[发明专利]燃料电池的外部气体加湿装置

说明书

技术领域

本发明是有关于一种气体加湿装置，应用于质子交换膜型燃料电池，特别是一种回收利用燃料电池所产生高温废热，再通过由气体加湿装置的处理，可使反应气体在短时间内提升其含湿量的燃料电池的外部气体加湿装置。

背景技术

质子交换膜型燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells，PEMFCs)是一种通过由电化学反应，直接利用氢气(H₂)与氧气(O₂)产生电力的装置，由于操作温度低、启动快、能量密度高、污染低，并且应用的范围广泛，故成为世界各国相继研发与推广的技术。

典型质子交换膜型燃料电池(PEMFC)主要的构成组件包括质子膜交换膜(Proton Exchange Membrane，简称PEM)、触媒层(Catalyst Layer)、气体扩散层(Gas Diffusion Layer，简称GDL)及双极板(Bipolar Plate)等。质子膜交换膜(PEM)它是一种固态的高分子薄膜(如DuPont的Nafion膜、Asahi Chemical的Aciplex膜、Ballard的BAM膜及Gore的Gore Select膜)，它在PEMFC电池中主要功用为隔绝阴极、阳极两种反应气体分子，同时也隔离电子，它仅容许水分子(H₂O)及氢离子(H⁺)传导，所以此种高分子薄膜它是一种不透气薄膜，只能导氢离子(H⁺)但不导电子。当氢离子(H⁺)在此高分子薄膜中进行传导时，它必须通过由水分子的携带才能完成，所以高分子薄膜的含湿量越高，氢离子(H⁺)的传导性就越佳。因此，如何提升高分子薄膜的含湿量，以获得较佳的氢离子导电效率，此乃维持质子交换膜型燃料电池(PEMFC)良好性能的必要条件。

燃料电池对于反应气体的加湿方法与设计，一般可分成内部加湿及外部加湿两种方式，各有各的优缺点。以外部加湿方式而言，它需要在燃料电池的外部添加一加湿器，此方式除了占用空间外，也需要额外的电力供应加湿器内的加热器(Heater)，以提高反应气体的温度及湿度，这是该技术主要的缺点。但它也有许多优点：(1)可提供稳定的加湿量(2)可控制及调整加湿量(3)可处理较大量的气体加湿(4)容易进行维修及保养工作。而内部加湿方式，它主要是在燃料电池的内部进行一些加湿机构的设计，此方式主要优点：(1)体积小、不占用空间(2)不用额外设置加湿器及加热器，故可节省成本(3)可直接回收利用燃料电池本身产生的废热或水。但它也有许多缺点：(1)加湿机构的管道设计及与电池的连接多相当复杂(2)加湿量不易控制及调整(3)当负载大时，气体加湿往往不易达到饱和状态(4)不易进行维修及保养工作。

有关燃料电池系统的反应气体加湿设计的专利，近几年来也陆续被提出与改进，前案如美国专利公告第5,482,680、5,527,363号专利，主要是在燃料电池堆(Cell Stack)中特别加上一加湿段，缺点是大幅增加电池堆的体积与重量，另外电池堆内部的燃料、氧化剂与水的流道设计多相当复杂。美国专利公告第6,406,807号专利是在碳板上气体流道间的肋埂(Rid、Land)处设计喷水孔，可直接对PEM膜加水；美国专利公告第6,403,249号专利是在电池组中加上一薄膜式加湿段，可直接对反应气体进行加湿。美国专利公告第6,207,312号专利是采用封闭式流道(Interdigitated flow field)与碳板上设计薄膜式加湿区，此为自润湿设计。美国专利公告第6,066,408号专利是在气体流道中加入一吸水蕊(Wick)，并设计加水孔以补充吸水蕊的含水量。美国专利公告第5,998,054号专利是在碳板上对每一气体流道的前端进行喷水加湿的设计。美国专利公告第5,952,119号专利是在气体扩散层(碳布)上缝制固定间隔的亲水性细线，外加补充水通过由此细线将水分布在PEM膜上。而美国专利公告第5,965,288号专利是采用一外部透水膜加湿器对反应气体进行加湿。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种燃料电池的外部气体加湿装置，可使反应气体在短时间内提升其含湿量，并使高分子薄膜获得良好的加湿效果，通过此提升燃料电池(PEMFC)的发电效率及使用寿命。