CN113871670A - 一种燃料电池板式膜富氧器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池板式膜富氧器，至少包括空气端板、富氧端板、流场板以及分离膜组件；其中空气端板和富氧端板位于板式膜富氧器的两端面，两者之间通过螺栓连接；空气端板上设置空气接口，富氧端板上设置富氧出口接口和氮气出口接口；流场板与分离膜组件设置于富氧端板和空气端板之间，且流场板和分离膜组件之间间隔设置，流场板与分离膜组件上对应设置有可供气体流通的通道。该结构通过设置分离膜组件，将空气中氮气分离出去，有效降低压缩空气中的氮气含量，使得进入电堆的空气氧气浓度大大提高，也可以配合控制器实现进堆气体的可变氧浓度供气；采用板式结构体积小，耐压差强度高，分离效率高，气阻更小；安装便利，适用范围广。

Description

一种燃料电池板式膜富氧器

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池系统领域，具体为一种燃料电池板式膜富氧器。

背景技术

质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有环保、高效、启动速度快、功率密度大等优点，是未来交通动力系统的主要竞争者之一，当氢气和空气中的氧气通过质子交换膜在催化剂的作用下进行电化学反应发电时为了提高发电效率，通常对空气进行压缩，主要目的是提高氧气的浓度从而实现有限反应体积下氢气与氧气更多的接触机会从而提高反应效率。目前的燃料电池发动机系统通常设有空气滤清器，空压机，中冷器，增湿器，空气依次经过上述部件经过过滤、压缩、降温、增湿后进入电堆。由于入堆空气的含氧量只有20%左右，因而在经过电堆的空气中有约80%的不参与电化学反应的氮气是作为废气参与，这增加了系统负担，对相应零部件提出了更高的技术要求，同时也造成了极大浪费。

对于电堆来说，为了实现较高的能量密度，需要提高气体反应的压力，这对电堆的密封，双极板的抗压性能以及气密性都提高了要求，增加了技术难度以及成本。

对于空压机来说，其消耗的功率中有近80%进行毫无意义的氮气压缩；同时为了在有限空间内提供足够度的高压空气，空压的压比通常非常高，因而电机需要更高的转速，空压机也需要更高的耐压要求和密封要求，这无疑提高了空压机的技术难度和成本。

对于增湿器来说，同样道理，其增湿能力有近80%消耗在氮气的增湿上，如果进堆气体的氧浓度提高，就可以降低对增湿器的要求从而使用更小成本更低的增湿器。

对于中冷器来说，通过耐高温的膜富氧器可以在压缩气体进入中冷器以前将部分氮气去除，从而大大降低对中冷器降温能力的要求，同时降低中冷器成本以及冷却所形成的寄生功率。

而能提供富氧功能的管式膜富氧器能实现部分上述功能，但其体积较大，流阻大从而消耗系统功率依然较多，对空压机也提出了较高的要求。管式膜富氧器因结构原因通常不能在负压环境下工作，通常安装于空压机之后，或者采用两级增压，对空压机要求高，废气必须经过空压机造成空压机功率浪费。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种燃料电池板式膜富氧器，以解决上述问题。

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燃料电池板式膜富氧器，以缩小膜富氧器体积，提高燃料电池系统的能量密度比，并降低成本。

为了解决上述问题，本发明提供一种燃料电池板式膜富氧器，至少包括空气端板、富氧端板、流场板以及分离膜组件；其中所述空气端板和所述富氧端板位于板式膜富氧器的两端面，两者之间通过螺栓连接；所述空气端板上设置空气接口，所述富氧端板上设置富氧出口接口和氮气出口接口；所述流场板与所述分离膜组件设置于所述富氧端板和所述空气端板之间，且所述流场板和所述分离膜组件之间间隔设置，所述流场板与所述分离膜组件上对应设置有可供气体流通的通道。

进一步的，所述流场板为板状结构，其上设置有与所述空气接口、所述富氧出口接口、所述氮气出口接口相连通的，贯穿所述流场板的空气气道、富氧气道及氮气气道；所述流场板具有A、B两个相反的板面，其中，A板面设置为空气流场板；B板面设置为富氧流场板。

进一步的，所述流场板上位于所述空气流场板一侧设置有若干空气流道，该空气流道为单向流道，即空气从所述空气流道一端进入，经过与所述分离膜组件接触后形成废气从所述空气流道流出，汇集到废气口；所述富氧流场板一侧设置有若干富氧流道，所述富氧流道为环形流道，经过所述分离膜组件的富氧气体经该环形流道汇集后进入富氧口。

进一步的，所述流场板上的所述空气气道、所述氮气气道以及所述空气流道的周围设有一密封胶圈，在空气气道的本侧设有独立密封胶圈，在氮气气道的本侧也设有独立密封胶圈；所述富氧流道与所述富氧气道周围设置有密封胶圈，在所述富氧气道周围设有独立密封胶圈。

进一步的，所述分离膜组件的中间区域设置有分离膜以及用于固定分离膜的分离膜架，所述分离膜架上设有与所述流场板相对应贯通的空气气道、富氧气道和氮气气道。

进一步的，所述分离膜架与设在所述流场板两侧的各所述密封胶圈通过压力形成密封，形成空气、以及分离后氮气和富氧气体的独立空间。

进一步的，所述分离膜采用独特结构的高分子复合膜材料，具有让空气中氮气以外的气体更容易通过的特性，在压差和浓差驱动下可以分离出部分或全部氮气，从而提高了剩余气体即富氧气体的氧气浓度。

进一步的，所述流场板的所述空气流场板和所述分离膜组件依次排列形成一组单元模组，由所述流场板的所述富氧流场板一侧直接连接所述空气端板，单元模组循环叠加，在最后一组单元模组后叠加一片所述流场板，直接连接所述富氧端板，从而形成一板式膜富氧器。

进一步的，每一个板式膜富氧器中，所述流场板的数量较所述分离膜组件的数量多一片。

进一步的，所述富氧器可以安装于空滤之后，空压机之前，可实现在负压工况下工作，即进气侧无需加压，富氧侧被空压机抽取空气的负压可以满足所述膜分离组件实现气体分离的要求。

通过实施上述本发明提供的燃料电池板式膜富氧器，具有如下技术效果：

（1）本技术方案中，通过设置分离膜组件，将空气中氮气分离出去，有效降低压缩空气中的氮气含量，使得进入电堆的空气氧气浓度大大提高，也可以配合控制器实现进堆气体的可变氧浓度供气；

（2）本技术方案中，采用板式结构形成空气、富氧气体、氮气的流体通道，极大减小应用体积，使得该膜富氧器的耐压差更强，分离效率更高，气阻更小；

（3）本技术方案的膜富氧器安装便利，适用范围广。

附图说明

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：

图1是本发明实施例中膜富氧器结构示意图；

图2是图1中富氧端板和空气端板结构示意图；

图3是图1中流场板A板面结构示意图；

图4是图1中流场板B板面结构示意图；

图5是图1中分离膜组件结构示意图；

图6是图1流场板与分离膜组件排布示意图；

图中，

1、空气端板；10、螺栓孔；11、空气接口；12、螺栓；

2、富氧端板；20、富氧出口接口；21、氮气出口接口；

3、流场板；30、空气流场板；300、空气流道；31、富氧流场板；310、富氧流道；32、空气气道；33、富氧气道；34、氮气气道；

4、分离膜组件；40、分离膜；41、分离膜架；

5、密封胶圈；

图中箭头表示气体流向。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面采用实施例详细描述本发明的技术方案。

如图1所示，是本实施例提供的一种燃料电池板式膜富氧器，至少包括空气端板1、富氧端板2、流场板3以及分离膜组件4；其中空气端板1和富氧端板2位于板式膜富氧器的两端面，两者之间通过螺栓12连接；空气端板1上设置空气接口11，富氧端板2上设置富氧出口接口20和氮气出口接口21；流场板3与分离膜组件4设置于富氧端板2和空气端板1之间，且流场板3和分离膜组件4之间间隔设置，流场板3与分离膜组件4上对应设置有可供气体流通的通道。

基于上述结构，该板式膜富氧器的具体结构表述为：

结合图2所示，空气端板1和富氧端板2均为单片式的板状结构，在空气端板1和富氧端板2的外圈设置有若干螺栓孔10，两端板的螺栓孔10数量和位置均对应设置，螺栓12通过螺栓孔10连通两端板；在空气端板1的上方，螺栓孔10内侧位置设置有空气接口11，该空气接口11连通外部压缩空气，压缩空气由该空气接口11进入板式膜富氧器内进行分离流通；在富氧端板2的下方，螺栓孔10内侧设置富氧出口接口20和氮气出口接口21，进行富氧气体的流通和废气排出。

结合图3-4所示，流场板3为板状结构，小于所述空气端板1和所述富氧端板2上所述螺栓孔10围成的尺寸，流场板3上设置有与空气接口11、富氧出口接口20、氮气出口接口21相连通的空气气道32、富氧气道33及氮气气道34，空气气道32位于上方，富氧气道33及氮气气道34位于下方，且三个气道贯穿流场板3的；流场板3具有A、B两个相反的板面，其中，A板面设置为空气流场板30；B板面设置为富氧流场板31。

流场板3上位于空气流场板30一侧设置有若干空气流道300，该空气流道300为单向流道，即空气从空气流道300一端进入，经过与分离膜组件4接触后形成废气从空气流道300流出，汇集到废气口；流场板3上的空气气道32、氮气气道34以及空气流道300的周围设有一密封胶圈5，在空气气道32的本侧设有独立密封胶圈5，在氮气气道34的本侧也设有独立密封胶圈5；富氧流场板31一侧设置有若干富氧流道310，富氧流道310为环形流道，经过分离膜组件4的富氧气体经该环形流道汇集后进入富氧口；富氧流道310与富氧气道33周围设置有密封胶圈5，在富氧气道33周围设有独立密封胶圈5。

结合图5所示，分离膜组件4大小与流场板3相当，均小于空气端板1和富氧端板2上螺栓孔10围成的尺寸，分离膜组件4的中间区域设置有分离膜40以及用于固定分离膜40的分离膜架41，分离膜架41上设有与流场板3相对应贯通的空气气道32、富氧气道33和氮气气道34；分离膜架41与设在流场板两侧的各密封胶圈5通过压力形成密封，这样就形成空气、以及分离后氮气和富氧气体的独立空间。

在本实施例中，分离膜40采用独特结构的高分子复合膜材料，具有让空气中氮气以外的气体更容易通过的特性，在压差和浓差驱动下可以分离出部分或全部氮气，从而提高了剩余气体即富氧气体的氧气浓度。

基于上述结构，板式膜富氧器的具体组成形式为：流场板3的空气流场板30和分离膜组件4依次排列形成一组单元模组，由流场板3的富氧流场板31一侧连接空气端板1，若干单元模组循环叠加，如图6所示，具体叠加的数量根据实际需要决定单元模组的个数，在最后一组单元模组后叠加一片流场板3，或在单元模组的最后一片分离膜组件去掉，保留流场板3，由流场板3的空气流场板30连接富氧端板2，最后通过设在空气端板1和富氧端板2上的螺栓12紧固形成一板式膜富氧器。这种结构中，每一个板式膜富氧器中，流场板3的数量较分离膜组件4的数量多一片。

在实际使用中，板式膜富氧器可以安装于燃料电池的空气滤清器之后，空压机之前，可实现在负压工况下工作，即进气侧无需加压，板式膜富氧侧被空压机抽取空气的负压可以满足膜分离组件4实现气体分离的要求。

基于上述板式膜富氧器，分离膜组件4的设置可以有效降低压缩空气中的氮气含量，使得进入电堆的空气氧气浓度大大提高，也可以配合控制器实现进堆气体的可变氧浓度供气；板式富氧器比膜管式富氧器具有体积更小，耐压差更强，分离效率更高，气阻更小的优势。

需要补充说明的是，除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”“端”、“侧”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何用途或者适应性变化，这些用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求书指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的结构，并且可以在不脱离其范围的前提下进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (10)

1.一种燃料电池板式膜富氧器，其特征在于，至少包括空气端板、富氧端板、流场板以及分离膜组件；其中所述空气端板和所述富氧端板位于板式膜富氧器的两端面，两者之间通过螺栓连接；所述空气端板上设置空气接口，所述富氧端板上设置富氧出口接口和氮气出口接口；所述流场板与所述分离膜组件设置于所述富氧端板和所述空气端板之间，且所述流场板和所述分离膜组件之间间隔设置，所述流场板与所述分离膜组件上对应设置有可供气体流通的通道。

2.如权利要求1所述的燃料电池板式膜富氧器，其特征在于，所述流场板为板状结构，其上设置有与所述空气接口、所述富氧出口接口、所述氮气出口接口相连通的，贯穿所述流场板的空气气道、富氧气道及氮气气道；所述流场板具有A、B两个相反的板面，其中，A板面设置为空气流场板；B板面设置为富氧流场板。

3.如权利要求2所述的燃料电池板式膜富氧器，其特征在于，所述流场板上位于所述空气流场板一侧设置有若干空气流道，该空气流道为单向流道，即空气从所述空气流道一端进入，经过与所述分离膜组件接触后形成废气从所述空气流道流出，汇集到废气口；所述富氧流场板一侧设置有若干富氧流道，所述富氧流道为环形流道，经过所述分离膜组件的富氧气体经该环形流道汇集后进入富氧口。

4.如权利要求3所述的燃料电池板式膜富氧器，其特征在于，所述流场板上的所述空气气道、所述氮气气道以及所述空气流道的周围设有一密封胶圈，在空气气道的本侧设有独立密封胶圈，在氮气气道的本侧也设有独立密封胶圈；所述富氧流道与所述富氧气道周围设置有密封胶圈，在所述富氧气道周围设有独立密封胶圈。

5.如权利要求4所述的燃料电池板式膜富氧器，其特征在于，所述分离膜组件的中间区域设置有分离膜以及用于固定分离膜的分离膜架，所述分离膜架上设有与所述流场板相对应贯通的空气气道、富氧气道和氮气气道。

6.如权利要求5所述的燃料电池板式膜富氧器，其特征在于，所述分离膜架与设在所述流场板两侧的各所述密封胶圈通过压力形成密封，形成空气、以及分离后氮气和富氧气体的独立空间。

7.如权利要求6所述的燃料电池板式膜富氧器，其特征在于，所述分离膜采用独特结构的高分子复合膜材料，具有让空气中氮气以外的气体更容易通过的特性，在压差和浓差驱动下可以分离出部分或全部氮气，从而提高了剩余气体即富氧气体的氧气浓度。

8.如权利要求7所述的燃料电池板式膜富氧器，其特征在于，所述流场板的所述空气流场板和所述分离膜组件依次排列形成一组单元模组，由所述流场板的所述富氧流场板一侧直接连接所述空气端板，若干单元模组循环叠加，在最后一组单元模组后叠加一片所述流场板，直接连接所述富氧端板，从而形成一板式膜富氧器。

9.如权利要求8所述的燃料电池板式膜富氧器，其特征在于，每一个板式膜富氧器中，所述流场板的数量较所述分离膜组件的数量多一片。

10.如权利要求9所述的燃料电池板式膜富氧器，其特征在于，所述富氧器可以安装于空滤之后，空压机之前，可实现在负压工况下工作，即进气侧无需加压，富氧侧被空压机抽取空气的负压可以满足所述膜分离组件实现气体分离的要求。

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