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CN100369307C - 燃料电池的质子交换膜增湿方法及装置 - Google Patents

燃料电池的质子交换膜增湿方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池的质子交换膜增湿方法及装置，其中，方法包括如下步骤：a.将燃料电池电化学反应完后的高温高湿尾气进行冷却，使尾气的温度被降低0～10℃而产生液态水；b.将冷却后的气体和液态水进行气液分离；c.将分离后的液态水送入燃料电池的进气通道，使之对进入燃料电池的干冷气体进行增湿。增湿装置有一个固定的密闭外筒体，外筒体内设有可转动的内筒体，外筒体与内筒体之间的环形空腔形成燃料电池的进气通道，内筒体的内部空腔则形成尾气排放通道，在内筒体筒壁上布满离心分离孔。该装置工作时，内筒体旋转使得内筒体内壁上冷却下来水通过离心作用进入外筒体与内筒体之间的进气通道，起到增湿作用。

Description

燃料电池的质子交换膜增湿方法及装置
技术领域
本发明涉及燃料电池，特别是涉及一种燃料电池的质子交换膜增湿方法及装置。
背景技术
燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的电池，它具有效率高，污染少和噪声低等特点。燃料电池和普通电池一样，都具有正负极和隔膜材料。在燃料电池中，一般用空气和氧气作为氧化剂，氢气或者甲醇、乙醇等用作燃料，正负极之间通过隔膜隔开，隔膜为透水不透气的膜，可防止氧化剂和燃料发生混合爆炸。在隔膜两侧还具有催化正负极反应的催化剂。例如，在以氢气作为燃料，空气作为氧化剂的质子交换膜燃料电池中，燃料电池工作时发生如下反应：
负极：H2→2H++2e
正极：O2+4H++4e→2H2O，
根据上述反应式，燃料电池在工作时，其负极端的氢气通过渗透穿过多孔性材料，到达催化层发生氧化反应，使得燃料氢气失去电子，产生正离子质子。电子通过外电路向正极迁移，质子则通过隔膜材料向正极迁移。燃料电池的正极端氧化剂则渗透穿过多孔性材料，到达催化层后接受从外电路来的电子，发生还原反应，并与从隔膜传递过来的正离子结合，生成产物水。
燃料电池中隔膜的含水量对于燃料电池的正常工作十分重要。在质子通过隔膜向正极移动的过程中，必须以水合质子的形式才能通过。当正、负两极缺少水分时，质子便难以通过质子交换膜，使得燃料电池的内阻增大，输出电压降低，以至于燃料电池不能工作。虽然燃料电池在工作过程中会生成大量的水，但如果供给燃料电池的干燥空气过量时，没有反应掉的高温气体会把大量水分带走，导致燃料电池内部的水分失去平衡，以至于造成膜缺水。所以通常需要对燃料电池的空气极进行增湿，以防止质子交换膜失水。
为此，人们设计了多种方法来对膜进行增湿。一种较常用的方法是使气体直接通过一定温度的水，通过使气体与水接触来获得一定的湿度。这种方法由于设备体积庞大，不好控制，灵活性不好，因此一般来说只适合小型移动性能要求不高的燃料电池。美国专利5,432,020号公开了一种直接加一定量的去离子水的方法。由于该方法要外加去离子水，造成去离子水的大量消耗，因此必须另外补充大量去离子水，结果导致燃料电池成本增加，且使用不便。再如6,696,186号美国专利公开了一种使水以渗透的方式通过薄膜的方法，由于该方法要使用昂贵的离子交换膜，因而使得燃料电池成本提高，而且这种方法会造成很大的气体阻力。
此外，燃料电池的一个重要用途是用作轿车和出租车的动力装置，对于这类燃料电池的基本要求是其动态响应要好，而上述的方法都存在因动态性能不好而不能快速响应燃料电池的功率变化的问题。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，而提供一种能满足燃料电池的不同功率要求，增湿效率高，耗能低，可节约燃料电池的运行成本，并有利于料电池的低温启动的燃料电池的质子交换膜增湿方法。
本发明的目的还在于提供实现上述增湿方法的装置。
为实现上述目的，本发明提供一种燃料电池的质子交换膜增湿方法，该方法包括如下步骤：
a、将燃料电池正负极间电化学反应完后的介于环境温度与85℃间的高温高湿尾气进行冷却，所述冷却是通过与进入燃料电池的干冷气体进行热交换实现的，使尾气的温度被降低0～10℃而产生液态水；
b、将冷却后的气体和液态水进行气液分离，气液分离采用离心分离；
c、将分离后的液态水送入燃料电池的进气通道，使之对进入燃料电池的干冷气体进行增湿。
本发明还提供了实现所述方法的增湿装置，该装置有一个固定的密闭外筒体，外筒体内设有一个由电机驱动的可转动的内筒体，内筒体的两端与外筒体的接触部位设有动密封结构，且外筒体与内筒体之间的环形空腔形成燃料电池的进气通道，该通道通过燃料电池进气管与燃料电池连通，内筒体的内部空腔则形成燃料电池排放的高温高湿气体的尾气排放通道，该通道通过燃料电池出气管与燃料电池连通；在内筒体筒壁上布满将冷凝的液体甩入燃料电池进气通道的离心分离孔。
电机与置于内筒体中央的传动轴连接，传动轴则由多根径向连接杆固定，连接杆的另一端与内筒体固接。
在内筒体的内壁上设有均匀或非均匀分布的凸起。
离心分离孔均匀或非均匀分布于内筒体的筒壁上。
外筒体与内筒体的动密封结构是在外筒体的上端盖和下端盖内侧与内筒体的对应部位设有环形凹槽，凹槽内装有密封圈，内筒体两端可转动地嵌入该凹槽内。
本发明的贡献在于，它有效解决了燃料电池的质子交换膜增湿问题。本发明通过离心分离的方法把水分从具有高露点温度的燃料电池尾气中分离出来，并巧妙地利用其对进入燃料电池的干冷气体进行增湿，从而达到对质子交换膜增湿的效果，而不需要另外加去离子水来进行增湿，因此可大大降低燃料电池的运行成本。由于燃料电池进口气体还能够被尾气加热，所以能克服燃料电池的低温启动问题。还由于本发明的分离装置的电动机可通过电压或电流很好的控制，所以不同的转速可以满足燃料电池不同功率的增湿要求。本发明的方法还具有增湿效率高，耗能低等特点。
附图说明
图1是本发明的增湿装置整体结构示意图。
图2是本发明的增湿装置上端盖结构示意图。
图3是本发明的增湿装置下端盖结构示意图。
具体实施方式
下列实施例是对本发明的进一步解释和说明，对本发明不构成任何限制。
本发明的燃料电池的质子交换膜增湿方法包括如下步骤：
a、将燃料电池正负极间电化学反应完后的高温高湿的燃料电池的燃料气体或氧化剂气体(其温度介于环境温度与85℃间)送入本发明的增湿装置中进行冷却，使尾气的温度被降低0～10℃而产生液态水；
b、将冷却后的气体和液态水通过离心分离方式进行气液分离；
c、将分离后的液态水送入燃料电池的进气通道，使之对进入燃料电池的干冷气体进行增湿。
上述增湿方法是通过本发明的增湿装置实现的。
参阅图1～3，该装置有一个固定的密闭外筒体10，该筒体由具有一定强度和保温性能的材料制成，本例中采用工程塑料制成。在外筒体内设有一个由电机30驱动的可转动的内筒体20，内筒体由具有一定强度的导热性能好的不锈钢或者其它金属材料制成，在内筒体筒壁上布满网状的离心分离孔21，该离心分离孔呈均匀或非均匀状态分布于内筒体20的筒壁上，可以使得在内筒体壁上被冷却下来的水通过离心的作用被甩出高温高湿的尾气部分，进入到燃料电池的又干又冷的进气通道中。在内筒体20的内壁上设有均匀或非均匀分布的凸起23，该凸起可防止被冷却下来并附着在内筒壁上的水被空气快速带走。为使内、外筒体间能密封隔离，在内筒体的两端与外筒体的接触部位设有动密封结构，该动密封结构是在外筒体的两端装设有由聚四氟乙烯材料制成的上端盖11和下端盖12，上端盖11上设有进气口44，在上端盖11和下端盖12内侧与内筒体的对应部位设有环形凹槽(图中未示出)，该凹槽的外径略大于内筒体外径，凹槽内装有密封圈，内筒体两端可转动地嵌入该凹槽内，使得内筒体既可在外筒体内转动，又可防止气体的渗漏。所述外筒体10与内筒体20之间的环形空腔形成燃料电池的进气通道A，其管径大小和相应燃料电池所需要的气体流量相适应，该通道通过燃料电池进气管41与燃料电池40连通。内筒体的内部空腔形成燃料电池排放的高温高湿气体的尾气排放通道B，其管径大小和相应燃料电池排放出来的气体体积流量相适应，该通道通过燃料电池出气管42与燃料电池40连通。内筒体的另一端装有尾气排放管43。所述内筒体20由电机30驱动，电机30置于外筒体10外部，它与置于内筒体20中央的传动轴31连接，传动轴31则由多根径向连接杆22固定，连接杆22的另一端与内筒体固接，形成刚性固定结构。电机可通过外接电源或直接由燃料电池供电，并通过调节电压或电流控制转速。电机30工作时带动传动轴31旋转，传动轴旋转时带动与其刚性连接的内筒体20同步旋转。
本发明的增湿装置对燃料电池的质子交换膜的增湿过程如下：
如图1所示，燃料电池40工作时进行化学反应后的尾气经由燃料电池的出气管42进入增湿装置，高露点温度的尾气进入内筒体20后，由于内筒体20是由传热性能良好的不锈钢或其它金属材料制成，尾气中大量的热量会被由进气管44进入进气通道A的干冷气体所吸收，使得干冷的进口气体被加热，而高露点的尾气被降温，其露点温度迅速降低，其中含有的水分也被大量冷凝下来。由于内筒体一直在以一定的速度旋转，使得依附在内筒体壁上的水分由于离心作用而经离心分离孔21被甩到干冷进气通道A中。含有大量水分的干冷空气经由燃料电池进气管道41进入燃料电池40进行电化学反应，从而实现了对燃料电池进口气体及质子交换膜的增湿。当然，也有很少量的尾气进入干冷空气，并随干冷空气进入燃料电池，它们对于燃料电池的性能没有影响。大量的尾气(其中含有少量水分)则经由内筒体上的尾气排放管43排出。

Claims (6)

1.一种燃料电池的质子交换膜增湿方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
a、将燃料电池正负极间电化学反应完后的介于环境温度与85℃间的高温高湿尾气进行冷却，所述冷却是通过与进入燃料电池的干冷气体进行热交换实现的，使尾气的温度被降低0～10℃而产生液态水；
b、将冷却后的气体和液态水进行气液分离，气液分离采用离心分离；
c、将分离后的液态水送入燃料电池的进气通道，使之对进入燃料电池的干冷气体进行增湿。
2.实现权利要求1所述方法的增湿装置，其特征在于，该装置有一个固定的密闭外筒体(10)，外筒体内设有一个由电机(30)驱动的可转动的内筒体(20)，内筒体的两端与外筒体的接触部位设有动密封结构，且外筒体与内筒体之间的环形空腔形成燃料电池的进气通道，该通道通过燃料电池进气管(41)与燃料电池(40)连通，内筒体的内部空腔则形成燃料电池排放的高温高湿气体的尾气排放通道，该通道通过燃料电池出气管(42)与燃料电池(40)连通；在内筒体筒壁上布满将冷凝的液体甩入燃料电池进气通道的离心分离孔(21)。
3.如权利要求2所述的增湿装置，其特征在于，所述电机(30)与置于内筒体(20)中央的传动轴(31)连接，传动轴(31)则由多根径向连接杆(22)固定，连接杆(22)的另一端与内筒体固接。
4.如权利要求2所述的增湿装置，其特征在于，在内筒体(20)的内壁上设有均匀或非均匀分布的凸起(23)。
5.如权利要求2所述的增湿装置，其特征在于，所述离心分离孔(21)均匀或非均匀分布于内筒体(20)的筒壁上。
6.如权利要求2所述的增湿装置，其特征在于，外筒体与内筒体的动密封结构是在外筒体的上端盖(11)和下端盖(12)内侧与内筒体的对应部位设有环形凹槽，凹槽内装有密封圈，内筒体两端可转动地嵌入该凹槽内。
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