專利名稱：質(zhì)子交換膜燃料電池堆及其內(nèi)增濕裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)增濕裝置，并且涉及一種具有該內(nèi)增濕裝置的質(zhì)子交換膜燃料電池堆。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池以其優(yōu)異的大電流放電性能日益成為燃料電池研究發(fā)展重點，質(zhì)子交換膜燃料電池性能與其膜電極中使用的質(zhì)子交換膜的電導(dǎo)率密切相關(guān)，膜中質(zhì)子傳遞速率直接限制了電池放電電流密度的大小。膜的電導(dǎo)率與其水含量呈線性關(guān)系，即膜的水含量越高，其電導(dǎo)率越高；也就是說質(zhì)子交換膜燃料電池的工作性能在很大程度上依靠膜中的水含量，在水飽和狀態(tài)下的電池性能比不飽和狀態(tài)下要好很多。因此為了保持質(zhì)子交換膜的高電導(dǎo)率，降低電池內(nèi)阻，必須對反應(yīng)氣體進(jìn)行增濕，保證膜不失水，尤其是在氫電極側(cè)和進(jìn)口處不失水，確保質(zhì)子交換膜處于良好的水合狀態(tài)，解決膜在電池運(yùn)行中的干燥問題。
目前質(zhì)子交換膜燃料電池中的膜增濕技術(shù)主要是有源增濕和無源增濕兩種方式。有源增濕方式有外部增濕和內(nèi)部增濕兩種方式。外部增濕將增濕系統(tǒng)放在燃料電池或電池組的外部；內(nèi)部增濕則將增濕系統(tǒng)與電池或電池組連成一個整體。
一般實驗室均采用鼓泡增濕這種外增濕方式，反應(yīng)氣體分別通過各自的鼓泡增濕器，夾帶水蒸氣進(jìn)入電池的正、負(fù)極，進(jìn)入電池反應(yīng)氣體濕度由加濕器的溫度決定。此外，常見的外加濕方式還有水蒸氣注射、尾氣循環(huán)增濕、中空纖維增濕器及直接液態(tài)水注射等。
外部增濕方式電池結(jié)構(gòu)簡單，將增濕系統(tǒng)與電池或電池組分開，簡化了電池組裝和密封難度，可以有效保持膜的良好水合狀態(tài)，但結(jié)構(gòu)相對分散，不利于質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)集成和穩(wěn)定控制，因此工程實用化程度相對較低。
內(nèi)部增濕主要應(yīng)用于電池組中，將增濕系統(tǒng)與電池組構(gòu)成一體化。一般均采用在電池組內(nèi)增加一個“假電池”——增濕段的方法為反應(yīng)氣體增濕，增濕段結(jié)構(gòu)與電池類似。其增濕原理是流經(jīng)電池內(nèi)部的循環(huán)冷卻水?dāng)y帶電池廢熱流出電池時進(jìn)入增濕段時，依靠水的濃差，通過一層阻氣透水膜，一般為Nafion膜，由膜的水側(cè)遷移到需要增濕的反應(yīng)氣體側(cè)，再汽化，提高反應(yīng)氣體的相對濕度。一般使電池組循環(huán)冷卻水流經(jīng)增濕段，為內(nèi)增濕段提供水源和熱源。內(nèi)增濕能力由水的溫度、壓力，反應(yīng)氣流量，膜的結(jié)構(gòu)和厚度決定。上述電池組內(nèi)增濕方法已獲得成功應(yīng)用，但它增加了電池組的重量和體積，并使電池結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。
實用新型內(nèi)容針對上述已有技術(shù)存在的缺陷，本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種重量輕、體積小的質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)增濕裝置。
本實用新型所要解決的另一個技術(shù)問題是提供一種具有上述內(nèi)增濕裝置的質(zhì)子交換膜燃料電池堆。
為了解決上述技術(shù)問題，根據(jù)本實用新型的一個方案，提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)增濕裝置，包括前端板、擋板和密封墊，所述的前端板中設(shè)有三個平行腔體，所述腔體之間分別設(shè)置一個流體單向流動裝置，并在所述前端板一側(cè)三個腔體中分別設(shè)有一個孔，所述擋板和與其對鄰的所述橡膠密封墊上均分別設(shè)置與所述三個平行腔體相對應(yīng)的三個流動孔。
根據(jù)本實用新型的另一個方案，提供一種具有內(nèi)增濕裝置的質(zhì)子交換膜燃料電池堆，包括由前端板、擋板和密封墊構(gòu)成的電堆增濕裝置、后端板以及裝配在前端板、后端板之間的導(dǎo)電板和至少一個單電池，所述的前端板中設(shè)有三個平行腔體，所述腔體之間分別設(shè)置一個流體單向流動裝置，并在所述前端板一側(cè)三個腔體中分別設(shè)有一個孔，所述擋板和與其對鄰的所述橡膠密封墊上均分別設(shè)置與所述三個平行腔體相對應(yīng)的三個流動孔。
而且，上述的三個平行腔體依次為氫氣加濕區(qū)、循環(huán)冷卻水流動區(qū)、空氣或氧氣加濕區(qū)，所述流動孔分別為加濕后氫氣流動孔、循環(huán)冷卻水流動孔和加濕后空氣或氧氣流動孔。
而且，上述氫氣加濕區(qū)和上述空氣或氧氣加濕區(qū)設(shè)有多孔親水填充物。
本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比較，有如下有益效果采用本實用新型的內(nèi)增濕裝置的質(zhì)子交換膜燃料電池堆利用流體單向流動閥門特性，使質(zhì)子交換膜燃料電池的前端板為一增濕裝置，通過攜帶電堆運(yùn)行產(chǎn)生熱量、并具有一定壓力的冷卻循環(huán)水在前端板中的流動為反應(yīng)氣體增濕，確保電堆長時間穩(wěn)定運(yùn)行。并且具有以下特點一是電池堆前端板被分為氫氣加濕區(qū)、空氣或氧氣加濕區(qū)、循環(huán)冷卻水流動三個區(qū)，具有一定壓力并攜帶熱量的循環(huán)冷卻水通過一流體單向流動閥門單方向流入氫氣、空氣或氧氣加濕區(qū)對反應(yīng)氣體進(jìn)行加濕，而氣體則不能進(jìn)入循環(huán)冷卻水流動區(qū)域；二是擋板上在反應(yīng)氣體加濕后流向電堆位置和循環(huán)冷卻水直接流向電堆位置開孔，可控制反應(yīng)氣體和循環(huán)冷卻水的流動方向；三是調(diào)節(jié)單向流動閥門可控制循環(huán)冷卻水流量，從而控制反應(yīng)氣體濕度，滿足不同功率電堆穩(wěn)定運(yùn)行需要；四是利用電堆前端板結(jié)構(gòu)取代原內(nèi)增濕結(jié)構(gòu)中的增濕段，從而減輕了電堆重量、減小體積和降低制造成本。


附圖1內(nèi)增濕裝置結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2前端板結(jié)構(gòu)示意圖；附圖3擋板和密封圈結(jié)構(gòu)示意圖；具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步描述。
根據(jù)附圖1，電堆內(nèi)增濕裝置由前端板2和擋板7通過螺栓8與橡膠密封墊9緊固而成。
根據(jù)附圖2所示，前端板2內(nèi)部被部分鏤空為三個平行腔體，分別為氫氣加濕區(qū)10、空氣或氧氣加濕區(qū)11、循環(huán)冷卻水流動12三個區(qū)。在前端板周圍有8個電堆裝配螺栓孔13。前端板2一側(cè)分別有氫氣進(jìn)氣孔14，循環(huán)冷卻水進(jìn)孔15和空氣或氧氣進(jìn)氣孔16。在循環(huán)冷卻水流動區(qū)12內(nèi)部通向氫氣加濕區(qū)10、空氣或氧氣加濕區(qū)11分別安裝有一流體單向流動裝置17，允許循環(huán)冷卻水通過流體單向流動裝置17流向氫氣加濕區(qū)10、空氣或氧氣加濕區(qū)11，而氫氣、空氣或氧氣卻不能進(jìn)入循環(huán)冷卻水流動區(qū)12發(fā)生混合。根據(jù)此裝置結(jié)構(gòu)，具有一定壓力并攜帶電堆運(yùn)行產(chǎn)生廢熱的循環(huán)冷卻水能夠?qū)錃?、空氣或氧氣進(jìn)行加濕，并且調(diào)節(jié)單向流動裝置可控制循環(huán)冷卻水流量，從而控制反應(yīng)氣體濕度，滿足不同功率電堆穩(wěn)定運(yùn)行需要。同時填充在氫氣加濕區(qū)10和空氣或氧氣加濕區(qū)11的多孔親水填充物18能夠較好地對反應(yīng)氣體進(jìn)行增濕。定位孔19則保證電堆裝配精度。
根據(jù)附圖3所示，擋板7和橡膠密封圈9分別在對應(yīng)于前端板2的氫氣加濕區(qū)10、循環(huán)冷卻水流動12、空氣或氧氣加濕區(qū)11中氫氣進(jìn)氣孔14，循環(huán)冷卻水進(jìn)孔15和空氣或氧氣進(jìn)氣孔16的另一側(cè)位置有加濕后氫氣流動孔20、加濕后空氣或氧氣流動孔21和循環(huán)冷卻水流動孔22，可以控制加濕后反應(yīng)氣體流向。橡膠密封圈9起到阻止氫氣和空氣或氧氣互相混合的作用。
權(quán)利要求1.一種質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)增濕裝置，包括前端板、擋板和密封墊，其特征在于所述的前端板中設(shè)有三個平行腔體，所述腔體之間分別設(shè)置一個流體單向流動裝置，并在所述前端板一側(cè)三個腔體中分別設(shè)有一個孔，所述擋板和與其對鄰的所述橡膠密封墊上均分別設(shè)置與所述三個平行腔體相對應(yīng)的三個流動孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)增濕裝置，其特征在于所述的三個平行腔體依次為氫氣加濕區(qū)、循環(huán)冷卻水流動區(qū)、空氣或氧氣加濕區(qū)，所述流動孔分別為加濕后氫氣流動孔、循環(huán)冷卻水流動孔和加濕后空氣或氧氣流動孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)增濕裝置，其特征在于所述氫氣加濕區(qū)和所述空氣或氧氣加濕區(qū)設(shè)有多孔親水填充物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)增濕裝置，其特征在于所述密封墊為高彈性密封圈。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)增濕裝置，其特征在于所述擋板為薄鋁板。
6.一種質(zhì)子交換膜燃料電池堆，包括由前端板、擋板和密封墊構(gòu)成的電堆增濕裝置、后端板以及裝配在前端板、后端板之間的導(dǎo)電板和至少一個單電池，其特征在于所述的前端板中設(shè)有三個平行腔體，所述腔體之間分別設(shè)置一個流體單向流動裝置，所述擋板和與其對鄰的所述橡膠密封墊上均分別設(shè)置與所述三個平行腔體相對應(yīng)的三個流動孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的質(zhì)子交換膜燃料電池堆，其特征在于所述的三個平行腔體依次為氫氣加濕區(qū)、循環(huán)冷卻水流動區(qū)、空氣或氧氣加濕區(qū)，所述流動孔分別為加濕后氫氣流動孔、循環(huán)冷卻水流動孔和加濕后空氣或氧氣流動孔。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的質(zhì)子交換膜燃料電池堆，其特征在于所述氫氣加濕區(qū)和所述空氣或氧氣加濕區(qū)設(shè)有多孔親水填充物。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的質(zhì)子交換膜燃料電池堆，其特征在于所述密封墊為高彈性密封圈。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的質(zhì)子交換膜燃料電池堆，其特征在于所述擋板為薄鋁板。
專利摘要一種質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)增濕裝置，前端板中設(shè)有三個平行腔體，腔體之間分別設(shè)置一個流體單向流動裝置，并在端板一側(cè)三個腔體中分別設(shè)有一個孔，內(nèi)增濕裝置的質(zhì)子交換膜燃料電池堆利用流體單向流動閥門特性，使質(zhì)子交換膜燃料電池的前端板為一增濕裝置，通過攜帶電堆運(yùn)行產(chǎn)生熱量、并具有一定壓力的冷卻循環(huán)水在前端板中的流動為反應(yīng)氣體增濕，確保電堆長時間穩(wěn)定運(yùn)行。
文檔編號H01M8/10GK2758989SQ20042011431
公開日2006年2月15日 申請日期2004年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月16日
發(fā)明者王東 申請人:上海空間電源研究所