專利名稱：一種可為燃料電池輸送空氣的高效節(jié)能風機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及燃料電池的輔助設備，尤其涉及一種可為燃料電池輸送空氣的高效節(jié)能風機。
背景技術：
電化學燃料電池是一種能夠將氫燃料及氧化劑轉化成電能及反應產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細小分散的引發(fā)電化學反應的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導電物體將發(fā)生電化學反應過程中生成的電子，通過外電路引出，構成電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學反應，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質子交換膜，到達膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學反應得到電子，形成負離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發(fā)生反應，形成反應產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)的催化電化學反應就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質子)。質子交換膜幫助氫正離子從陽極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負離子，并與陽極區(qū)遷移過來的氫正離子反應，生成反應產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質子交換膜燃料電池中，陽極反應與陰極反應可以用以下方程式表達陽極反應
陰極反應在典型的質子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導電的極板中間，每塊導膜電極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機械銑刻，形成至少一條以上的導流槽。這些導膜電極板可以是金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導膜電極板上的導流孔道與導流槽分別將燃料和氧化劑導入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個質子交換膜燃料電池單電池的構造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導流極板與陰極氧化劑的導流極板。這些導流極板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導流極板上的導流槽又作為燃料與氧化劑進入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通?？赏ㄟ^直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導流進口和導流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學放熱反應生成的熱吸收并帶出電池組后進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應的導流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
質子交換膜燃料電池可用作一切車、船等運載工具的動力系統(tǒng)，又可作手提式、移動式、固定式的發(fā)電裝置。
質子交換膜燃料電池一般用氫氣或含富態(tài)氫或醇類作燃料。在用作車、船動力系統(tǒng)或移動式、固定式發(fā)電站時一般用空氣作氧化劑。
質子交換膜燃料電池用作車、船動力系統(tǒng)或移動式、固定式發(fā)電站時，必須包括電池堆，燃料供應，空氣供應，冷卻散熱，自動控制及電能輸出各個部分。其中空氣供應是必不可少。質子交換膜燃料電池中的電化學反應隨著燃料、氧化劑空氣的壓力提高而加快。
所以，空氣供應的壓力提高，燃料電池輸出電能的性能會提高，但另一方面，向燃料電池輸出空氣的裝置，如空氣壓縮機也要消耗很大一部分的能量，大約占燃料電池總輸出的5～20％。為了提高整個燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的整體能量效率，降低空氣輸送裝置的能耗是至關重要的。
另外，目前質子交換膜燃料電池電極中所用的質子交換膜，在電池運行過程中需要有水分子保濕，因為只有水化的質子才可以自由地穿過質子交換膜從電極陽極端到達電極陰極端參加電化學反應。否則，當大量干燥的空氣向燃料電池供應時，容易將質子交換膜中的水分子帶跑，導致電極內(nèi)阻急劇增加，電池性能急劇下降。所以向燃料電池供應的空氣一般來說需要經(jīng)過增濕，使空氣中的含水相對濕度提高，以免使質子交換膜失水。
目前可以用于質子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)空氣輸送的裝置主要有以下二類(1)借助于容積的變化來實現(xiàn)空氣壓縮的壓縮機，例如渦旋空氣壓縮機、螺桿式空氣壓縮機、活塞式空氣壓縮機。
(2)借助于快速運動的空氣來實現(xiàn)空氣壓縮的風泵或風機，例如高壓、中壓、低壓鼓風機、滑片式風泵等。
目前，第一類空氣壓縮機可以實現(xiàn)高壓空氣輸送給燃料電池，一般可達1.5至5個大氣壓(相對壓力)，但這類空氣壓縮機由于空氣壓縮比較大，壓縮熱也較大，導致壓縮機功耗較大，雖然質子交換膜燃料電池由于空氣壓力增高而性能提高，但整個燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的能量轉換效率反而降低。
為了降低這類空氣壓縮機的功耗，目前往往與空氣壓縮機配套一個同軸的熱膨脹機，將燃料電池中排出的熱空氣通過熱膨脹機，達到回收能量，降低整體空氣壓縮機的功耗。目前美國的Vairex公司研制的專門為質子交換膜燃料電池輸送空氣的空壓機就是利用上面原理，達到低能耗，工作壓力可達到5個大氣壓(相對壓力)。
第二類壓縮機空氣機械實際上是鼓風機，這一類壓縮空氣機械也可以實現(xiàn)低壓或中壓空氣輸送給燃料電池，空氣壓力一般不超過1.5個大氣壓(相對壓力)，對一般鼓風機來說，空氣壓力就更低，工作壓力一般在1～0.05個大氣壓之間(相對)。
第一類空氣壓縮機可以實現(xiàn)高壓向燃料電池輸送空氣，并可配套一個與空壓機同軸的熱膨脹機，實現(xiàn)降低整體空氣壓縮機的功耗，但有許多難以克服的缺點(1)借助于容積的變化來實現(xiàn)空氣壓縮的壓縮機，例如渦旋空氣壓縮機、螺桿式空氣壓縮機等加工精度要求很高，因此造價較高。
(2)實現(xiàn)高壓向燃料電池輸送空氣時，對管路、接頭、閥門以及控制系統(tǒng)要求也很高，因此造價也較高。
(3)實現(xiàn)高壓向燃料電池輸送空氣時，燃料電池運行的危險性大大增加，安全性降低。
(4)噪聲比較大。
第二類空氣壓縮機械是靠空氣快速流動來實現(xiàn)空氣壓縮機的，如鼓風機、風泵等，可以實現(xiàn)向燃料電池低壓或中壓(工作壓力在0.05～1.5個大氣壓相對壓力)，輸送空氣，但也有缺點(1)向燃料電池輸送空氣時往往是相對壓力低(0.05～1.5個大氣壓)，但空氣流量大，很容易將質子交換膜燃料電池中的質子交換膜中的水分子帶跑，導致電極內(nèi)阻急劇增加，電池性能急劇下降。
(2)向燃料電池輸送空氣時雖然相對壓力低(0.05～1.5個大氣壓)，但由于流量大，對整個鼓風機空氣傳輸系統(tǒng)的能耗仍然高。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種可為燃料電池輸送空氣的高效節(jié)能風機，該風機造價低，還具有增濕功能。
本實用新型的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)一種可為燃料電池輸送空氣的高效節(jié)能風機，其特征在于，包括風機葉輪、助推葉輪、分隔膜、殼體、電動機，所述的分隔膜將殼體分隔成左右兩部分，在殼體的左部分設有助推葉輪，在殼體的右部分設有風機葉輪，在殼體外部靠風機葉輪一側設有電動機，所述的風機葉輪、助推葉輪與電動機的輸出軸同軸，所述的殼體的右部分的底部設有空氣進口，其頂部設有可供進入燃料電池的空氣出口，所述的殼體的左部分的底部設有由燃料電池排出的濕空氣進口，其頂部設有與大氣相通的排空口。
還包括一空氣過濾器，該空氣過濾器設在殼體右部分底部空氣進口的前面。
所述的分隔膜為只透水分子而不透氣體分子的分隔膜。
所述的分隔膜為高分子質子交換膜。
所述的分隔膜為聚苯乙烯磺酸類質子交換膜。
與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有以下優(yōu)點及效果(1)實現(xiàn)向燃料電池低壓輸送空氣，燃料電池運行壓力低，對管道、閥件要求低，使各種部件價格大大降低。
(2)風機本身制造簡單，價格低。
(3)燃料電池運行壓力低，安全性好。
(4)進入燃料電池的空氣已經(jīng)增濕不會導致燃料電池的質子交換膜失水。
(5)可以回收燃料電池中出來的飽和水熱空氣能量，使整個風機能耗降低。
(6)運行噪聲低。


圖1為本實用新型的結構示意圖；圖2為本實用新型與燃料電池連接的結構示意圖；圖3為本實用新型助推葉輪的結構示意圖；圖4為本實用新型風機葉輪的結構示意圖。
具體實施方式
下面將結合附圖對本實用新型作進一步說明。
如圖1所示，一種可為燃料電池輸送空氣的高效節(jié)能風機，包括風機葉輪1、助推葉輪2、分隔膜3、殼體4、電動機5、空氣過濾器6，所述的分隔膜3將殼體4分隔成左右兩部分，在殼體4的左部分設有助推葉輪2，在殼體4的右部分設有風機葉輪1，在殼體4外部靠風機葉輪1一側設有電動機5，所述的風機葉輪1、助推葉輪2與電動機5的輸出軸同軸，所述的殼體4的右部分的底部設有空氣進口7，其頂部設有可供進入燃料電池的空氣出口8，所述的空氣過濾器6設在空氣進口7的前面，空氣經(jīng)空氣過濾器6過濾后進入風機的空氣進口7，所述的殼體4的左部分的底部設有由燃料電池排出的濕空氣進口9，其頂部設有與大氣相通的排空口10。
如圖2所示，電動機5高速旋轉帶動風機葉輪1快速旋轉，從大氣中空氣經(jīng)過空氣過濾器6吸入風機并產(chǎn)生快速流動的空氣流，從風機出口8出來并從燃料電池11空氣進口進入質子交換膜燃料電池，經(jīng)過電化學反應后產(chǎn)生大量的水與熱量，變成飽和水熱空氣及一些水，從燃料電池空氣出口出來，又重新進入風機進口9，當這些熱空氣及水蒸氣及水穿過助推葉輪2(圖3)時，將葉輪助推旋轉，由于助推葉輪2、風機葉輪1及電動機5都同軸，因此減少了電動機的能耗，以達到節(jié)能目的。另外，助推葉輪2與風機葉輪1由一張可以自由透水分子但不可以透過任何氣體分子的分隔膜3分隔，這種膜可以杜邦公司的Nafion質子交換膜或其他聚苯乙烯磺酸類質子交換膜，這種離子交換膜可以讓飽和水蒸氣的水分很快擴散透過膜，從助推葉輪2這一面到達風機葉輪1(圖4)，并與大氣中吸入的干燥空氣混合成為有一定相對濕度的空氣進入燃料電池。風機材料，包括助推葉輪2，風機葉輪1及主軸的材料均應抗腐蝕，無離子產(chǎn)生的材料，如不銹鋼，高性能工程塑料，陶瓷等材料。
權利要求1.一種可為燃料電池輸送空氣的高效節(jié)能風機，其特征在于，包括風機葉輪、助推葉輪、分隔膜、殼體、電動機，所述的分隔膜將殼體分隔成左右兩部分，在殼體的左部分設有助推葉輪，在殼體的右部分設有風機葉輪，在殼體外部靠風機葉輪一側設有電動機，所述的風機葉輪、助推葉輪與電動機的輸出軸同軸，所述的殼體的右部分的底部設有空氣進口，其頂部設有可供進入燃料電池的空氣出口，所述的殼體的左部分的底部設有由燃料電池排出的濕空氣進口，其頂部設有與大氣相通的排空口。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種可為燃料電池輸送空氣的高效節(jié)能風機，其特征在于，還包括一空氣過濾器，該空氣過濾器設在殼體右部分底部空氣進口的前面。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種可為燃料電池輸送空氣的高效節(jié)能風機，其特征在于，所述的分隔膜為只透水分子而不透氣體分子的分隔膜。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種可為燃料電池輸送空氣的高效節(jié)能風機，其特征在于，所述的分隔膜為高分子質子交換膜。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種可為燃料電池輸送空氣的高效節(jié)能風機，其特征在于，所述的分隔膜為聚苯乙烯磺酸類質子交換膜。
專利摘要本實用新型涉及一種可為燃料電池輸送空氣的高效節(jié)能風機，包括風機葉輪、助推葉輪、分隔膜、殼體、電動機，所述的分隔膜將殼體分隔成左右兩部分，在殼體的左部分設有助推葉輪，在殼體的右部分設有風機葉輪，在殼體外部靠風機葉輪一側設有電動機，所述的風機葉輪、助推葉輪與電動機的輸出軸同軸，所述的殼體的右部分的底部設有空氣進口，其頂部設有可供進入燃料電池的空氣出口，所述的殼體的左部分的底部設有由燃料電池排出的濕空氣進口，其頂部設有與大氣相通的排空口。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有高效、節(jié)能、造價低、可增濕等優(yōu)點。
文檔編號F04D25/06GK2543217SQ0221716
公開日2003年4月2日 申請日期2002年4月29日 優(yōu)先權日2002年4月29日
發(fā)明者胡里清 申請人:上海神力科技有限公司