[發明專利]一種燃料電池高效膜加濕器

在審

• 申請號: 202011017752.0
• 申請日: 2020-09-24
• 公開（公告）號: CN112103534A
• 公開（公告）日: 2020-12-18
• 發明（設計）人: 楊田明
• 申請（專利權）人: 天朤（江蘇）氫能源科技有限公司
• 主分類號: H01M8/04119
• 分類號: H01M8/04119;H01M8/1007
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種燃料電池高效膜加濕器，至少包括殼體，殼體的兩側設有對置的加濕介質進出口，在殼體內部設置導流腔體，加濕介質進出口連通導流腔體；在殼體內部兩側導流腔體之間設有膜加濕組件，膜加濕組件至少設置有方形矩陣排列的加濕膜管；殼體上與進出口相鄰的兩側均設有連接導流端蓋，兩側導流端蓋上均連通有導氣口。該結構可以有效減少加濕膜管管束間的沖擊與分離作用，減少流場內的擾動，使得加濕膜管外測加濕介質流動分布均勻性提高；使得加濕膜管內氣流更加流暢，避免了膜管顫動，減少了膜管內的阻力，也延長了膜管壽命；加濕膜管在縱向設置的均勻間隙是在增加膜管填充率的同時并沒有增加阻力，從而提高整個加濕器的傳質傳熱效率。

技術領域

本發明涉及質子交換膜燃料電池系統領域，具體為一種燃料電池高效膜加濕器。

背景技術

質子交換膜燃料電池（PEMFC）具有環保、高效、啟動速度快、功率密度大等優點，是未來交通動力系統的主要競爭者之一，其質子交換膜在適當濕潤條件下燃料電池才能獲得良好的工作性能。燃料電池空氣和氫氣進氣都需要被增濕以防止質子交換膜脫水降低電池性能及工作壽命，使燃料電池得以高效工作。在諸多加濕技術路線中，膜加濕器利用PEMFC擺放的濕廢氣被循環利用于加濕和加熱反應物，因其具有增濕穩定、可控性強、增濕量大，無額外功耗等優點成為當前主流的外增濕技術方案。具體而言，膜加濕器利用了膜擴散原理，干氣流和濕氣流在膜兩側并行流過，而水蒸氣和熱能從膜的一側擴散到另一側。其中，水擴散率主要取決于水氣流量(濕度差對流)、膜壓力差(擴散)、膜厚度、流體溫度特性。在膜材料性能以及使用環境條件相同的情況下，膜加濕器的加濕性能也取決于加濕模組的膜管排列結構所形成的加濕介質流場結構，尤其是中空纖維管式膜加濕器，無論是錯流式還是逆流式的結構，其加濕膜管的排列結構對加濕效率影響十分重要。

目前的加濕模塊的加濕膜管通常采取如圖1-3所示的幾種排列放置：

其中，圖1為同向隨機擺放形式，在該形式下，由于加濕膜管20較軟，因而加濕膜管20在加濕模塊中的狀態是彎曲的并且是處于松散狀態，彎曲會增加干氣流場的流阻，并且會由于康達效應而引起加濕膜管20的顫動，從而導致流阻增加并影響加濕膜管20的使用壽命；隨機擺放管束分布的隨機性會使管束的外流場速度分布惡化嚴重，這種流動分布不均勻性使得隨機排列的管束會導致熱質傳遞性能有明顯降低，而加濕膜管20膜表面的共軛邊界使這種惡化作用更大，相應的對流傳熱傳質系數比理想邊界條件下更低；整個加濕器的綜合膜管填充率較低，影響加濕效率；

其中，圖2為捆扎成束，同向隨機擺放形式，在該形式下，由于加濕膜管20較軟，即使是捆扎成束，雖然橫向的彎曲有所改善，依然有隨機擺放的缺點；捆扎的管束里的加濕膜管20依然是隨機擺放，其外流場速度分布惡化依然嚴重；整個加濕器的綜合膜管填充率較低，影響加濕效率；

其中，圖3先集成為籠式加濕單元，再單個或多個排列于殼體，在該形式下，集成籠3內的加濕膜管20管束狀態相當于更緊密捆扎后更大的捆扎管束，雖然加濕膜管20橫向擺放更直，集成籠3內的加濕膜管20彼此之間更緊密，其抗震性能有改善，但依然存在加濕膜管20隨機擺放的問題；更緊密的加濕膜管20狀態使得加濕介質較難進入管束內部，導致了組件內部局部速度過小或出現流動死區，依然存在流動分布不均勻性對組件冷卻效率與加濕效率的惡化作用；為了減少加濕介質流阻，在加濕單元置于殼體中時必須留出足夠的空間，這影響了綜合膜管填充率。

因此，本領域的技術人員致力于開發一種燃料電池高效膜加濕器，以解決上述問題。

發明內容

有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種燃料電池高效膜加濕器，在同樣的加濕材料和使用環境下，提高加濕效率和膜管使用壽命，以有效降低加濕器的體積，提高整體燃料電池的使用壽命。