CN106784929B - 一种用于燃料电池的加湿器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池的加湿器，加湿器包括依次叠加的上端板、上缓冲板、流场单元、下缓冲板和下端板，流场单元包括单面流场板和双面流场板，单面流场板与上缓冲板或下缓冲板接触，双面流场板的两侧面的表面设有加湿气体流体通道和被加湿气体流体通道，在流场板的四个顶角处设置气体进口和气体出口，两块流场板之间设有选择性透过水分的透水膜。与现有技术相比，本发明可以根据燃料电池功率大小，增加或减少流场板，以适应不同燃料电池的需求，同时保证被加湿气体流经加湿器后压降损失小，气体温度达到燃料电池工作温度，具有良好的密封性。

Description

一种用于燃料电池的加湿器
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种用于燃料电池的加湿器。
背景技术
燃料电池是一种高效、清洁无污染的发电装置，它可以直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能。在能源与环境问题备受关注的今天，燃料电池的研究与开发越来越受到各国政府和科研机构的重视。
燃料电池按电解质分类可分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于其低温启动快，能量密度高、系统性能好等优点，因此能应用在需要可移动性能源的产业上，例如汽车产业。质子交换膜燃料电池通常是由许多个相同的单电池组合而成，每个单电池又由膜电极(Membrane-Electrode-Assembly,MEA)和流场板(带有流场的双极板)等组件组成。膜电极作为质子交换膜燃料电池核心部件其主要由质子交换膜和膜两侧的催化层和气体扩散层组成。质子交换膜为了保持良好的导电率，必须在工作过程中保证良好的湿度条件，为此必须保证进入燃料电池的反应气体具有一定的含湿量。同时需要保证进入燃料电池的空气具有一定的压力，而空气压缩机需要消耗燃料电池发出的电能，所以降低加湿器内空气的压降可以降低空气压缩机的耗能，提高燃料电池性能。
现有技术中，为了保证燃料电池具有较高的工作性能，需要对通入其中的空气加压并加湿。但是由于所述透水膜非常薄，当通入加湿器内的空气压力过大时，往往会造成透水膜的破损或变形堵塞流道；但当压力过小时，加湿效果又不够理想且存在压降，易导致进入燃料电池内的空气压力不满足要求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种加湿效果好、压降低、密封效果好的用于燃料电池的加湿器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于燃料电池的加湿器，所述加湿器包括依次叠加的上端板、上缓冲板、流场单元、下缓冲板和下端板，所述流场单元包括单面流场板和双面流场板，所述单面流场板与上缓冲板或下缓冲板接触，双面流场板的两侧面的表面设有加湿气体流体通道和被加湿气体流体通道，在流场板的四个顶角处设置气体进口和气体出口，其中位于一条对角线上的两个顶角上设置与加湿气体流体通道两端连通的加湿气体进口和加湿气体出口，另一条对角线的两个顶角上设置与被加湿气体流体通道两端连通的被加湿气体进口和被加湿气体出口；两块流场板之间设有选择性透过水分的透水膜。
在流场单元中，两个流体通道分别通入加湿气体和被加湿气体，中间设有透水膜，水分可以通过透水膜从加湿气体中进入被加湿气体，从而使得被加湿气体中的湿度提高，保证进入燃料电池的反应气体具有一定的含湿量。本发明可根据燃料电池功率大小，增加或减少流场板，以适应不同气体流量的需求。流场板的气体进口和气体出口布置在对角线上，可以保证流体通道较长，以减小加湿器的体积。同时可以保证加湿气体与被加湿气体相向流动，提高加湿性能。
所述加湿气体流体通道为多条相互平行的流体通道，每条流体通道的两端分别与加湿气体进口和加湿气体出口连通。
所述被加湿气体流体通道为一条或多条蛇形流道，该蛇形流道的两端分别与被加湿气体进口和被加湿气体出口连通。
所述被加湿气体进口和被加湿气体出口处设有多条与蛇形流道平行的支撑肋。
所述加湿气体进口、加湿气体出口、被加湿气体进口及被加湿气体出口与流体通道连接处均铺设有与透水膜平行并用于支撑透水膜的支撑钢片。
平行流道密集、宽度较窄、长度较短，蛇形流道稀疏、宽度较大、长度较长。平行流道数量密集、肋多，可以增加流道表面积，强化传热，吸收燃料电池排出空气的热量，使加湿器升温到接近燃料电池的温度。同时由于被加湿气体的压力大于加湿气体的压力，肋可以支撑摸，避免膜被挤压，堵塞加湿气体流道，流道流程短可以降低流阻。蛇形流道稀疏且较宽，这是因为燃料电池工作时需要一定的压力，流道较宽，可以降低流阻，保证进入燃料电池内的气体具有一定的压力，同时减少压气机损耗。采用蛇形流道，流程长，增强加湿效果。同时肋少，肋强化传热，提高进入燃料电池内气体的温度，气体通常为空气，而空气比热容较小，容易被加热。同时，由于本装置中气压最强的地方在于气体进口和气体出口处，此处的透水膜更容易被气流冲破，所以在进气进口和进气出口处设置的支撑肋或支撑钢片，对透水膜起支撑作用，防止透水膜被冲破或被挤压到流道内，堵塞流道。
所述流场单元内部设有密封圈子单元，所述密封圈子单元包括设置在所有流场板外围的一号密封圈、设置在两块流场板各进气口和出气口连接处之间的二号密封圈。优选的，密封圈采用橡胶密封圈。
所述单面流场板的一侧为光面，并在相邻的顶角处设有气体进口和气体出口，分别为加湿气体进口与被加湿气体出口，或加湿气体出口与被加湿气体进口，另两个顶角处封闭。
所述上端板、下端板、上缓冲板和下缓冲板的两个顶角设有气口，分别与单面流场板的气体进口和气体出口连通。
所述上端板和下端板的气口处均设有接头，接头与上端板或下端板通过螺栓连接。
所述上端板和下端板的外侧设有多个相互对应的螺栓孔，所述上端板、上缓冲板、流场板、下缓冲板和下端板的对应位置上均设有4个或以上的定位孔，安装时，对应位置上的定位孔位于同一垂直线上。螺栓孔数目为8个或8个以上，定位孔数目为4个或4个以上。保证每个螺栓拧紧力矩为4N·m～6N·m。
所述加湿气体为来自于燃料电池反应后的气体，所述被加湿气体为来自于空气压缩机的空气，不需要额外设置水源对空气进行加湿，更加节能环保。
优选的，端板由金属、塑料及类似物制成，缓冲板由聚四氟乙烯及类似物制成，流场板由塑料、树脂及类似物制成。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)可以根据燃料电池功率大小，增加或减少流场板，以适应不同燃料电池的需求，且加湿效果好；
(2)具有良好的密封效果，保证被加湿气体流经加湿器后压降损失小，气体温度达到燃料电池工作温度；
(3)加湿气体所用的水来自燃料电池本身，不需要额外增加水，更加环保。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明上端板或下端板的结构示意图；
图3为本发明上缓冲板或下缓冲板的结构示意图；
图4为本发明双面流场板中包含加湿气体流体通道一侧的结构示意图；
图5为本发明双面流场板中包含被加湿气体流体通道一侧的结构示意图；
图6为本发明单面流场板一侧的结构示意图。
其中，1为接头，2为上端板，3为螺栓孔，4为定位孔，5为上缓冲板，6为流场单元，61为单面流场板，62为双面流场板，621为平行流道，622为加湿气体进口，623为加湿气体出口，624为蛇形流道，625为支撑肋，626为被加湿气体进口，627为被加湿气体出口，628为支撑钢片，63为一号密封圈，64为二号密封圈，7为透水膜，8为下缓冲板，9为下端板，10为气口。
具体实施方式
下面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。
实施例1
一种用于燃料电池的加湿器，其结构如图1所示，包括依次叠加的上端板2、上缓冲板5、流场单元6、下缓冲板8和下端板9，上端板2和下端板9上均设有接头1，并设立多个螺栓孔3和定位孔4，流场单元6包括多块流场板，包括双面流场板62以及与上缓冲板5或下缓冲板8接触的单面流场板61，每块双面流场板63的两侧分别设有加湿气体流体通道和被加湿气体流体通道，并在流场板的四个顶角处设置气体进口和气体出口，相邻两块流场板之间设有透水膜7，且加湿气体流体通道的气体进出口所在对角线和被加湿气体流体通道的气体进出口所在对角线交叉设置。
其中，上端板、下端板的结构如图2所示，上缓冲板和下缓冲板的结构如图3所示，上端板和上缓冲板的两个顶角设有气口10，分别与单面流场板的气体进口和气体出口连通。上端板和下端板的气口10处均设有接头，接头与上端板或下端板通过螺栓连接，并保证每个螺栓拧紧力矩为4N·m～6N·m。上端板和下端板的外侧设有10个相互对应的螺栓孔3，上端板、上缓冲板、流场板、下缓冲板和下端板的对应位置上均设有4个定位孔4，安装时，对应位置上的定位孔4位于同一垂直线上。
双面流场板中包含加湿气体流体通道一侧的结构如图4所示，包括多条相互平行的平行流道621，每条平行流道621的两端分别与加湿气体进口622和加湿气体出口623，并在加湿气体进口622和加湿气体出口623处设置支撑钢片628。
双面流场板中包含被加湿气体流体通道一侧的结构如图5所示，包括一条蛇形流道624，该蛇形流道624的两端分别与被加湿气体流场板63的被加湿气体进口626和被加湿气体出口627连通。并在被加湿气体进口626和被加湿气体出口627处设有多条与蛇形流道624平行的支撑肋625，支撑肋625长度为2～3cm，被加湿气体进口626和被加湿气体出口627处同时也设置支撑钢片628。
设置支撑肋625和支撑钢片628，对透水膜起支撑作用，防止透水膜被挤压到流道内，堵塞流道。
平行流道621密集、宽度较窄、长度较短，蛇形流道624稀疏、宽度较大、长度较长。平行流道621数量密集、肋多，可以增加流道表面积，强化传热，吸收燃料电池排出空气的热量，使加湿器升温到接近燃料电池的温度。同时由于被加湿气体的压力大于加湿气体的压力，支撑肋可以支撑透水膜，避免透水膜被挤压，堵塞加湿气体流道，流道流程短可以降低流阻。蛇形流道624稀疏且较宽，这是因为燃料电池工作时需要一定的压力，流道较宽，可以降低流阻，保证进入燃料电池内的气体具有一定的压力，同时减少压气机损耗。采用蛇形流道，流程长，增强加湿效果。同时肋少，肋强化传热，提高进入燃料电池内气体的温度，气体通常为空气，而空气比热容较小，容易被加热。
流场单元6内部设有密封圈子单元，密封圈子单元包括设置在所有流场板外围的一号密封圈63、设置在两块流场板各进气口和出气口连接处之间的二号密封圈64，密封圈采用橡胶密封圈，分别如图4和图5所示。
单面流场板的结构如图6所示，单面流场板的一侧封闭，并在相邻的顶角处设有气体进口和气体出口，分别为加湿气体进口与加湿气体出口，或加湿气体出口与被加湿气体进口。
加湿气体为来自于燃料电池反应后的气体，被加湿气体为来自于空气压缩机的空气。

Claims (7)

1.一种用于燃料电池的加湿器，其特征在于，所述加湿器包括依次叠加的上端板、上缓冲板、流场单元、下缓冲板和下端板，所述流场单元包括单面流场板和双面流场板，所述单面流场板与上缓冲板或下缓冲板接触，双面流场板的两侧面的表面设有加湿气体流体通道和被加湿气体流体通道，在流场板的四个顶角处设置气体进口和气体出口，其中位于一条对角线上的两个顶角上设置与加湿气体流体通道两端连通的加湿气体进口和加湿气体出口，另一条对角线的两个顶角上设置与被加湿气体流体通道两端连通的被加湿气体进口和被加湿气体出口；两块流场板之间设有选择性透过水分的透水膜；
所述加湿气体流体通道为多条相互平行的流体通道，每条流体通道的两端分别与加湿气体进口和加湿气体出口连通，所述被加湿气体流体通道为一条或多条蛇形流道，该蛇形流道的两端分别与被加湿气体进口和被加湿气体出口连通；
所述被加湿气体进口和被加湿气体出口处设有多条与蛇形流道平行的支撑肋。
2.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的加湿器，其特征在于，所述加湿气体进口、加湿气体出口、被加湿气体进口及被加湿气体出口与流体通道连接处均铺设有与透水膜平行并用于支撑透水膜的支撑钢片。
3.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的加湿器，其特征在于，所述流场单元内部设有密封圈子单元，所述密封圈子单元包括设置在所有流场板外围的一号密封圈、设置在两块流场板各进气口和出气口连接处之间的二号密封圈。
4.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的加湿器，其特征在于，所述单面流场板的一侧为光面，并在相邻的顶角处设有气体进口和气体出口，分别为加湿气体进口与被加湿气体出口，或加湿气体出口与被加湿气体进口，另两个顶角处封闭。
5.根据权利要求4所述的一种用于燃料电池的加湿器，其特征在于，所述上端板、下端板、上缓冲板和下缓冲板的两个顶角设有气口，分别与单面流场板的气体进口和气体出口连通。
6.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的加湿器，其特征在于，所述上端板和下端板的气口处均设有接头，接头与上端板或下端板通过螺栓连接。
7.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的加湿器，其特征在于，所述上端板和下端板的外侧设有多个相互对应的螺栓孔，所述上端板、上缓冲板、流场板、下缓冲板和下端板的对应位置上均设有4个或以上的定位孔，安装时，对应位置上的定位孔位于同一垂直线上。
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