空間11，用來儲存加溼用的液體12，此容置空間11的外側可具有一層絕熱層防止液體12溫度外洩，當然也可連接有液位控制器70與熱電偶溫度計61、62。其中液位控制器70主要用來控制及調節液體12的容量，使其液體12的水位維持在某一高度(原則上以能夠涵蓋預熱蛇管20的蛇管段23為佳)，而熱電偶溫度計61、62主要用來控制及指示液體12的溫度，頂端具有出口112以及液態水源入口111，通過由液態水源入口111可以補充液體12的水量。
預熱蛇管20具有入口端21、出口端22以及位於中間部分的蛇管段23，通過由蛇管段23蜿蜒盤繞的設計，浸於液體12內，而可增加與液體12的接觸面積，進而增加熱交換的效果。而氣體分散器30設置於筒體10接近底部，而將容置空間11的液體12隔開而形成氣體腔室31，預熱蛇管20的出口端22則為於氣體腔室31內。氣體分散器30是為平板式的多孔材料結構，其孔徑非常小約在0.1mm以下，可為發泡金屬、多孔金屬氧化物、多孔碳材等材料。氣體檔板50是為至少一片的板體組成，其上分別具有複數個鰭片51，並具有向下傾斜的角度。
首先當反應氣體(氫氣(H2)或空氣(air))進入經由入口端21進入外部氣體加溼裝置1，經過預熱蛇管20的蛇管段23，此時，因預熱蛇管20的蛇管段23是完全沉沒於液體12中，因此反應氣體會經由蛇管段23與液體12進行熱交換而使反應氣體提升其溫度。而液體12的熱源可以通過由燃料電池反應後所產生的高熱廢氣提供，通過由廢氣入口41導引進入熱交換器40，而進入熱交換器40的熱交換管43，而與液體12進行熱交換，提高液體12的溫度，而後由廢氣出口42離開，此熱交換管43可以為板狀、蛇管等任意型態。
接著，反應氣體通過蛇管段23而由出口端22進入氣體腔體31(GasChamber)，因氣體分散器是多孔材料結構，所以反應氣體經過時可產生大量的微小氣泡而進入液體12中，當此微小氣泡與液體12接觸時，它可大幅度增加反應氣體與液體12的接觸面積及反應氣體在液體12中的停留時間(Retention Time)，如此可使反應氣體獲得充分且有效的加溼效果，很容易使反應氣體達到完全飽和的狀態。當反應氣體被水充分加溼後要由出口112離開筒體10之前，會經過氣體檔板50的阻擋，因為此氣體檔板50的表面有許多鰭片51，這些鰭片51主要用來降低反應氣體的露點溫度(Dew Point)，並使反應氣體中的水氣分子聚集而凝結下來，如此可防止過飽和的反應氣體進入燃料電池內，因為過飽和的氣體很容易凝結成液態水，而使燃料電池產生淹水現象(Flooding)，這樣會使燃料電池的發電效率大幅降低。通過此，即可在短時間內使反應氣體有效的提升其含溼量、溫度進入燃料電池。
雖然本發明以前述的較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
權利要求
1.一種燃料電池的外部氣體加溼裝置，該燃料電池是通入一反應氣體反應而產生電力，並排出一高熱的廢氣，其特徵在於該外部氣體加溼裝置是包含有一筒體，其內存有一液體，頂面具有一出口；一預熱蛇管，裝設於該筒體內，具有一出口端、一入口端以及一蛇管段，該入口端供該反應氣體進入，且該蛇管段浸於該液體內；及一氣體分散器，設置於該筒體底部，而將該液體隔開形成一氣體腔室，使該預熱蛇管的出口端設於該氣體腔室，而使該反應氣體，進入該氣體腔室而以微小氣泡的狀態進入該液體，並通過由該出口輸出。
2.如權利要求1所述的燃料電池的外部氣體加溼裝置，其特徵在於，更包含有一熱交換器，裝設於該筒體，用以導引該廢氣，而與該液體進行熱交換，提高該液體溫度。
3.如權利要求1所述的燃料電池的外部氣體加溼裝置，其特徵在於，更包含有一熱電偶溫度計，裝設於該筒體，並置入該液體，可控制及指示該液體溫度。
4.如權利要求1所述的燃料電池的外部氣體加溼裝置，其特徵在於，所述該氣體分散器是為多孔材料所構成。
5.如權利要求4所述的燃料電池的外部氣體加溼裝置，其特徵在於，所述該多孔材料是選自由發泡金屬、多孔金屬氧化物、多孔碳材所構成的組合。
6.如權利要求1所述的燃料電池的外部氣體加溼裝置，其特徵在於，更包含有一氣體檔板，設置於該筒體的出口前，用來阻擋該反應氣體，使過飽和水氣在此凝結下來。
7.如權利要求6所述的燃料電池的外部氣體加溼裝置，其特徵在於，所述該氣體文件板上更包含有複數個鰭片。
8.如權利要求6所述的燃料電池的外部氣體加溼裝置，其特徵在於，所述該氣體文件板是具有一向下的傾斜角度。
全文摘要
本發明一種燃料電池的外部氣體加溼裝置，是通過由回收利用燃料電池所產生的高溫廢熱，並將此廢熱回收轉移給反應氣體(氫氣或空氣)，再經由氣體加溼裝置的處理，可在短時間內使氣體有效的提升其含溼量，當被加溼後的氣體進入燃料電池內，可使高分子薄膜獲得良好的加溼效果，通過此提升燃料電池的發電效率及使用壽命。
文檔編號H01M8/10GK101071878SQ200610078219
公開日2007年11月14日 申請日期2006年5月12日 優先權日2006年5月12日
發明者宋隆裕, 黃嘉祿 申請人:財團法人工業技術研究院