CN103346339A - 增湿器及具有其的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种增湿器及具有其的燃料电池系统。其中，增湿器包括：增湿芯（10），增湿芯（10）包括通过第一隔片分开的湿气流道（11）和干气流道（12），第一隔片由多孔材料制成。本发明的增湿器使用时不会转动，也无需使用电机驱动，因此本发明的增湿器结构简单，不易发生故障。

Description

增湿器及具有其的燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种增湿器及具有其的燃料电池系统。

背景技术

一般燃料电池发电系统的阴极和阳极气体均需要增湿后才可以进入电堆。为了充分利用燃料电池生成的废热废气，一般使用汽水交换增湿或气汽交换增湿两种方式。汽水增湿方式伴随冷启动等要求的出现使用范围逐渐减小。气汽交换增湿方式的增湿器受到越来越多的关注。

目前，利用气汽增湿原理的增湿器主要包括焓轮和膜增湿器两种。前者通过多孔陶瓷材料吸附水特性在燃料电池入口气体和出口气体之间交换热焓和水蒸气，以实现对入口气体增湿作用。后者则通过膜渗透作用传递水，实现增湿。

焓轮加湿技术一般把多孔陶瓷制作成圆柱状，通过设计其长度和直径以及控制旋转速度控制增湿效率。由于陶瓷柱转动过程中需要在两端面做较好密封，减小两腔气体串漏，因此在无油条件下摩擦面损耗较为严重。焓轮的旋转还需可控转数的电机参与，因此，其机械结构相对复杂，故障率也较高。

膜增湿器中无可移动部件，使用稳定性较好。而透水性较好的膜一般使用高分子材料Nafion，其价格昂贵，存在离子污染、油类和醇类污染甚至失效的问题。同时高分子耐温范围较小，也限制了其使用场所。

发明内容

本发明旨在提供一种结构简单的增湿器及具有其的燃料电池系统。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种增湿器，包括：增湿芯，增湿芯包括通过第一隔片分开的湿气流道和干气流道，第一隔片由多孔材料制成。

进一步地，第一隔片为叠置的多个，湿气流道和干气流道均为多个，每个干气流道设置在相邻的两个湿气流道之间。

进一步地，湿气流道的轴线与干气流道的轴线相平行，增湿器还包括：两个第一导流端部，分别设置在增湿芯的相对的两端，两个第一导流端部中的一个第一导流端部的内部具有相互独立的湿气进气孔和干气进气孔，两个第一导流端部中的另一个第一导流端部的内部具有相互独立的湿气出气孔和干气出气孔，湿气进气孔和湿气出气孔与湿气流道之间设有多个第一连接口，干气进气孔和干气出气孔与干气流道之间设有多个第二连接口。

进一步地，第一导流端部内部设有第二隔片以使湿气进气孔与干气进气孔或者湿气出气孔与干气出气孔相互独立，第一导流端部朝向增湿芯的第一侧壁上设有第一缺口组和第二缺口组，第一缺口组包括多个第一缺口以形成多个第一连接口，第二缺口组包括多个第二缺口以形成多个第二连接口。

进一步地，在垂直于湿气流道的轴线方向上，第一缺口的宽度小于湿气进气孔的宽度且小于湿气出气孔的宽度，第二缺口的宽度小于干气进气孔的宽度且小于干气出气孔的宽度。

进一步地，第一导流端部的设置在第一侧壁的两侧的两个第二侧壁均突出于第一侧壁。

进一步地，各第一导流端部的底端为封闭端，湿气进气孔、干气进气孔、湿气出气孔和干气出气孔均为盲孔，各第一导流端部的顶端为开放端，增湿器还包括封堵在第一导流端部的顶端的接头板，接头板上设有与湿气进气孔或湿气出气孔连通的第一接头以及与干气进气孔或干气出气孔连通的第二接头。

进一步地，湿气流道的轴线与干气流道的轴线相垂直，增湿器还包括：两个第二导流端部，设置在湿气流道的两端，各第二导流端部内部具有第一容纳腔；两个第三导流端部，设置在干气流道的两端，各第三导流端部内部具有第二容纳腔。

进一步地，第二导流端部沿第二导流端部的第一端至第二端逐渐收缩地延伸，第三导流端部沿第三导流端部的第一端至第二端逐渐收缩地延伸。

进一步地，第二导流端部的第一端设置有第三接头，两个第二导流端部上设置的两个第三接头的朝向相反，第三导流端部的第一端设置有第四接头，两个第三导流端部上设置的两个第四接头的朝向相反。

进一步地，第二导流端部和第三导流端部均包括相对设置的两个第三侧壁、连接在两个第三侧壁之间的两个第四侧壁以及与两个第三侧壁和两个第四侧壁均连接的端壁，第四侧壁呈梯形状。

根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池系统，包括电池堆和与电池堆连接的增湿器，增湿器为上述的增湿器。

应用本发明的技术方案，增湿器包括增湿芯，增湿芯包括通过第一隔片分开的湿气流道和干气流道。湿气流道内通入湿气，干气通道内通入干气，即需要增湿的气体。由于第一隔片由多孔材料制成，利用多孔材料的微孔毛细作用，湿气流道内的湿气会将水蒸气传递至干气通道内从而为干气会增湿。本发明的增湿器使用时不会转动，也无需使用电机驱动，因此本发明的增湿器结构简单，不易发生故障。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的增湿器的实施例一的立体结构示意图；以及

图2示出了根据本发明的增湿器的实施例二的立体结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、增湿芯；11、湿气流道；12、干气流道；20、第一导流端部；21、湿气进气孔；22、干气进气孔；211、第一连接口；221、第二连接口；23、第一侧壁；24、第二侧壁；30、接头板；31、第一接头；32、第二接头；41、第二导流端部；42、第三导流端部；411、第三接头；421、第四接头；412、第三侧壁；422、第三侧壁；413、第四侧壁；423、第四侧壁；414、端壁；424、端壁。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，实施例一的增湿器包括：增湿芯10和两个第一导流端部20。增湿芯10包括通过第一隔片分开的湿气流道11和干气流道12，第一隔片由多孔材料制成。第一隔片为叠置的多个，湿气流道11和干气流道12均为多个，每个干气流道12设置在相邻的两个湿气流道11之间。

在实施例一中，湿气流道11的轴线与干气流道12的轴线相平行。两个第一导流端部20分别设置在增湿芯10的相对的两端。两个第一导流端部20中的一个第一导流端部20的内部具有相互独立的湿气进气孔21和干气进气孔22，两个第一导流端部20中的另一个第一导流端部20的内部具有相互独立的湿气出气孔和干气出气孔，湿气进气孔21和湿气出气孔与湿气流道11之间设有多个第一连接口211，干气进气孔22和干气出气孔与干气流道12之间设有多个第二连接口221。

在实施例一中，通过湿气进气孔21和第一连接口211向湿气流道11内通入湿气，通过干气进气孔22和第二连接口221向干气流道12内通入干气，即需要增湿的气体。由于第一隔片由多孔材料制成，利用多孔材料的微孔毛细作用，湿气流道11内的湿气会将水蒸气传递至干气流道12内从而为干气会增湿。实施例一的增湿器使用时不会转动，也无需使用电机驱动，因此实施例一的增湿器结构简单，加工方便，不易发生故障且无需额外耗能。

第一隔片的多孔材料优选为堇晶石，多孔碳，烧结陶瓷，烧结金属，无纺布等。上述材料具有较好透水性、吸水性特性，同时，上述材料造价很低，易于普及。由于多孔材料可以使用如多孔陶瓷等高惰性材料，对温度和进气的敏感性较弱，有较为宽泛的使用环境。同时，多孔材料与气体接触面积大，在使用于燃料电池系统时容易吹扫表面液态水，适用于低温条件如低于-20℃环境。

优选地，湿气流道11和干气流道12为形成在增湿芯10上的平行的矩形状开孔。湿气流道11和干气流道12的截面面积优选在0.1mm²至100mm²的范围内。

通过两个第一导流端部20实现了干湿气路的分离，使得干湿气体在增湿芯10内交替流动。进一步优选地，第一隔片的厚度在0.1mm至1cm的范围内。在温差和水蒸气浓度差推动作用下，湿气的温度和湿度向干气传递，实现干气增湿和增温的目的。

在实施例一中，如图1所示，第一导流端部20内部设有第二隔片以使湿气进气孔21与干气进气孔22或者湿气出气孔与干气出气孔相互独立，第一导流端部20朝向增湿芯10的第一侧壁23上设有第一缺口组和第二缺口组，第一缺口组包括多个第一缺口以形成多个第一连接口211，第二缺口组包括多个第二缺口以形成多个第二连接口221。

在实施例一中，如图1所示，在垂直于湿气流道11的轴线方向上第一缺口的宽度小于湿气进气孔21的宽度且小于湿气出气孔的宽度，在垂直于湿气流道11的轴线方向上第二缺口的宽度小于干气进气孔22的宽度且小于干气出气孔的宽度。

为了密封考虑，在实施例一中，如图1所示，第一导流端部20的设置在第一侧壁23的两侧的两个第二侧壁24均突出于第一侧壁23。

在实施例一中，如图1所示，各第一导流端部20的底端为封闭端，湿气进气孔21、干气进气孔22、湿气出气孔和干气出气孔均为盲孔，各第一导流端部20的顶端为开放端。增湿器还包括封堵在第一导流端部20的顶端的接头板30，接头板30上设有与湿气进气孔21连通的第一接头31以及与干气进气孔22连通的第二接头32。

如图2所示，实施例二的增湿器包括：增湿芯10、两个第二导流端部41和两个第三导流端部42。增湿芯10包括通过第一隔片分开的湿气流道11和干气流道12，第一隔片由多孔材料制成。第一隔片为叠置的多个，湿气流道11和干气流道12均为多个，每个干气流道12设置在相邻的两个湿气流道11之间。

在实施例二中，与实施例一的区别在于，湿气流道11的轴线与干气流道12的轴线相垂直。两个第二导流端部41设置在湿气流道11的两端，各第二导流端部41内部具有第一容纳腔。两个第三导流端部42设置在干气流道12的两端，各第三导流端部42内部具有第二容纳腔。

在实施例二中，通过第二导流端部41向湿气流道11内通入湿气，通过第三导流端部42向干气流道12内通入干气，即需要增湿的气体。由于第一隔片由多孔材料制成，利用多孔材料的微孔毛细作用，湿气流道11内的湿气会将水蒸气传递至干气流道12内从而为干气会增湿。实施例二的增湿器使用时不会转动，也无需使用电机驱动，因此实施例二的增湿器结构简单，加工方便，不易发生故障且无需额外耗能。实施例二较实施例一而言，实施例二的气流阻力将较小，增湿效率更高。

如图2所示，第二导流端部41沿第二导流端部41的第一端至第二端逐渐收缩地延伸，第三导流端部42沿第三导流端部42的第一端至第二端逐渐收缩地延伸。第二导流部41采用上述结构可以使对应气流平均分配到增湿芯的各湿气流道11内，同时减小空气折流造成的压力损失。同理，第三导流部42，采用上述结构可以使对应气流平均分配到增湿芯的各干气流道12内，同时减小空气折流造成的压力损失。

第二导流端部41的第一端设置有第三接头411，两个第二导流端部41上设置的两个第三接头411的朝向相反，第三导流端部42的第一端设置有第四接头421，两个第三导流端部42上设置的两个第四接头421的朝向相反。在上述结构主要是为了平衡流道内气体流量，避免通道内气体短路现象。

如图2所示，第二导流端部41包括相对设置的两个第三侧壁412、连接在两个第三侧壁412之间的两个第四侧壁413以及与两个第三侧壁412和两个第四侧壁413均连接的端壁414。第四侧壁413呈梯形状。

如图2所示，第三导流端部42包括相对设置的两个第三侧壁422、连接在两个第三侧壁422之间的两个第四侧壁423以及与两个第三侧壁422和两个第四侧壁423均连接的端壁424，第四侧壁423呈梯形状。

本发明还提供了一种燃料电池系统，根据本发明的燃料电池系统的实施例（未图示）包括电池堆和与电池堆连接的增湿器，增湿器为上述的增湿器。

在燃料电池系统的实施例中，利用电堆出口气体所携带的能量和水分，传递至入口气体中。也就是说，利用高温高湿的出堆空气给低温低湿的入堆气体加热加湿。

具体说来，利用增湿芯的多孔结构，具有较好的吸水性和毛细导水性，比热容较大特性，通过结构设计实现燃料电池空气干气和湿气的间壁式流动，从而实现换湿换热。同时避免二者混合以保证燃料电池供气中氧气浓度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种增湿器，其特征在于，包括：

增湿芯（10），所述增湿芯（10）包括通过第一隔片分开的湿气流道（11）和干气流道（12），所述第一隔片由多孔材料制成。

2.根据权利要求1所述的增湿器，其特征在于，所述第一隔片为叠置的多个，所述湿气流道（11）和所述干气流道（12）均为多个，每个所述干气流道（12）设置在相邻的两个所述湿气流道（11）之间。

3.根据权利要求2所述的增湿器，其特征在于，所述湿气流道（11）的轴线与所述干气流道（12）的轴线相平行，所述增湿器还包括：

两个第一导流端部（20），分别设置在所述增湿芯（10）的相对的两端，所述两个第一导流端部（20）中的一个所述第一导流端部（20）的内部具有相互独立的湿气进气孔（21）和干气进气孔（22），所述两个第一导流端部（20）中的另一个所述第一导流端部（20）的内部具有相互独立的湿气出气孔和干气出气孔，所述湿气进气孔（21）和所述湿气出气孔与所述湿气流道（11）之间设有多个第一连接口（211），所述干气进气孔（22）和所述干气出气孔与所述干气流道（12）之间设有多个第二连接口（221）。

4.根据权利要求3所述的增湿器，其特征在于，所述第一导流端部（20）内部设有第二隔片以使所述湿气进气孔（21）与所述干气进气孔（22）或者湿气出气孔与干气出气孔相互独立，所述第一导流端部（20）朝向所述增湿芯（10）的第一侧壁（23）上设有第一缺口组和第二缺口组，所述第一缺口组包括多个第一缺口以形成多个所述第一连接口（211），所述第二缺口组包括多个第二缺口以形成多个所述第二连接口（221）。

5.根据权利要求4所述的增湿器，其特征在于，在垂直于所述湿气流道（11）的轴线方向上，所述第一缺口的宽度小于所述湿气进气孔（21）的宽度且小于所述湿气出气孔的宽度，所述第二缺口的宽度小于所述干气进气孔（22）的宽度且小于所述干气出气孔的宽度。

6.根据权利要求4所述的增湿器，其特征在于，所述第一导流端部（20）的设置在所述第一侧壁（23）的两侧的两个第二侧壁（24）均突出于所述第一侧壁（23）。

7.根据权利要求3所述的增湿器，其特征在于，各所述第一导流端部（20）的底端为封闭端，所述湿气进气孔（21）、所述干气进气孔（22）、所述湿气出气孔和所述干气出气孔均为盲孔，各所述第一导流端部（20）的顶端为开放端，所述增湿器还包括封堵在所述第一导流端部（20）的顶端的接头板（30），所述接头板（30）上设有与所述湿气进气孔（21）或湿气出气孔连通的第一接头（31）以及与所述干气进气孔（22）或干气出气孔连通的第二接头（32）。

8.根据权利要求2所述的增湿器，其特征在于，所述湿气流道（11）的轴线与所述干气流道（12）的轴线相垂直，所述增湿器还包括：

两个第二导流端部（41），设置在所述湿气流道（11）的两端，各所述第二导流端部（41）内部具有第一容纳腔；

两个第三导流端部（42），设置在所述干气流道（12）的两端，各所述第三导流端部（42）内部具有第二容纳腔。

9.根据权利要求8所述的增湿器，其特征在于，所述第二导流端部（41）沿所述第二导流端部（41）的第一端至第二端逐渐收缩地延伸，所述第三导流端部（42）沿所述第三导流端部（42）的第一端至第二端逐渐收缩地延伸。

10.根据权利要求9所述的增湿器，其特征在于，所述第二导流端部（41）的第一端设置有第三接头（411），两个所述第二导流端部（41）上设置的两个所述第三接头（411）的朝向相反，所述第三导流端部（42）的第一端设置有第四接头（421），两个所述第三导流端部（42）上设置的两个所述第四接头（421）的朝向相反。

11.根据权利要求9所述的增湿器，其特征在于，所述第二导流端部（41）和所述第三导流端部（42）均包括相对设置的两个第三侧壁（412、422）、连接在两个所述第三侧壁（412、422）之间的两个第四侧壁（413、423）以及与两个所述第三侧壁（412、422）和两个所述第四侧壁（413、423）均连接的端壁（414、424），所述第四侧壁（413、423）呈梯形状。

12.一种燃料电池系统，包括电池堆和与所述电池堆连接的增湿器，其特征在于，所述增湿器为权利要求1至11中任一项所述的增湿器。

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