一种燃料电池膜管增湿器新结构制造技术

本实用新型专利技术公开一种燃料电池膜管增湿器新结构，由于其通过改变湿润气体出入口的位置，降低湿润气体通路的流阻，使气体在膜管增湿器外壳与中通纤维膜管外表面所形成的空间内形成回旋流动，并且降低了气流对膜管的直接冲击导致膜管发生断裂的概率，不仅能够一定程度上提高湿热交换效率，实现高效增湿，而且增强了膜管增湿器以及鼓风机的使用寿命。所述增湿器新结构包括：外壳，包括壳体、与之相匹配的首端和尾端、以及两端处设置在远离其横截面中心线的边沿位置的湿润气体入口和出口；中通纤维膜管，所述中通纤维膜管的两端被密封材料封装在所述首端和尾端，保证膜管中心通孔不堵塞；以及端帽，该端帽分别与首端和尾端连接，并设置有干燥气体的入口和出口。

A New Structure of Fuel Cell Membrane Tube Humidifier

The utility model discloses a new structure of a fuel cell membrane tube humidifier, which reduces the flow resistance of the wetting gas passage by changing the position of the wetting gas inlet and outlet, causes the gas to form a cyclotron flow in the space formed between the outer surface of the membrane tube humidifier shell and the outer surface of the through fiber membrane tube, and reduces the probability of the membrane tube rupture caused by the direct impact of the gas flow on the membrane tube. To a certain extent, it can improve the efficiency of heat and humidity exchange, achieve high efficiency humidification, and enhance the service life of membrane tube humidifier and blower. The new structure of the humidifier includes a shell, a matching head end and a tail end, and a wet gas inlet and outlet located at the edge far from the center line of the cross section at both ends; a midway fiber membrane tube, in which both ends of the midway fiber membrane tube are encapsulated by a sealing material at the head end and tail end to ensure that the central through hole of the membrane tube is not blocked; and an end cap. The end cap is connected with the head end and the tail end respectively, and the inlet and outlet of the dry gas are arranged.

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池膜管增湿器新结构
本技术涉及一种膜管增湿器新结构，尤其是涉及一种能够有效降低风阻，响应速度快，增湿性能优异的大功率燃料电池膜管增湿器新结构。
技术介绍
燃料电池是一种把阴阳极燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置，是继水电、火电以及核电之后的又一发电方式。由于燃料电池是通过电化学氧化还原反应实现化学能与电能的转化，不必经过热机过程，不受卡诺循环的限制，因此其能量转化效率是内燃机的两倍，而且反应过程不产生有害排放物，环境友好，清洁无污染。整个燃料电池装置包含的运动部件不多，因此与传统的水电，火电的发电机组相比，不仅安静无噪音污染，而且稳定可靠，维护成本低。此外，一般电池的活性物质都贮存在电池内部，因此也限制了电池的容量，与此截然不同的是，燃料电池本身只是一个催化转换的元器件，并不包含活性物质，其能量来源于外部的燃料供给系统。因此原则上只要燃料不断输入，燃料电池就能连续地持续发电，没有容量的限制。根据工作温度不同，燃料电池可以分为高温燃料电池和低温燃料电池。根据其电解质的不同，高温燃料电池又可以分为熔融碳酸盐燃料电池（MCFC，工作温度650oC）和固体氧化物燃料电池（SOFC，工作温度1000oC）；低温燃料电池也可以分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。在这些不同种类的燃料电池中，PEMFC由于具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。该燃料电池所使用的质子交换膜，为质子的迁移提供良好的通道，使得质子从膜的阳极侧传递到阴极侧，保证离子导电过程的畅通，与此同时，电子经外电路转移，从而构成完整的电流回路，向外界供电。因此，质子交换膜离子传导性能的好坏直接影响着该燃料电池的性能和使用寿命。目前PEMFC所采用的质子交换膜普遍采用的仍是Nafion膜，它是一种磺化的含氟高聚物，具有化学稳定性和热稳定性好、电导率高、机械强度高等优点，可在强酸、强碱、强氧化剂介质和高温等苛刻条件下使用。但是要保证其良好的质子导电率，就必须提供足够的水分。过度干燥条件下，没有水分子的参与，质子交换膜传导质子的效率急剧降低，电流回路的欧姆压降增加，电池输出功率降低；但是如果含水量过多，又会发生水淹现象，三相反应界面减少，电化学反应受阻，进而使电池性能急剧衰减。由此可见，维持质子交换膜良好的水化条件是保证PEMFC正常运行并具有良好性能的关键因素。为了保证质子交换膜含有适量的水分，燃料电池系统中专门增设了增湿环节，增湿效果的好坏很大程度上决定了燃料电池乃至汽车整车的工作性能。发展到现阶段，应用较多的增湿方法主要有鼓泡法、液态水喷射法、焓轮增湿法、湿膜增湿法、自增湿法等。目前惯常采用的做法是，在空气进堆前对其进行外增湿。同样是利用水的渗透扩散来实现对反应气体的增湿，但由于液态水增湿方式需要利用液态的去离子水，不仅增加了系统的自重，而且运行过程中需要不断的补充水分，增加了运营成本。而气体增湿可以利用阴极高湿高热尾气对燃料气进行增湿，有利于整个系统的热量和水分的回收。所以，在不考虑燃料电池体积的前提下，气体增湿成为目前最佳的增湿方式。现今普遍使用的气体增湿器为膜增湿器，它所采用的是一种能够允许水分子透过的膜材料。根据增湿器结构的不同，膜加湿器可以分为管壳式膜增湿器和板式膜增湿器。前者采用中空纤维膜管，干湿气体分别在膜管内外表面流过，水分通过中空纤维膜管从管径外表面迁移至内表面，对干燥反应气体进行增湿；后者则在平面的膜片材料两侧分别设置干湿气体流道，水分通过膜平面从潮湿尾气一侧传递到干燥进气一侧实现增湿。这种板式膜增湿器的流道结构设计不仅严重影响气体传输性能，而且导致气体与膜的接触面积有限，从而使得增湿效率并不高。为了提高增湿效率，就需要增加膜材料的面积或数量，同时相应增加双侧流场，从而导致增湿器的体积成倍增加，将不利于整车装配。相对而言，采用中空纤维膜管的管壳式膜增湿器，只需要调整膜管数量就能随意调节增湿性能，以适应大多数不同功率的电堆系统。而且膜管直径小，即使膜管数量增加也不会导致增湿器体积的过分增大。因此，考虑到燃料电池车辆的封装空间有限的问题，目前普遍采用的都是膜管增湿器。图1给出了目前普遍采用的传统膜管增湿器的结构图。如图中所示，干燥气体从入口A进入膜管增湿器，经膜管中心通孔增湿后从出口B进入燃料电池系统；与此同时，从燃料电池系统排出的高湿高热尾气从湿润气体入口C进入膜管增湿器，经膜管外表面将所含水分迁移至内表面后，从湿润气体出口D排出。传统膜管增湿器的湿润气体入口都设置在其两端横截面中心线所在位置，如图2所示。湿润气体从此入口处进入膜管增湿器，会对其内部的中通纤维膜管产生强烈的冲击左右，尤其是当燃料电池功率较高，所需风量很大时，中通纤维膜管外侧由于湿润气体的冲击会产生高频震动，进而对膜管与灌封胶连接处产生强力拉扯作用，造成中通纤维膜管的断裂，影响膜管增湿器的增湿效率和使用寿命。针对此种弊端，研究者们提出了不同的解决方案，其中最普遍的方式是，在入口与中通纤维膜管之间设置一道挡板，如图3所示。挡板可以是实心弧线板也可以是中间开孔的网板，能够对进入的湿润气体进行分流，从而降低其对中通纤维膜管的直接冲击强度。虽然，此方案可以一定程度上改善上述弊端状况，但同时不仅使膜管增湿器结构复杂化，也增大了湿润气体的流动阻力，增大了膜管增湿器的总压降，进而增加鼓风机的负荷。
技术实现思路
为了提高增湿效率和使用寿命，克服现有技术的上述问题与不足，本技术提出一种燃料电池膜管增湿器新结构，包括外壳、中通纤维膜管以及端帽。其中，所述外壳包括膜外壳、首端和尾端及两端处设置的湿润气体入口和出口；所述中通纤维膜管的两端被密封材料封装在所述外壳的首尾两端，保证膜管中心通孔不堵塞；端帽分别与外壳首尾两端相连接，并设置有干燥气体的入口和出口。进一步地，所述外壳与膜管及其封装材料间形成空腔G，富含水分的湿润气体在空腔G中从一侧入口处流向相对应的另一侧出口处；所述端帽与膜管及其封装材料间形成两个空腔K；干燥气体从干燥气体入口处经过一侧空腔K进入膜管内部通孔，再进入对应的另一侧空腔K，后经过干燥气体出口进入燃料电池系统。进一步地，所述湿润气体入口设置在膜管增湿器首尾两端远离其横截面中心线的边缘位置，以保证湿润气体进入膜管增湿器时气体回路的畅通，并降低入口处气体对膜管的剧烈冲击。本技术达到的有益效果是，通过改进湿润气体的出入口位置，可以延长气体在膜管增湿器中的流动路径，有效降低入口处潮湿气体的流阻，减小气体对膜管的冲击，降低膜管受气体冲击而产生的震动和拉扯频率，进而防止膜管断裂，并且从整体上提高了整个膜管增湿器的增湿性能和使用寿命。附图说明附图旨在用于描述基于本
技术实现思路
主体思想的示例性实施方式的参考，而不应解释为限制本
技术实现思路
的技术精神。图1传统膜管增湿器结构剖面示意图。图2传统膜管增湿器内部横截面剖视图。图3传统含挡板膜管增湿器内部横截面剖视图。图4本实施例新结构增湿器外观示意图。图5本实施例膜管增湿器新结构沿图4中A-A’线的剖面示意图。图中标记的含义：100膜管增湿器，110外壳，120首端端帽，130尾端端帽，140挡本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池膜管增湿器新结构，包括：外壳、中通纤维膜管以及端帽；其中，所述外壳包括壳体、与之相匹配的首端和尾端、以及两端处设置的湿润气体入口和出口；所述湿润气体出入口分别设置在首端和尾端上远离其横截面中心线的边沿位置；所述中通纤维膜管的两端被密封材料封装在所述首端和尾端，保证膜管中心通孔不堵塞；所述端帽分别与首端和尾端连接，并设置有干燥气体的入口和出口。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池膜管增湿器新结构，包括：外壳、中通纤维膜管以及端帽；其中，所述外壳包括壳体、与之相匹配的首端和尾端、以及两端处设置的湿润气体入口和出口；所述湿润气体出入口分别设置在首端和尾端上远离其横截面中心线的边沿位置；所述中通纤维膜管的两端被密封材料封装在所述首端和尾端，保证膜管中心通孔不堵塞；所述端帽分别与首端和尾端连接，并设置有干燥气体的入口和出口。2.根据权利要求1所述的燃料电池膜管增湿器新结构，其特征是，在所述湿润气体入口和出口处靠近中通纤维膜管的位置设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：文兆辉，刘慧，冯炎，石一鸣，刘潮，
申请(专利权)人：深圳伊腾迪新能源有限公司，
类型：新型
国别省市：广东,44