帶有空氣溫度調節與溼度穩定裝置的燃料電池的製作方法
2023-10-09 16:22:09
專利名稱：帶有空氣溫度調節與溼度穩定裝置的燃料電池的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及燃料電池，尤其涉及帶有空氣溫度調節與溼度穩定裝置的燃料電池。
背景技術：
電化學燃料電池是一種能夠將氫及氧化劑轉化成電能及反應產物的裝置。該裝置的內部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細小分散的引發電化學反應的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導電物體將發生電化學發應過程中生成的電子，通過外電路引出，構成電流迴路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，並在催化劑表面上發生電化學反應，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質子交換膜，到達膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，並在催化劑表面上發生電化學反應得到電子，形成負離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發生反應，形成反應產物。
在採用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區的催化電化學反應就產生了氫正離子(或叫質子)。質子交換膜幫助氫正離子從陽極區遷移到陰極區。除此之外，質子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產生爆發式反應。
在陰極區，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負離子，並與陽極區遷移過來的氫正離子反應，生成反應產物水。在採用氫氣、空氣(氧氣)的質子交換膜燃料電池中，陽極反應與陰極反應可以用以下方程式表達
陽極反應陰極反應在典型的質子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導電的極板中間，每塊導流極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、衝壓或機械銑刻，形成至少一條以上的導流槽。這些導流極板可以上金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導流極板上的流體孔道與導流槽分別將燃料和氧化劑導入膜電極兩邊的陽極區與陰極區。在一個質子交換膜燃料電池單電池的構造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導流板與陰極氧化劑的導流板。這些導流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導流板上的導流槽又作為燃料與氧化劑進入陽極、陰極表面的通道，並作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通常可通過直疊的方式串聯成電池組或通過平鋪的方式聯成電池組。在直疊、串聯式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、後端板及拉杆緊固在一起成為一體。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導流進口和導流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經重整後得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內冷卻通道中，將燃料電池內氫、氧電化學放熱反應生成的熱吸收並帶出電池組進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應的導流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
質子交換膜燃料電池可用作車、船等運載工具的動力系統，又可用作移動式、固定式的發電裝置。
質子交換膜燃料電池用作車、船動力系統或移動式和固定式發電站時，必須包括電池堆、燃料氫氣供應系統、空氣供應子系統、冷卻散熱子系統、自動控制及電能輸出各個部分。
圖1為目前典型的燃料電池發電系統，在圖1中1為燃料電池堆，2為儲氫瓶或其他儲氫裝置，3為減壓閥，4為空氣過濾慮裝置，5為空氣壓縮供應裝置，6為氫氣水-汽分離器，6』為空氣水-汽分離器，7為水箱，8為冷卻水循環泵，9為冷卻水散熱器，10為氫循環泵，11為氫氣增溼裝置，12為空氣增溼裝置。
按照目前典型的燃料電池發電系統集成與運行原理，向燃料電池堆輸送的氫氣與空氣必須經過穩壓並經過增溼裝置(11，12)後，變成達到一定相對溼度與溫度的溼空氣、氫氣然後再進入燃料電池堆中發生電化學反應。否則乾燥的或增溼不充分的空氣、氫氣向燃料電池堆輸送時，過量的空氣、氫氣可以造成燃料電池堆中的核心部件-膜電極中的質子交換膜失水，質子交換膜失水將造成燃料電池內阻急劇增加，運行性能急劇下降。
目前應用於質子交換膜燃料電池的空氣溫度調節與溼度穩定的方法主要是根據環境溫度、燃料電池輸出電流等變化，通過調節增溼轉桶的開關時間、增溼電機轉速的方法來控制進入燃料電池空氣的溫度、溼度，使用水氣分離器分離空氣中的液態水。
但是目前的技術方案向燃料電池堆輸送的空氣經過增溼後變成達到一定相對溼度與溫度的溼空氣後直接進入燃料電池堆發生電化學反應有以下技術缺陷由於受到外界環境的影響，當外界溫度變化及外界空氣相對溼度變化較大時，在同一工況不同環境下，從增溼轉桶送出的空氣溫度和溼度就會偏離目標控制值，不能保證進入燃料電池空氣溫度、溼度的恆定，引起燃料電池運行性能不穩定。因此不得不通過修改增溼轉桶和增溼電機的控制參數來讓燃料電池來適應環境的變化，造成了控制上的不便。
實用新型內容本實用新型的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種控制方便的帶有空氣溫度調節與溼度穩定裝置的燃料電池。
本實用新型的目的可以通過以下技術方案來實現帶有空氣溫度調節與溼度穩定裝置的燃料電池，包括燃料電池堆、儲氫裝置、氫減壓閥、氫氣增溼裝置、氫氣水-汽分離器、氫循環泵、水箱、冷卻水循環泵、冷卻水散熱器、空氣過濾裝置、空氣壓縮供應裝置、空氣增溼裝置，其特徵在於，還包括空氣溫度調節與溼度穩定裝置，該空氣溫度調節與溼度穩定裝置設置在空氣增溼裝置與燃料電池堆的空氣入口之間。
所述的空氣溫度調節與溼度穩定裝置包括風機、空氣散熱器、水汽分離器。
所述的空氣散熱器的空氣入口端與風機相連，空氣散熱器的空氣出口端連接水汽分離器。
所述的空氣散熱器包括散熱管、散熱風扇。
所述的散熱管包括多根平行排列的散熱管，該散熱管上帶有散熱片。
所述的散熱風扇位於散熱管上端或下端，面向散熱管送風散熱。
所述的散熱風扇可以根據進入溼空氣的溫度進行轉速或開關調節。
所述的水汽分離器為圓柱形腔體，該腔體底部呈喇叭口狀收集冷凝水，腔體頂部為空氣出口，該水汽分離器與散熱管出空氣端相連。
所述的空氣溫度調節與溼度穩定裝置形式之一為包括風機、空氣散熱器、水汽分離器，所述的空氣散熱器包括空氣進氣管、空氣散熱管、空氣出氣管、散熱風扇，所述的空氣進氣管、空氣出氣管設在空氣散熱管的兩端並與其垂直相交連接，所述的空氣出氣管的空氣出口端與水汽分離器的圓柱形腔體的中部連接，由空氣進氣管流入的空氣流經空氣散熱管後，通過空氣出氣管匯集流入水汽分離器的圓柱形腔體，所述的水汽分離器上下端均呈喇叭口狀，空氣從腔體上部流出並進入燃料電池堆參加反應，冷凝水從腔體下部排出。
所述的空氣溫度調節與溼度穩定裝置形式之二為包括風機、空氣散熱器、水汽分離器，所述的空氣散熱器包括散熱管、散熱風扇，所述的散熱管的進氣和出氣端均垂直相交連接兩水汽分離器，其中，與散熱管進氣端相連的水汽分離器上端封閉，下端呈喇叭口狀收集冷凝水，與散熱管出氣端相連的水汽分離器上下端均呈喇叭口狀，空氣從腔體上部流出並進入燃料電池堆參加反應，冷凝水從腔體下部排出。
與現有技術相比，本實用新型由於在空氣進入燃料電池堆參加反應之前設置了一個可調節空氣溫度與可恆定溼度到100％的裝置，簡化了系統控制，避免了燃料電池堆內過溼或過幹現象，提高了燃料電池的運行穩定性。
圖1為現有燃料電池的結構示意圖；圖2為本實用新型一種帶有空氣溫度調節與溼度穩定裝置的結構示意圖；圖3為本實用新型另一種帶有空氣溫度調節與溼度穩定裝置的結構示意圖；圖4為本實用新型燃料電池的結構示意圖。
圖4中1燃料電池堆，7燃料電池冷卻水水箱，8冷卻水循環泵，9冷卻水散熱器，13空氣增溼轉桶，14風機，15空氣散熱器，16水汽分離器，17溫溼監控器。
具體實施方式
以下結合附圖及具體實施例，對本實用新型作進一步說明。
如圖4並結合圖1所示，一種帶有空氣溫度調節與溼度穩定裝置的燃料電池，包括燃料電池堆1、儲氫裝置2、氫減壓閥3、氫氣增溼裝置11、空氣過濾裝置4、空氣壓縮供應裝置5、空氣增溼裝置12、氫氣水-汽分離器6、氫循環泵10、空氣水-汽分離器6』、水箱7、冷卻水循環泵8、冷卻水散熱器9，風機14、空氣散熱器15、水汽分離器16，所述的風機14、空氣散熱器15和水汽分離16組成空氣溫度調節與溼度穩定裝置，所述的空氣溫度調節與溼度穩定裝置設在空氣增溼裝置12與燃料電池堆1的空氣入口之間。
所述的空氣溫度調節與溼度穩定裝置包括風機14、空氣散熱器15、水汽分離器16。空氣散熱器15的空氣入口端與風機14相連，空氣散熱器的空氣出口端連接水汽分離器16。空氣散熱器15包括散熱管302、散熱風扇303。散熱管包括多根平行排列的散熱管，散熱管上帶有散熱片。散熱風扇303位於散熱管15上端或下端，面向散熱管送風散熱。散熱風扇303的轉速可以根據進入溼空氣的溫度進行調節。水汽分離器305，305』為圓柱形腔體，該腔體底部呈喇叭口狀收集冷凝水，腔體頂部為空氣出口，該水汽分離器305與散熱管15出空氣端相連。
根據安裝位置的不同所述的帶有空氣溫度調節與溼度穩定裝置可以有以下兩種實施例1.如圖2所示，一種帶有空氣溫度調節與溼度穩定裝置，包括空氣散熱器15、水汽分離器16，所述的空氣散熱器包括空氣進氣管301、空氣散熱管307、空氣出氣管304、散熱風扇303，所述的空氣進氣管301、空氣出氣管307設在空氣散熱管302的兩端並與其垂直相交連接，所述的空氣出氣管307的空氣出口端與水汽分離器305的圓柱形腔體的中部連接，由空氣進氣管301流入的空氣流經空氣散熱管302後，通過空氣出氣管307匯集流入水汽分離器305的圓柱形腔體，所述的水汽分離器305上下端均呈喇叭口狀，空氣從腔體上部流出並進入燃料電池堆1參加反應，冷凝水從腔體下部306排出。
2.如圖3所示，一種帶有空氣溫度調節與溼度穩定裝置，包括空氣散熱器15、水汽分離器16，所述的空氣散熱器包括散熱管302、散熱風扇303，所述的散熱管302的進氣和出氣端均垂直相交連接兩水汽分離器305，305』，其中，與散熱管302進氣端相連的水汽分離器305』上端封閉，下端呈喇叭口狀收集冷凝水，與散熱管302出氣端相連的水汽分離器305上下端均呈喇叭口狀，空氣從腔體上部流出並進入燃料電池堆1參加反應，冷凝水從腔體下部306排出。
權利要求1.帶有空氣溫度調節與溼度穩定裝置的燃料電池，包括燃料電池堆、儲氫裝置、氫減壓閥、氫氣增溼裝置、氫氣水一汽分離器、氫循環泵、水箱、冷卻水循環泵、冷卻水散熱器、空氣過濾裝置、空氣壓縮供應裝置、空氣增溼裝置，其特徵在於，還包括空氣溫度調節與溼度穩定裝置，該空氣溫度調節與溼度穩定裝置設置在空氣增溼裝置與燃料電池堆的空氣入口之間。
2.根據權利要求1所述的帶有空氣溫度調節與溼度穩定裝置的燃料電池，其特徵在於，所述的空氣溫度調節與溼度穩定裝置包括風機、空氣散熱器、水汽分離器。
3.根據權利要求2所述的帶有空氣溫度調節與溼度穩定裝置的燃料電池，其特徵在於，所述的空氣散熱器的空氣入口端與風機相連，空氣散熱器的空氣出口端連接水汽分離器。
4.根據權利要求2所述的帶有空氣溫度調節與溼度穩定裝置的燃料電池，其特徵在於，所述的空氣散熱器包括散熱管、散熱風扇。
5.根據權利要求4所述的帶有空氣溫度調節與溼度穩定裝置的燃料電池，其特徵在於，所述的散熱管包括多根平行排列的散熱管，該散熱管上帶有散熱片。
6.根據權利要求4所述的帶有空氣溫度調節與溼度穩定裝置的燃料電池，其特徵在於，所述的散熱風扇位於散熱管上端或下端，面向散熱管送風散熱。
7.根據權利要求6所述的帶有空氣溫度調節與溼度穩定裝置的燃料電池，其特徵在於，所述的散熱風扇可以根據進入溼空氣的溫度進行轉速或開關調節。
8.根據權利要求2所述的帶有空氣溫度調節與溼度穩定裝置的燃料電池，其特徵在於，所述的水汽分離器為圓柱形腔體，該腔體底部呈喇叭口狀收集冷凝水，腔體頂部為空氣出口，該水汽分離器與散熱管出空氣端相連。
9.根據權利要求1所述的帶有空氣溫度調節與溼度穩定裝置的燃料電池，其特徵在於，所述的空氣溫度調節與溼度穩定裝置形式之一為包括風機、空氣散熱器、水汽分離器，所述的空氣散熱器包括空氣進氣管、空氣散熱管、空氣出氣管、散熱風扇，所述的空氣進氣管、空氣出氣管設在空氣散熱管的兩端並與其垂直相交連接，所述的空氣出氣管的空氣出口端與水汽分離器的圓柱形腔體的中部連接，由空氣進氣管流入的空氣流經空氣散熱管後，通過空氣出氣管匯集流入水汽分離器的圓柱形腔體，所述的水汽分離器上下端均呈喇叭口狀，空氣從腔體上部流出並進入燃料電池堆參加反應，冷凝水從腔體下部排出。
10.根據權利要求1所述的帶有空氣溫度調節與溼度穩定裝置的燃料電池，其特徵在於，所述的空氣溫度調節與溼度穩定裝置形式之二為包括風機、空氣散熱器、水汽分離器，所述的空氣散熱器包括散熱管、散熱風扇，所述的散熱管的進氣和出氣端均垂直相交連接兩水汽分離器，其中，與散熱管進氣端相連的水汽分離器上端封閉，下端呈喇叭口狀收集冷凝水，與散熱管出氣端相連的水汽分離器上下端均呈喇叭口狀，空氣從腔體上部流出並進入燃料電池堆參加反應，冷凝水從腔體下部排出。
專利摘要本實用新型涉及帶有空氣溫度調節與溼度穩定裝置的燃料電池，包括燃料電池堆、儲氫裝置、氫減壓閥、氫氣增溼裝置、氫氣水－汽分離器、氫循環泵、水箱、冷卻水循環泵、冷卻水散熱器、空氣過濾裝置、空氣壓縮供應裝置、空氣增溼裝置、空氣溫度調節與溼度穩定裝置，該空氣溫度調節與溼度穩定裝置設置在空氣增溼裝置與燃料電池堆的空氣入口之間。與現有技術相比，本實用新型由於在空氣進入燃料電池堆參加反應之前進行了溫度與溼度的調節，因此避免了燃料電池堆內過溼或過幹現象，提高了燃料電池的運行穩定性。
文檔編號H01M8/00GK2758990SQ200420114360
公開日2006年2月15日 申請日期2004年12月16日 優先權日2004年12月16日
發明者胡裡清, 葛栩栩, 龔松濤, 李創, 郭偉良 申請人:上海神力科技有限公司