[發明專利]一種用于燃料電池的多孔介質增濕器

有效

• 申請號: 201611032038.2
• 申請日: 2016-11-22
• 公開（公告）號: CN108091910B
• 公開（公告）日: 2020-04-14
• 發明（設計）人: 邵志剛;王志強;瞿麗娟;秦曉平;衣寶廉
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/04119
• 分類號: H01M8/04119
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明屬于燃料電池水管理領域，具體涉及一種用于燃料電池的多孔介質增濕器。本發明所述的增濕器包括端板、多孔介質板、隔板、筒狀容器、循環泵與密封緊固件等。采用類燃料電池結構，多孔介質板與隔板依次排開，并與兩端的端板通過密封緊固件組裝于筒狀容器中。與現有技術相比，本發明的增濕裝置可以同時給燃料電池的燃料氣與氧化劑增濕，提高了氣體增濕的效率，既可以單獨使用作為燃料電池的氣體增濕器，也可以與燃料電池電堆集成，提高燃料電池電堆系統的集成度。

技術領域：

本發明屬于燃料電池水管理領域，具體涉及一種用于燃料電池的多孔介質增濕器。

技術背景：

能源問題與環境的日益嚴峻迫使人們不斷地尋求新能源裝置，質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種將化學能直接轉化為電能的能量轉化裝置，具有能量轉化效率高、能量密度高、環境友好、兼容可再生能源等優勢，受到了學術界與工業界的多方關注，成為了全球的熱點課題。

PEMFC中的核心部件為膜電極(MEA)，MEA由電解質膜、催化層與擴散層組成，其中電解質膜的作用是傳導質子、隔絕燃料與氧化劑，目前通常使用杜邦公司的Nafion膜作為質子交換膜，由于Nafion膜在傳導質子時是以水合質子的形式傳導，因此通常要給反應氣體進行增濕處理，使膜達到較高的質子傳導率與使用壽命。PEMFC中常見的增濕方法有內增濕與外增濕。內增濕技術又稱為假電池增濕法，是燃料電池發展早期的一種增濕方法，采用一段沒有催化劑的燃料電池結構，一側通入熱水，另一側通入增濕氣體，這種方法通常只能給一側氣體進行增濕，且增濕效率低、增加了系統的體積、重量與復雜度。目前，外增濕技術的應用最廣，主要包括鼓泡增濕法、噴淋增濕法、滲透膜增濕法以及焓輪增濕法等。鼓泡增濕法的原理是在增濕罐中放入一定的水量，將氣體自下而上進入增濕罐，采用鼓泡的方式給氣體增濕，可以通過調節增濕罐的水位、溫度與氣體流速來控制氣體的增濕度，如中國專利CN104716357。該方法設備簡單、工藝成熟、成本低廉，在小流量時能夠得到很高的濕度，但是大流量時會出現出口處液態水聚集的問題，因此該方法主要適用于實驗室研究。噴淋增濕法是將液態水直接注入到反應氣體中進行增濕，可以起到很好的補水與冷卻作用，起到水熱管理的雙重作用，但是這種增濕方法可能會造成擴散層內的水淹問題。滲透膜增濕器是目前常用的大功率增濕器之一，如中國專利CN102832402，它在膜的一側通入燃料電池進氣，另一側通入燃料電池尾氣或者液態水，然后在濃度差的作用下對進氣進行有效的增濕。此類增濕器具有工藝成熟、易于操作的優勢，但是通常采用商用的Nafion膜最為滲透膜材料，因此承壓能力與機械強度較差，長時間的使用中會出現破損串氣的現象。此外，增濕效率較低，因此大功率電堆所需的膜增濕器體積較大。焓輪增濕法的原理是采用多孔陶瓷轉輪，將燃料電池濕熱的尾氣中的水與熱量轉移到燃料電池進氣之中，如中國專利CN203056020。此類增濕器的技術成熟、簡化系統、可以同時進行水熱管理，但是多孔陶瓷的密度較大，操作時尾氣會混入反應氣中，并且需要焓輪需要外界的動力才會轉動。此外，中國專利CN101510619采用多孔板作為車用燃料電池的增濕器，采用尾排氣體給進氣增濕，該方法可以解決Nafion膜強度不夠的問題，但是該方法只能同時給一種氣體增濕，且也可能出現尾氣與進氣的混合。

發明內容

針對以上PEMFC用增濕器的常見問題，本發明開發了一種燃料電池用的多孔介質增濕器，可以同時將燃料氣與氧化劑進行高效的增濕，達到良好的增濕效果，并且采用強度較好的材料作為主體，提升了增濕器的密封性能與機械性能，此外，可以與燃料電池電堆進行很好的集成。

為了實現以上目的，本發明采用如下的技術方案：

所述的一種用于燃料電池的多孔介質增濕器，它包括上下二端開口的筒狀容器，于容器的二開口端分別設有端板，端板與開口端密閉連接；

于容器內橫向設有一塊多孔介質板；多孔介質板的四周邊緣與容器內壁面間相固接，于多孔介質板上表面或端板下表面設有作為第一進氣通道的流場，于多孔介質板下表面或端板上表面設有作為第二進氣通道的流場；