本发明专利技术公开一种质子交换膜燃料电池的增湿装置，属于燃料电池技术领域。该装置主要由外筒、内筒、螺旋叶片、传动轴构成，所述螺旋叶片固定在内筒外表面，内筒的筒壁上有微孔，内筒由连接杆与传动轴相连。该装置用于对质子交换膜燃料电池原料气进入电堆前的加湿，充分利用尾气中的水份和热量，并能调节增湿气体的压力，具有节能、高效、调节方便的优点，满足原料气增湿要求和进电堆压力要求，使燃料电池系统能耗、成本降低，体积减小，效果显著。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及质子交换膜燃料电池，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池的增湿装置。
技术介绍
燃料电池相当于一种电化学池，其将燃料的化学能直接转化为电能，效率高达40 60%。质子交换膜燃料电池是燃料电池的一种，由于其工作温度低，在室温下就可以启动。质子交换膜燃料电池以氢气为燃料，氢气在电池阳极吸附解离为氢离子，电解质膜是一种特殊的膜，其只允许氢离子通过。目前使用最广泛的是氟化磺酸膜，氢离子在此膜中以水合质子(H3O+)的形式，从阳极迁移至阴极，与阴极的氧气或者空气发生反应生成水。氟化磺 酸膜在足够的湿度下才具有很好的氢离子导电性，当缺水时膜内阻急剧增加，电池性能会迅速下降。虽然燃料电池在阴极端会生成水，但是当使用空气作为氧化剂时，需要通入过量空气，当大量干空气吹入时，未反应的高温气体会将生成的水分带走，致使阴极端缺水。为此在进电堆前一般对空气进行加湿。质子交换膜燃料电池的加湿方式一般有以下几种 蒸汽加湿利用电阻丝加热去离子水，产生水蒸气，将需要加湿的气体通过来加湿。此方法需要加热装置和额外的加水，具有体积大，耗能等缺点。利用质子交换膜加湿该加湿方法利用质子交换膜的阻气特性和水在膜内的浓差扩散实现，在膜的一侧通水，一侧通气体，水分通过膜达到另一侧，将气体加湿。此方法使用昂贵的质子交换膜，一般做成与电堆一样的结构，和电堆装在一起。其缺点是成本高，增大了电堆体积，增湿效率低，需要额外提供去离子水，而且对气体产生很大的阻力。还有一种是焓轮增湿器，燃料电池的尾气和原料气分别进入增湿器两侧， 利用陶瓷材料的微孔吸收尾气中的水分和热量，电机驱动转动焓轮，原料气再将陶瓷材料中的水分和热量吸收，进而加湿。此方法的缺点是密封难，尾气与原料气易串气；同时也不能用于氢气侧加湿。在对空气侧进行加湿时，各种增湿装置会对空气的流动产生阻力，空气压力的下降直接影响了电堆的性能。目前对于千瓦级燃料电池系统，空气端的能耗占系统总能量的10% 15%，而且市场上符合要求的空压机或者鼓风机很少。有了增湿器以后，为了满足进电堆空气的压力需求，就需要从空压机或者鼓风机出来的空气压力更大，这样需要更大功率的空气压缩装置，燃料电池系统的总能耗、成本和体积都会增加。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术的不足，提供一种节能、高效，同时对加湿气体压力进行调节的质子交换膜燃料电池的增湿装置。本专利技术的技术方案是质子交换膜燃料电池的增湿装置，主要由外筒、内筒、螺旋叶片、传动轴构成，所述外筒与内筒同轴设置，螺旋叶片固定在内筒外表面，其外缘与外筒内壁靠近、有小间隙，内筒的筒壁上有微孔，内筒由连接杆与传动轴相连，该装置的首端设有与内、外筒之间的空腔相连通的原料气进口，以及与内筒内腔相连通的尾气出口，该装置的尾端设有连接内、外筒之间的空腔与电堆的原料气管道以及连接内筒空腔与电堆的尾气管道。所述内筒筒壁上的微孔孔径为0. 01 I. Omm ;所述尾气出口有两个、对称设置；所述尾气管道与该装置尾端的连接口有两个，对称设置；所述内筒的两端与该装置首尾端之间的滑动部位设有密封圈；所述传动轴与电机及调速机构相连接。与传统的增湿方式相比，本专利技术具有以下优点 首先，利用尾气加湿，不需要额外加水，可以减小系统的体积和功耗； 其次，通过螺旋叶片的设计，可以在气体增湿的同时调节其压力，弥补增湿器对气体的阻力，提闻电池性能； 再次，待加湿空气与燃料电池尾气在不同的管道对流运行中传递水分与热量，两种气体的流量相互之间无影响，增强电堆的稳定性； 同时，加湿气体的流速可以调节，从而满足增湿要求和进电堆压力要求。上述的燃料电池质子交换膜的增湿装置，待增湿气体从原料气进口 7进入外筒10与内筒9形成的空腔2中，在螺旋叶片11的转动推动下到达增湿器的尾端，从外筒尾端的原料气管道I出来进入燃料电池电堆13中；燃料电池电堆的尾气从尾气管道12进入内筒的空腔3中，高温高湿尾气在离心力作用下，通过内筒壁上的孔，将热量和水分传递给空腔2中的气体，尾气中的气体成分从尾气出口 6排出系统外；内筒通过若干连接杆4与传动轴固定连接，螺旋叶片与内筒外壁固定相连，在传动轴的带动下，内筒、螺旋叶片随传动轴一起转动；外筒固定不动。上述的燃料电池质子交换膜的增湿装置，外筒与内筒之间有螺旋叶片，螺旋叶片与内筒外壁固定连接，与外筒内壁实现动态密封；内筒两端与装置的端面滑动部位有密封圈8。上述的燃料电池质子交换膜的增湿装置，内筒与传动轴通过连接杆固定，电机与传动轴相连。电机带动传动轴转动，传动轴带动内筒转动，内筒带动螺旋叶片转动；螺旋叶片的旋向与传动轴转动方向相反。上述的燃料电池质子交换膜的增湿装置，传动轴的转速可调，从而螺旋叶片的转速可调，实现加湿气体的流速可调。本专利技术的主要特点是其解决了因增湿器对气体阻力而使进电堆的压力不够问题，降低了对空气压缩机或者鼓风机的要求；同时加湿气体的流速通过电机的控制调节，根据不同的系统选择合适的转速，也可以改变螺旋叶片的螺距大小或者选择不同形状的螺旋面，使其满足电堆对加湿气体的湿度和压力需求。本装置还具有高增湿效率、低耗能、低成本的特点。附图说明附图为本专利技术的质子交换膜燃料电池增湿装置结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。如图所示，本专利技术中外筒10为一个固定的密封空心圆柱体，内筒9与外筒同轴，其壁上分布有大小不一的微孔道，孔径为0. 01 I. 0毫米，孔隙率为50% 80%，螺旋叶片11固定于内筒外壁上，与外筒留有很小的缝隙，类似于鼓风机风轮与外壁的结构，内筒通过连接杆4与传动轴5固定连接，在传动轴带动下，内筒和螺旋叶片一起转动。原料气通过原料气进口 7进入外筒与内筒之间的空腔2中，从原料气管道I出去直接进入电堆13。电堆的尾气通过尾气管道12进入内筒内腔3中，最后从尾气出口 6排出系统外。内筒与外筒滑动部位有密封圈8，防止 原料气和尾气串气。燃料电池的高温高湿尾气进入空腔3中，电机开启，传动轴带动内筒和螺旋叶片一起转动，尾气中的水分遇到冷的内筒壁部分液化，在离心作用下从内筒壁上的微孔被甩入空腔2中，原料气进入空腔2中将水分携带走，内筒材料选用热的良导体，如不锈钢或者其他金属材料，尾气中的热量将传递给原料气，外筒材料为绝热体，保证增湿装置内热量几乎不被环境吸收。加湿气体的流速跟螺旋叶片的转速、螺距大小和螺旋面的形状有关，传动轴的转速通过电控部分在500 IlOOrpm范围内可调，螺旋叶片的转速可通过传动轴的转速来控制，传动轴转速越快，螺旋叶片转速也越快，原料气的流速加快，原料气与尾气的热交换和湿度交换就越快。同时该装置中传动轴的转动方向与螺旋叶片的旋向方向相反，在转动时可以使空腔2中的气体压力增加，且压力的改变可以通过调节螺旋叶片转速来实现。传动轴、螺旋叶片的转动对空腔3内燃料电池尾气的流速和压力几乎不产生影响，从而能使原料气更好的加湿和换热，能使燃料电池系统快速启动且高效运行。本专利技术中螺旋叶片与内筒外壁固定连接，与外筒内壁之间的空隙越小越好，从而保证更好的控制原料气的压力。螺旋叶片的螺距和螺旋面形状可以根据实际电堆的工作条件确定。根据燃料电池系统对加湿效果的要求，可以改变空腔3的大小，来改变尾气在腔体内的停留时间和容量；可以根据原料气的流量和增湿要求来改本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种质子交换膜燃料电池的增湿装置，其特征是该装置主要由外筒（10）、内筒（9）、螺旋叶片（11）、传动轴（5）构成，所述外筒与内筒同轴设置，螺旋叶片固定在内筒外表面，其外缘与外筒内壁靠近、有小间隙，内筒的筒壁上有微孔，内筒由连接杆（4）与传动轴相连，该装置的首端设有与内、外筒之间的空腔（2）相连通的原料气进口（7），以及与内筒内腔（3）相连通的尾气出口（6），该装置的尾端设有连接内、外筒之间的空腔（2）与电堆（13）的原料气管道（1）以及连接内筒空腔（3）与电堆（13）的尾气管道（12）。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：佘沛亮，王利生，仙存妮，
申请(专利权)人：北京慧峰聚能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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