CN214672701U - 一种燃料电池高效膜加湿器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池高效膜加湿器，至少包括壳体，壳体的两侧设有对置的加湿介质进出口，在壳体内部设置导流腔体，加湿介质进出口连通导流腔体；在壳体内部两侧导流腔体之间设有膜加湿组件，膜加湿组件至少设置有方形矩阵排列的加湿膜管；壳体上与进出口相邻的两侧均设有连接导流端盖，两侧导流端盖上均连通有导气口。该结构可以有效减少加湿膜管管束间的冲击与分离作用，减少流场内的扰动，使得加湿膜管外测加湿介质流动分布均匀性提高；使得加湿膜管内气流更加流畅，避免了膜管颤动，减少了膜管内的阻力，也延长了膜管寿命；加湿膜管在纵向设置的均匀间隙是在增加膜管填充率的同时并没有增加阻力，从而提高整个加湿器的传质传热效率。

Description

一种燃料电池高效膜加湿器

技术领域

本实用新型涉及质子交换膜燃料电池系统领域，具体为一种燃料电池高效膜加湿器。

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，其质子交换膜在适当湿润条件下燃料电池才能获得良好的工作性能。燃料电池空气和氢气进气都需要被增湿以防止质子交换膜脱水降低电池性能及工作寿命，使燃料电池得以高效工作。在诸多加湿技术路线中，膜加湿器利用PEMFC摆放的湿废气被循环利用于加湿和加热反应物，因其具有增湿稳定、可控性强、增湿量大，无额外功耗等优点成为当前主流的外增湿技术方案。具体而言，膜加湿器利用了膜扩散原理，干气流和湿气流在膜两侧并行流过，而水蒸气和热能从膜的一侧扩散到另一侧。其中，水扩散率主要取决于水气流量(湿度差对流)、膜压力差(扩散)、膜厚度、流体温度特性。在膜材料性能以及使用环境条件相同的情况下，膜加湿器的加湿性能也取决于加湿模组的膜管排列结构所形成的加湿介质流场结构，尤其是中空纤维管式膜加湿器，无论是错流式还是逆流式的结构，其加湿膜管的排列结构对加湿效率影响十分重要。

目前的加湿模块的加湿膜管通常采取如图1-3所示的几种排列放置：

其中，图1为同向随机摆放形式，在该形式下，由于加湿膜管20较软，因而加湿膜管20在加湿模块中的状态是弯曲的并且是处于松散状态，弯曲会增加干气流场的流阻，并且会由于康达效应而引起加湿膜管20的颤动，从而导致流阻增加并影响加湿膜管20的使用寿命；随机摆放管束分布的随机性会使管束的外流场速度分布恶化严重，这种流动分布不均匀性使得随机排列的管束会导致热质传递性能有明显降低，而加湿膜管20膜表面的共轭边界使这种恶化作用更大，相应的对流传热传质系数比理想边界条件下更低；整个加湿器的综合膜管填充率较低，影响加湿效率；

其中，图2为捆扎成束，同向随机摆放形式，在该形式下，由于加湿膜管20较软，即使是捆扎成束，虽然横向的弯曲有所改善，依然有随机摆放的缺点；捆扎的管束里的加湿膜管20依然是随机摆放，其外流场速度分布恶化依然严重；整个加湿器的综合膜管填充率较低，影响加湿效率；

其中，图3先集成为笼式加湿单元，再单个或多个排列于壳体，在该形式下，集成笼3内的加湿膜管20管束状态相当于更紧密捆扎后更大的捆扎管束，虽然加湿膜管20横向摆放更直，集成笼3内的加湿膜管20彼此之间更紧密，其抗震性能有改善，但依然存在加湿膜管20随机摆放的问题；更紧密的加湿膜管20状态使得加湿介质较难进入管束内部，导致了组件内部局部速度过小或出现流动死区，依然存在流动分布不均匀性对组件冷却效率与加湿效率的恶化作用；为了减少加湿介质流阻，在加湿单元置于壳体中时必须留出足够的空间，这影响了综合膜管填充率。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种燃料电池高效膜加湿器，以解决上述问题。

实用新型内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种燃料电池高效膜加湿器，在同样的加湿材料和使用环境下，提高加湿效率和膜管使用寿命，以有效降低加湿器的体积，提高整体燃料电池的使用寿命。

为了解决上述问题，本实用新型提供一种燃料电池高效膜加湿器，至少包括壳体，所述壳体为立体结构，所述壳体的两侧设有对置的加湿介质进出口，在所述壳体内部设置导流腔体，所述加湿介质进出口连通所述导流腔体；在所述壳体内部两侧所述导流腔体之间设有膜加湿组件，所述膜加湿组件至少设置有方形矩阵排列的加湿膜管；所述壳体上与所述进出口相邻的两侧均设有连接导流端盖，两侧所述导流端盖上均连通有导气口。

进一步的，所述壳体和所述导流端盖相对的两个端面上分别设置有安装环I和安装环II, 所述安装环I和安装环II之间通过螺栓紧固，从而将导流端盖连接到壳体上。

进一步的，所述导流端盖和壳体两端的安装环I和安装环II之间设有密封圈，所述密封圈的表面设置有防滑纹，保障壳体与导流端盖的稳固密封。

进一步的，所述加湿膜管由网栅结构固定为方形矩阵排列，方形矩阵排列的所述加湿膜管外部设有防震笼，与所述网栅结构结为一体。

进一步的，所述防震笼及所述加湿膜管矩阵所形成的加湿单元两端通过灌胶与所述壳体之间形成密封。

进一步的，所述网栅结构在纵向上设有N列（N＞2）用以约束膜管的网栅笼网，将膜管约束为竖向层叠排列，并且保持膜管横向处于平直状态，同时在竖排的膜管之间形成间隙可以作为加湿介质风道。

进一步的，所述导气口、导流端盖、灌胶、加湿膜管内侧形成被加湿介质腔体，所述加湿介质进出口、导流腔体、膜管外侧、灌胶形成加湿介质腔体，被加湿介质腔体和加湿介质腔体通过所述加湿膜管壁形成分离，使得被加湿介质和加湿介质得以有效隔离。

进一步的，加湿介质可以是湿的气体，也可以是液体的水，加湿介质可以拥有较高的温度，较高温度的加湿介质，如水蒸气或者水，可以增加水分在特殊结构的膜加湿组件中的传递速度从而增加特殊结构的膜加湿组件的加湿效率，并且，加湿介质的热量能有效通过特殊结构的膜加湿组件传导到待加湿介质从而在加湿的同时能实现对待加湿介质的增温。

进一步的，所述加湿膜管的材质可以为高分子材料制成具有选择性渗透的均质膜材料，也可以由高分子材料制成具有选择性渗透的微孔膜材料。

通过实施上述本实用新型提供的燃料电池高效膜加湿器，具有如下技术效果：

（1）本技术方案中，壳体在加湿介质进出口处所设置的导流腔体可以改善加湿腔体的流场结构；

（2）本技术方案中，矩阵排列的加湿膜管结构的设置可以实现膜管之间在加湿介质出入方向保持均匀的间隙；使得膜管之间成方形平行矩阵排列，并在竖向保持加湿膜管呈线性紧密排列；同时可以保持膜管横向的直线固定，有效减少因膜管弯曲、松散引起康达效应造成的膜管颤动，减少了阻力，也延长了膜管寿命；

（3）本技术方案中，由防震笼和加湿膜管矩阵形成的加湿单元可以协助实现更高的综合膜管填充率；

（4）本技术方案中，网栅结构的设计加强了膜管列竖向热湿交换的同时不影响膜管列横向之间的热湿交换；

（5）本技术方案有效减少管束间的冲击与分离作用，减少流场内的扰动，使得流动分布均匀性提高，尤其是在燃料电池系统高功率运行时流量变大流速变快的时候依然能保持加湿介质在膜管周围的流动分布的均匀性，使得膜表面保持接近恒定浓度，其传质系数和阻力系数得到优化；

（6）本技术方案中，加湿膜管在纵向设置的均匀间隙使得在增加膜管填充率的同时并没有增加阻力，从而提高整个加湿器的传质传热效率。

附图说明

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果：

图1-3是本实用新型背景技术中加湿膜管的排列结构示意图；

图4是本实用新型是实施例中膜加湿器结构示意图；

图5是本实用新型实施例中加湿单元结构示意图；

图6是图5中灌胶结构示意；

图7是本实用新型实施例中网栅结构示意图；

图8是图7中网栅结构约束膜管结构示意图；

图9是加湿单元俯视结构示意图。

图中：

1、壳体；100、加湿介质进口；101、加湿介质出口；11、导流腔体；12、导流端盖；130、导气进口；131、导气出口；14、密封圈；15、安装环I；16、安装环II；17、螺栓

20、加湿膜管；21、网栅结构；22、风道；24、防震笼；25、灌胶；

3、集成笼。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例，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。

下面采用实施例详细描述本实用新型的技术方案。

如图4-9所示，本实施例提供一种燃料电池高效膜加湿器，至少包括壳体1，壳体1为立体结构，立体结构的壳体1的两侧面上设有对置的加湿介质进出口，在设置加湿介质进出口的壳体1两侧腔体内侧设置导流腔体11，加湿介质进出口连通导流腔体11，加湿介质通过加湿介质进出口进入导流腔体11，进而进入壳体1内部，导流腔体11的设置可以改善加湿腔体的流场结构。

加湿介质进出口实际上包括加湿介质进口100和加湿介质出口101两个部分，加湿介质从加湿介质进口100进入壳体1内腔，从加湿介质出口101排出到壳体1外部；如图所示，壳体1右侧上方为加湿介质进口100，壳体1左侧下方为加湿介质出口101；实际操作时，位置可根据需要进行调整。

在壳体1内部两侧导流腔体11之间设有膜加湿组件，膜加湿组件至少设置有方形矩阵排列的加湿膜管20；加湿膜管20由网栅结构21固定为方形矩阵排列，网栅结构21在纵向上设有N列（N＞2）用以约束膜管的网栅笼网，将膜管约束为竖向层叠排列，并且保持膜管横向处于平直状态，同时在竖排的膜管之间形成间隙可以作为加湿介质风道22。

一般而言，网栅结构21为若干列矩形网栅纵向排列形成的矩形立体结构，矩形网栅与传统网栅相同，均有若干栅条顺序排列形成。

方形矩阵排列的加湿膜管20外部设有防震笼23，与网栅结构21结为一体；防震笼23及加湿膜管20矩阵所形成的加湿单元两端通过灌胶24与壳体1之间形成密封。

壳体1上与加湿介质进出口10相邻的两侧均设有连接导流端盖12，两侧导流端盖12上均连通有导气口。壳体1和导流端盖12相对的两个端面上分别设置有安装环I15和安装环II16, 安装环I15和安装环II16之间通过螺栓17紧固，从而将导流端盖12连接到壳体1上。导流端盖12和壳体1两端的安装环I15和安装环II16之间设有密封圈14，密封圈14的表面设置有防滑纹，保障壳体1与导流端盖12的稳固密封。

在实际操作中，壳体1与导流端盖12之间的连接可以采用其他形式，只要保障两者连接并密封紧固即可。

导气口分为导气进口130和导气出口131，导气进口13如图所示，设置在左侧导气端盖12上方，用于干燥气体的进入；导气出口131如图所示，设置在欧策导气端盖12上方，用于干燥气体的排出，且导气出口131出口高度略高于导气进口130的进口高度。

导气口、导流端盖12、灌胶24、加湿膜管20内侧形成被加湿介质腔体，加湿介质进出口10、导流腔体11、加湿膜管20外侧、灌胶24形成加湿介质腔体，被加湿介质腔体和加湿介质腔体通过加湿膜管20壁形成分离，使得被加湿介质和加湿介质得以有效隔离。

加湿介质可以是湿的气体，也可以是液体的水，加湿介质可以拥有较高的温度，较高温度的加湿介质，如水蒸气或者水，可以增加水分在特殊结构的膜加湿组件中的传递速度从而增加特殊结构的膜加湿组件的加湿效率，并且，加湿介质的热量能有效通过特殊结构的膜加湿组件传导到待加湿介质从而在加湿的同时能实现对待加湿介质的增温。

加湿膜管20的材质可以为高分子材料制成具有选择性渗透的均质膜材料，也可以由高分子材料制成具有选择性渗透的微孔膜材料。

基于上述燃料电池高效膜加湿器，其工作原理为：本实用新型使用时，使用者通过在加湿介质进出口10中添加加湿介质，加湿介质进入导流腔体11的内腔中，进而进入壳体1内，这样，加湿介质进出口10、导流腔体11、膜管外侧、灌胶24之间下那股配合，形成加湿介质腔体，将被加湿介质通过输入到壳体1内的膜加湿组件当中；导气口13、导流端盖、加湿膜管20内侧形成被加湿介质腔体，这个过程中，加湿膜管20可以是由高分子材料制成具有选择性渗透的均质膜材料，利用膜管内外侧分压差实现水分在加湿膜管20内外侧的传递而实现高效加湿性能，该加湿膜管20也可以是由高分子材料制成具有选择性渗透的微孔膜材料，微孔大小为能有效阻挡液态水但允许水蒸气通过，利用膜两边的浓度差和压力差，实现水分在加湿膜管20内外侧的传递而实现高效加湿性能，匀质膜材料和选择性渗透的微孔膜材料均具备选择性阻隔作用，膜材料中只有水分子通过，使得在加湿过程中的加湿介质和被加湿介质之间得以有效隔离。在这个过程中，由于膜加湿组件中纵向设置的网栅结构21约束加湿膜管20形成竖向层叠排列，并保持膜管横向处于平直状态，因此，在竖排的膜管之间可以形成间隙，以作为加湿介质风道22，因此，有效保障膜管列竖向热湿交换的同时不影响膜管列横向之间的热湿交换；同时，网栅结构21及防震笼23相结合，通过灌胶24与壳体1固定，有效减少因膜管弯曲、松散引起康达效应造成的膜管颤动，减少了阻力，也延长了膜管寿命。

基于上述燃料电池高效膜加湿器，通过特殊结构的膜加湿组件可以有效减少管束间的冲击与分离作用，减少流场内的扰动，使得流动分布均匀性提高，尤其是在燃料电池系统高功率运行时流量变大流速变快的时候依然能保持加湿介质在膜管周围的流动分布的均匀性，使得膜表面保持接近恒定浓度，其传质系数和阻力系数得到优化；加湿膜管20在纵向设置的均匀间隙是的在增加膜管填充率的同时并没有增加阻力，从而提高整个加湿器的传质传热效率，可以实现加湿器体积的减少，寿命的提高。

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实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型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实用新型后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本申请旨在涵盖本实用新型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实用新型的一般性原理并包括本实用新型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，本实用新型的真正范围和精神由权利要求书指出。

应当理解的是，本实用新型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。本实用新型的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (9)

1.一种燃料电池高效膜加湿器，其特征在于，至少包括壳体，所述壳体为立体结构，所述壳体的两侧设有对置的加湿介质进出口，在所述壳体内部设置导流腔体，所述加湿介质进出口连通所述导流腔体；在所述壳体内部两侧所述导流腔体之间设有膜加湿组件，所述膜加湿组件至少设置有方形矩阵排列的加湿膜管；所述壳体上与所述进出口相邻的两侧均设有连接导流端盖，两侧所述导流端盖上均连通有导气口。

2.如权利要求1所述的燃料电池高效膜加湿器，其特征在于，所述壳体和所述导流端盖相对的两个端面上分别设置有安装环I和安装环II,所述安装环I和安装环II之间通过螺栓紧固，从而将导流端盖连接到壳体上。

3.如权利要求2所述的燃料电池高效膜加湿器，其特征在于，所述导流端盖和壳体两端的安装环I和安装环II之间设有密封圈，所述密封圈的表面设置有防滑纹，保障壳体与导流端盖的稳固密封。

4.如权利要求1所述的燃料电池高效膜加湿器，其特征在于，所述加湿膜管由网栅结构固定为方形矩阵排列，方形矩阵排列的所述加湿膜管外部设有防震笼，与所述网栅结构结为一体。

5.如权利要求4所述的燃料电池高效膜加湿器，其特征在于所述防震笼及所述加湿膜管矩阵所形成的加湿单元两端通过灌胶与所述壳体之间形成密封。

6.如权利要求5所述的燃料电池高效膜加湿器，其特征在于，所述网栅结构在纵向上设有N列用以约束膜管的网栅笼网，其中，N＞2，将膜管约束为竖向层叠排列，并且保持膜管横向处于平直状态，同时在竖排的膜管之间形成间隙可以作为加湿介质风道。

7.如权利要求6所述的燃料电池高效膜加湿器，其特征在于，所述导气口、导流端盖、灌胶、加湿膜管内侧形成被加湿介质腔体，所述加湿介质进出口、导流腔体、膜管外侧、灌胶形成加湿介质腔体，被加湿介质腔体和加湿介质腔体通过所述加湿膜管壁形成分离，使得被加湿介质和加湿介质得以有效隔离。

8.如权利要求7所述的燃料电池高效膜加湿器，其特征在于，加湿介质为是湿的气体和/或液体的水。

9.如权利要求8所述的燃料电池高效膜加湿器，其特征在于，所述加湿膜管的材质为高分子材料制成具有选择性渗透的均质膜材料，和/或由高分子材料制成具有选择性渗透的微孔膜材料。

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