CN117795711A - 燃料电池膜加湿器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种可以通过防止加湿模块中的压差损失来提高加湿效率的燃料电池膜加湿器。公开的燃料电池膜加湿器在第一流体与第二流体之间进行水分交换，并且包括：中间壳体；第二流体入口，配置为将所述第二流体引入到所述中间壳体中；第二流体出口，配置为将所述第二流体排出至外部；和至少一个筒体，布置在所述中间壳体中并且容纳多个中空纤维膜。所述第二流体入口的截面面积形成为大于或等于所述至少一个筒体的内部截面面积，该内部截面面积不包括由容纳在所述至少一个筒体中的所述多个中空纤维膜占据的截面面积。

Description

燃料电池膜加湿器
技术领域
本公开涉及一种燃料电池膜加湿器，并且更具体地，涉及一种可以通过防止加湿模块中的压差损失来提高加湿效率的燃料电池膜加湿器。
背景技术
燃料电池是一种根据氢与氧的结合来产生电的发电电池。与通常的化学电池诸如电池或蓄电池不同，只要向其供应氢气和氧气，燃料电池就能够持续产生电，并且因为没有热损失，所以其效率大约是内燃机的两倍。
此外，因为通过氢与氧的结合产生的化学能被直接转化为电能，所以污染物排放低。因此，燃料电池不仅是环境友好的，而且还具有优点：减少由于增加的能量消耗而对资源枯竭的担忧。
根据所使用的电解质的类型，燃料电池可以被广泛地分为聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和碱性燃料电池(AFC)。
这些燃料电池基本上基于相同的原理来运行，但是在使用的燃料类型、运行温度、催化剂、电解质等方面不同。在这些燃料电池中，已知PEMFC不仅对于小型固定式发电设备而且对于运输系统是最有前途的，因为PEMFC可以在比其他燃料电池更低的温度下运行，并且由于其高功率密度而可以被小型化。
改善PEMFC的性能的最重要的因素之一是通过向膜电极组件的聚合物电解质膜或质子交换膜(PEM)供应一定量的水分来保持水分含量。这是因为，当聚合物电解质膜变干燥时，发电效率迅速降低。
对聚合物电解质膜加湿的方法包括：1)通过用水填充压力容器并且使目标气体穿过扩散器来供应水分的起泡器加湿方法，2)在计算燃料电池反应所需要的水分的量之后，通过电磁阀向气体流动管道直接供应水分的直接注入方法，和3)使用聚合物分离膜向气体的流体层供应水分的膜加湿方法。
在这些方法中，通过使用选择性地仅传递废气中包含的水蒸气的膜，向供应至聚合物电解质膜的空气提供水蒸气，从而对聚合物电解质膜加湿的膜加湿方法的优点在于，可以使膜加湿器轻型化和小型化。
当膜加湿方法中使用的选择性渗透膜在模块中形成时，优选地是每单位体积渗透面积大的中空纤维膜。即，当使用中空纤维膜制造膜加湿器时，具有宽接触表面积的中空纤维膜的高度集成是可能的，即使具有小容量，也能够对燃料电池进行充分加湿，可以使用低成本材料，并且可以通过膜加湿器回收和再利用由燃料电池在高温下排出的废气中包含的水分和热量。
发明内容
技术问题
本公开的目的是提供一种可以通过防止加湿模块中的压差损失来提高加湿效率的燃料电池膜加湿器。
技术方案
根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器在第一流体与第二流体之间进行水分交换，并且包括：中间壳体；第二流体入口，配置为将所述第二流体引入到所述中间壳体中；第二流体出口，配置为将所述第二流体排出至外部；和至少一个筒体，布置在所述中间壳体中并且容纳多个中空纤维膜。所述第二流体入口的截面面积形成为大于或等于所述至少一个筒体的内部截面面积，该内部截面面积不包括由容纳在所述至少一个筒体中的所述多个中空纤维膜占据的截面面积。
在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，当所述第二流体入口的截面面积为CS1、所述至少一个筒体的截面面积为CS2以及容纳在所述至少一个筒体中的所述多个中空纤维膜的总截面面积为CS3时，所述第二流体入口的内径可以是这样的：CS1≥CS2-CS3。
根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器可以进一步包括：分隔壁，将所述中间壳体的内部空间分为第一空间和第二空间；和主动旁通部，配置为根据通过所述第二流体入口引入的所述第二流体的流量调节流入所述第一空间和所述第二空间的所述第二流体的流量。
在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述主动旁通部可以包括：旁通孔，通过穿透所述分隔壁形成；和旁通孔打开/关闭装置，配置为根据通过所述第二流体入口引入的所述第二流体的流量打开/关闭所述旁通孔。
在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述旁通孔打开/关闭装置可以包括在所述分隔壁上形成的以覆盖所述旁通孔的单阀构件。
在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述旁通孔打开/关闭装置可以包括在所述分隔壁上形成的以从两侧覆盖所述旁通孔的双阀构件。
在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述旁通孔打开/关闭装置可以包括在所述分隔壁上形成的以在彼此至少部分重叠的同时从两侧覆盖所述旁通孔的双阀构件。
在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述旁通孔打开/关闭装置可以包括具有以下形状的柔性材料：当施加至其上的压力增大时变形并且当压力减小时返回至初始形状。
在以下详细描述中包括根据本公开的各个方面的实施方案的其他细节。
有益效果
根据本公开的实施方案，可以通过防止加湿模块中的压差损失来提高加湿效率。
附图说明
图1是根据本公开的实施方案的燃料电池膜加湿器的前视图。
图2是根据本公开的实施方案的燃料电池膜加湿器的平面图。
图3是根据一个实施方案沿着图2的线A-A′截取的截面图。
图4是图3的根据一个实施方案的加湿模块的侧视图，其中，封盖从燃料电池膜加湿器中移除。
图5是示出第二流体入口的截面面积、筒体的截面面积和中空纤维膜的总截面面积之间的关系的概念图。
图6是根据另一实施方案沿着图2的线A-A′截取的截面图。
图7是图6的根据另一实施方案的加湿模块的侧视图，其中，封盖从燃料电池膜加湿器中移除。
图8至图10示出根据各种实施方案的主动旁通部。
图11是根据本公开的实施方案的安装在燃料电池膜加湿器上的筒体的侧视图。
图12是根据本公开的实施方案的安装在燃料电池膜加湿器上的筒体的截面图。
具体实施方式
由于本公开允许各种改变和多种实施方案，所以将在附图中示出具体实施方案并且在书面描述中详细描述具体实施方案。然而，这并不意在将本公开限于特定的实践模式，并且应当理解的是，不背离本公开的构思和技术范围的所有改变、等同物和替换都包含在本公开中。
在本公开中使用的术语仅用于描述具体的实施方案，而并不意在限制本公开。除非上下文另有明确指示，否则如本文中所使用的单数形式“一个”、“一种”和“所述”也意在包括复数形式。在本公开中，应当理解的是，诸如“包括”或者“具有”等术语意在指示存在说明书中公开的特征、数目、步骤、作用、组件、部件或它们的组合，但是并不意在排除可以存在或者可以添加一个或多个其他特征、数目、步骤、作用、组件、部件或它们的组合的可能性。在下文中，将参照附图描述根据本公开的实施方案的燃料电池膜加湿器。
图1是根据本公开的实施方案的燃料电池膜加湿器的前视图。图2是根据本公开的实施方案的燃料电池膜加湿器的平面图。图3是根据一个实施方案沿着图2的线A-A′截取的截面图。图4是图3的根据一个实施方案的加湿模块的侧视图，其中，封盖从燃料电池膜加湿器中移除。图5是示出第二流体入口的截面面积、筒体的截面面积和中空纤维膜的总截面面积之间的关系的概念图。
如图1至图4中所示，根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器包括加湿模块110和封盖120。
加湿模块110进行从外部供应的第一流体与从燃料电池堆(未示出)排出的第二流体之间的水分交换。封盖120紧固至加湿模块110的两端。在封盖120中的一个中形成用于将从外部供应的第一流体供应至加湿模块110的第一流体入口121时，在封盖120中的另一个中形成用于将由加湿模块110加湿的第一流体供应至燃料电池堆的第一流体出口122。
加湿模块110包括：中间壳体111，具有第二流体入口112和第二流体出口113；和至少一个筒体20，布置在中间壳体111中。从燃料电池堆(未示出)排出的第二流体通过第二流体入口112引入，在加湿模块110中进行水分交换，然后通过第二流体出口113排出。
在本公开中，通过第二流体入口112或第二流体出口113引入/排出的流体不限于第二流体。此外，通过第一流体入口121或第一流体出口122引入/排出的流体不限于第一流体。
根据设计，封盖120中的一个可以配置为将第二流体供应至加湿模块110以在中空纤维膜内部流动，并且封盖120中的一个可以配置为将已经进行水分交换的第二流体排出至外部。此外，在这种情况下，第一流体可以通过第二流体入口112和第二流体出口113中的一个引入，并且已经由加湿模块110加湿的第一流体可以通过第二流体入口112和第二流体出口113中的另一个供应至燃料电池堆。第一流体的流动方向与第二流体的流动方向可以彼此相同或相反。
中间壳体111和封盖120可以各自独立地由硬塑料或金属形成，并且可以各自在宽度方向上具有圆形的或多边形的横截面。“圆形”包括椭圆形，“多边形”包括具有圆角的多边形。例如，硬塑料可以是聚碳酸酯、聚酰胺(PA)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、聚丙烯(PP)等。
中间壳体111的内部空间可以被分隔壁114分为第一空间S1和第二空间S2。通过第二流体入口112引入的第二流体的流动被分隔壁114阻挡，使得不直接通过第二流体出口113排出，而是在进行水分交换的同时流过布置在中间壳体111中的筒体20，然后通过第二流体出口113排出。分隔壁114可以设置有插入孔H，其中，至少一个筒体20插入到所述插入孔中。下面参照图11和图12描述筒体20。
从燃料电池堆排出的第二流体具有以下流动路径：第二流体入口112-->第一空间S1-->筒体20的内部空间-->第二空间S2-->第二流体出口113。在流动路径的筒体20的内部空间中，在与在多个中空纤维膜21中流动的第一流体进行水分交换的同时，第二流体加湿第一流体。
在第二流体的流动路径中，当流动截面面积增加时，产生压降(压差损失)，因此，第二流体的流动减慢，从而降低加湿效率。具体地，当第二流体在筒体20的内部空间中的流动减慢时，加湿效率可以降低。
因此，在本公开的实施方案中，考虑筒体20的截面面积和容纳在筒体20中的中空纤维膜21的截面面积来设计第二流体入口112的截面面积。详细地，第二流体入口112的截面面积可以形成为大于或等于筒体20的内部截面面积，该内部截面面积不包括由中空纤维膜21占据的截面面积。
换言之，如图5中所示，当第二流体入口112的截面面积为CS1、筒体的截面面积为CS2以及容纳在筒体中的中空纤维膜的总截面面积为CS3时，第二流体入口112的内径可以是这样的：CS1≥CS2-CS3。
图6是根据另一实施方案沿着图2的线A-A′截取的截面图。图7是图6的根据另一实施方案的加湿模块的侧视图，其中，封盖从燃料电池膜加湿器中移除。
参照图6和图7，根据本公开的另一实施方案的燃料电池膜加湿器包括加湿模块110、封盖120和主动旁通部130。因为加湿模块110和封盖120与上文所描述的实施方案的那些基本上相同，所以省略其重复的描述。
主动旁通部130根据通过第二流体入口112引入的第二流体的流量调节流进第一空间S1和第二空间S2的第二流体的流量。主动旁通部130包括旁通孔131和旁通孔打开/关闭装置132。
旁通孔131通过穿透分隔壁114形成。旁通孔131可以形成为各种多边形或圆形形状，诸如三角形、长方形、圆形、椭圆形等。
旁通孔打开/关闭装置132由具有以下形状的柔性材料形成：当施加至其上的压力增大时变形并且当压力减小时返回至初始形状。例如，旁通孔打开/关闭装置132可以形成为由弹性材料(例如，橡胶)形成的弹性阀。
形成为弹性阀的旁通孔打开/关闭装置132根据通过第二流体入口112引入的第二流体的流量打开/关闭旁通孔131。
当第二流体的流量增加时，压力根据增加的流量而增加，因此，弹性阀在压力方向上变形，从而至少部分地打开旁通孔131。当第二流体的流量减小时，压力根据减小的流量而减小，因此，弹性阀返回至初始方向，从而至少部分地关闭旁通孔131。
图8至图10示出根据各种实施方案的主动旁通部。
如图8中所示，主动旁通部130可以包括旁通孔131和在分隔壁114上形成的以覆盖旁通孔131的单阀构件132a。由于仅在旁路孔131附近的一侧形成单阀构件132a就足够了，所以制造过程简单是有利的。这可以是主动旁通部130的最基本形状。
如图9中所示，主动旁通部130可以包括旁通孔131和在分隔壁114上形成的以从两侧覆盖旁通孔131的双阀构件132b。由于在旁路孔131附近的两侧形成双阀构件132b，因此，可以更灵敏地响应第二流体的流量的变化。当燃料电池膜加湿器的体积小于基本类型时，双阀构件132b可以是更有利的。
如图10中所示，主动旁通部130可以包括旁通孔131和在分隔壁114上形成的以从两侧覆盖旁通孔131同时构件的至少一部分彼此重叠的双阀构件132c。由于双阀构件132c配置为至少部分地彼此重叠，因此，可以更不灵敏地响应第二流体的流量的变化。当燃料电池膜加湿器的体积大于基本类型时，双阀构件132c可以是更有利的。
通过第二流体入口112引入的第二流体的一部分根据第二流体的流量通过主动旁通部130从第一空间S1流动至第二空间S2并且通过第二流体出口113排出。通过主动旁通部130引入的第二流体不与第一流体接触，没有进行水分交换。
同时，当使燃料电池膜加湿器的体积最小化时，燃料电池膜加湿器中的压差被从燃料电池堆引入的第二流体异常地增大。由于异常增大的压差对燃料电池膜加湿器的效率具有不利影响，因此需要去除压差。由于主动旁路部130使得引入的第二流体的一部分能够根据第二流体的流量绕过中空纤维膜并排出至外部，因此，可以防止压差的异常增加。
因此，根据本公开的实施方案的包括主动旁通部130的燃料电池膜加湿器在体积最小化方面是有利的。
图11是根据本公开的实施方案的安装在燃料电池膜加湿器上的筒体的侧视图。图12是根据本公开的实施方案的安装在燃料电池膜加湿器上的筒体的截面图。
参照图11和图12，筒体20包括中空纤维膜21、灌封部22和内壳体23。
中空纤维膜21可以各自包括聚砜树脂、聚醚砜树脂、磺化聚砜树脂、聚偏二氟乙烯(PVDF)树脂、聚丙烯腈(PAN)树脂、聚酰亚胺树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、聚酯酰亚胺树脂、或由选自它们中的至少两种的混合物形成的聚合物膜。
灌封部22固定中空纤维膜21的端部。灌封部22可以通过铸造方法诸如深灌封或离心灌封来固化液体树脂诸如液体聚氨酯树脂而形成。
内壳体23在每个端部处具有开口，并且中空纤维膜21容纳在该开口中。灌封中空纤维膜21的端部的灌封部22封闭内壳体131的开口。内壳体23包括：第一网孔部MH1，布置为网状用于与第一空间S1流体连通；和第二网孔部MH2，布置为网状用于与第二空间S2流体连通。
通过第二流体入口112引入到中间壳体111的第一空间S1中的第二流体通过第一网孔部MH1流入内壳体23中，然后与中空纤维膜21的外表面接触。接下来，已经进行水分交换的第二流体通过第二网孔部MH2排出至第二空间S2，然后通过第二流体出口113从中间壳体111排出。
同时，当第二流体的流动方向与引入到第一流体入口121中的第一流体的流动方向相反时，通过第二流体出口113引入到中间壳体111的第二空间S2中的第二流体通过第二网孔部MH2流入内壳体23中然后与中空纤维膜21的外表面接触。接下来，已经与第一流体进行水分交换的第二流体通过第一网孔部MH1排出至第一空间S1，然后通过第二流体入口112从中间壳体111排出。
衬垫(未示出)可以设置在中间壳体111与筒体20之间。通过机械组装，衬垫将筒体20安装在加湿模块110上。因此，当在加湿模块110的特定部分(例如，筒体20)中发生异常时，中间壳体111和衬垫130可以与加湿模块110简单地机械分离，然后，可以仅修理或更换相应部分。
虽然已经描述了本公开的实施方案，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求书限定的本公开的构思和范围的情况下，可以通过包括、改变、去除或添加要素来在本说明书中进行各种修改和改变。此外，应当理解，这也落入本公开的范围内。
[附图标记的说明]
110：加湿模块111：中间壳体
112：第二流体入口113：第二流体出口
114：分隔壁120：封盖
130：主动旁通部
131：旁通孔132：旁通孔打开/关闭装置
20：筒体21：中空纤维膜
22：灌封部23：内壳体
CS1：第二流体入口的截面面积CS2：筒体的截面面积
CS3：容纳在筒体中的中空纤维膜的总截面面积
MH1：第一网孔部MH2：第二网孔部

Claims (8)

1.一种进行第一流体与第二流体之间的水分交换的燃料电池膜加湿器，所述燃料电池膜加湿器包括：
中间壳体；
第二流体入口，配置为将所述第二流体引入到所述中间壳体中；
第二流体出口，配置为将所述第二流体排出至外部；和
至少一个筒体，布置在所述中间壳体中并且容纳多个中空纤维膜，
其中，所述第二流体入口的截面面积形成为大于或等于所述至少一个筒体的内部截面面积，该内部截面面积不包括由容纳在所述至少一个筒体中的所述多个中空纤维膜占据的截面面积。
2.根据权利要求1所述的燃料电池膜加湿器，其中，当所述第二流体入口的截面面积为CS1、所述至少一个筒体的截面面积为CS2以及容纳在所述至少一个筒体中的所述多个中空纤维膜的总截面面积为CS3时，所述第二流体入口的内径是这样的：CS1≥CS2-CS3。
3.根据权利要求1所述的燃料电池膜加湿器，进一步包括：
分隔壁，将所述中间壳体的内部空间分为第一空间和第二空间；和
主动旁通部，配置为根据通过所述第二流体入口引入的第二流体的流量调节流进所述第一空间和所述第二空间的第二流体的流速。
4.根据权利要求3所述的燃料电池膜加湿器，其中，所述主动旁通部包括：
旁通孔，形成为穿过所述分隔壁；和
旁通孔打开/关闭装置，配置为根据通过所述第二流体入口引入的第二流体的流量打开/关闭所述旁通孔。
5.根据权利要求4所述的燃料电池膜加湿器，其中，所述旁通孔打开/关闭装置包括在所述分隔壁上形成的以覆盖所述旁通孔的单阀构件。
6.根据权利要求4所述的燃料电池膜加湿器，其中，所述旁通孔打开/关闭装置包括在所述分隔壁上形成的以从两侧覆盖所述旁通孔的双阀构件。
7.根据权利要求4所述的燃料电池膜加湿器，其中，所述旁通孔打开/关闭装置包括在所述分隔壁上形成的以从两侧覆盖所述旁通孔同时构件的至少一部分彼此重叠的双阀构件。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的燃料电池膜加湿器，其中，所述旁通孔打开/关闭装置包括具有以下形状的柔性材料：当施加至其上的压力增大时变形并且当压力减小时返回至初始形状。
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