[發明專利]一種自調節緊湊型質子交換膜燃料電池的自增濕裝置

在審

• 申請號: 202211064225.4
• 申請日: 2022-09-01
• 公開（公告）號: CN115425257A
• 公開（公告）日: 2022-12-02
• 發明（設計）人: 王帥;胡羽;馮源;何玉榮
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H01M8/04119
• 分類號: H01M8/04119;H01M8/04492;H01M8/04007;H01M8/0438;H01M8/04701
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 李長春

一種自調節緊湊型質子交換膜燃料電池的自增濕裝置，包括左密封板、右密封板、尾氣入口，尾氣出口，干空氣入口，濕空氣出口，儲水裝置、霧化裝置、壓力檢測器、濕度檢測器、抽氣機、鼓風機、位于密封板之間的濕度交換板。濕度交換板包括左右開口的流道、上下開口的流道以及吸水材料。吸水材料由高分子吸水綿和水分子透過膜組合而成，并將左右開口流道和上下開口的流道分隔開。在濕空氣出口設置有濕度檢測器，與中心控制器之間由電信號連接，中心控制器會調節霧化器的功率來控制進入自增濕裝置的水分，用以調節進入燃料電池陰極氣體入口的濕度。本專利的自增濕裝置可與燃料電池緊密貼合，保證了結構的緊湊性。

技術領域

本發明涉及一種具有自調節功能的質子交換膜燃料電池增濕裝置，具體涉及用燃料電池排出的尾氣用于增濕陰極入口的干空氣裝置，其結構具有緊湊性。

背景技術

質子交換膜燃料電池（PEMFC）因能量密度和轉化效率高、工作溫度低、啟停響應快、機械振動和噪音小、基本不受天氣影響，在固定電力應用和運輸的替代能源中具有廣闊的應用潛力和發展前景，具備傳統動力源無可比擬的優點。

質子交換膜燃料電池主要由七部分組成，兩個具有氣體通道的雙極板-具有傳導電流形成通路、為反應氣體提供流場作用；兩個氣體擴散層-具有支撐和保護質子交換膜和催化層、傳導電子和氣體作用；兩個催化劑層-具有催化作用并為化學能轉化為電能提供場所；電解質膜（質子交換膜）-具有分隔陰極和陽極、阻隔氣體與電子和傳導質子的作用。PEMFC工作時，燃料H₂由陽極氣體通道經過陽極氣體擴散層到達陽極的催化層，在催化層中被催化劑解離為質子和電子。質子和電子分別通過質子交換膜和外電路到達陰極的催化層，與到達陰極催化層的O₂發生化學反應并產生能量對外做功，反應產物為水。

質子交換膜是PEMFC的核心部件，質子交換膜性能的好壞直接決定了電池整體的性能和壽命。質子交換膜的性能由含水量決定，只有在一定濕度下質子交換膜才會有良好的質子交換性，含水量越高質子交換膜的質子傳導率越大。然而，在高溫 (80 ℃) 和低濕度 (50%) 的 PEMFC 運行工況下，質子交換膜的吸水率和質子電導率降低了幾個數量級，因為它無法將水保留在離子簇中。目前，已經有多種方法被采用以保證燃料電池膜的濕度，包括對質子交換膜和催化層的改性，在氣體擴散層 (GDLa) 和催化層之間放置一個或多個保水或防水層，最普遍和有效的做法是在燃料電池外部添加增濕裝置，對燃料電池反應氣體進行加濕，一般用外接水源或者燃料電池陰極排出的廢氣作為增濕氣體，但兩者增濕裝置都存在結構相對復雜和增濕效率不高的缺點。

發明內容

因此，針對現有燃料電池增濕裝置的缺點，為了保證燃料電池的正常運行，提供一種燃料電池自增濕裝置，保證結構的緊湊型同時提高增濕的效率。

本發明的技術方案是：一種用于質子交換膜燃料電池的緊湊型自增濕裝置，該自增濕裝置主要包括：左密封板1、右密封板2、尾氣入口3，尾氣出口4，干空氣入口5，濕空氣出口6，儲水裝置7、霧化裝置8、壓力檢測器9、濕度檢測器10、中心控制器11、抽氣機12、鼓風機13、位于密封板之間的濕度交換板14，濕度交換板左部分為左右開口的流道15，濕度交換板右部分為上下開口的流道16，濕度交換交換板中間為吸水材料17。

進一步地，密封板材料為不銹鋼金屬板，流道采用不銹鋼金屬材料，濕度交換板的吸水材料部分采用高分子吸水綿、水分子交換膜、高分子吸水綿制成。左右開口的流道、吸水材料和上下開口的流道之間緊密貼合，吸水材料將左右開口的流道和上下開口的流道隔開，且邊緣部分用密封墊密封。兩個密封板之間設置多個濕度交換板，通過左右開口和上下開口的流道堆疊成氣體流通的通道。左右開口的流道為燃料電池尾氣的進出口，上下開口的流道為干空氣的進出口。