用于燃料电池的膜增湿器制造技术

本发明专利技术公开了一种用于燃料电池的膜增湿器，包括圆柱形壳体、增湿管、第一挡板和第二档板；所述增湿管为两层结构，外层为芳纶纸管，内层为不锈钢筛网，所述增湿管的两端分别固定在所述第一挡板和所述第二档板上，密封于所述圆柱形壳体内部，形成管程和壳程。本发明专利技术还公开了一种燃料电池装置，包括本发明专利技术所述的膜增湿器。本发明专利技术用于燃料电池的膜增湿器通过向管程和壳程输送两种不同的气体，经由增湿管的管壁进行湿度和温度交换，能够有效地为燃料电池的进气增湿加热，更好地发挥燃料电池的性能，而且制备工艺简单，性能优良，成本较低，使用寿命长。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于燃料电池的增湿器，尤其涉及一种利用芳纶纸制造的用于燃料电池的膜增湿器。
技术介绍
燃料电池是一种将储存在燃料(如，氢气)和氧化剂(如，氧气)的化学能，通过电化学反应直接转化为电能的发电装置，具有效率高、环境友好、维修性好、使用方便、燃料多样化、响应速度快、功率范围广、发电单元模块化、部分负荷时性能优异等特点，非常适合作为移动式和分散式电源使用。作为燃料电池的一种，质子交换膜燃料电池还具有启动快、寿命长、比能量高、操作温度低、响应速度快、电解质无腐蚀，无泄漏等优点，应用前景广阔，市场潜力大，对产业结构升级、环境保护及经济的可持续发展均有重要意义。质子交换膜燃料 电池在工作时，阴极进气(空气)的湿度对电池的性能有很大的影响当进气湿度较低时，会导致电解质膜(质子交换膜)的干化，膜的质子传导能力与其含水量(润湿状态)关系密切，只有当膜处于良好的润湿状态时，才具有高的质子传导能力，因此膜的干化会造成其质子传导能力下降，接触电阻与欧姆电阻增大，输出电压减少，干化严重时，还会导致膜的破裂，严重威胁到电池的安全运行。当进气湿度过高时，电池运行时产生的水不能被顺利排出，形成阴极水淹现象，水淹会使阴极反应气体(氧气)分布不均匀，阻碍氧气向活化催化点传输，同时，液态水淹盖了一部分活化催化表面，使其不能催化电化学反应，降低催化剂的使用率，致使电池性能下降；而且由于水的时而集聚，时而被气体带出扩散层，水淹还会使电池的输出电压产生振荡。因此，进气湿度控制在质子交换膜燃料电池运行中至关重要，是重要的控制环节之一。对阴极进气的湿度控制主要采用增湿器，增湿器不但对进气湿度进行控制，还承担对进气进行预热，以使电堆具有更高的初始催化效率。目前实际运用中的增湿器大致可以分为两种一种是焓轮增湿器，另一种是膜增湿器。焓轮增湿器主要由焓轮、壳体、电机、挡板等组成，焓轮由蜂窝陶瓷制成。焓轮增湿器具有成本低、技术成熟、易于制造、废热利用率高、增湿程度容易调节等优点。但陶瓷材料制作的焓轮仍存在有密度大、耐磨程度低、进排气易互通，系统复杂程度高等缺点。膜增湿器的核心材料是渗透膜，其工作原理是燃料电池的湿热排气流经膜的一侧，新鲜空气流经膜的另一侧，水分在膜的一侧被吸收，然后在浓度差的作用下扩散到另一侧，最后蒸发至进气中，同时热量也在温差的作用下由排气转移到进气中，这样即完成对进气的增湿加热。通用汽车环球科技运作公司在所述的中国专利“燃料电池膜增湿器板设计”(公开号CN101409352A)，采用的是一种用于燃料电池的膜增湿器板，包括从扩散介质形成的大致平面顶层，从扩散介质形成的大致平面底层和大致平面细长带状物阵列，而细长带状物阵列布置在顶层和底层之间，形成多个流动通道，通过这些流动通道和膜的扩散实现两种气体湿的交换。现代自动车株式会社在中国专利中所述的“用于燃料电池的混合增湿器”(公开号CN 101154737A)类似于膜扩散增湿，采用管束的管道壁，通过气体扩散实现两种气体湿和热的交换，是一种超滤膜结构的增湿器。其新鲜空气从增湿器圆柱形外壳的一侧流入，而热湿热空气从另一侧流出，在圆柱形外壳内含有多个增湿管，为新鲜空气增湿，再通过加热器为湿热空气加热实现湿气增热，而残余空气可以通过圆柱形增湿器的出口排出。膜增湿器制备工艺成熟，具有结构紧凑、压降小和易于操作等优点。但目前所使用的膜以有机膜为主，其价格昂贵、易变形、耐压程度差，长时间使用之后膜易破损，造成进排气互通。而且，对于车载的大功率燃料电池而言，所需要的膜增湿器一般体积较大，通常采用有机膜的膜增湿器的重量较大，使其应用受到了一定的限制，特别是在车载的大功率燃料电池这种对重量比较敏感的场合。因此，本领域的技术人员致力于开发一种性能优良、运行成本较低、使用寿命长、 质量较轻的膜增湿器。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种用于燃料电池的膜增湿器，能够有效的为燃料电池的进气增湿加热，更好的发挥燃料电池的性能，而且制备工艺简单，压降低，使用寿命长。为实现上述目的，本专利技术提供了一种用于燃料电池的膜增湿器，包括圆柱形壳体、增湿管、第一挡板和第二档板；所述增湿管为两层结构，外层为芳纶纸管，内层为不锈钢筛网，所述增湿管的两端分别固定在所述第一挡板和所述第二档板上，密封于所述圆柱形壳体内部，形成管程和壳程。进一步地，其中，所述圆柱形壳体的两个底面分别设有新鲜空气入口和新鲜空气出口，侧面分别设有湿热空气入口和湿热空气出口。进一步地，其中，所述第一挡板和所述第二挡板均为圆形多孔板，所述第一挡板和所述第二挡板的半径与所述圆柱形壳体的底面直径相同，且所述第一挡板和所述第二挡板上具有均匀分布的相对应的圆形孔洞，所述第一挡板和所述第二挡板均置于所述圆柱形壳体内部，与所述圆柱形壳体的内壁相切，且相切位置均采用密封垫密封；所述第一挡板位于所述新鲜空气入口与所述湿热空气出口之间，所述第二挡板位于所述新鲜空气出口与所述湿热空气入口之间。进一步地，其中，所述增湿管为圆柱形管体，其直径与所述第一挡板和所述第二挡板上的所述圆形孔洞的直径相同；所述增湿管的个数与所述第一挡板和所述第二挡板上的所述圆形孔洞的个数相同；所述增湿管彼此间隔特定距离且互相平行。进一步地，其中，所述管程为增湿管的内部空间。所述壳程为增湿管与圆柱形壳体之间的空间。进一步地，其中，所述芳纶纸管的层数为1-5层。具体层数根据实际的换湿效果和透气性要求而定；要求换湿效果好，芳纶纸的层数为1-2层，对透气性限制严格，芳纶纸的层数为4-5层。本专利技术还提供了一种燃料电池装置，包括本专利技术中上述的膜增湿器。进一步地，其中，所述燃料电池装置还包括鼓风机、气体阀门、气体传感器、温度传感器、湿度传感器、燃料电池堆和水分离器。进一步地，其中，所述燃料电池装置的增湿步骤包括新鲜空气经由所述鼓风机进入所述燃料电池装置，然后经过所述气体阀门，通过所述气体传感器测量压力，经由新鲜空气入口进入所述膜增湿器中的管程进行增湿加热，增湿加热后的空气经由所述膜增湿器的新鲜空气出口，经过所述温度传感器和所述湿度传感器测量温度和湿度后，进入所述燃料电池堆的阴极；同时，氢气经由氢气入口进入所述燃料电池堆的阳极，与所述阴极中的氧气发生电化学反应，将化学能直接转变为电能，反应得到的水通过所述水分离器上的阀门分离出所述燃料电池装置，反应得到的电堆排气通过所述膜增湿器侧面的湿热空气入口进入增湿器的壳程，对所述管程内部的新鲜空气进行增湿加热，最 后废气经由所述膜增湿器侧部的湿热空气出口排出所述燃料电池装置。其中，所述电堆排气是指燃料电池堆的阴极中的氧气与阳极中的氢气发生电化学反应得到的产物。本专利技术用于燃料电池的膜增湿器通过向管程和壳程输送两种不同的气体，通过增湿管的管壁进行湿度和温度交换。在增湿过程中，其中新鲜空气流入膜增湿器的管程，即增湿管内部空间，新鲜空气被增湿管增湿，并被加热；与此同时，电推排气流经膜增湿器的壳程，即增湿管和圆柱形壳体之间的空间，增湿管被加热，并吸附电堆排气中的水，新鲜空气与电推排气通过增湿管交换热量和水分。本专利技术用于燃料电池的膜增湿器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、耐本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池的膜增湿器，其特征在于，包括圆柱形壳体、增湿管、第一挡板和第二档板；所述增湿管为两层结构，外层为芳纶纸管，内层为不锈钢筛网，所述增湿管的两端分别固定在所述第一挡板和所述第二档板上，密封于所述圆柱形壳体内部，形成管程和壳程。

【技术特征摘要】
1.一种用于燃料电池的膜增湿器，其特征在于，包括圆柱形壳体、增湿管、第一挡板和第二档板；所述增湿管为两层结构，外层为芳纶纸管，内层为不锈钢筛网，所述增湿管的两端分别固定在所述第一挡板和所述第二档板上，密封于所述圆柱形壳体内部，形成管程和壳程。2.如权利要求1所述的膜增湿器，其中，所述圆柱形壳体的两个底面分别设有新鲜空气入口和新鲜空气出口，侧面分别设有湿热空气入口和湿热空气出口。3.如权利要求1所述的膜增湿器，其中，所述第一挡板和所述第二挡板均为圆形多孔板，所述第一挡板和所述第二挡板的半径与所述圆柱形壳体的底面直径相同，且所述第一挡板和所述第二挡板上具有均匀分布的相对应的圆形孔洞，所述第一挡板和所述第二挡板均置于所述圆柱形壳体内部，与所述圆柱形壳体的内壁相切，且相切位置均采用密封垫密封；所述第一挡板位于所述新鲜空气入口与所述湿热空气出口之间，所述第二挡板位于所述新鲜空气出口与所述湿热空气入口之间。4.如权利要求1所述的膜增湿器，其中，所述增湿管为圆柱形管体，其直径与所述第一挡板和所述第二挡板上的所述圆形孔洞的直径相同；所述增湿管的个数与所述第一挡板和所述第二挡板上的所述圆形孔洞的个数相同；所述增湿管彼此间隔特定距离且互相平行。5.如权利要求1所述的膜增湿器，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：隋升，苏凯华，王曙中，章俊良，蒋峰景，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：