CN102832402B - 一种燃料电池用膜增湿器结构 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池用膜增湿器结构，包括膜元件和外筒，膜元件是螺旋卷式膜元件，螺旋卷式膜元件包括：两片对置的膜片，两个导流管和两个导流隔网，膜片的一对边密封成膜筒，一个导流隔网置于膜筒内，另一个置于一片膜片的外面，导流管一端封闭，管壁上开有进料口，膜筒开口的一对边分别与两个导流管管壁上进料口密封连接，并沿其中一个卷绕成螺旋卷式膜元件，外筒为封闭容器，筒壁上设有两个对外接口，膜元件置于外筒中间。本发明的有益效果是：膜元件选材广泛、填充密度大、成本低；可以将湿气源和干气源同时、大量地引入，减小阻力，实现水、热交换；结构制作简单、效率高、安装方式灵活；节省***空间；增湿源可以是湿气体，也可以是水，适应性强。

Description

一种燃料电池用膜增湿器结构

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及用于燃料电池的气体增湿装置，具体涉及膜增湿器结构。 

背景技术

质子交换膜燃料电池，氢气在阳极的催化剂表面发生氧化反应，生成电子和质子，电子经过外电路到达阴极，质子通过质子交换膜传递到阴极；在阴极催化剂表面，氧气与质子、电子发生电化学反应生成水，水随着尾气排出电池。燃料电池的工作原理和有关研究结果表明：质子交换膜的电导率与其水合程度几乎成线性关系。因此，为了实现在较高的能量转化效率的前提下得到满意的输出功率，增湿是燃料电池中的关键技术之一。 

目前，燃料电池正在朝着技术完善、实用开发的方向发展，以开发采用空气为氧化剂的车用燃料电池***为例，由于空气中的氧分压较低，气体流速较大，从而会使质子交换膜失水更为严重，因此必须将气流增湿。同时为了减小燃料电池***的体积和重量，提高***的能量密度和比功率，特别需要体积小，效率高，操作简单的气体增湿器。 

在燃料电池***中给反应气体增湿的方法有很多种，根据增湿水的来源不同可以分为外部补水和电池生成水回收两类，根据增湿装置的工作方式不同可以分为混和器、焓轮和膜增湿器。 

混和器增湿方法是气体进入电池之前在一个容器中与水或水蒸汽直接接触，通过控制温度和水流量来调节气体的相对湿度，混和方式包括鼓泡、喷淋等，如中国专利200410066643.2、200710122668.3、201110254614.9和US 7226680B2公开的方法都属于此类，增湿水的来源包括电池生成水回收和外部补充水，尽管此种方法可以达到增湿的目的，但是对于大功率的PEMFC***，由于气体流量大，存在增湿器体积过大和气流稳定性不好的问题，通常这种方式只适用于小功率的燃料电池***。 

焓轮是一个以一定的速度不断转动的蜂窝状转轮，它是由蓄热、吸湿材料制成。通过隔板将转轮分为A/B两个分隔区，当热的湿气体通过转轮的A区时，气体的显热和潜热被转轮吸收，随着转轮的旋转，当冷的干空气通过此区时这部分热量被释放出来，从而达到热量和湿度交换的目的。对于燃料电池***，在电堆的排出气体中含有大量的热和水，湿度接近饱和，焓轮增湿器就是利用这部分热量和湿度来给进气增湿的。US.6,013,385、US.20060134474A1、CN25,544,418和C N101043081A公开了采用焓轮的燃料电池***气体管理方法。此类方法存在运动部件易损耗、气体泄漏等问题。 

膜增湿器也是燃料电池***较多采用的气体增湿方法，既采用膜作为阻气隔膜制成气体增湿装置，在膜的两侧分别走水或湿气和干气，利用膜两侧水的分压差使水或水蒸汽向干气中扩散，达到对气体增湿的目的。由于膜包括管式、平板和中空纤维三种，用他们制成的器件形式可以是列管式、板框式、卷式和中空纤维式，他们的填充密度和工作效率相差也较大。 

US5382478等公开的方法是在电池组中加入增湿段：它的结构与电池一样为板框式，只不过“电极”上无催化剂，在膜的一侧通水，另一侧通入被增湿的气体，利用膜的阻气性和水在膜内的浓差扩散来实现对气体的增湿。US20080001313A1公开的膜增湿器是用平板膜制成的多层板式组件。这类增湿器的优点是制作、操作简单，但是它的体积和重量较大，约占电池组的1/10～1/5，降低了PEMFC的重量比功率，同时成本也较高，因为多使用 膜作为阻气隔膜。 

US7156379B2、US20100086818A1、US7040606B2、US6755399B2和中国专利03133848.8中均采用中空纤维膜制成燃料电池供气增湿装置，即采用亲水性中空纤维膜作为阻气隔膜，它可以获得较大的填充密度，以减小增湿器的体积，但是由于中空纤维膜材料的限制，所以价格比较昂贵。 

在膜分离技术中，文献报道和CN2008100404353和CN2010105319049所公开的螺旋卷式膜元件是将两张对置的平板膜的三边密封形成信封状膜包，膜包中放入一张导流隔网，将膜包开口边与一根集流管密封，在膜包外侧衬以另一张导流隔网，然后将膜袋与导流隔网一起沿着集流管卷绕形成膜卷，再装入压力容器内构成膜组件。此结构的膜组件中，膜袋内侧的流体是经过 膜渗透进入的，然后由集流管流出。整个膜组件只有三个外接口：原液进口、浓缩液出口和渗透液出口。该膜元件只适用于分离，不适合于燃料电池***的气体增湿，主要是由于渗透侧气体是由膜渗透进入的，然后由唯一的导流管流出，由于受到膜渗透速率的限制，渗透侧的流体流量受到限制，不能满足燃料电池***气体增湿传质要求。 

发明内容

本发明的目的是提供一种螺旋卷式膜增湿器结构，适用于燃料电池***气体增湿。 

本发明的技术方案是；一种燃料电池用膜增湿器结构，包括膜元件和外筒，膜元件是螺旋卷式膜元件，其特征在于所述螺旋卷式膜元件包括：两片对置的膜片，分别为膜片I和膜片Ⅱ，两个导流管，分别是导流管I和导流管Ⅱ，两个导流隔网，分别是导流隔网I和导流隔网Ⅱ，两片对置的膜片的一对边密封成膜筒，另一对边为敞开边，导流隔网I置于膜筒的两片膜片之间，导流隔网Ⅱ置于膜筒的其中一片膜片的外面，所述的两个导流管的每个导流管的一端封闭，导流管的管壁上沿轴向开有进料口，进料口的长度与膜筒的敞开边等长，进料口的宽度与膜筒的厚度相等，膜筒开口的一对边分别与两个导流管管壁上进料口密封连接，沿其中一个导流管将膜筒卷绕成螺旋卷式膜元件，卷绕成的螺旋卷式膜元件有四个外接口，分别是；两个导流管开口端的流体I进口和流体I出口，螺旋卷式膜元件中导流隔网Ⅱ形成的流体Ⅱ进口和流体Ⅱ出口；所述外筒为封闭容器，外筒的筒壁上设有两个对外接口，所述螺旋卷式膜元件置于外筒中间，螺旋卷式膜元件的两个导流管直接伸出外筒壁，导流管与外筒壁之间密封。 

本发明所述一种燃料电池用膜增湿器结构，其特征在于所述两个导流管的开口朝向相同或者相反。 

本发明所述一种燃料电池用膜增湿器结构，其特征在于所述膜片是亲水性的平板膜片。 

本发明所述一种燃料电池用膜增湿器结构，其特征在于所述膜片是致密膜、反渗透膜、超滤膜、微滤膜和纳滤膜中的一种。 

本发明所述一种燃料电池用膜增湿器结构，其特征在于所述外筒内壁上设有定位柱，定位柱在外筒两端的内壁上，每端内壁上有3—6个定位柱沿外筒内壁 均匀分布，螺旋卷式膜元件固定在定位柱上。 

本发明的膜增湿器结构使用时，膜筒内侧的流体I由导流管I进入，由导流管Ⅱ流出，膜筒外侧的流体Ⅱ由膜片敞开的一边进入，从膜片敞开边的另一边流出。具体连接方式是：当干空气作为流体Ⅱ连接时，干空气接口与外筒的两个对外接口的其中一个连接，外筒的另一个对外接口与电堆的空气入口连接，增湿源的流体作为流体I与两个导流管中的一个连接，两个导流管中的另一个与电堆的尾排口连接；当干空气作为流体I连接时，干空气接口与两个导流管中的一个连接，两个导流管中的另一个与电堆的空气入口连接，增湿源的流体作为流体Ⅱ与外筒的两个对外接口的其中一个连接，外筒的另一个对外接口与电堆的尾排口连接。 

本发明的膜增湿器结构的原理是：增湿源的流体和干空气通过膜阻隔，由于膜的一侧走增湿源的流体水或湿气，膜的另一侧走干气，利用膜两侧水的分压差使水或水蒸汽向干气中扩散，达到对气体增湿。 

本发明的有益效果是： 

1、螺旋卷式膜元件是膜分离领域常用的器件结构，选材广泛、填充密度大、成本低； 

2、膜片的两侧有两个外接口，可以将湿气源和干气源同时、大量地引入到膜元件中，减小流体阻力，实现水、热交换； 

3、膜增湿器结构制作简单、成本低、效率高、安装方式灵活； 

4、膜增湿器结构的四个外接口，可以根据燃料电池***的气路要求选定接口布局，节省***空间； 

5、增湿源可以是湿气体，也可以是水，适应性强。 

附图说明

本发明共有八幅附图，其中： 

图1是导流管开口朝向相同的膜筒结构示意图 

图2是导流管开口朝向相反的膜筒结构示意图 

图3是导流管开口朝向相同的膜卷及导流管结构示意图 

图4是导流管开口朝向相反的膜卷及导流管结构示意图 

图5是燃料电池用膜增湿器结构示意图，其中 

图5-1是膜筒的导流管开口朝向相同，外筒两个对外接口置于外筒两端的示意图 

图5-2是膜筒的导流管开口朝向相反，外筒两个对外接口置于外筒两端的示意图 

图5-3是膜筒的导流管开口朝向相反，外筒两个对外接口一个置于外筒一端另一个置于筒壁端部的示意图 

图5-4是膜筒的导流管开口朝向相反，外筒两个对外接口置于外筒壁两端部的示意图 

附图中，1、膜元件；4、外筒；41、定位柱11、导流管I，12、导流管Ⅱ；21、导流隔网I，22、导流隔网Ⅱ，31膜片I，32--膜片Ⅱ。 

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 

膜元件1包括：两片对置的膜片，分别为膜片I31和膜片Ⅱ32，两个导流管，分别是导流管I11和导流管Ⅱ12，两个导流隔网，分别是导流隔网I21和导流隔网Ⅱ22，两片对置的膜片的一对边密封成膜筒，另一对边为敞开边，导流隔网I21置于膜筒的两片膜片之间，导流隔网Ⅱ22置于膜筒的其中一片膜片的外面；两个导流管的每个导流管的一端封闭，导流管的管壁上沿轴向开有进料口，进料口的长度与膜筒的敞开边等长，进料口的宽度与膜筒的厚度相等，膜筒开口的一对边分别与两个导流管管壁上进料口密封连接，沿其中一个导流管将模筒卷绕成螺旋卷式膜元件，卷绕成的螺旋卷式膜元件有四个外接口，分别是；两个导流管开口端的流体I进口和流体I出口，一对膜片敞开边形成的流体Ⅱ进口和流体Ⅱ出口；外筒4为封闭容器，外筒4的筒壁上设有两个对外接口，螺旋卷式膜元件置于外筒中间，螺旋卷式膜元件的两个导流管直接伸出外筒壁，导流管与外筒壁之间密封。 

实施例1 

如图1所示，将两张对置的膜片31、32的一组对边用密封胶密封，形成膜筒，将导流隔网I21放在膜筒的中间，在膜筒外侧放一张导流隔网II22，将膜筒的两个开放端分别两个***导流管11、12的进料槽中，用密封胶密封固定，两个导流管的开放端为同一方向。将膜筒沿着其中一个导流管卷绕，形成如图3所示的膜卷。将 膜卷放入外筒4中，外筒内壁上的四个定位柱41将膜卷固定。外筒的两端开有外接口（如图5-1）。 

用于燃料电池时，来自于空气压缩机的干空气（流体II）进入外筒，同时，来自于燃料电池电堆阴极的尾排湿气体（流体I）进入膜卷的导流管之一。流体I和流体II分别流经膜筒内和膜筒外侧，由于流体I中的水蒸气分压大于流体II，湿空气中的水蒸汽可以通过膜片渗透到膜的对面，进入到干空气中，达到使干空气增湿的目的，被增湿的气流II在外筒另一端流出，进入燃料电池电堆。 

实施例2 

如图2所示，将两张对置的膜片31、32的一组对边用密封胶密封，形成膜筒，将导流隔网I21放在膜筒的中间，在膜筒外侧放一张导流隔网II22，将膜筒的两个开放端分别两个***导流管11、12的进料槽中，用密封胶密封固定，两个导流管的开放端为相反方向。将膜筒沿着其中一个导流管卷绕，形成如图4所示的膜卷。将膜卷放入外筒4中，外筒内壁上的四个定位柱41将膜卷固定。外筒的两端开有外接口（如图5-2）。外筒的两外接口也可开在外筒壁的两端部（如图5-4），还可以其中一个外接口开在外筒的一端，另一个开在外筒壁的一端部（如图5-3） 

用于燃料电池时，来自于空气压缩机的干空气（流体II）进入外筒，同时，来自于燃料电池电堆阴极的尾排湿气体（流体I）进入膜卷的导流管之一。流体I和流体II分别流经膜筒内和膜卷中的膜筒外侧，由于流体I中的水蒸气分压大于流体II，湿空气中的水蒸汽可以通过膜片渗透到膜的对面，进入到干空气中，达到使干空气增湿的目的，被增湿的气流II在外筒另一端流出，进入燃料电池电堆。 

实施例3 

将来自于燃料电池发动机***的水箱的水作为流体I引入膜卷的导流管之一，进入膜筒内测。来自于空气压缩机的干空气（流体II）进入外筒，进入膜筒的外侧的导流隔网II间的流道。水分子经过膜片渗透到膜筒外侧，进入到干空气（流体II），达到使干空气增湿的目的，被增湿的气流II在外筒另一端流出，进入燃料电池电堆。 

Claims (6)

1.一种燃料电池用膜增湿器结构，包括膜元件（1）和外筒（4），膜元件（1）是螺旋卷式膜元件，其特征在于所述螺旋卷式膜元件包括：两片对置的膜片，分别为膜片I（31）和膜片Ⅱ（32），两个导流管，分别是导流管I（11）和导流管Ⅱ（12），两个导流隔网，分别是导流隔网I（21）和导流隔网Ⅱ（22），两片对置的膜片的一对边密封成膜筒，另一对边为敞开边，导流隔网I（21）置于膜筒的两片膜片之间，导流隔网Ⅱ（22）置于膜筒的其中一片膜片的外面，所述的两个导流管的每个导流管的一端封闭，导流管的管壁上沿轴向开有进料口，进料口的长度与膜筒的敞开边等长，进料口的宽度与膜筒的厚度相等，膜筒的一对敞开边分别与两个导流管管壁上进料口密封连接，沿其中一个导流管将膜筒卷绕成螺旋卷式膜元件，卷绕成的螺旋卷式膜元件有四个外接口，分别是；两个导流管开口端的流体I进口和流体I出口，螺旋卷式膜元件中导流隔网Ⅱ形成的流体Ⅱ进口和流体Ⅱ出口；所述外筒（4）为封闭容器，外筒的筒壁上设有两个对外接口，所述螺旋卷式膜元件置于外筒中间，螺旋卷式膜元件的两个导流管直接伸出外筒壁，导流管与外筒壁之间密封。

2.根据权利要求1所述一种燃料电池用膜增湿器结构，其特征在于所述两个导流管的开口朝向相同或者相反。

3.根据权利要求1所述一种燃料电池用膜增湿器结构，其特征在于所述膜片是亲水性的平板膜片。

4.根据权利要求3所述一种燃料电池用膜增湿器结构，其特征在于所述膜片是致密膜、反渗透膜、超滤膜、微滤膜和纳滤膜中的一种。

5.根据权利要求1所述一种燃料电池用膜增湿器结构，其特征在于所述外筒（4）内壁上设有定位柱（41），定位柱（41）在外筒（4）两端的内壁上，每端内壁上有3—6个定位柱沿外筒内壁均匀分布，螺旋卷式膜元件固定在定位柱（41）上。

6.权利要求1所述一种燃料电池用膜增湿器结构的使用方法，其特征在于所述使用方法包括：外筒的两个对外接口的其中一个与干空气接口连接，外筒的另一个对外接口与电堆的空气入口连接，增湿源的流体与两个导流管中的一个连接，两个导流管中的另一个与电堆的尾排口连接；或者两个导流管中的一个与干空气接口连接，两个导流管中的另一个与电堆的空气入口连接，增湿源的流体与外筒的两个对外接口的其中一个连接，外筒的另一个对外接口与电堆的尾排口连接。