[发明专利]一种新型高效燃料电池加湿器

说明书

技术领域：

本发明涉及一种新的对气体加湿的方法，特别是对于质子交换膜燃料电池进气进行的加湿和加温的方法。

背景技术：

质子交换膜燃料电池是一种以全氟磺酸型固体聚合物膜为电解质，铂/碳或铂—钌/碳为电催化剂，能将氢气及氧化剂通过电化学反应转化成为电能和其他反应产物的装置，该装置是由膜电极，导电板等构成，其中膜电极是燃料和氧化剂反应的场所，由碳纸，催化剂和质子交换膜构成，在阳极，氢分子失去电子变成质子，质子通过电迁移穿过质子交换膜到达阴极。根据质子交换膜燃料电池内部全氟磺酸型固体聚合物膜电解质的导电原理，为了能使质子顺利的达到阴极，全氟磺酸型固体聚合物膜必须保持一定的湿度，常常是在湿度为100％的条件下最好，所以为了保证燃料电池性能充分发挥出来，在运行质子交换膜燃料电池时需要对氢燃料和氧化剂进行必要的增湿和加温操作。

根据加湿的方式不同，现有的质子交换膜燃料电池加湿器通常有以下几种形式：

一是鼓泡式，利用电阻丝加热去离子水，同时通入氢气或者燃料气把水汽带出来，达到对气体加湿和加热的目的，该方法体积大，要用额外的能量加热，需要额外加水，使用和维修很不方便，多数只能在固定的测试台上使用。

二是利用质子交换膜把加湿器加工成燃料电池电堆的结构形式，一面通水一面通入反应气，这种加湿方法也是具有体积太大，有效利用面积太小，效率低，需要额外加水，加工成本高等缺点。

三是利用一种陶瓷的微孔来吸湿、吸热做成陶瓷转鼓，也称焓轮增湿器，在旋转的情况下，尾气和原料气分别进入通过增湿器的两侧，使原料气被加热、加湿，该做法不宜密封，需要另外加电机驱动，透气率太高，影响原料气利用率，并且不能在氢气侧使用。

由于质子交换膜型燃料电池用途很广，可用于小型电源、电动自行车、电动摩托车、电动汽车等等，所以保障燃料电池系统正常运行的加湿器也同样需求量很大，为了能够使燃料电池更实用化，商业化，本专利克服了常规燃料电池加湿器的现有的技术缺陷，提供了一种加湿、加热有效利用面积大，体积小，重量轻，成本低的新型高效率的燃料电池加湿器。

发明内容：

本发明的创新主要是把Nafion管和管式换热器的结构结合应用在燃料电池加湿器上，其目的可以通过以下技术方案来实现：一种利用Nafion管特有的吸水性和有效面积大的特性把燃料电池加湿器设计成一种传统的管式换热器的结构形式，大大增加了换热加湿有效面积，采用燃料电池阴极排放的尾气来对氢气或者燃料气来进行加湿和加温操作，包括一组Nafion管束，管壳，两个封头，四个密封圈及两个固定螺丝等，所述的Nafion管束是主要的加湿部件，先由一种胶体(环氧胶)粘合，套入内管，或者直接在内管里粘合，再被封头和密封圈固定在外管管壳内，形成Nafion管层和壳层并在两个部位之间形成水分的平衡。所述的每个封头有三个开口，分别用于燃料电池尾气进气，原料气进气和螺丝固定口，所述的每个内管有两个开口，分别用于尾气进气和螺丝固定。其中根据需要燃料电池尾气走壳层通道，原料气可以由Nafion管层进入并通过加湿器，同时被加湿和加热，为保证加热，加湿的效果，所述的两种气体应该在加湿器中以逆流的方式通过加湿器。

所述的四个密封圈两个用于内管与封头之间和外管与封头之间的密封。

所述的所有部件除Nafion管束及固定螺丝外均由工程塑料加工，成本低，适合大批量加工。

所述的Nafion管束中的Nafion细管的数量要保证比较小的气体阻力降。

本发明由于采用了以上技术方案，电池尾气走加湿器壳层，原料气走Nafion管层，两种流体没有直接接触，利用Nafion材料的吸水特性，管式换热器的高效率，达到最有效的加湿和加热的目的，保证燃料电池的正常高效率运行，与现行的几种方式的加湿器相比具有以下的优点：

1，大大增加了换热和加湿的有效面积，更有效地保障了燃料电池系统的可靠性，延长了燃料电池寿命；

2，回收燃料电池系统尾气中的水分和能量，不需要另外加热，加水，提高系统效率，使用方便，用途范围广；

3，避免原料气直接接触，容易密封，大大减小了气体渗漏；

4，没有移动部件，使用寿命长达8000小时以上，基本上免维修，大大提高了加湿器的性价比；

5，结构简单，易于装配，容易实现大规模生产；

6，选材普通，体积小，重量轻，降低了加工成本，提高了燃料电池系统的能量密度；

7，没有移动部件，不需要外加电源驱动，提高燃料电池系统的效率。

附图说明：