CN115295833A - 一种交叉流平板膜增湿器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交叉流平板膜增湿器，其包括依次交错叠堆的多个流道板、多个传湿膜，流道板正反面均设有向板面内凹陷且间隔并排的多个流道槽、与流道槽相对应的另一面则是向板面外突出的多个突脊，相邻两个流道板上的流道槽呈交叉设置，每个突脊设置有贯穿背面对应流道槽的多个透气孔，传湿膜两侧突脊上的透气孔均与对侧流道板上的流道槽对应。同传统交叉流增湿器相比，其膜的利用面积由25％提升至75％，因此在保证增湿效果一致的前提下，增湿器整体尺寸可得到大幅度缩减。

Description

一种交叉流平板膜增湿器

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池增湿器技术领域，特别涉及一种交叉流平板膜增湿器。

背景技术

在质子交换膜燃料电池中，保持电解质膜合适的膜水含量，有助于维持较高的质子传导率，提高电池发电效率，延长膜的使用寿命。合适的膜水含量一般通过增湿器对进入电堆的干空气进行增湿来保持。相关技术中，主要采用外增湿器对电堆阴极进口的空气进行增湿。

然而随着燃料电池系统的发展，燃料电池系统的趋向于集成化，其集成对增湿器提出了更高的尺寸需求和装配需求，为满足系统集成需求，在保证增湿效果的前提下，应将增湿器尺寸控制在合理的范围内；为配合不同的装配需求，应合理的设计增湿器的增湿气体及被增湿气体的流动方式，以形成合理的增湿器装配空间。

其中，交叉流平板膜增湿器具有结构简单、制作简易、运转稳定等优点，但存在膜利用面积低、体积大等问题；传统的交叉流膜增湿器膜面积利用率仅达25％，大部分传湿膜和流道板接触，不与增湿气体和被增湿气体接触，无法参与增湿工作，造成较大浪费，导致平板膜增湿器尺寸过大，不利于燃料电池系统的集成，无法适应燃料电池系统的发展。

发明内容

本发明目的在于提供一种交叉流平板膜增湿器，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

为解决上述技术问题所采用的技术方案：

首先本发明提供一种交叉流平板膜增湿器，其包括依次交错叠堆的多个流道板、多个传湿膜，所述流道板正反面均设有向板面内凹陷且间隔并排的多个流道槽、与所述流道槽相对应的另一面则是向板面外突出的多个突脊，相邻两个流道板上的流道槽呈交叉设置，每个所述突脊设置有贯穿背面对应流道槽的多个透气孔，所述传湿膜两侧所述突脊上的透气孔均与对侧流道板上的流道槽对应。

本发明所提供的交叉流平板膜增湿器有益效果是：相邻两个流道板设定为湿侧流道板和干侧流道板，湿侧流道板正反面上的流道槽与其两侧的传湿膜形成湿流通域，干侧流道板正反面上的流道槽与其两侧的传湿膜形成干流通域，并且湿流通域与干流通域呈交叉，干流通域内通被加湿气体，湿流通域内通加湿气体，加湿气体内的水蒸气可通过传湿膜进入被加湿气体，对被加湿气体进行加湿，同时加湿气体可通过流道板、传湿膜对被加湿气体加热，其中流道槽背面突脊上的多个透气孔可增大湿流通域、干流通域同传湿膜的接触面积，被加湿气体可通过所述透气孔与传湿膜接触，与加湿气体进行热质交换，透气孔可大幅度提升膜面积利用率，使膜的性能得到了更好的发挥，同传统交叉流增湿器相比，其膜的利用面积由25％提升至75％，因此在保证增湿效果一致的前提下，增湿器整体尺寸可得到大幅度缩减。

作为上述技术方案的进一步改进，相邻两个正反面的突脊上的透气孔相互错位设置，所述突脊相邻两个透气孔分别与对侧流道板一侧面相邻两个流道槽对应。

这样可在保证流道板传热面积下，使得干、湿侧流通域与传湿膜的接触面积应尽可能重合，提升膜利用面积。

作为上述技术方案的进一步改进，所述流道槽两端分别设置有不带有透气孔的入口槽道和出口槽道。

在使用时，加湿气体从湿侧流道板上的入口槽道进入湿流通域，而被加湿气体从干侧流道板上的入口槽道进入干流通域，加湿气体与被加湿气体通过传湿膜传热传质后，被加湿气体在干流通域内被加湿后经出口槽道流出，加湿气体在湿流通域通过传湿膜向被加湿气体传热传质后经出口槽道流出。

同时，在所述流道板的两侧边沿均设置有密封边，所述突脊和流道槽位于两个所述密封边之间，两个密封边分别与入口槽道、出口槽道的位置对应。

在使用时，密封边与所述传湿膜通过密封胶进行密封连接，既实现了干、湿侧流道同传湿膜之间的装配，也分隔开了干流通域与湿流通域，保证干、湿流通域间仅通过传湿膜进行传热传质，密封边与不带有透气孔的入口槽道、出口槽道对应，有利于形成良好密封效果。

作为上述技术方案的进一步改进，所述流道槽和突脊的截面均呈矩形。

这样便于对流道板的加工成型，可通过冲压或者折弯加工出来。

作为上述技术方案的进一步改进，所述湿侧流道板设置有沿流道槽延伸的分隔板，所述分隔板将多个流道槽分隔开。这样分隔板可将湿侧流道板与传湿膜之间总的湿流通域分割为两个小湿流通域，其中两个小湿流通域的两端均设置有湿侧入口和湿侧出口，加湿气体经过其中一个小湿流通域后，再从另外的湿侧入口流经另外的小湿流通域，通过该设计，湿侧流通方向长度可缩短一半，而干侧流通方向长度增加一倍，整体尺寸趋近于长方形，适用于集成时增湿器横向纵向空间不均匀甚至相差较大的系统。

作为上述技术方案的进一步改进，所述分隔板设有多个且沿多个流道槽排列方向间隔设置。这样对应的湿侧流通方向的长度会进一步缩减，干侧流通方向进一步增加，其具体的设施方式视具体的空间布置情况而定，分隔板的使用，可使交叉流增湿器更适用于燃料电池系统的集成，为系统集成提供更多可能性。

作为上述技术方案的进一步改进，所述流道板设置有定位孔。相邻的流道板可通过定位孔的相互配合，保证在装配过程中流道板及传湿膜可完好对中，避免装配过程各流道板出现挪移，导致密封失败。

作为上述技术方案的进一步改进，两个流道板上的流道槽呈相互垂直交叉设置。这样在空间利用率上更佳，使得增湿器的结构紧凑化。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明；

图1是本发明所提供的交叉流平板膜增湿器，实施例一的湿侧流道板、传湿膜与干侧流道板的分解图；

图2是图1中的A部分的局部放大图；

图3是图1中的B部分的局部放大图；

图4是本发明所提供的交叉流平板膜增湿器，实施例一的湿侧流道板、传湿膜与干侧流道板装配后加湿气体和被加湿气体的流向示意图；

图5是本发明所提供的交叉流平板膜增湿器，实施例二的湿侧流道板、传湿膜与干侧流道板装配后加湿气体和被加湿气体；

图6是本发明所提供的流道板的侧面局部示意图；

图7是本发明所提供的交叉流平板膜增湿器与传统增湿器的膜传湿面积变化图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1至图7，本发明的交叉流平板膜增湿器作出如下实施例：

实施例一：如图1至图4所示，本实施例的交叉流平板膜增湿器包括多个湿侧流道板100、多个传湿膜200和多个干侧流道板300，所述干侧流道板300、传湿膜200、湿侧流道板100交错堆叠。

其中湿侧流道板100与干侧流道板300的结构相似，干侧流道板300和湿侧流道板100均设置有流通区域，如图6所示，该流通区域的流道板分为正反面，在流道板的正反面均设有多个流道槽和多个突脊，多个流道槽呈间隔排列设置，流道槽是向板面内凹陷的，而突脊形成于流道槽相对应的另一面上，突脊是向板面外突出。

其中，本实施的流道槽的截面为矩形，对应地突脊也为为矩形，也就是说流道板为一上下表面交错均匀分布有矩形槽的薄平板，矩形槽横贯薄平板，在生产制造时，流道板可通过冲压、或者折弯而成。

每个突脊间隔设置有多个透气孔，透气孔贯穿背面对应的流道槽。

设定湿侧流道板100上的流道槽为湿侧流道槽110，湿侧流道板100上的突脊为湿侧突脊120，湿侧流道板100上的透气孔为湿侧透气孔130，也就是说湿侧流道板100包括多块上湿流道板140、多块侧湿流道板150和多块下湿流道板160，上湿流道板140、侧湿流道板150和下湿流道板160依次连接构成多个湿侧流道槽110、多个湿侧突脊120，湿侧透气孔130设置于下湿流道板160和上湿流道板140上。

设定干侧流道板300上的流道槽为干侧流道槽310，干侧流道板300上的突脊为干侧突脊320，干侧流道板300上的透气孔为干侧透气孔330，也就是说干侧流道板300包括多块上干流道板340、多块侧干流道板350和多块下干流道板360，上干流道板340、侧干流道板350和下干流道板360依次连接构成多个干侧流道槽310、多个干侧突脊320，干侧透气孔330设置于下干流道板360和上干流道板340上。

湿侧流道板100同其上下两层传湿膜200密封连接，形成湿流通域，湿流通域包括多个湿侧流道槽110与传湿膜200围成的湿侧流道，干侧流道板300同其上下两层传湿膜200密封连接，形成干流通域，干流通域包括多个干侧流道槽310与传湿膜200围成的干侧流道，干、湿流通域交错堆叠，并被传湿膜200分隔开来，在增湿器工作过程中，干流通域内通被加湿气体，湿流通域内通加湿气体，加湿气体内的水蒸气可通过传湿膜200进入被加湿气体，对被加湿气体进行加湿，同时加湿气体可通过流道板、传湿膜200对被加湿气体加热。

其中本实施例中相邻两个流道板中，湿侧流道板100上的湿侧流道槽110与干侧流道板300上的干侧流道槽310呈交叉设置，这样使得干流通域与湿流通域呈交叉。

进一步地，干侧流道槽310与湿侧流道槽110呈相互垂直交叉设置，这样在空间利用率上更佳，使得增湿器的结构紧凑化，如图1所示，干侧流道槽310呈左右延伸设置，多个干侧流道槽310呈前后间隔设置，而湿侧流道槽110呈前后延伸设置，湿侧流道槽110呈左右间隔设置。

其中，湿侧透气孔130及干侧透气孔330应按规律布置，干侧透气孔330的间隔应为湿侧流道宽度的两倍，湿侧透气孔130间隔应为干侧流道宽度的两倍，且相邻两个正反面的突脊上的透气孔相互错位设置，在保证流道板传热面积下，使得干、湿侧流通域与传湿膜200的接触面积应尽可能重合，提升膜利用面积，下干流道板360和上干流道板340上的干侧透气孔330交错分开，不处于同一水平线上，以及下湿流道板160和上湿流道板140上的干侧透气孔330也交错分开，不处于同一水平线上。

干侧透气孔330位置应确保位于湿流通域上，湿侧透气孔130位置应确保位于干流通域上，也就是说湿侧突脊120上的多个湿侧透气孔130分别与干侧流道板300上的多个干侧流道槽310一一对应，而干侧突脊320上的干侧透气孔330与湿侧流道板100上的湿侧流道槽110一一对应，保证任一透气孔都可增加传湿膜200利用面积。

在加湿气体流经湿流通域时，可通过湿侧透气孔130与传湿膜200接触，并与流经对侧的干侧流道槽310内被加湿气体进行热质交换。

而在被加湿气体流经干流通域时，可通过干侧透气孔330与传湿膜200接触，并与流经对侧的湿侧流道槽110内的加湿气体进行热质交换。

这样可增大湿流通域、干流通域同传湿膜200的接触面积，被加湿气体可通过透气孔与传湿膜200接触，与加湿气体进行热质交换，透气孔可大幅度提升膜面积利用率，使膜的性能得到了更好的发挥，同传统交叉流增湿器相比，如图7所示，其膜的利用面积由25％提升至75％，因此在保证增湿效果一致的前提下，增湿器整体尺寸可得到大幅度缩减。

其中本实施例中的每个流道槽的两端分别设有入口槽道、出口槽道，入口槽道、出口槽道均不带有透气孔，也就是说，干侧流道槽310的两端设置有不带有干侧透气孔330的干侧入口槽道311、干侧出口槽道312，湿侧流道槽110的两端设置有不带有湿侧透气孔130的湿侧入口槽道111、湿侧出口槽道112，被加湿气体自干侧入口槽道311进入干流通域，在干流通域内被加湿后经干侧出口槽道312流出，而加湿气体自湿侧入口槽道111进入湿流通域，在湿流通域内热质交换后经湿侧出口槽道112流出。

并且，在所述流道板的两侧边沿均设有密封边，具体地：干侧流道板300的前后两边沿均设置有干侧密封边370，而湿侧流道板100的左右两边沿均设置有湿侧密封边170，其中两个干侧密封边370分别与干侧入口槽道311、干侧出口槽道312位置对应，而两个湿侧密封边170分别与湿侧入口槽道111、湿侧出口槽道112位置对应，不与干、湿流通域对应，即不参与传质，有利于形成良好密封效果，在使用时，密封边与所述传湿膜200通过密封胶进行密封连接，既实现了干、湿侧流道同传湿膜200之间的装配，也分隔开了干流通域与湿流通域，保证干、湿流通域间仅通过传湿膜200进行传热传质。

更进一步地，本实施例在每个流道板上均设置有定位孔400，相邻的流道板可通过定位孔400的相互配合，保证在装配过程中流道板及传湿膜200可完好对中，避免装配过程各流道板出现挪移，导致密封失败。

传湿膜200为高分子透水膜或高密纤维膜。

本实施例的干湿侧入口和出口整体呈十字交叉型，整体尺寸趋近于正方形，适用于集成时增湿器横向纵向空间均匀的系统。

在一些实施中，干侧流道槽310与湿侧流道槽110可呈其他设定角度交叉设置，以及流道槽的横截面可为其他形状。

实施例二：

如图6所示，在实施例一的基础上，湿侧流道板100增设有分隔板180，分隔板180沿湿侧流道槽110延伸方向延伸，分隔板180将多个湿侧流道槽110分隔开，这样分隔板180可将湿侧流道板100与传湿膜200之间总的湿流通域分割为两个小湿流通域，其中两个小湿流通域的两端均设置有湿侧入口和湿侧出口，加湿气体经过其中一个小湿流通域后，再从另外的湿侧入口流经另外的小湿流通域，通过该设计，湿侧流通方向长度可缩短一半，而干侧流通方向长度增加一倍，整体尺寸趋近于长方形，适用于集成时增湿器横向纵向空间不均匀甚至相差较大的系统。

并且湿侧入口和湿侧出口可互换位置，形成顺流。

在一些实施例中，分隔板180设有多个，多个分隔板180沿多个湿侧流道槽110排列方向间隔设置。这样对应的湿侧流通方向的长度会进一步缩减，干侧流通方向进一步增加，具体的设施方式视具体的空间布置情况而定分隔板180的使用，可使交叉流增湿器更适用于燃料电池系统的集成，为系统集成提供更多可能性。

本发明通过提高膜面积利用率，使膜的传湿面积增加，从而有效的缩减增湿器的尺寸，同时针对不同的装配需求，合理分配增湿器长度和宽度。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种交叉流平板膜增湿器，其特征在于，其包括:依次交错叠堆的多个流道板、多个传湿膜(200)，所述流道板正反面均设有向板面内凹陷且间隔并排的多个流道槽、与所述流道槽相对应的另一面则是向板面外突出的多个突脊，相邻两个流道板上的流道槽呈交叉设置，每个所述突脊设置有贯穿背面对应流道槽的多个透气孔，所述传湿膜(200)两侧所述突脊上的透气孔均与对侧流道板上的流道槽对应。

2.根据权利要求1所述的一种交叉流平板膜增湿器，其特征在于：相邻两个正反面的突脊上的透气孔相互错位设置，所述突脊相邻两个透气孔分别与对侧流道板一侧面相邻两个流道槽对应。

3.根据权利要求1所述的一种交叉流平板膜增湿器，其特征在于：所述流道槽两端分别设置有不带有透气孔的入口槽道和出口槽道。

4.根据权利要求1所述的一种交叉流平板膜增湿器，其特征在于：所述流道槽和突脊的截面均呈矩形。

5.根据权利要求1所述的一种交叉流平板膜增湿器，其特征在于：相邻两个流道板分为湿侧流道板(100)和干侧流道板(300)，所述湿侧流道板(100)设置有沿流道槽延伸的分隔板(180)，所述分隔板(180)将多个流道槽分隔开。

6.根据权利要求5所述的一种交叉流平板膜增湿器，其特征在于：所述分隔板(180)设有多个且沿多个流道槽排列方向间隔设置。

7.根据权利要求3所述的一种交叉流平板膜增湿器，其特征在于：在所述流道板的两侧边沿均设置有密封边，所述突脊和流道槽位于两个所述密封边之间，两个密封边分别与入口槽道、出口槽道的位置对应。

8.根据权利要求1所述的一种交叉流平板膜增湿器，其特征在于：所述流道板设置有定位孔(400)。

9.根据权利要求1所述的一种交叉流平板膜增湿器，其特征在于：两个流道板上的流道槽呈相互垂直交叉设置。

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