CN110767923A - 燃料电池膜管增湿器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃料电池膜管增湿器，由于其通过具有不同直径中心通孔的膜管有序或无序的排布，调控进入增湿器内部的干湿气体分布，最大化膜管内外表面干湿气体的接触面积，能够提高湿热交换效率，实现高效增湿。所述增湿器包括：外壳，包括壳体、与之相匹配的首端和尾端、以及两端处设置的湿润气体入口和出口；中通纤维膜管，所述中通纤维膜管的两端被密封材料封装在所述首端和尾端，保证膜管中心通孔不堵塞，其中，所述中通纤维膜管的中心通孔具有不同的直径，尤其在湿润气体集中通过的区域使用具有较大直径中心通孔的膜管；以及端帽，该端帽分别与首端和尾端连接，并设置有干燥气体的入口和出口。

Description

燃料电池膜管增湿器

技术领域

本发明涉及一种燃料电池膜管增湿器，特别地涉及一种能够快速响应的，具有高增湿性能的，尤其适用于大功率燃料电池堆栈的燃料电池膜管增湿器。

背景技术

随着石油燃料的日益减少，环境污染问题的不断加剧，世界已经开始走向后石油经济时代，新能源、可再生能源作为石油的替代产品，正在快速成长和发展。其中，氢能源作为未来具有广阔发展前景的新能源之一，受到越来越多的关注。而作为新能源技术之一的燃料电池，将储存在燃料中的化学能直接转化成电能，由于减少了能量转换的环节，具有远高于内燃机的能量转换效率。尤其，质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种在常温下运行的燃料电池，以氢气这一清洁能源作为阳极燃料，结合了氢能与燃料电池的技术优势，具有低温启动、能量密度高、启动快、性能好、零排放等优势，被公认为电动交通工具、固定发电站等的首选，现如今已经有了大范围应用的趋势。目前，传统汽车企业已经开始采用PEMFC替代燃油发动机，形成无需充电的新能源汽车产品推向了市场。

PEMFC以质子交换膜为质子传导媒介，目前多以Nafion膜为主要材料，它是一种磺化的含氟高聚物，各项综合性能优良，但是要保证其良好的质子导电率，就必须提供足够的水分。过度干燥条件下，没有水分子的参与，质子交换膜传导质子的效率急剧降低，电流回路的欧姆压降增加，电池输出功率降低；但是如果含水量过多，又会发生水淹现象，三相反应界面减少，电化学反应受阻，进而使电池性能急剧衰减。由此可见，维持质子交换膜良好的水化条件是保证PEMFC正常运行并具有良好性能的关键因素。

为了保证质子交换膜含有适量的水分，燃料电池系统中专门增设了增湿环节，增湿效果的好坏很大程度上决定了燃料电池乃至汽车整车的工作性能。发展到现阶段，应用较多的增湿方法主要有鼓泡法、液态水喷射法、焓轮增湿法、湿膜增湿法、自增湿法等。目前惯常采用的做法是，在空气进堆前对其进行外增湿。同样是利用水的渗透扩散来实现对反应气体的增湿，但由于液态水增湿方式需要利用液态的去离子水，不仅增加了系统的自重，而且运行过程中需要不断的补充水分，增加了运营成本。而气体增湿可以利用阴极高湿高热尾气对燃料气进行增湿，有利于整个系统的热量和水分的回收。所以，在不考虑燃料电池体积的前提下，气体增湿成为目前最佳的增湿方式。

现今普遍使用的气体增湿器为膜增湿器，它所采用的是一种能够允许水分子透过的膜材料。根据增湿器结构的不同，膜加湿器可以分为管壳式膜增湿器和板式膜增湿器。前者采用中空纤维膜管，干湿气体分别在膜管内外表面流过，水分通过中空纤维膜管从管膜外表面迁移至内表面，对干燥反应气体进行增湿；后者则在平面的膜片材料两侧分别设置干湿气体流道，水分通过膜平面从潮湿尾气一侧传递到干燥进气一侧实现增湿。这种板式膜增湿器的流道结构设计不仅严重影响气体传输性能，而且导致气体与膜的接触面积有限，从而使得增湿效率并不高。为了提高增湿效率，就需要增加膜材料的面积或数量，同时相应增加双侧流场，从而导致增湿器的体积成倍增加，将不利于整车装配。相对而言，采用中空纤维膜管的管壳式膜增湿器，只需要调整膜管数量就能随意调节增湿性能，以适应大多数不同功率的电堆系统。而且膜管直径小，即使膜管数量增加也不会导致增湿器体积的过分增大。因此，考虑到燃料电池车辆的封装空间有限的问题，目前普遍采用的都是膜管增湿器。

如图1所示，传统的膜管增湿器将中空纤维膜管束集成到塑胶外壳中，两端用高分子材料封装，使干燥气体流经膜管中心通孔，而湿润气体逆向流经膜管外表面，水分经膜外表面迁移至内表面，给干燥气体增湿。当膜管数量不多时，气体通路流畅，干湿气体都能在管束区域均匀的分布；当电堆功率很高，需要使用较多数量的膜管时，在外壳封闭的有限空间内，膜管将会很密集的堆积，从而导致气体流通受阻。如图2所示，外部湿润气体无法快速的到达管束中心区域，相反，内部干燥气体大部分集中在管束中心区流过，从而导致膜管内外气体无法同时与膜管充分接触，膜管有效利用率降低，增湿效率下降。为了提高增湿效率，尤其是针对适应大功率电堆系统的增湿器，目前通用的做法是在外壳中加入隔板，将膜管进行分区封装，如图3所示，如此做法可以有效降低管外湿润气体的流阻，使其可以快速的均匀分布于各个隔板周围，再从隔板的通孔进入到管束中，分布于各膜管外表面。与此同时，隔板间的空腔是气体流阻最小的区域，湿润气体很可能会从入口处沿着空腔区域直接流向出口，导致这一部分的湿润气体无法将所含水分迁移至膜管内部，简而言之，这部分湿润气体完全达不到增湿的效果，其利用率为零。此外，内部隔板占据了膜管增湿器的一部分内部空间，进而减少了单位面积上的膜管数，不利于膜管增湿器的体积压缩。而且，这种隔板的设置，主要是通过改善管外湿润气体分布，降低湿润气体的流阻的方式来提高膜管增湿器的增湿效率，对干燥气体的分布并没有起到过多的调节作用。

发明内容

为了提高增湿效率，克服现有技术的上述问题与不足，本发明提出一种新型结构的燃料电池膜管增湿器，包括外壳、中通纤维膜管以及端帽。其中，所述外壳包括壳体、首端、尾端及两端处设置的湿润气体入口和出口；所述中通纤维膜管的两端被密封材料封装在所述首端和尾端，保证膜管中心通孔不堵塞；端帽分别与首端和尾端连接，并设置有干燥气体的入口和出口。

进一步地，所述外壳与膜管及其封装材料间形成空腔E，富含水分的湿润气体在空腔E中从一侧入口处流向相对应的另一侧出口处；所述端帽与膜管及其封装材料间形成空腔F；干燥气体从端帽处的干燥气体入口经过一侧空腔F进入膜管内部通孔，再进入对应的另一侧空腔F，经过干燥气体出口后与燃料电池堆连接，并且湿润气体与干燥气体保持逆向流动。

进一步地，所述中通纤维膜管具有不同的通孔直径。特别地，膜管增湿器横截面上湿润气体流动阻力较大，不容易到达的区域采用具有相对较小通孔直径的中通纤维膜管，湿润气体容易到达的区域采用通孔直径逐渐变大的膜管。

本发明达到的有益效果是，具有不同通孔直径膜管的使用，不仅可以有效改善气体分布，尤其是干燥气体的流动分布，使膜管增湿器均匀的对干燥气体进行增湿；而且，大通孔直径的膜管同时降低了干湿气体的流动阻力，降低了整体压降；同时，不用设置额外的隔板来疏通气体流道，简化了内部结构，节省了内部空间，提高了膜管增湿器的装配效率，进而从整体上提高了增湿性能。

附图说明

附图旨在用于描述基于本发明内容主体思想的示例性实施方式的参考，而不应解释为限制本发明内容的技术精神。

图1 传统的用于燃料电池的膜管增湿器剖面结构及工作原理示意图。

图2 传统的用于燃料电池的膜管增湿器截面结构示意图。

图3 含有隔板的用于燃料电池的膜管增湿器的截面结构示意图。

图4 根据本发明的某实施例的膜管增湿器的剖面及工作原理结构示意图。

图5 根据本发明的某实施例的膜管增湿器的截面结构示意图。

图6 根据本发明的其中另一实施例的膜管增湿器的截面结构示意图。

图中标记的含义：100 膜管增湿器，110 外壳（包括：111 壳体，112 尾端，113 首端），120尾端端帽，130首端端帽，140 膜管支撑构件，150 密封材料,160中通纤维膜管,170隔板， 180 隔板通孔， 190膜管支撑构件进气孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施案例，对本发明做进一步的解释说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅被用以解释说明本发明内容，并不能作为对本发明的限制。

传统的燃料电池膜管增湿器100是通过封装在其中的中空纤维膜管160将分布在管外壁的湿润气体中的水分迁移至管内，从而对通过管内的干燥气体进行增湿，参照图1所示。当管束尺寸越大，膜管数目越多时，大部分干燥气体主要沿处于中空纤维膜束的中心部分的中空纤维膜管160内部流动，与此同时，由于中空纤维膜管束中的膜管堆积紧密，对流经的气体形成阻力，使得富含水分的湿润气体主要沿位于中空纤维膜束的外侧的中空纤维膜管160的外表面流动，如图2所示。这种结构不可避免的会造成气体分布失衡，使得干燥气体和湿润气体之间经膜管的接触程度降低，进而导致使用过程中中空纤维膜的恶化以及加湿效率的降低。

为了解决干湿气流在膜管增湿器100中分布不均，气体流动阻力大的问题，研究者们普遍采用的做法是：在中空纤维膜管束中设置各种不同形式的隔板170，典型的实施方式如图3所示。中通纤维膜管160与外壳110所形成的空间被隔板170划分为多个单元空间，湿润气体被引入至膜管增湿器100后，经隔板170上所设置的多个隔板通孔180分配至各个空间单元。如此，湿润气体可以均匀地流过各个单元空间，从而向流经中通纤维膜管160内部的干燥气体提供水分和热量，增大加湿效率。这种隔板结构能够在一定程度上改善气体分布，但是，隔板本身具有一定的体积，会占据一定的膜管增湿器外壳110内部空间，从而减少中通纤维膜管160的最大可装配数量。如果隔板太厚，则降低了膜管增湿器的集成效率；隔板太薄则耐久性受到影响从而影响使用寿命。此外，隔板的设置虽然一定程度上改善了湿润气体的分布，但并没有从根本上解决干燥气体回路的气体分布不均问题，大部分干燥气体仍然会选择从靠近干燥气体入口的中心区域进入中通纤维膜管160的中间通孔，从而影响膜管增湿器100的增湿效率。

图示4和5是根据本发明的一个实施例的管型膜管增湿器100的纵向剖面图和横向截面图及其气体主要分布示意。膜管增湿器100包括两端开口的外壳110，首端端帽130与尾端端帽120通过卡扣形式分别与外壳110的首尾两端相连接。中通纤维膜管160的首尾两端与膜管支撑构件140以及外壳110的首尾两端之间采用密封材料150进行密封。如此，膜管增湿器100中将分别在中通纤维膜管160的膜内外表面形成两个隔离的气体流通回路，即

（1）管外湿润气体回路：从燃料电池电堆系统排出的湿润尾气从位于外壳110尾端的湿润气体入口C进入膜管增湿器100，穿过中通纤维膜管160的膜外表面所形成的空间后，经首端上所设置的湿润气体出口D排放至大气中；

（2）管内干燥气体回路：待加湿的干燥气体从位于首端端帽130的干燥气体入口A进入膜管增湿器100，穿过中通纤维膜管160的膜内表面所形成的中心通孔，与经过中通纤维膜管160的膜外表面的湿润气体进行湿热交换，干燥气体转换成为富含水分的气体后经尾端端帽120所设置的加湿后气体出口B排出，其后再进入燃料电池电堆系统。

特别地，本发明通过采用具有不同通孔直径的中通纤维膜管160的方式来调节气体在膜管增湿器100内部的分布，如图5直观的给出了其中某一个具有不同通孔直径膜管的分布图实施例。在气体更易到达的中心区域，选用通孔直径较小的膜管，在远离中心的边缘区域，沿着中心点至外侧的方向可以选择通孔直径更大的膜管。干燥气体从干燥气体入口A进入膜管加湿器100，由于中心区膜管通孔直径小，单位时间内的气体通过量降低，进而迫使更多干燥气体进入外侧区域所在的中通纤维膜管，使干燥气体分布达到相对平衡，如图4箭头所示。从燃料电池电堆排出的湿润气体从湿润气体入口C进入膜管增湿器100，大部分气体会集中在中通纤维膜管束外侧区域的膜管外表面，湿润气体流向如图5箭头所示。湿润气体在膜管增湿器100中的分布与中通纤维膜管160的密集程度有关。当膜管密集程度较大时，相对较大的通孔直径并不能从根本上改变湿润气体的分布，但是由于经过膜管内表面的干燥气体也大部分集中流经外侧区域的中通纤维膜管160管内，干湿气体同时经过膜管内外表面的比例增加，湿润气体中所分离出水分的利用率提高，从而可以有效的提高湿热交换效率。

图6是根据本发明的另一实施例的管型膜管增湿器100的横向截面图。通孔直径较大的膜管分布在靠近膜管支撑构件进气孔190(即湿润气体进气处)所在一侧，而通孔直径较小的膜管则对应的分布在远离膜管支撑构件进气孔190的另一侧。湿润气体进入膜管增湿器后，大部分气体仍然集中在靠近入口位置一侧流动，如图6所示的不同通孔直径膜管的分布方式，使得干燥气体进入膜管增湿器后也主要集中在靠近湿润气体进气一侧流动，进而同样增大了干湿气体的湿热交换效率。

综上所述，本发明的用于燃料电池的膜管增湿器具有以下的有利效果。

1. 具有不同通孔直径的中通纤维膜管被封装于外壳内部，而且靠近湿润气体入口位置选用大通孔直径的中通纤维膜管，远离湿润气体入口方向采用小通孔直径的中通纤维膜膜管，使得进入膜管增湿器的干燥气体及湿润气体全都在相对大通孔直径的中通纤维膜管所在位置集中，因此膜的利用率增加，湿热交换效率提高。

2. 根据本发明的思想，提高湿热交换效率不再是通过额外增加隔板或其他膜管单元模块化结构元件来改善气体分布，能够节省膜管增湿器的内部空间，将隔板等结构元件所占据的空间留给中通纤维膜管，同时减小膜管增湿器尺寸，大大简化了膜管增湿器的结构，降低了生产成本，提高了产品可靠性。

3. 大部分干燥气体从相对较大通孔直径的中通纤维膜管中通过，降低了膜管增湿器出入口的压降量，进而提高了鼓风机的使用寿命。

4. 通过调整不同通孔直径的中通纤维膜管的分布位置，可以简单快捷的匹配各种不同结构膜管增湿器，实现内部干湿气体均衡分布。

基于解释和说明的目的，已经给出了关于本发明的具体示例性的实施案例的前述说明。该说明并非意在穷举或者将本发明限制在所公开的确切形式，在上述说明启示下，显然具有多种变形和改进的可能。选择和说明示例性实施例是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使本领域技术人员能够实现和利用本发明的各种实施性案例及其各种替换形式及改进型。本发明的范围应由所附权利要求及其等效形式来限定。

Claims (5)

1.一种新型结构燃料电池膜管增湿器，包括：外壳、中通纤维膜管以及端帽。

2.根据权利要求1所述的新型结构燃料电池膜管增湿器，所述外壳包括壳体、与之相匹配的首端和尾端、以及两端处设置的湿润气体入口和出口；所述中通纤维膜管的两端被密封材料封装在所述首端和尾端，保证膜管中心通孔不堵塞；端帽分别与首端和尾端连接，并设置有干燥气体的入口和出口。

3.根据权利要求2所述的新型结构燃料电池膜管增湿器，所述壳体横截面可以是圆形、椭圆形、方形、长方形、任意多边形结构。

4.根据权利要求2所述的新型结构燃料电池膜管增湿器，所述外壳与所述中通纤维膜管及密封材料间形成空腔E，富含水分的湿润气体在空腔E中从一侧入口处流向对应的另一侧出口处；所述端帽与所述中通纤维膜管及密封材料间形成空腔F，干燥气体从端帽处的干燥气体入口经过一侧空腔F进入膜管中心通孔，流经对应的另一侧空腔F，经干燥气体出口与燃料电池堆连接，并使干燥气体与湿润气体呈逆向流动。

5.根据权利要求1所述的新型结构燃料电池膜管增湿器，所述中通纤维膜管具有不同直径的中心通孔，特别地，膜管增湿器横截面上湿润气体流动阻力较大，不容易到达的区域采用通孔直径相对较小的中通纤维膜管，湿润气体容易到达的区域采用通孔直径逐渐变大的中通纤维膜管。

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