CN109378502A - 一种汽车燃料电池动力系统的膜加湿器 - Google Patents

Abstract

一种汽车燃料电池动力系统的膜加湿器，涉及燃料电池系统零部件技术领域，包括壳体、第一通流部、第二通流部，壳体内有十字交叉并贯穿壳体的第一流体通路和第二流体通路，第一通流部具有两个并呈中心对称位于第一流体通路的两端，第一通流部具有斜向的导流部，第二通流部具有两个并呈镜像对称位于第二流体通路的两端，壳体内还存在有沿第二流体通路方向设置并连接两端第二通流部的膜管束单元。通过该膜加湿器，燃料电池堆阴极侧出口尾气排出的湿空气具有更好的气体分布均匀性、流通路径简单、压力损失小、不产生紊流，可以与进入燃料电池堆阴极侧进口的待反应的干空气实现充分、高效的水分交换，满足燃料电池堆阴极侧对进气湿空气的需求。

Description

一种汽车燃料电池动力系统的膜加湿器

技术领域

本发明涉及燃料电池系统零部件技术领域，尤其涉及一种汽车燃料电池动力系统的膜加湿器。

背景技术

汽车的出现对人类社会经济、科技、文化产生了巨大影响。目前，汽车已成为人们日常生活中不可缺少的代步和运输工具，汽车工业也成为现代经济的支柱产业。随着国民经济快速发展，我国汽车工业也将面临一个快速发展的机遇期。随着全球汽车保有量的急剧提升，传统内燃机汽车所带来的能源和环境问题日益严重，能源短缺和环境污染是21世纪汽车工业面临的两大挑战。

在节能减排的大趋势下，质子交换膜燃料电池汽车作为新能源汽车的一种解决方案，近几年来成为国际研究热点之一。但燃料电池汽车实现全球产业化之前，还有许多问题需要解决，其中燃料电池的空气供应系统就是比较关键的问题之一。燃料电池的空气供应系统有空压机和膜加湿器两个关键零部件，其中，膜加湿器通过燃料电池自身反应产出的富水的尾排空气起到对进入燃料电池堆的干燥空气加湿、防止膜干现象、提高电堆工作效率及寿命的作用。

目前常用的加湿方法有内部加湿法和外部加湿法，其中外部加湿方式包括鼓泡法加湿、喷水加湿、晗轮加湿和膜加湿等。膜加湿因具有结构简单、无运动部件、耐久性好、无需消耗燃料电池能量、利用尾气进行加湿、提高系统效率等优势成为加湿方式中的研究热点。目前常用的膜加湿器有板式膜加湿器和管式膜加湿器。

另外膜加湿器内部流道气体分布均匀性在一定程度上影响膜加湿器的加湿能力，气体分布均匀性越好、流道阻力越小，膜加湿器的加湿性能越好。而现有技术中，如一般为提高水汽交换效率，采用富水的排出空气与干燥的反应空气对向流动的方式，但是该方式为从一端向另一端的送风换湿，一方面，为实现逆流的换湿流动结构，反应空气和排出空气的湿度最大段在同一处，湿度最小段在同一处，会导致换湿效率的下降；另一方面，其上进上出且具有多个横置膜管的结构内容易发生因气体分布均匀性差、阻力大造成流动空气的碰撞、紊乱，导致水分交换效率的下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽车燃料电池动力系统的膜加湿器通过该膜加湿器，燃料电池堆阴极侧出口尾气排出的湿空气具有更好的气体分布均匀性、气体流通路径简单、压力损失小、不会产生紊流，可以与进入燃料电池堆阴极侧进口的待反应的干空气实现充分、高效的水分交换，满足燃料电池系统中燃料电池堆阴极侧对进气湿空气的需求。

为实现发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种汽车燃料电池动力系统的膜加湿器，包括壳体、第一通流部、第二通流部，所述壳体内存在有十字交叉并贯穿所述壳体的第一流体通路和第二流体通路，所述第一通流部具有两个并呈中心对称位于所述第一流体通路的两端，所述第一通流部具有斜向的导流部，所述第二通流部具有两个并呈镜像对称位于所述第二流体通路的两端，所述壳体内还存在有沿所述第二流体通路方向设置并连接两端所述第二通流部的膜管束单元。

由此，从燃料电池中反应完成由阴极送出的富含水分的尾排空气通过管道由两个第一通流部沿第一流体通路穿过壳体，待进入燃料电池参与反应的干燥空气由两个第二通流部沿第二流体通路穿过壳体内的膜管束单元内部，通过膜管束单元两侧的水压差实现水分的交换，实现为干燥空气的加湿。十字交叉的第一流体通路和第二流体通路使得在膜管束单元区域两种空气为交叉式的换湿方式，换湿空气的分布更为均匀。同时，中心对称的第一通流部的两个导流部和壳体形成横-竖-横的流动路径，在进入壳体前，其内的尾排空气即沿斜向的导流部形成由后向前均向下流动，即尾排空气以较大的面的形式进入壳体内进行换湿，进一步提高了空气的分布均匀性。同时，沿导流部横向流动的尾排空气在膜管束单元的上方和下方也形成了与干燥空气的逆流流动，即形成了逆流交叉式的气体流动布局，进而可在实现交叉换湿的优点的同时还具有逆流换湿平均湿度差最大、换湿效率最好的优点。

作为本发明的优选，所述导流部为纵向截面呈横置的直角梯形，所述导流部于对应所述直角梯形的高的一侧具有连接所述壳体的第一通流口，对应所述直角梯形下底一侧具有第一通流嘴。

由此，尾排空气从第一通流嘴处横向进入，首先接触直角梯形的斜边，在斜边的反射转向作用下位于各个高度的尾排空气在斜边上对应的不同位置转向向下从直角梯形的高边处进入壳体实现交叉换湿，并在最末端通过直角梯形的上底的遮挡将剩余的所有空气导向向下，有效限位了尾排空气的流动方向，实现了较为清晰、确定的尾排空气流道，提高尾排空气流动的效率。部分未由斜边反射向下的尾排空气即横向流动至接触上底后转向，在其横向流动时即实现了逆流换湿的效果。

作为本发明的优选，所述第二通流部包括依次连接的第二通流嘴、连接部和第二通流口，所述第二通流口固接于所述壳体。

作为本发明的优选，所述连接部呈由所述第二通流嘴向所述第二通流口渐大的喇叭状。

由此，干燥空气通过第二通流部进入壳体内的膜管束单元，并在另一端通过第二通流部流入燃料电池，喇叭状的连接部使得干燥空气在进入时可有效分散，以均匀分布的形式进入膜管束单元，提高换湿效率；在排出时通过喇叭的汇集作用提高流速进入燃料电池，提高反应效率，同时末端较快的流速形成的低压可导向、加速干燥空气的向末端的流动，提高流动效率，降低流道阻力。

作为本发明的优选，所述壳体内存在有沿所述第二流体通路方向设置的导流壁，所述导流壁呈周向围绕于所述膜管束单元的围合壁。

作为本发明的优选，所述导流壁于朝向所述第一通流部处具有导流格栅。

作为本发明的优选，所述导流格栅包括多个短边与所述第二流体通路同向的矩形口。

作为本发明的优选，所述导流壁的位于所述导流格栅两侧的壁面呈弧形。

由此，通过导流壁可以规范尾排空气在壳体内的流动，其围合的结构使得尾排空气不会向其它地方流动，保证与膜管束单元的充分接触；其导流格栅进一步提高向下流入的尾排空气的分布均匀性；其弧形壁面如上述连接部的效果，可以提高流动效率、降低流道阻力，进而提高换湿效率。

作为本发明的优选，所述第一通流部、第二通流部与所述壳体间具有密封圈。

由此，在壳体内的气体和水分只能从第一通流部和第二通流部处进出，进一步提高流道的规范性、确定性，也减少了泄漏损失。

作为本发明的优选，所述膜管束单元包括多根集束的中空纤维管。

由此，多根中空纤维管可以有效提高膜管束单元在有限空间内的接触面积，提高换湿效率。

本发明的有益效果在于：

1、通过第一通流部可以形成逆流交叉式的气体流动布局，换湿时气体分布均匀性好、平均湿度差大、换湿性能好，效率高；

2、通过第二通流部和导流壁实现较高的换湿效率，同时，气体流动路径较为规范、确定，进一步提高效率；

3、有效减少泄漏、紊流等损失，进一步提高换湿效率。

附图说明

图1为本发明的三维示意图；

图2为本发明壳体的三维示意图；

图3为本发明壳体的俯视图；

图4为本发明的纵向截面示意图；

图中各项分别为：1壳体，11导流壁，12导流格栅，13密封槽，2第一通流部，21第一通流嘴，22导流部，23第一通流口，3第二通流部，31第二通流嘴，32连接部，33第二通流口，4膜管束单元。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细描述：

如图1、2、3、4所示的一种汽车燃料电池动力系统的膜加湿器，包括壳体1、第一通流部2、第二通流部3。

壳体1为一个长方体的空心壳体，其上下两面开设有两个矩形孔，前后两面开设有两个圆孔，其内存在有十字交叉并贯穿壳体1的第一流体通路和第二流体通路，第一流体通路由以两个矩形孔为顶底组成的四棱柱空间形成，即为燃料电池中反应完成的富水的尾排空气的流动路径，第二流体通路由以两个圆孔为前后端面组成的圆柱体空间形成，即为待进入燃料电池的干燥空气的流动路径。壳体内还存在有沿第二流体通路方向设置并连接两端下述的第二通流部3的膜管束单元4，膜管束单元4包括多根集束的中空纤维管，中空纤维管两端通过挡板限位固接，挡边可密封安装在壳体1前后的圆孔中，同时起到隔离限制干燥空气只能从中空纤维管内进出流动的隔离作用。在工作时，第一流体通路内流动的尾排空气位于中空纤维管外侧，其中的水分被中空纤维管的壁面吸收，同时，干燥空气由中空纤维管内流过，中空纤维管壁面的水分因外侧水压较大，向内流动，干燥空气即在流动时将流入的水分带走具有一定的湿度，从而可以进入燃料电池进行反应。

壳体1内焊接或一体成型有沿第二流体通路方向的导流壁11，导流壁11呈周向围绕于膜管束单元4周围的椭圆形截面的围合壁。导流壁11于朝向第一通流部2处一体成型有导流格栅12。导流格栅12包括多个短边与第二流体通路同向的矩形口，为防止尖角导致气流不稳定，矩形口都进行圆角处理，其在前后方向上可将空气均分为多道气流，提高气体的分布均匀性。导流壁11的位于导流格栅两侧的壁面呈弧形。

第一通流部2具有两个并呈中心对称位于第一流体通路的两端。第一通流部具有斜向的导流部22，导流部22为纵向截面呈横置的直角梯形，导流部22于对应直角梯形的高的一侧具有连接壳体1的第一通流口23，第一通流口23为矩形口，与壳体1上的矩形孔相对应，第一通流口23周围具有翻边，在翻边上通过螺钉或铆钉实现与壳体1的固接，对应直角梯形下底一侧具有第一通流嘴21，第一通流嘴21为圆柱管。尾排空气从上方的第一通流部2进入，在导流部22内沿壳体1横向流动，同时部分尾排空气接触斜边后转向下流入壳体1，并最终由下方的第一通流部2流出。

第二通流部3具有两个并呈镜像对称位于第二流体通路的两端，包括依次连接的圆管第二通流嘴31、连接部32和第二通流口33，第二通流口33呈与壳体1上圆孔相同的圆口，其周围也具有翻边，并通过翻边上的螺钉或铆钉固接于壳体1。连接部32呈由第二通流嘴31向第二通流口32渐大的喇叭状。

壳体1的矩形孔和圆孔周围加工有与其形状相同且尺寸更大的密封槽13，第一通流部2、第二通流部3与壳体1间在安装后在密封槽13内镶嵌有密封圈。

以上实施例只是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种汽车燃料电池动力系统的膜加湿器，包括壳体、第一通流部、第二通流部，其特征在于，所述壳体内存在有十字交叉并贯穿所述壳体的第一流体通路和第二流体通路，所述第一通流部具有两个并呈中心对称位于所述第一流体通路的两端，所述第一通流部具有斜向的导流部，所述第二通流部具有两个并呈镜像对称位于所述第二流体通路的两端，所述壳体内还存在有沿所述第二流体通路方向设置并连接两端所述第二通流部的膜管束单元。

2.根据权利要求1所述的一种汽车燃料电池动力系统的膜加湿器，其特征在于，所述导流部为纵向截面呈横置的直角梯形，所述导流部于对应所述直角梯形的高的一侧具有连接所述壳体的第一通流口，对应所述直角梯形下底一侧具有第一通流嘴。

3.根据权利要求2所述的一种汽车燃料电池动力系统的膜加湿器，其特征在于，所述第二通流部包括依次连接的第二通流嘴、连接部和第二通流口，所述第二通流口固接于所述壳体。

4.根据权利要求3所述的一种汽车燃料电池动力系统的膜加湿器，其特征在于，所述连接部呈由所述第二通流嘴向所述第二通流口渐大的喇叭状。

5.根据权利要求1所述的一种汽车燃料电池动力系统的膜加湿器，其特征在于，所述壳体内存在有沿所述第二流体通路方向设置的导流壁，所述导流壁呈周向围绕于所述膜管束单元的围合壁。

6.根据权利要求5所述的一种汽车燃料电池动力系统的膜加湿器，其特征在于，所述导流壁于朝向所述第一通流部处具有导流格栅。

7.根据权利要求6所述的一种汽车燃料电池动力系统的膜加湿器，其特征在于，所述导流格栅包括多个短边与所述第二流体通路同向的矩形口。

8.根据权利要求7所述的一种汽车燃料电池动力系统的膜加湿器，其特征在于，所述导流壁的位于所述导流格栅两侧的壁面呈弧形。

9.根据权利要求1所述的一种汽车燃料电池动力系统的膜加湿器，其特征在于，所述第一通流部、第二通流部与所述壳体间具有密封圈。

10.根据权利要求1所述的一种汽车燃料电池动力系统的膜加湿器，其特征在于，所述膜管束单元包括多根集束的中空纤维管。