CN209658310U - 一种新型组合式燃料电池用加湿器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种新型组合式燃料电池用加湿器，包括膜管外壳，膜管外壳的前后两端均通过灌封层将多束中空纤维膜管封装在膜管外壳的内腔中；膜管外壳的前后两端分别设置有前端帽和后端帽，前端帽的前侧壁上设置有前出口，且前端帽的上侧壁上设置有前入口，前端帽的内侧壁与膜管外壳的外侧壁之间固定有密封件，且前端帽内侧壁、膜管外壳外侧壁和密封件之间形成有与前入口相通的入口腔；后端帽的后侧壁上设置有后入口，且后端帽的上侧壁上设置有后出口，后端帽的内侧壁与膜管外壳的外侧壁之间固定有密封件。本实用新型结构设计合理，实用性强，具有极佳的市场推广价值。

Description

一种新型组合式燃料电池用加湿器

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种新型组合式燃料电池用加湿器。

背景技术

燃料电池是通过氢和氧的化合来产生电的电化学装置。与普通化学电池不同，只要供应必要的氢和氧，燃料电池就可以持续产生电。此外，燃料电池的效率高达内燃机效率的二倍。提高聚合物电解质燃料电池性能的重要方法之一是通过向膜电极组件中的聚合物电解质膜提供一定水分以保持膜的质子电导率。目前主要的加湿方法之一是利用聚合物分离膜将水分供应到流动的气体的膜加湿方法。

膜加湿方法使用仅选择性渗透包含在高湿度气体中的水分的膜，将水分传递到干燥的燃料气体中。此方法的优点是能够制造重量轻的小尺寸加湿器。为了增大气体与膜表面的接触面积，则优选使用具有大的单位体积渗透面积的中空纤维膜。就是说，如果用中空纤维膜制造加湿器，则可以高度一体化具有大接触表面积的中空纤维膜，从而既使燃料电池具有小体积，也能得到充分加湿。在此情形中，具有中空纤维膜管的加湿器可以由低价材料制造。此外，包含在高温下从燃料电池排出的气体中的水分和热量可以被收集在加湿器中并重新利用，但是现有技术的燃料电池加湿器不便于对其进行固定，因为加湿器的外壳直接形成了设置有中空纤维膜的腔体，若对其外壳进行安装前的处理，例如钻螺孔处理，可能会影响设置有中空纤维膜的腔体的强度或者降低其气密性。同时，加湿器集成到燃料电池系统中，装载到各种交通工具上后，车辆行驶过程中强烈而持续的震动必然会对加湿器的使用寿命产生影响。故而需要对现有技术的加湿器进行改进，使其便于安装的同时具有一定的抗震能力。

发明内容

解决的技术问题

针对现有技术所存在的上述缺点，本实用新型提供了一种新型组合式燃料电池用加湿器，能够有效地解决现有技术的燃料电池不便于安装的问题以及增强加湿器抗震的能力。

技术方案

为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：

一种新型组合式燃料电池用加湿器，包括膜管外壳，所述膜管外壳的内腔中通过灌封层将多束中空纤维膜管封装在膜管外壳的两端；所述膜管外壳的前后两端分别设置有前端帽和后端帽，所述前端帽的前侧壁上设置有前出口，且所述前端帽的上侧壁上设置有前入口，所述前端帽的内侧壁与膜管外壳的外侧壁之间固定有密封件，且所述前端帽内侧壁、膜管外壳外侧壁和密封件之间形成有与前入口相通的入口腔；所述后端帽的后侧壁上设置有后入口，且所述后端帽的上侧壁上设置有后出口，所述后端帽的内侧壁与膜管外壳的外侧壁之间固定有所述密封件，所述后端帽内侧壁、膜管外壳外侧壁和密封件之间形成有与后出口相通的出口腔；所述膜管外壳前端的左右两侧壁上对称开设有与入口腔相通的前端孔，且所述膜管外壳后端的左右两侧壁上对称开设有与出口腔相通的后端孔；所述膜管外壳的外侧壁上套接有固定外壳，所述固定外壳的低端口处设置有外壳盖，所述固定外壳内腔的顶端面上通过第一弹簧连接有第一硅胶垫，且所述外壳盖内腔的底端面上通过第二弹簧连接有第二硅胶垫。

作为一种优选的技术方案，所述中空纤维膜管的两端均贯穿穿过所述灌封层。

作为一种优选的技术方案，所述中空纤维膜管前端处的内腔与所述前出口相通。

作为一种优选的技术方案，所述中空纤维膜管后端处的内腔与所述后入口相通。

作为一种优选的技术方案，所述固定外壳的低端口处通过锁紧螺栓固定有外壳盖。

作为一种优选的技术方案，所述前端孔通过入口腔与所述前入口相通。

作为一种优选的技术方案，所述后端孔通过出口腔与所述后出口相通。

作为一种优选的技术方案，所述外壳盖固定于固定外壳的低端口处且第一弹簧和第二弹簧均处于自然状态时，所述第一硅胶垫底端面与所述第二硅胶垫顶端面之间的距离大于所述膜管外壳的高度。

有益效果

采用本实用新型提供的技术方案，与已知的公有技术相比，具有如下有益效果：

本实用新型中，固定外壳的低端口处通过锁紧螺栓固定有外壳盖。基于以上改进，通过固定外壳和外壳盖的设计使加湿器便于进行安装，且在安装过程中不会对膜管外壳产生破坏。

本实用新型中，前端孔通过入口腔与前入口相通，后端孔通过出口腔与后出口想通，且前后端孔分别与前后出口处于不同的方向。基于以上改进，能够使含有水分的气体通过前入口进入，并通过侧面的前端孔进入到膜管外壳的内腔中对反应气体进行加湿，使气流在入口腔中得到缓冲，分散了气流对膜管外壳与膜管的冲击力，可有效延长增湿器的使用寿命，失去原有水分的气体再沿后端孔进入到出口腔内，并沿后出口排出到加湿器外。

本实用新型中，外壳盖固定于固定外壳的低端口处且第一弹簧和第二弹簧均处于自然状态时，第一硅胶垫底端面与第二硅胶垫顶端面之间的距离大于膜管外壳的高度。基于以上改进，能够便于对膜管外壳的夹持固定。

综上所述，本实用新型通过增加固定外壳和外壳盖的设计，在固定外壳的低端口处通过锁紧螺栓固定有外壳盖，当外壳盖固定于固定外壳的低端口处且第一弹簧和第二弹簧均处于自然状态时，第一硅胶垫底端面与第二硅胶垫顶端面之间的距离大于膜管外壳的高度，从而当将膜管外壳夹持在第一硅胶垫和第二硅胶垫之间时，第一弹簧和第二弹簧均处于压缩状态，从而能够对膜管外壳起到夹持固定的作用，将膜管外壳固定在固定外壳和外壳盖之间，进而能够在使用过程中有效地防震；且从前入口进入的含有水分的气体通过前端孔均匀的进入到膜管外壳的内腔中，对中空纤维膜管内腔中的反应气体进行均匀的加湿，从而在一定程度上提高燃料电池的发电效率，同时降低强气流对膜管外壳及膜管的冲击，增加使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的左视剖面立体图；

图2为本实用新型的前端帽的剖面立体图；

图3为本实用新型的俯视剖面示意图；

图4为本实用新型的加湿器的横向剖视图；

图5为本实用新型的侧视立体图。

图中的标号分别代表：1-膜管外壳；2-灌封层；3-中空纤维膜管；4-前端帽；5-后端帽；6-密封件；7-入口腔；8-出口腔；9-固定外壳；10-外壳盖；11-锁紧螺栓；12-第一弹簧；13-第一硅胶垫；14-第二弹簧；15-第二硅胶垫；401-前出口；402-前入口；403-前端孔；501-后入口；502-后出口；503-后端孔。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

下面结合实施例对本实用新型作进一步的描述。

本实施例的一种新型组合式燃料电池用加湿器，参照图1-5：包括膜管外壳1，膜管外壳1的内腔中用由灌封胶形成的灌封层2固定有多束中空纤维膜管3；膜管外壳1的前后两端分别设置有前端帽4和后端帽5，前端帽4的前侧壁上设置有前出口401，且前端帽4的上侧壁上设置有前入口402，前端帽4的内侧壁与膜管外壳1的外侧壁之间固定有密封件6，且前端帽4内侧壁、膜管外壳1外侧壁和密封件6之间形成有与前入口402相通的入口腔7；后端帽5的后侧壁上设置有后入口501，且后端帽5的上侧壁上设置有后出口502，后端帽5的内侧壁与膜管外壳1的外侧壁之间固定有密封件6，后端帽5内侧壁、膜管外壳1外侧壁和密封件6之间形成有与后出口502相通的出口腔8；膜管外壳1前端的左右两侧壁上对称开设有与入口腔7相通的前端孔403，且膜管外壳1后端的左右两侧壁上对称开设有与出口腔8相通的后端孔503；膜管外壳1的外侧壁上套接有固定外壳9，固定外壳9的低端口处设置有外壳盖10，固定外壳9内腔的顶端面上通过第一弹簧12连接有第一硅胶垫13，且外壳盖10内腔的底端面上通过第二弹簧14连接有第二硅胶垫15。

其中，中空纤维膜管3的两端均贯穿穿过灌封层2；中空纤维膜管3前端处的内腔与前出口401相通；中空纤维膜管3后端处的内腔与后入口501相通；固定外壳9的低端口处通过锁紧螺栓11固定有外壳盖10；前端孔403通过入口腔7与前入口402相通；后端孔503通过出口腔8与后出口502相通；外壳盖10固定于固定外壳9的低端口处且第一弹簧12和第二弹簧14均处于自然状态时，第一硅胶垫13底端面与第二硅胶垫15顶端面之间的距离大于膜管外壳1的高度。

使用时，先将固定外壳9沿膜管外壳1的上方套在膜管外壳1的外侧壁上，然后将外壳盖10放置于固定外壳9的低端口处，再通过锁紧螺栓11对外壳盖10进行固定，使膜管外壳1的上端外侧壁与第一硅胶垫13的底端面相抵，且膜管外壳1的下端外侧壁与第二硅胶垫15的顶端面相抵；此时第一弹簧12和第二弹簧14均处于压缩状态，从而能够对膜管外壳1起到夹持固定的作用，将膜管外壳1固定在固定外壳9和外壳盖10之间，进而能够有效地防止在对本加湿器进行固定的过程中，对加湿器膜管外壳造成损坏的现象，同时两组弹簧也对外界震动产生一定的缓冲作用，降低震动对加湿器本体的负面影响。

将含有水分的未反应气体从前入口402通入，并通过入口腔7沿前端孔403通入到膜管外壳1的内腔内；同时沿后入口501通入干燥的反应气体，此时反应气体沿中空纤维管内腔向前出口401输送，在反应气体的输送过程中，膜管外壳1内腔中含有水分的气体中的水分在浓度差的作用下渗透到中空纤维膜管3的内腔中，对反应气体进行加湿，然后加湿后的反应气体通过中空纤维膜管3的前端沿前出口401进入到燃料电池内进行反应；此时失去原有水分的气体沿后端孔503进入到出口腔8内，再通过后出口502排出到加湿器外；在对反应气体进行加湿的过程中，含有水分的气体通过前入口402分别进入到对称的两前端孔403内，从而能够分散集中的气流，均匀的对反应气体进行加湿，同时缓解强气流对膜管外壳及膜管的冲击，提高加湿器的使用寿命。本实用新型结构设计合理，实用性强。

现今燃料电池系统中普遍使用的膜管式气体增湿器，使用的膜管材料也主要是Nafion全氟磺酸膜，它具有优异的水传导特性的同时，高昂的价格成本及含氟材料带来的环境问题等一时难以解决。因此，寻找价格低廉，在较宽温度范围内具有高水热传导率，优良的热及化学稳定性的新型膜材料是当前的重要研究方向。聚醚砜 (PES) 类材料是一种综合性能优异的耐高温聚合物，具有玻璃化转变温度高、耐化学腐蚀性好等特点，由其制成的分离膜材料在水处理、生物医疗、化工制药、分析测试等方面得到越来越广泛的应用。但是，由于 PES 本体疏水性，PES 材质的膜存在水润湿性差的缺点，无法满足燃料电池气体增湿的要求。针对这一不足，已有的专利和文献提出了将PES和亲水性物质( 聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮等)共混的亲水化方法。本实用新型所使用的磺酸树脂由于具有良好的吸水性，与PES共混成为一种理想的选择。

本实用新型的中空纤维膜管其成分包括组分A、组分B、溶剂和成孔剂，其中，所述组分A为磺酸树脂，所述组分B为聚芳砜、聚砜、聚醚、聚芳醚中的一种或几种。更详细的说，中空纤维膜管的组分包括：磺酸树脂 10～30 wt％，聚芳砜20～30 wt％，溶剂30~60 wt%，成孔剂0～10 wt％；。其中，所述溶剂为二甲基甲酰胺，和/或二甲基乙酰胺，所述成孔剂为聚乙二醇，和/或聚乙烯吡咯烷酮。

在制备时，将所述组分A，组分B与所述溶剂、所述成孔剂的混合物，形成混合浆料；将所述混合浆料经相转化纺丝，经凝固液凝固成型，再经清洗干燥后，即得所述膜管。 其中，所述凝固液为纯水，纯水与醇的混合液。 所述醇包括甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇中的任一种或两种以上的组合，但不限于此。 所述清洗方式包括纯水浸泡，和或乙醇浸泡，但不限于此。

采用本发明制备方法生产的膜管，管径为0.5～2mm，管壁厚度0.01～0.05mm，孔径0.01～0.10µm。

本实施例中，将磺酸树脂、聚芳醚、二甲基甲酰胺、聚乙二醇按2:2:5:1的重量百分数比在纺丝罐内混合后，在室温下搅拌溶解12 小时至混合液混合均匀，静置脱泡，在纺丝罐压力为 0.05MPa条件下，再经纺丝成型喷丝装置的喷头匀速挤出，随后浸入到室温下的纯水凝固液中成型。将制得的中空纤维膜管先后经 60℃热水与乙醇分别浸泡8和3小时后，再在 60℃下干燥即可。该膜管将富含亲水性磺酸基团的磺酸树脂的亲水性与疏水性聚芳砜（和/或聚砜，和/或聚醚，和/或聚芳醚）的耐腐蚀和高强度相结合，制作的中空纤维膜管既具有良好的水传导特性，又具有良好的耐腐蚀和结构稳定性，可充分满足燃料电池膜管增湿器对增湿性能及使用寿命的要求，且该膜管制备工艺简单，成本低廉，安全环保，可广泛用于氢燃料电池、甲醇燃料电池等清洁能源的气体增湿领域。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种新型组合式燃料电池用加湿器，其特征在于：包括膜管外壳（1），所述膜管外壳（1）的内腔中通过灌封层（2）封装固定有多束中空纤维膜管（3）；所述膜管外壳（1）的前后两端分别设置有前端帽（4）和后端帽（5），所述前端帽（4）的前侧壁上设置有前出口（401），且所述前端帽（4）的上侧壁上设置有前入口（402），所述前端帽（4）的内侧壁与膜管外壳（1）的外侧壁之间固定有密封件（6），且所述前端帽（4）内侧壁、膜管外壳（1）外侧壁和密封件（6）之间形成有与前入口（402）相通的入口腔（7）；所述后端帽（5）的后侧壁上设置有后入口（501），且所述后端帽（5）的上侧壁上设置有后出口（502），所述后端帽（5）的内侧壁与膜管外壳（1）的外侧壁之间固定有所述密封件（6），所述后端帽（5）内侧壁、膜管外壳（1）外侧壁和密封件（6）之间形成有与后出口（502）相通的出口腔（8）；所述膜管外壳（1）前端的左右两侧壁上对称开设有与入口腔（7）相通的前端孔（403），且所述膜管外壳（1）后端的左右两侧壁上对称开设有与出口腔（8）相通的后端孔（503）；所述膜管外壳（1）的外侧壁上套接有固定外壳（9），所述固定外壳（9）的低端口处设置有外壳盖（10），所述固定外壳（9）内腔的顶端面上通过第一弹簧（12）连接有第一硅胶垫（13），且所述外壳盖（10）内腔的底端面上通过第二弹簧（14）连接有第二硅胶垫（15）。

2.根据权利要求1所述的一种新型组合式燃料电池用加湿器，其特征在于，所述中空纤维膜管（3）的两端均贯穿穿过所述灌封层（2）。

3.根据权利要求1所述的一种新型组合式燃料电池用加湿器，其特征在于，所述中空纤维膜管（3）前端处的内腔与所述前出口（401）相通。

4.根据权利要求1所述的一种新型组合式燃料电池用加湿器，其特征在于，所述中空纤维膜管（3）后端处的内腔与所述后入口（501）相通。

5.根据权利要求1所述的一种新型组合式燃料电池用加湿器，其特征在于，所述固定外壳（9）的低端口处通过锁紧螺栓（11）固定有外壳盖（10）。

6.根据权利要求1所述的一种新型组合式燃料电池用加湿器，其特征在于，所述前端孔（403）通过入口腔（7）与所述前入口（402）相通。

7.根据权利要求1所述的一种新型组合式燃料电池用加湿器，其特征在于，所述后端孔（503）通过出口腔（8）与所述后出口（502）相通。

8.根据权利要求1所述的一种新型组合式燃料电池用加湿器，其特征在于，所述外壳盖（10）固定于固定外壳（9）的低端口处且第一弹簧（12）和第二弹簧（14）均处于自然状态时，所述第一硅胶垫（13）底端面与所述第二硅胶垫（15）顶端面之间的距离大于所述膜管外壳（1）的高度。