CN103022536A

CN103022536A - 用于燃料电池的膜增湿器

Info

Publication number: CN103022536A
Application number: CN2012105597734A
Authority: CN
Inventors: 隋升; 苏凯华; 王曙中; 章俊良; 蒋峰景
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2032-12-20
Also published as: CN103022536B

Abstract

本发明公开了一种用于燃料电池的膜增湿器，包括圆柱形壳体、增湿管、第一挡板和第二档板；所述增湿管为两层结构，外层为芳纶纸管，内层为不锈钢筛网，所述增湿管的两端分别固定在所述第一挡板和所述第二档板上，密封于所述圆柱形壳体内部，形成管程和壳程。本发明还公开了一种燃料电池装置，包括本发明所述的膜增湿器。本发明用于燃料电池的膜增湿器通过向管程和壳程输送两种不同的气体，经由增湿管的管壁进行湿度和温度交换，能够有效地为燃料电池的进气增湿加热，更好地发挥燃料电池的性能，而且制备工艺简单，性能优良，成本较低，使用寿命长。

Description

用于燃料电池的膜增湿器

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的增湿器，尤其涉及一种利用芳纶纸制造的用于燃料电池的膜增湿器。

背景技术

燃料电池是一种将储存在燃料(如，氢气)和氧化剂(如，氧气)的化学能，通过电化学反应直接转化为电能的发电装置，具有效率高、环境友好、维修性好、使用方便、燃料多样化、响应速度快、功率范围广、发电单元模块化、部分负荷时性能优异等特点，非常适合作为移动式和分散式电源使用。作为燃料电池的一种，质子交换膜燃料电池还具有启动快、寿命长、比能量高、操作温度低、响应速度快、电解质无腐蚀，无泄漏等优点，应用前景广阔，市场潜力大，对产业结构升级、环境保护及经济的可持续发展均有重要意义。质子交换膜燃料电池在工作时，阴极进气(空气)的湿度对电池的性能有很大的影响：当进气湿度较低时，会导致电解质膜(质子交换膜)的干化，膜的质子传导能力与其含水量(润湿状态)关系密切，只有当膜处于良好的润湿状态时，才具有高的质子传导能力，因此膜的干化会造成其质子传导能力下降，接触电阻与欧姆电阻增大，输出电压减少，干化严重时，还会导致膜的破裂，严重威胁到电池的安全运行。当进气湿度过高时，电池运行时产生的水不能被顺利排出，形成阴极水淹现象，水淹会使阴极反应气体(氧气)分布不均匀，阻碍氧气向活化催化点传输，同时，液态水淹盖了一部分活化催化表面，使其不能催化电化学反应，降低催化剂的使用率，致使电池性能下降；而且由于水的时而集聚，时而被气体带出扩散层，水淹还会使电池的输出电压产生振荡。因此，进气湿度控制在质子交换膜燃料电池运行中至关重要，是重要的控制环节之一。

对阴极进气的湿度控制主要采用增湿器，增湿器不但对进气湿度进行控制，还承担对进气进行预热，以使电堆具有更高的初始催化效率。目前实际运用中的增湿器大致可以分为两种：一种是焓轮增湿器，另一种是膜增湿器。

焓轮增湿器主要由焓轮、壳体、电机、挡板等组成，焓轮由蜂窝陶瓷制成。焓轮增湿器具有成本低、技术成熟、易于制造、废热利用率高、增湿程度容易调节等优点。但陶瓷材料制作的焓轮仍存在有密度大、耐磨程度低、进排气易互通，系统复杂程度高等缺点。

膜增湿器的核心材料是渗透膜，其工作原理是：燃料电池的湿热排气流经膜的一侧，新鲜空气流经膜的另一侧，水分在膜的一侧被吸收，然后在浓度差的作用下扩散到另一侧，最后蒸发至进气中，同时热量也在温差的作用下由排气转移到进气中，这样即完成对进气的增湿加热。

通用汽车环球科技运作公司在所述的中国专利“燃料电池膜增湿器板设计”(公开号：CN101409352A)，采用的是一种用于燃料电池的膜增湿器板，包括从扩散介质形成的大致平面顶层，从扩散介质形成的大致平面底层和大致平面细长带状物阵列，而细长带状物阵列布置在顶层和底层之间，形成多个流动通道，通过这些流动通道和膜的扩散实现两种气体湿的交换。现代自动车株式会社在中国专利中所述的“用于燃料电池的混合增湿器”(公开号：CN 101154737A)类似于膜扩散增湿，采用管束的管道壁，通过气体扩散实现两种气体湿和热的交换，是一种超滤膜结构的增湿器。其新鲜空气从增湿器圆柱形外壳的一侧流入，而热湿热空气从另一侧流出，在圆柱形外壳内含有多个增湿管，为新鲜空气增湿，再通过加热器为湿热空气加热实现湿气增热，而残余空气可以通过圆柱形增湿器的出口排出。

膜增湿器制备工艺成熟，具有结构紧凑、压降小和易于操作等优点。但目前所使用的膜以有机膜为主，其价格昂贵、易变形、耐压程度差，长时间使用之后膜易破损，造成进排气互通。而且，对于车载的大功率燃料电池而言，所需要的膜增湿器一般体积较大，通常采用有机膜的膜增湿器的重量较大，使其应用受到了一定的限制，特别是在车载的大功率燃料电池这种对重量比较敏感的场合。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种性能优良、运行成本较低、使用寿命长、质量较轻的膜增湿器。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于燃料电池的膜增湿器，能够有效的为燃料电池的进气增湿加热，更好的发挥燃料电池的性能，而且制备工艺简单，压降低，使用寿命长。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于燃料电池的膜增湿器，包括圆柱形壳体、增湿管、第一挡板和第二档板；所述增湿管为两层结构，外层为芳纶纸管，内层为不锈钢筛网，所述增湿管的两端分别固定在所述第一挡板和所述第二档板上，密封于所述圆柱形壳体内部，形成管程和壳程。

进一步地，其中，所述圆柱形壳体的两个底面分别设有新鲜空气入口和新鲜空气出口，侧面分别设有湿热空气入口和湿热空气出口。

进一步地，其中，所述第一挡板和所述第二挡板均为圆形多孔板，所述第一挡板和所述第二挡板的半径与所述圆柱形壳体的底面直径相同，且所述第一挡板和所述第二挡板上具有均匀分布的相对应的圆形孔洞，所述第一挡板和所述第二挡板均置于所述圆柱形壳体内部，与所述圆柱形壳体的内壁相切，且相切位置均采用密封垫密封；所述第一挡板位于所述新鲜空气入口与所述湿热空气出口之间，所述第二挡板位于所述新鲜空气出口与所述湿热空气入口之间。

进一步地，其中，所述增湿管为圆柱形管体，其直径与所述第一挡板和所述第二挡板上的所述圆形孔洞的直径相同；所述增湿管的个数与所述第一挡板和所述第二挡板上的所述圆形孔洞的个数相同；所述增湿管彼此间隔特定距离且互相平行。

进一步地，其中，所述管程为增湿管的内部空间。所述壳程为增湿管与圆柱形壳体之间的空间。

进一步地，其中，所述芳纶纸管的层数为1-5层。具体层数根据实际的换湿效果和透气性要求而定；要求换湿效果好，芳纶纸的层数为1-2层，对透气性限制严格，芳纶纸的层数为4-5层。

本发明还提供了一种燃料电池装置，包括本发明中上述的膜增湿器。

进一步地，其中，所述燃料电池装置还包括鼓风机、气体阀门、气体传感器、温度传感器、湿度传感器、燃料电池堆和水分离器。

进一步地，其中，所述燃料电池装置的增湿步骤包括：新鲜空气经由所述鼓风机进入所述燃料电池装置，然后经过所述气体阀门，通过所述气体传感器测量压力，经由新鲜空气入口进入所述膜增湿器中的管程进行增湿加热，增湿加热后的空气经由所述膜增湿器的新鲜空气出口，经过所述温度传感器和所述湿度传感器测量温度和湿度后，进入所述燃料电池堆的阴极；同时，氢气经由氢气入口进入所述燃料电池堆的阳极，与所述阴极中的氧气发生电化学反应，将化学能直接转变为电能，反应得到的水通过所述水分离器上的阀门分离出所述燃料电池装置，反应得到的电堆排气通过所述膜增湿器侧面的湿热空气入口进入增湿器的壳程，对所述管程内部的新鲜空气进行增湿加热，最后废气经由所述膜增湿器侧部的湿热空气出口排出所述燃料电池装置。

其中，所述电堆排气是指燃料电池堆的阴极中的氧气与阳极中的氢气发生电化学反应得到的产物。

本发明用于燃料电池的膜增湿器通过向管程和壳程输送两种不同的气体，通过增湿管的管壁进行湿度和温度交换。在增湿过程中，其中新鲜空气流入膜增湿器的管程，即增湿管内部空间，新鲜空气被增湿管增湿，并被加热；与此同时，电推排气流经膜增湿器的壳程，即增湿管和圆柱形壳体之间的空间，增湿管被加热，并吸附电堆排气中的水，新鲜空气与电推排气通过增湿管交换热量和水分。

本发明用于燃料电池的膜增湿器采用芳纶纸作为渗透膜，芳纶纸是由芳纶纤维深加工而成的特种纸，芳纶纸除具有超高强度、高模量和耐高温、阻燃、电绝缘、耐酸耐碱、重量轻等优良性能，其化学稳定性好，化学结构异常稳定，具有优良的抗水解和抗蒸汽腐蚀性，且吸湿性好，芳纶纸的吸湿量能达到自身重量的2-10倍。因此，本发明用于燃料电池的膜增湿器，可以保证较好的换湿效果；无需使用昂贵的聚合物膜材料，成本较低；增湿和加热的有效面积大，水汽扩散通量高，增湿器效率高，体积小；由于芳纶纸密度小，本发明用于燃料电池的膜增湿器的重量较轻，特别是对于在汽车上应用这种对重量比较敏感的场合更加有利；本发明用于燃料电池的膜增湿器的结构简单，易制造，维修方便，具有较高的可靠性；使用寿命长，能够很好的满足燃料电池系统高效率、长期运行的要求。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明用于燃料电池的膜增湿器的结构示意图；

图2是本发明用于燃料电池的膜增湿器的截面图；

图3是本发明用于燃料电池的膜增湿器中增湿管的结构示意图；

图4是本发明用于燃料电池的燃料电池装置的结构示意图；

图中，1-圆柱形壳体；2-增湿管；3-第一挡板；4-第二挡板；5-新鲜空气入口；6-新鲜空气出口；7-湿热空气入口；8-湿热空气出口；9-芳纶纸管；10-不锈钢筛网；11-新鲜空气；12-鼓风机；13-气体阀门；14-气体传感器；15-增湿器；16-电堆供气；17-温度传感器；18-湿度传感器；19-燃料电池堆；20-电堆排气；21-废气；22-水分离器；23-阀门；24-氢气入口；25-氢气出口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1和图2分别给出了本发明用于燃料电池的膜增湿器的结构示意图和截面图。如图1所示，本发明用于燃料电池的膜增湿器包括：圆柱形壳体1、容纳在圆柱形壳体1内部的增湿管2、第一挡板3、第二挡板4。本发明用于燃料电池的膜增湿器为管壳式结构，含有管程和壳程，管程为增湿管2内部空间，壳程为增湿管2与圆柱形壳体1之间的空间。本发明用于燃料电池的膜增湿器通过向管程和壳程输送两种不同的气体，通过增湿管2的管壁进行湿度和温度交换。

其中，圆柱形壳体1的两个底面分别设有新鲜空气入口5和新鲜空气出口6，侧面分别设有湿热空气入口7和湿热空气出口8。

第一挡板3和第二挡板4均为圆形多孔板，其半径与圆柱形壳体1的底面直径相同，且第一挡板3和第二挡板4上具有均匀分布的相对应的圆形孔洞。第一挡板3和第二挡板4均置于圆柱形壳体1内部，与圆柱形壳体1的内壁相切，且相切位置均采用密封垫密封。第一挡板3位于圆柱形壳体1的第一底面与湿热空气出口8之间，第二挡板4位于圆柱形壳体1的第二底面与湿热空气入口7之间。

位于圆柱形壳体1内部的增湿管2的数量与第一挡板3和第二档板4上圆形孔洞的数量相同，增湿管2彼此间隔特定距离且互相平行(如图2所示)，分别固定在圆柱形壳体1内部的第一挡板3和第二档板4上，接头采用密封垫密封，防止经由新鲜空气入口5进入膜增湿器内部的新鲜空气与经由湿热空气入口7进入膜增湿器内部的湿热空气互通。如图3所示，增湿管为圆柱形管体，其直径与第一挡板3和第二挡板4上的圆形孔洞的直径相同。增湿管为两层结构，外层为芳纶纸管9，内层为不锈钢筛网10。

本发明的膜增湿器的制作过程包括以下步骤：

a)用芳纶纸包覆不锈钢筛网10，并由不锈钢丝将芳纶纸固定在不锈钢筛网10上，在不锈钢筛网10外层形成芳纶纸管9，制得增湿管，其中芳纶纸的层数为1-5层，具体层数根据实际的换湿效果和透气性要求而定；要求换湿效果好，芳纶纸的层数为1-2层，对透气性限制严格，芳纶纸的层数为4-5层；

b)将增湿管固定在第一挡板3和第二挡板4上，接头采用密封垫密封，形成彼此间隔特定距离且互相平行的增湿管2；

c)将第一挡板3、第二挡板4和增湿管2装入圆柱形壳体1内部，并分别用密封垫将第一挡板3和第二挡板4与圆柱形壳体1相切位置密封，即制成膜增湿器。

本发明利用芳纶纸制造膜增湿器，芳纶纸是由芳纶纤维深加工而成的特种纸，芳纶全称为“聚对苯二甲酰对苯二胺”，是一种新型高科技合成纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、阻燃、电绝缘、耐酸耐碱、重量轻等优良性能，其强度是钢丝的5-6倍，模量为钢丝或玻璃纤维的2-3倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左右，在560℃的条件下，不分解、不融化，它具有良好的绝缘性和抗老化性能，具有很长的生命周期。可在220℃高温下长期使用而不老化，其机械性能可保持10年之久，而且尺寸稳定性极佳。在250℃左右时，其热收缩率仅为1％。芳纶化学结构异常稳定，抗水解和抗蒸汽腐蚀，吸湿性好。芳纶纸的吸湿量能达到自身重量的2-10倍，因此本发明利用芳纶纸制造膜增湿器，可以保证较好的换湿效果。

图4给出了采用本发明膜增湿器的燃料电池装置的结构示意图。如图4所示，新鲜空气11经由鼓风机12进入燃料电池装置，然后经过气体阀门13，通过气体传感器14测量压力，经由新鲜空气入口5进入膜增湿器中的管程进行增湿加热，增湿加热后的空气经由膜增湿器的新鲜空气出口6，经过温度传感器17和湿度传感器18测量温度和湿度后，作为电堆供气16进入燃料电池堆19的阴极。同时，氢气经由氢气入口24进入燃料电池19的阳极，与阴极电堆供气16中的氧气发生电化学反应，将化学能直接转变为电能，反应得到的水通过水分离器22上的阀门23分离出燃料电池装置，反应得到的电堆排气20通过膜增湿器侧面的湿热空气入口7进入增湿器的壳程，对管程内部的新鲜空气进行增湿加热，最后废气21经由膜增湿器侧部的湿热空气出口8排出燃料电池装置。另外，反应后，燃料反应堆阳极剩余的氢气经由氢气出口25排出燃料电池装置。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种用于燃料电池的膜增湿器，其特征在于，包括圆柱形壳体、增湿管、第一挡板和第二档板；所述增湿管为两层结构，外层为芳纶纸管，内层为不锈钢筛网，所述增湿管的两端分别固定在所述第一挡板和所述第二档板上，密封于所述圆柱形壳体内部，形成管程和壳程。

2.如权利要求1所述的膜增湿器，其中，所述圆柱形壳体的两个底面分别设有新鲜空气入口和新鲜空气出口，侧面分别设有湿热空气入口和湿热空气出口。

3.如权利要求1所述的膜增湿器，其中，所述第一挡板和所述第二挡板均为圆形多孔板，所述第一挡板和所述第二挡板的半径与所述圆柱形壳体的底面直径相同，且所述第一挡板和所述第二挡板上具有均匀分布的相对应的圆形孔洞，所述第一挡板和所述第二挡板均置于所述圆柱形壳体内部，与所述圆柱形壳体的内壁相切，且相切位置均采用密封垫密封；所述第一挡板位于所述新鲜空气入口与所述湿热空气出口之间，所述第二挡板位于所述新鲜空气出口与所述湿热空气入口之间。

4.如权利要求1所述的膜增湿器，其中，所述增湿管为圆柱形管体，其直径与所述第一挡板和所述第二挡板上的所述圆形孔洞的直径相同；所述增湿管的个数与所述第一挡板和所述第二挡板上的所述圆形孔洞的个数相同；所述增湿管彼此间隔特定距离且互相平行。

5.如权利要求1所述的膜增湿器，其中，所述管程为增湿管的内部空间。

6.如权利要求1所述的膜增湿器，其中，所述壳程为增湿管与圆柱形壳体之间的空间。

7.如权利要求1所述的膜增湿器，其中，所述芳纶纸管的层数为1-5层。

8.一种燃料电池装置，其特征在于，包括如权利要求1-7之一所述的膜增湿器。

9.如权利要求8所述的燃料电池装置，其中，所述燃料电池装置还包括鼓风机、气体阀门、气体传感器、温度传感器、湿度传感器、燃料电池堆和水分离器。

10.如权利要求9所述的燃料电池装置，其中，所述燃料电池装置的增湿步骤包括：新鲜空气经由所述鼓风机进入所述燃料电池装置，然后经过所述气体阀门，通过所述气体传感器测量压力，经由新鲜空气入口进入所述膜增湿器中的管程进行增湿加热，增湿加热后的空气经由所述膜增湿器的新鲜空气出口，经过所述温度传感器和所述湿度传感器测量温度和湿度后，进入所述燃料电池堆的阴极；同时，氢气经由氢气入口进入所述燃料电池堆的阳极，与所述阴极中的氧气发生电化学反应，将化学能直接转变为电能，反应得到的水通过所述水分离器上的阀门分离出所述燃料电池装置，反应得到的电堆排气通过所述膜增湿器侧面的湿热空气入口进入增湿器的壳程，对所述管程内部的新鲜空气进行增湿加热，最后废气经由所述膜增湿器侧部的湿热空气出口排出所述燃料电池装置。