[实用新型]质子交换膜燃料电池的增湿装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及质子交换膜燃料电池，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池的增湿装置。

背景技术

燃料电池相当于一种电化学池，其将燃料的化学能直接转化为电能，效率高达40～60%。质子交换膜燃料电池是燃料电池的一种，由于其工作温度低，在室温下就可以启动。质子交换膜燃料电池以氢气为燃料，氢气在电池阳极吸附解离为氢离子，电解质膜是一种特殊的膜，其只允许氢离子通过。目前使用最广泛的是氟化磺酸膜，氢离子在此膜中以水合质子（H₃O⁺）的形式，从阳极迁移至阴极，与阴极的氧气或者空气发生反应生成水。氟化磺酸膜在足够的湿度下才具有很好的氢离子导电性，当缺水时膜内阻急剧增加，电池性能会迅速下降。虽然燃料电池在阴极端会生成水，但是当使用空气作为氧化剂时，需要通入过量空气，当大量干空气吹入时，未反应的高温气体会将生成的水分带走，致使阴极端缺水。 为此在进电堆前一般对空气进行加湿。

质子交换膜燃料电池的加湿方式一般有以下几种：

蒸汽加湿：利用电阻丝加热去离子水，产生水蒸气，将需要加湿的气体通过来加湿。此方法需要加热装置和额外的加水，具有体积大，耗能等缺点。

利用质子交换膜加湿：该加湿方法利用质子交换膜的阻气特性和水在膜内的浓差扩散实现，在膜的一侧通水，一侧通气体，水分通过膜达到另一侧，将气体加湿。此方法使用昂贵的质子交换膜，一般做成与电堆一样的结构，和电堆装在一起。其缺点是成本高，增大了电堆体积，增湿效率低，需要额外提供去离子水，而且对气体产生很大的阻力。

    还有一种是焓轮增湿器，燃料电池的尾气和原料气分别进入增湿器两侧，

利用陶瓷材料的微孔吸收尾气中的水分和热量，电机驱动转动焓轮，原料气再将陶瓷材料中的水分和热量吸收，进而加湿。此方法的缺点是密封难，尾气与原料气易串气；同时也不能用于氢气侧加湿。

在对空气侧进行加湿时，各种增湿装置会对空气的流动产生阻力，空气压力的下降直接影响了电堆的性能。目前对于千瓦级燃料电池系统，空气端的能耗占系统总能量的10%～15%，而且市场上符合要求的空压机或者鼓风机很少。有了增湿器以后，为了满足进电堆空气的压力需求，就需要从空压机或者鼓风机出来的空气压力更大，这样需要更大功率的空气压缩装置，燃料电池系统的总能耗、成本和体积都会增加。

实用新型内容

本实用新型旨在克服现有技术的不足，提供一种节能、高效，同时对加湿气体压力进行调节的质子交换膜燃料电池的增湿装置。

本实用新型的技术方案是：质子交换膜燃料电池的增湿装置，主要由外筒、内筒、螺旋叶片、传动轴构成，所述外筒与内筒同轴设置，螺旋叶片固定在内筒外表面，其外缘与外筒内壁靠近、有小间隙，内筒的筒壁上有微孔，内筒由连接杆与传动轴相连，该装置的首端设有与内、外筒之间的空腔相连通的原料气进口，以及与内筒内腔相连通的尾气出口，该装置的尾端设有连接内、外筒之间的空腔与电堆的原料气管道以及连接内筒空腔与电堆的尾气管道。

所述内筒筒壁上的微孔孔径为0.01～1.0mm；所述尾气出口有两个、对称设置；所述尾气管道与该装置尾端的连接口有两个，对称设置；所述内筒的两端与该装置首尾端之间的滑动部位设有密封圈；所述传动轴与电机及调速机构相连接。

与传统的增湿方式相比，本实用新型具有以下优点：

首先，利用尾气加湿，不需要额外加水，可以减小系统的体积和功耗；

其次，通过螺旋叶片的设计，可以在气体增湿的同时调节其压力，弥补增湿器对气体的阻力，提高电池性能；

再次，待加湿空气与燃料电池尾气在不同的管道对流运行中传递水分与热量，两种气体的流量相互之间无影响，增强电堆的稳定性；

同时，加湿气体的流速可以调节，从而满足增湿要求和进电堆压力要求。

上述的燃料电池质子交换膜的增湿装置，待增湿气体从原料气进口7进入外筒10与内筒9形成的空腔2中，在螺旋叶片11的转动推动下到达增湿器的尾端，从外筒尾端的原料气管道1出来进入燃料电池电堆13中；燃料电池电堆的尾气从尾气管道12进入内筒的空腔3中，高温高湿尾气在离心力作用下，通过内筒壁上的孔，将热量和水分传递给空腔2中的气体，尾气中的气体成分从尾气出口6排出系统外；内筒通过若干连接杆4与传动轴固定连接，螺旋叶片与内筒外壁固定相连，在传动轴的带动下，内筒、螺旋叶片随传动轴一起转动；外筒固定不动。

上述的燃料电池质子交换膜的增湿装置，外筒与内筒之间有螺旋叶片，螺旋叶片与内筒外壁固定连接，与外筒内壁实现动态密封；内筒两端与装置的端面滑动部位有密封圈8。