CN213184366U - 一种燃料电池膜增湿器及燃料电池装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池膜增湿器及燃料电池装置，包括顺次连通设置的进气部、加湿部和出气部；其中，所述加湿部自内而外形成有待加湿气体通路和湿热水汽通路，且所述湿热水汽通路包括连通至外部的进汽通路和出汽通路；所述待加湿气体通路包括多条沿所述进气部至所述出气部延伸形成的纤维膜管，且位于外侧的所述纤维膜管的直径大于位于内侧的所述纤维膜管的直径。通过上述设计，解决了现有技术中燃料电池的膜增湿器对空气增湿不均，造成供入燃料电池堆内部的加湿气体湿度差异大，进而给加湿效果带来明显的影响，从而大大影响整个燃料电池装置的使用寿命和使用性能的技术问题。

Description

一种燃料电池膜增湿器及燃料电池装置

技术领域

本实用新型涉及燃料电池结构领域，具体涉及一种燃料电池膜增湿器及燃料电池装置。

背景技术

质子交换膜燃料电池是以质子交换膜为媒介的一种新型电池，其在工作时，为保证电池性能和良好的质子导电率，必须保持适当的水分。在实际应用过程中，当湿度较低时，质子交换膜会干化，质子交换膜传导质子的能力下降，电阻增大，电压下降，输出功率降低，可能会导致质子交换膜的破裂，影响到燃料电池的运行；当湿度较高时，燃料电池运行的水无法及时排出，含水量过高，容易发生水淹现象，阻碍氧气的传输，电池的性能下降。因此质子交换膜燃料电池正常运行的关键就是保持质子交换膜的湿度。

针对这一现象，通常是利用气体增湿的方法在空气进入燃料电池之前对其进行增湿，常见的增湿器包括焓轮增湿器和膜增湿器。

膜增湿器具有制备工艺相对成熟，结构紧凑、压降小和易于操作等优点，然而，由于其待加湿部分和湿气提供部分各自独立且相对集中，这样就使得处于内部的待加湿部分往往难以得到有效加湿，并且整体加湿不均，造成供入燃料电池堆内部的加湿气体湿度差异大，进而给加湿效果带来明显的影响，从而大大影响整个燃料电池装置的使用寿命和使用性能。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种燃料电池膜增湿器及燃料电池装置，以解决现有技术中燃料电池的膜增湿器对空气增湿不均，造成供入燃料电池堆内部的加湿气体湿度差异大，进而给加湿效果带来明显的影响，从而大大影响整个燃料电池装置的使用寿命和使用性能的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型具体提供下述技术方案：

一种燃料电池膜增湿器，包括顺次连通设置的进气部、加湿部和出气部；其中，

所述加湿部自内而外形成有待加湿气体通路和湿热水汽通路，且所述湿热水汽通路包括连通至外部的进汽通路和出汽通路；

所述待加湿气体通路包括多条沿所述进气部至所述出气部延伸形成的纤维膜管，且位于外侧的所述纤维膜管的直径大于位于内侧的所述纤维膜管的直径。

作为本实用新型的一种优选方案，所述进汽通路至所述出汽通路的流通方向与所述进气部至所述出气部的流通方向相反。

作为本实用新型的一种优选方案，多条所述纤维膜管均匀分布于以所述加湿部的中点为圆心形成的多条圆环上，且分布于同一圆环上的多条所述纤维膜管形成为一组膜管组。

作为本实用新型的一种优选方案，多组所述膜管组自外而内纤维膜管的数量逐渐降低。

作为本实用新型的一种优选方案，相邻的两组所述膜管组中纤维膜管的数量之比为1:1.5-2.5。

作为本实用新型的一种优选方案，每根所述纤维膜管为双层结构，且内层为不锈钢筛网，外层为至少一层芳纶纸管；

所述芳纶纸管与所述不锈钢筛网之间形成有呈波浪形延伸的间隙，且自外侧至内侧延伸的多根所述纤维膜管中的间隙中的波浪形沿延伸方向的深度和宽度顺次减小。

作为本实用新型的一种优选方案，所述加湿部至少包括外壳，所述外壳36中自内而外形成所述待加湿气体通路31和所述湿热水汽通路32，且所述湿热水汽通路32沿所述进汽通路33和所述出汽通路34顺次形成第一缓冲段、加湿段和第二缓冲段，且所述外壳36中形成所述第一缓冲段与所述第二缓冲段的部分的直径大于形成所述加湿段的部分的直径，所述外壳中靠近所述进气部和所述出气部的两个端部的内壁向内沿所述外壳的轴线方向各自延伸形成有挡板，所述挡板与所述第一缓冲段和所述第二缓冲段各自围合形成具有开口的气体缓冲区。

作为本实用新型的一种优选方案，所述进气部和所述出气部自所述加湿部向外延伸形成为圆台结构。

为解决上述技术问题，本实用新型还进一步提供下述技术方案：

一种燃料电池装置，包括根据上述所述的一种燃料电池膜增湿器，且所述进气部与空气提供组件相连通，所述出气部和所述进汽通路各自与燃料电池堆相连通。

作为本实用新型的一种优选方案，所述空气提供组件包括与所述进气部顺次连通的中冷器、空压机和空气过滤结构。

作为本实用新型的一种优选方案，所述出汽通路还连通有尾气排放结构。

本实用新型与现有技术相比较具有如下有益效果：

1)结合进汽通路与燃料电池堆的连通设置，使得燃料电池堆反应过程中产生的水分能够通过进汽通路进入加湿部中对空气进行加湿，从而使得整个燃料电池装置中的水分得到有效的回收利用；

2)通过对纤维膜管的直径的有序设置，使得位于外部的纤维膜管的直径大于位于内侧的纤维膜管的直径，进一步形成自外而内稀疏到紧凑的排布，使得位于外部的湿热水汽通路能够有效实现层层递进的加湿，进一步完成干燥空气的充分加湿。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种燃料电池装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种燃料电池膜增湿器的内部结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种加湿部的剖视图；

图4为本实用新型实施例提供的一种燃料电池膜增湿器的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种纤维膜管的剖视图。

图中的标号分别表示如下：

1-进气部；2-出气部；3-加湿部；4-燃料电池堆；5-中冷器；6-空压机；7-空气过滤结构；8-尾气排放结构；

30-密封垫；31-待加湿气体通路；32-湿热水汽通路；33-进汽通路；34-出汽通路；35-纤维膜管；36-外壳；37-挡板；38-气体缓冲区；39-隔板；

351-不锈钢筛网；352-芳纶纸管；353-间隙。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-图4所示，本实用新型提供了一种燃料电池膜增湿器，包括顺次连通设置的进气部1、加湿部3和出气部2；其中，

所述加湿部3自内而外形成有待加湿气体通路31和湿热水汽通路32，且所述湿热水汽通路32包括连通至外部的进汽通路33和出汽通路34；

所述待加湿气体通路31包括多条沿所述进气部1至所述出气部2延伸形成的纤维膜管35，且位于外侧的所述纤维膜管35的直径大于位于内侧的所述纤维膜管35的直径。

采用内部为中空的纤维膜管35，使得干燥空气从进气部1中进入到纤维膜管35中，基于外部的湿热水汽通路32中的湿热水汽通过纤维膜管35的管壁进行湿度交换，得到湿度的湿润空气由出气部2流出，完成整体的干燥空气的加湿。同时，基于纤维膜管35直径的调整，使其整体自外而内形成由稀疏到紧凑的排布，进一步使得外部的湿热水汽通路32中的湿热水汽对其进行层层递进的加湿，使得内外纤维膜管35中的干燥空气都能得到充分加湿。

进一步地，基于各不同直径的通孔的纤维膜管35的使用，可以有效改善气体分布，使整个加湿部3均匀地对干燥气体进行增湿，大通孔直径的纤维膜管35降低了干湿气体的流动阻力，降低了整体压降，与设置额外隔板的结构相比，简化内部结构，节省内部空间，提高了装配效率及增湿性能。

在本实用新型的一种优选的实施例中，所述进汽通路33至所述出汽通路34的流通方向与所述进气部1至所述出气部2的流通方向相反。通过这一设置，使得干燥空气与湿热水汽之间逆向流动，提高增湿效率。

在本实用新型的另一优选的实施例中，多条所述纤维膜管35均匀分布于以所述加湿部3的中点为圆心形成的多条圆环上，且分布于同一圆环上的多条所述纤维膜管35形成为一组膜管组。这样的设置能够更好地引导湿热水汽的递进加湿，并有效提高加湿效果。

进一步地，多组所述膜管组自外而内纤维膜管35的数量逐渐降低，且相邻的两组所述膜管组中纤维膜管35的数量之比为1:1.5-2.5。基于这样的设置使得整体呈现辐射分布的状态，并且，在直径自外而内减小，数量自外而内减小的基础上，实现靠近外侧的纤维膜管35直径越大，分布相对越稀疏，靠近内侧的纤维膜管35直径越小，分布相对越紧凑，使得湿热水汽从外向内流动的过程中，先经过直径较大的纤维膜管35，再经过直径较小的纤维膜管35，能够更好地使得内部不容易增湿的干燥空气得到有效增湿，从而提高内外增湿效果的一致性。

一种更为优选的实施例中，每根所述纤维膜管35为双层结构，且内层为不锈钢筛网351，外层为至少一层芳纶纸管352。

当然，这里的纤维膜管35整体为圆柱体管状结构，且多个纤维膜管35的轴线方向均相互平行，相邻的纤维膜管35之间间隔设置。进一步地，在纤维膜管35的两端形成有隔板39，隔板39上形成有与多个纤维膜管35的通孔一一对应的贯穿孔，纤维膜管35的通孔对应贯穿孔，且纤维膜管35的端部通过密封垫30密封固定在隔板39上。

进一步地，采用芳纶纸包裹不锈钢筛网351的方式，再通过不锈钢丝将芳纶纸固定，形成芳纶纸管352，将芳纶纸管352与内部的不锈钢筛网351共同配合构成纤维膜管35。芳纶纸管35235的层数可以为1-5层，具体可以根据缓释效果和透气性的要求而定，具体地，若要求换湿效果好，可使用1-2层；若要求透气性严格，可使用4-5层。

上述方案中采用芳纶纸作为渗透膜，芳纶纸是由芳纶纤维深加工而成的特种纸，芳纶纸除具有超高强度、高模量和耐高温、阻燃、电绝缘、耐酸耐碱、重量轻等优良性能，其强度是钢丝的5-6倍，模量是钢丝或玻璃纤维的2-3倍，韧性是钢丝的2倍，重量仅为钢丝的五分之一左右，其化学稳定性好，化学结构异常稳定，具有优良的抗水解和抗蒸汽腐蚀性，且吸湿性好，芳纶纸的吸湿量能达到自身重量的2-10倍。因此，无需使用昂贵的聚合物膜材料，成本较低；增湿和加热的有效面积大，水汽扩散通量高，增湿器效率高，体积小；由于芳纶纸密度小，使得本实用新型的燃料电池膜增湿器的重量较轻，特别是对于在汽车上应用这种对重量比较敏感的场合更加有利。

一种更为优选的实施例中，所述芳纶纸管352与所述不锈钢筛网351之间形成有呈波浪形延伸的间隙353，且自外侧至内侧延伸的多根所述纤维膜管35中的间隙353中的波浪形沿延伸方向的深度和宽度顺次减小。当然，进一步说明的是，这里的波浪形指的是沿纤维膜管35的径向方向剖切后的切面中的间隙353形成为波浪形，且整个波浪形切面的间隙353沿纤维膜管35的轴向方向延伸。每个纤维膜管35中的芳纶纸管352与不锈钢筛网351之间各自都形成有上述间隙353，且自外而内排布的多个纤维膜管35中的上述间隙353的切面形成的波浪顺次减小，具体地，指的是其深度和宽度均顺次减小。这样的间隙353的设置，进一步契合相应的纤维膜管35的结构及其内部通孔的设置，有效针对性地预留增湿空间，进一步提高增湿均匀度和增湿效果。这种波浪形的结构是对芳纶纸管352内表面进行压制形成波浪面后，再将其包裹不锈钢筛网351形成。

在本实用新型的一种更为优选的实施例中，所述加湿部3至少包括外壳36，所述外壳36中自内而外形成所述待加湿气体通路31和所述湿热水汽通路32，且所述湿热水汽通路32沿所述进汽通路33和所述出汽通路34顺次形成第一缓冲段、加湿段和第二缓冲段，且所述外壳36中形成所述第一缓冲段与所述第二缓冲段的部分的直径大于形成所述加湿段的部分的直径，所述外壳36中靠近所述进气部1和所述出气部2的两个端部的内壁向内沿所述外壳36的轴线方向各自延伸形成有挡板37，所述挡板37与所述第一缓冲段和所述第二缓冲段各自围合形成具有开口的气体缓冲区38。

在本实用新型的另一优选的实施例中，所述进气部1和所述出气部2自所述加湿部3向外延伸形成为圆台结构。

在本实用新型实施例的另一个方面，还提供了一种燃料电池装置，包括根据上述所述的一种燃料电池膜增湿器，且所述进气部1与空气提供组件相连通，所述出气部2和所述进汽通路33各自与燃料电池堆4相连通。

进一步优选的实施例中，所述空气提供组件包括与所述进气部1顺次连通的中冷器5、空压机6和空气过滤结构7。进一步地，所述出汽通路34还连通有尾气排放结构8。

具体地，整个增湿过程如下：

空气进入空压机6进行压缩，经中冷器5以降低增压后的空气温度，得到的干燥空气经过进气部1进入加湿部3进行加湿，湿润的空气通过出气部2进入燃料电池堆4与氢气进行反应，生成的湿热水汽从进汽通路33进入湿热水汽通路32中并对待加湿气体通路31中的干燥空气进行增湿，多余的干燥水汽经出汽通路34后经尾气排放结构8排出。

以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (9)

1.一种燃料电池膜增湿器，其特征在于，包括顺次连通设置的进气部(1)、加湿部(3)和出气部(2)；其中，

所述加湿部(3)自内而外形成有待加湿气体通路(31)和湿热水汽通路(32)，且所述湿热水汽通路(32)包括连通至外部的进汽通路(33)和出汽通路(34)；

所述待加湿气体通路(31)包括多条沿所述进气部(1)至所述出气部(2)延伸形成的纤维膜管(35)，且位于外侧的所述纤维膜管(35)的直径大于位于内侧的所述纤维膜管(35)的直径，每根所述纤维膜管(35)为双层结构，且内层为不锈钢筛网(351)，外层为至少一层芳纶纸管(352)；

所述芳纶纸管(352)与所述不锈钢筛网(351)之间形成有呈波浪形延伸的间隙(353)，且自外侧至内侧延伸的多根所述纤维膜管(35)中的间隙(353)中的波浪形沿延伸方向的深度和宽度顺次减小。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜增湿器，其特征在于，所述进汽通路(33)至所述出汽通路(34)的流通方向与所述进气部(1)至所述出气部(2)的流通方向相反。

3.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池膜增湿器，其特征在于，多条所述纤维膜管(35)均匀分布于以所述加湿部(3)的中点为圆心形成的多条圆环上，且分布于同一圆环上的多条所述纤维膜管(35)形成为一组膜管组。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池膜增湿器，其特征在于，多组所述膜管组自外而内纤维膜管(35)的数量逐渐降低；

相邻的两组所述膜管组中纤维膜管(35)的数量之比为1:1.5-2.5。

5.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池膜增湿器，其特征在于，所述加湿部(3)至少包括外壳(36)，所述外壳(36)中自内而外形成所述待加湿气体通路(31)和所述湿热水汽通路(32)，且所述湿热水汽通路(32)沿所述进汽通路(33)和所述出汽通路(34)顺次形成第一缓冲段、加湿段和第二缓冲段，且所述外壳(36)中形成所述第一缓冲段与所述第二缓冲段的部分的直径大于形成所述加湿段的部分的直径，所述外壳(36)中靠近所述进气部(1)和所述出气部(2)的两个端部的内壁向内沿所述外壳(36)的轴线方向各自延伸形成有挡板(37)，所述挡板(37)与所述第一缓冲段和所述第二缓冲段各自围合形成具有开口的气体缓冲区(38)。

6.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池膜增湿器，其特征在于，所述进气部(1)和所述出气部(2)自所述加湿部(3)向外延伸形成为圆台结构。

7.一种燃料电池装置，其特征在于，包括根据权利要求1-6中任意一项所述的一种燃料电池膜增湿器，且所述进气部(1)与空气提供组件相连通，所述出气部(2)和所述进汽通路(33)各自与燃料电池堆(4)相连通。

8.根据权利要求7所述的一种燃料电池装置，其特征在于，所述空气提供组件包括与所述进气部(1)顺次连通的中冷器(5)、空压机(6)和空气过滤结构(7)。

9.根据权利要求7或8所述的一种燃料电池装置，其特征在于，所述出汽通路(34)还连通有尾气排放结构(8)。

Images