專利名稱：燃料電池的外部氣體加濕裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是有關(guān)于一種氣體加濕裝置，應(yīng)用于質(zhì)子交換膜型燃料電池，特別是
一種回收利用燃料電池所產(chǎn)生高溫廢熱，再通過(guò)由氣體加濕裝置的處理，可使反應(yīng)氣體在 短時(shí)間內(nèi)提升其溫度與含濕量的燃料電池的外部氣體加濕裝置。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜型燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFCs)是一 種通過(guò)由電化學(xué)反應(yīng)，直接利用氫氣(H2)與氧氣(02)產(chǎn)生電力的裝置，由于操作溫度低、啟 動(dòng)快、能量密度高、污染低，并且應(yīng)用的范圍廣泛，故成為世界各國(guó)相繼研發(fā)與推廣的技術(shù)。 典型質(zhì)子交換膜型燃料電池(PEMFC)主要的構(gòu)成組件包括質(zhì)子膜交換膜(Proton Exchange Membrane,簡(jiǎn)稱PEM)、觸媒層(Catalyst Layer)、氣體擴(kuò)散層(Gas Diffusion Layer,簡(jiǎn)稱GDL)及雙極板(Bipolar Plate)等。質(zhì)子膜交換膜(PEM)它是一種固態(tài)的高 分子薄膜(如DuPont的Naf ion膜、Asahi Chemical的Aciplex膜、Ballard的BAM膜及 Gore的Gore Select膜)，它在PEMFC電池中主要功用為隔絕陰極、陽(yáng)極兩種反應(yīng)氣體分 子，同時(shí)也隔離電子，它僅容許水分子(H20)及氫離子(H+)傳導(dǎo)，所以此種高分子薄膜它是 一種不透氣薄膜，只能導(dǎo)氫離子(H+)但不導(dǎo)電子。當(dāng)氫離子(H+)在此高分子薄膜中進(jìn)行傳 導(dǎo)時(shí)，它必須通過(guò)由水分子的攜帶才能完成，所以高分子薄膜的含濕量越高，氫離子(H+)的 傳導(dǎo)性就越佳。因此，如何提升高分子薄膜的含濕量，以獲得較佳的氫離子導(dǎo)電效率，此乃 維持質(zhì)子交換膜型燃料電池(PEMFC)良好性能的必要條件。 燃料電池對(duì)于反應(yīng)氣體的加濕方法與設(shè)計(jì)， 一般可分成內(nèi)部加濕及外部加濕兩種 方式，各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。以外部加濕方式而言，它需要在燃料電池的外部添加一加濕器，此 方式除了占用空間外，也需要額外的電力供應(yīng)加濕器內(nèi)的加熱器(Heater)，以提高反應(yīng)氣 體的溫度及濕度，這是該技術(shù)主要的缺點(diǎn)。但它也有許多優(yōu)點(diǎn)(l)可提供穩(wěn)定的加濕量； (2)可控制及調(diào)整加濕量；(3)可處理較大量的氣體加濕；(4)容易進(jìn)行維修及保養(yǎng)工作。 而內(nèi)部加濕方式，它主要是在燃料電池的內(nèi)部進(jìn)行一些加濕機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，此方式主要優(yōu)點(diǎn) (1)體積小、不占用空間；(2)不用額外設(shè)置加濕器及加熱器，故可節(jié)省成本；(3)可直接回 收利用燃料電池本身產(chǎn)生的廢熱或水。但它也有許多缺點(diǎn)(l)加濕機(jī)構(gòu)的管道設(shè)計(jì)及與 電池的連接多相當(dāng)復(fù)雜；(2)加濕量不易控制及調(diào)整；(3)當(dāng)負(fù)載大時(shí)，氣體加濕往往不易 達(dá)到飽和狀態(tài)；(4)不易進(jìn)行維修及保養(yǎng)工作。 有關(guān)燃料電池系統(tǒng)的反應(yīng)氣體加濕設(shè)計(jì)的專利，近幾年來(lái)也陸續(xù)被提出與改進(jìn)， 前案如美國(guó)專利公告第5， 482， 680、5， 527， 363號(hào)專利，主要是在燃料電池堆(Cell Stack) 中特別加上一加濕段，缺點(diǎn)是大幅增加電池堆的體積與重量，另外電池堆內(nèi)部的燃料、氧化 劑與水的流道設(shè)計(jì)多相當(dāng)復(fù)雜。美國(guó)專利公告第6， 406， 807號(hào)專利是在碳板上氣體流道 間的肋埂(Rid、Land)處設(shè)計(jì)噴水孔，可直接對(duì)PEM膜加水；美國(guó)專利公告第6， 403， 249號(hào) 專利是在電池組中加上一薄膜式加濕段，可直接對(duì)反應(yīng)氣體進(jìn)行加濕。美國(guó)專利公告第 6， 207， 312號(hào)專利是采用封閉式流道(Interdigitated flow field)與碳板上設(shè)計(jì)薄膜式加濕區(qū)，此為自潤(rùn)濕設(shè)計(jì)。美國(guó)專利公告第6， 066， 408號(hào)專利是在氣體流道中加入一吸水 蕊(Wick)，并設(shè)計(jì)加水孔以補(bǔ)充吸水蕊的含水量。美國(guó)專利公告第5，998，054號(hào)專利是在 碳板上對(duì)每一氣體流道的前端進(jìn)行噴水加濕的設(shè)計(jì)。美國(guó)專利公告第5， 952， 119號(hào)專利是 在氣體擴(kuò)散層(碳布)上縫制固定間隔的親水性細(xì)線，外加補(bǔ)充水通過(guò)由此細(xì)線將水分布 在PEM膜上。而美國(guó)專利公告第5， 965， 288號(hào)專利是采用一外部透水膜加濕器對(duì)反應(yīng)氣體 進(jìn)行加濕。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的主要目的是提出一種燃料電池的外部氣體加濕裝置，可使反應(yīng)氣體 在短時(shí)間內(nèi)提升其溫度與含濕量，并使高分子薄膜獲得良好的加濕效果，通過(guò)此提升燃料 電池(PEMFC)的發(fā)電效率及使用壽命。 根據(jù)本實(shí)用新型所揭露的燃料電池的外部氣體加濕裝置，是包含有筒體、預(yù)熱蛇 管、氣體分散器，通過(guò)由氣體分散器隔開存于筒體內(nèi)的液體，而預(yù)熱蛇管的蛇管段則浸于液 體內(nèi)，出口端位于氣體分散器所隔開的氣體腔室內(nèi)，使反應(yīng)氣體進(jìn)入預(yù)熱蛇管內(nèi)，經(jīng)過(guò)蛇管 段與液體進(jìn)行熱交換，并由氣體腔室透過(guò)氣體分散器而以微小氣泡的狀態(tài)進(jìn)入液體內(nèi)，提 升反應(yīng)氣體的溫度及濕度。同時(shí)，配合回收利用燃料電池所產(chǎn)生的高溫廢熱，將此廢熱透過(guò) 筒體內(nèi)的液體轉(zhuǎn)移給反應(yīng)氣體，節(jié)省加熱液體所需的能源損耗，且反應(yīng)氣體產(chǎn)生大量的微 小氣泡，可大幅度增加反應(yīng)氣體與水的接觸面積，另于筒體的液體內(nèi)及該預(yù)熱蛇管的蛇管 段上方，利用含有鰭片設(shè)計(jì)的液體檔板，以阻擋該反應(yīng)氣體，可大幅增加反應(yīng)氣體在液體接 觸的停留時(shí)間(Retention Time)，如此可提升反應(yīng)氣體的加溫及加濕效果。 另一方面，可于筒體的出口前利用含有鰭片設(shè)計(jì)的氣體檔板，可降低氣體的露點(diǎn) 溫度(Dew point)，使過(guò)度飽和的水氣分子聚集而凝結(jié)下來(lái)，這樣可防止燃料電池產(chǎn)生淹水 現(xiàn)象(Flooding)。 本實(shí)用新型的有益效果是可使反應(yīng)氣體在短時(shí)間內(nèi)提升其溫度與含濕量，并使 高分子薄膜獲得良好的加濕效果，通過(guò)此提升燃料電池(PEMFC)的發(fā)電效率及使用壽命。

有關(guān)本實(shí)用新型的詳細(xì)內(nèi)容及技術(shù)，請(qǐng)配合附圖說(shuō)明如下，其中 圖1是為本實(shí)用新型燃料電池的外部氣體加濕裝置的示意圖。
具體實(shí)施方式根據(jù)本實(shí)用新型所揭露的燃料電池的外部氣體加濕裝置，請(qǐng)參閱圖l，是應(yīng)用于燃 料電池(圖中未示)的反應(yīng)氣體的加濕，其反應(yīng)氣體可為氫氣(H2)或空氣(air)等氣體的 加溫及加濕。燃料電池主要的構(gòu)成組件包括質(zhì)子膜交換膜(Proton Exchange Membrane, 簡(jiǎn)稱PEM)、觸媒層(CatalystLayer)、氣體擴(kuò)散層(Gas Diffusion Layer,簡(jiǎn)稱GDL)及雙 極板(BipolarPlate)等。當(dāng)PEMFC電池運(yùn)轉(zhuǎn)操作時(shí)，在陽(yáng)極(Anode)是進(jìn)行氫氣(H2)的 氧化反應(yīng)，在陰極(Cathode)則是進(jìn)行氧氣(02)的還原反應(yīng)。首先反應(yīng)氣體是經(jīng)觸媒的 催化作用，使氫氣(H2)分解成氫離子(H+)與電子(e-) (H2 — 2H++2e-)，電子(e-)自陽(yáng)極 流出至電池外部電路，經(jīng)負(fù)載(Load)作功后流入陰極。同時(shí)氫離子(H+)也透過(guò)質(zhì)子膜交換膜(PEM)由陽(yáng)極到達(dá)陰極，并氧分子(02)及電子(e—)結(jié)合產(chǎn)生水(H20)及熱(Heat) (l/202+2H++2e—— H20+Heat)。氫離子(H+)在陽(yáng)極產(chǎn)生時(shí)，由于電池內(nèi)部存在的電位降，此 氫離子會(huì)不斷地向陰極傳導(dǎo)移動(dòng)。當(dāng)氫離子(H+)因傳導(dǎo)而移動(dòng)時(shí)，它必須要伴隨數(shù)個(gè)水分 子才能進(jìn)行傳導(dǎo)(即以水合離子形態(tài)H+(H20)n移動(dòng))。因此電池運(yùn)轉(zhuǎn)操作時(shí)水分子會(huì)不斷 地向陰極移動(dòng)，此時(shí)若不能適時(shí)的補(bǔ)充水分，將導(dǎo)致PEM膜過(guò)度干燥，而降低氫離子(H+)的 傳導(dǎo)能力，這將使PEMFC電池的發(fā)電性能大幅下降。 如圖1所示，外部氣體加濕裝置1包含有筒體10、預(yù)熱蛇管20、氣體分散器30、熱 交換器40、電熱器44、液體檔板52與氣體檔板50。筒體10如圖中所繪示，是為直立式管 狀的水槽結(jié)構(gòu)，內(nèi)部具有一容置空間ll，用來(lái)儲(chǔ)存加濕用的液體12，此容置空間11的外側(cè) 可具有一層絕熱層防止液體12溫度外泄，當(dāng)然也可連接有液位控制器70與熱電偶溫度計(jì) 61、62。其中液位控制器70主要用來(lái)控制及調(diào)節(jié)液體12的容量，使其液體12的水位維持 在某一高度(原則上以能夠涵蓋液體檔板52為佳)，而熱電偶溫度計(jì)61、62主要用來(lái)控制 及指示液體12的溫度，頂端具有出口 112以及液態(tài)水源入口 lll，通過(guò)由液態(tài)水源入口 111 可以補(bǔ)充液體12的水量。 預(yù)熱蛇管20具有入口端21、出口端22以及位于中間部分的蛇管段23，通過(guò)由蛇 管段23蜿蜒盤繞的設(shè)計(jì)，浸于液體12內(nèi)，而可增加與液體12的接觸面積，進(jìn)而增加熱交換 的效果。而氣體分散器30設(shè)置于筒體10接近底部，而將容置空間11的液體12隔開而形 成氣體腔室31，預(yù)熱蛇管20的出口端22則為于氣體腔室31內(nèi)。氣體分散器30是為平板 式的多孔材料結(jié)構(gòu)，其孔徑非常小約在O. lmm以下，可為發(fā)泡金屬、多孔金屬氧化物、多孔 碳材等材料。液體檔板52及氣體檔板50是為至少一片的板體組成，其上分別具有多個(gè)鰭 片51、53，并具有向下傾斜的角度。 首先當(dāng)反應(yīng)氣體(氫氣(H2)或空氣(air))進(jìn)入經(jīng)由入口端21進(jìn)入外部氣體加濕 裝置1，經(jīng)過(guò)預(yù)熱蛇管20的蛇管段23，此時(shí)，因預(yù)熱蛇管20的蛇管段23是完全沉沒(méi)于液體 12中，因此反應(yīng)氣體會(huì)經(jīng)由蛇管段23與液體12進(jìn)行熱交換而使反應(yīng)氣體提升其溫度。而 液體12的熱源可以通過(guò)由燃料電池反應(yīng)后所產(chǎn)生的高熱廢氣提供，通過(guò)由廢氣入口 41導(dǎo) 引進(jìn)入熱交換器40，而進(jìn)入熱交換器40的熱交換管43，而與液體12進(jìn)行熱交換，提高液體 12的溫度，而后由廢氣出口 42離開，此熱交換管43可以為板狀、蛇管等任意型態(tài)。另液體 12的熱源亦可以由設(shè)置于該氣體分散器30上之該電熱器44提供。 接著，反應(yīng)氣體通過(guò)蛇管段23而由出口端22進(jìn)入氣體腔體31 (GasChamber)，因氣 體分散器是多孔材料結(jié)構(gòu)，所以反應(yīng)氣體經(jīng)過(guò)時(shí)可產(chǎn)生大量的微小氣泡13而進(jìn)入液體12 中，當(dāng)此微小氣泡13與液體12接觸時(shí)，它可大幅度增加反應(yīng)氣體與液體12的接觸面積， 該微小氣泡13會(huì)因浮力而向上升，在離開液體12時(shí)，會(huì)經(jīng)過(guò)液體檔板52的阻擋，因液體 檔板52的表面有許多鰭片53，這些鰭片53可大幅增加反應(yīng)氣體在液體12中的停留時(shí)間 (Retention Time)，如此可使反應(yīng)氣體獲得充分且有效的加溫及加濕效果，很容易使反應(yīng) 氣體達(dá)到完全飽和的狀態(tài)。當(dāng)反應(yīng)氣體被水充分加溫、加濕后要由出口 112離開筒體10之 前，會(huì)經(jīng)過(guò)氣體檔板50的阻擋，因?yàn)榇藲怏w檔板50的表面有許多鰭片51，這些鰭片51主要 用來(lái)降低反應(yīng)氣體的露點(diǎn)溫度(Dew Point)，并使反應(yīng)氣體中的水氣分子聚集而凝結(jié)下來(lái)， 如此可防止過(guò)飽和的反應(yīng)氣體進(jìn)入燃料電池內(nèi)，因?yàn)檫^(guò)飽和的氣體很容易凝結(jié)成液態(tài)水， 而使燃料電池產(chǎn)生淹水現(xiàn)象(Flooding)，這樣會(huì)使燃料電池的發(fā)電效率大幅降低。通過(guò)此，即可在短時(shí)間內(nèi)使反應(yīng)氣體有效的提升其含濕量、溫度進(jìn)入燃料電池。 雖然本實(shí)用新型以前述的較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本實(shí)用新型， 任何熟習(xí)此技術(shù)者，在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此 本實(shí)用新型的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求范圍所界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求一種燃料電池的外部氣體加濕裝置，該燃料電池是通入一反應(yīng)氣體反應(yīng)而產(chǎn)生電力，并排出-高熱的廢氣，其特征在于，該外部氣體加濕裝置包含有一筒體，其內(nèi)存有一液體，頂面具有一出口；一預(yù)熱蛇管，裝設(shè)于該筒體內(nèi)，具有一出口端、一供該反應(yīng)氣體進(jìn)入的入口端以及一蛇管段，該蛇管段浸于該液體內(nèi)；一液體檔板，設(shè)置于筒體的液體內(nèi)，且位于該預(yù)熱蛇管的蛇管段上方；及一氣體分散器，設(shè)置于該筒體底部，而將該液體隔開形成一氣體腔室，使該預(yù)熱蛇管的出口端設(shè)于該氣體腔室。
2. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池的外部氣體加濕裝置，其特征在于，還包含有一熱交 換器，裝設(shè)于該筒體。
3. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池的外部氣體加濕裝置，其特征在于，還包含有一熱電 偶溫度計(jì)，裝設(shè)于該筒體，并置入該液體。
4. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池的外部氣體加濕裝置，其特征在于，所述該液體檔板 上還包含有多個(gè)鰭片。
5. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池的外部氣體加濕裝置，其特征在于，所述該液體檔板 具有一向下的傾斜角度。
6. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池的外部氣體加濕裝置，其特征在于，所述該氣體分散 器為多孔材料所構(gòu)成。
7. 如權(quán)利要求6所述的燃料電池的外部氣體加濕裝置，其特征在于，所述該多孔材料 選自由發(fā)泡金屬、多孔金屬氧化物和多孔碳材所構(gòu)成的組合。
8. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池的外部氣體加濕裝置，其特征在于，還包含有一氣體 檔板，設(shè)置于該筒體的出口前。
9. 如權(quán)利要求8所述的燃料電池的外部氣體加濕裝置，其特征在于，所述該氣體檔板 上還包含有多個(gè)鰭片。
10. 如權(quán)利要求8所述的燃料電池的外部氣體加濕裝置，其特征在于，所述該氣體檔板 具有一向下的傾斜角度。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種燃料電池的外部氣體加濕裝置，是通過(guò)由回收利用燃料電池所產(chǎn)生的高溫廢熱，并將此廢熱回收轉(zhuǎn)移給反應(yīng)氣體(氫氣或空氣)，再經(jīng)由氣體加濕裝置的處理，可在短時(shí)間內(nèi)使反應(yīng)氣體有效的提升其溫度與含濕量，當(dāng)被加溫及加濕后的反應(yīng)氣體進(jìn)入燃料電池內(nèi)，可使高分子薄膜獲得良好的加濕效果，通過(guò)此提升燃料電池的發(fā)電效率及使用壽命。
文檔編號(hào)H01M8/04GK201440432SQ20092016533
公開日2010年4月21日 申請(qǐng)日期2009年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月6日
發(fā)明者宋隆裕, 黃嘉祿 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院