[实用新型]一种燃料电池高效膜加湿器

说明书

本实用新型公开了一种燃料电池高效膜加湿器，至少包括壳体，壳体的两侧设有对置的加湿介质进出口，在壳体内部设置导流腔体，加湿介质进出口连通导流腔体；在壳体内部两侧导流腔体之间设有膜加湿组件，膜加湿组件至少设置有方形矩阵排列的加湿膜管；壳体上与进出口相邻的两侧均设有连接导流端盖，两侧导流端盖上均连通有导气口。该结构可以有效减少加湿膜管管束间的冲击与分离作用，减少流场内的扰动，使得加湿膜管外测加湿介质流动分布均匀性提高；使得加湿膜管内气流更加流畅，避免了膜管颤动，减少了膜管内的阻力，也延长了膜管寿命；加湿膜管在纵向设置的均匀间隙是在增加膜管填充率的同时并没有增加阻力，从而提高整个加湿器的传质传热效率。

技术领域

本实用新型涉及质子交换膜燃料电池系统领域，具体为一种燃料电池高效膜加湿器。

背景技术

质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有环保、高效、启动速度快、功率密度大等优点，是未来交通动力系统的主要竞争者之一，其质子交换膜在适当湿润条件下燃料电池才能获得良好的工作性能。燃料电池空气和氢气进气都需要被增湿以防止质子交换膜脱水降低电池性能及工作寿命，使燃料电池得以高效工作。在诸多加湿技术路线中，膜加湿器利用PEMFC摆放的湿废气被循环利用于加湿和加热反应物，因其具有增湿稳定、可控性强、增湿量大，无额外功耗等优点成为当前主流的外增湿技术方案。具体而言，膜加湿器利用了膜扩散原理，干气流和湿气流在膜两侧并行流过，而水蒸气和热能从膜的一侧扩散到另一侧。其中，水扩散率主要取决于水气流量(湿度差对流)、膜压力差(扩散)、膜厚度、流体温度特性。在膜材料性能以及使用环境条件相同的情况下，膜加湿器的加湿性能也取决于加湿模组的膜管排列结构所形成的加湿介质流场结构，尤其是中空纤维管式膜加湿器，无论是错流式还是逆流式的结构，其加湿膜管的排列结构对加湿效率影响十分重要。

目前的加湿模块的加湿膜管通常采取如图1-3所示的几种排列放置：

其中，图1为同向随机摆放形式，在该形式下，由于加湿膜管20较软，因而加湿膜管20在加湿模块中的状态是弯曲的并且是处于松散状态，弯曲会增加干气流场的流阻，并且会由于康达效应而引起加湿膜管20的颤动，从而导致流阻增加并影响加湿膜管20的使用寿命；随机摆放管束分布的随机性会使管束的外流场速度分布恶化严重，这种流动分布不均匀性使得随机排列的管束会导致热质传递性能有明显降低，而加湿膜管20膜表面的共轭边界使这种恶化作用更大，相应的对流传热传质系数比理想边界条件下更低；整个加湿器的综合膜管填充率较低，影响加湿效率；

其中，图2为捆扎成束，同向随机摆放形式，在该形式下，由于加湿膜管20较软，即使是捆扎成束，虽然横向的弯曲有所改善，依然有随机摆放的缺点；捆扎的管束里的加湿膜管20依然是随机摆放，其外流场速度分布恶化依然严重；整个加湿器的综合膜管填充率较低，影响加湿效率；

其中，图3先集成为笼式加湿单元，再单个或多个排列于壳体，在该形式下，集成笼3内的加湿膜管20管束状态相当于更紧密捆扎后更大的捆扎管束，虽然加湿膜管20横向摆放更直，集成笼3内的加湿膜管20彼此之间更紧密，其抗震性能有改善，但依然存在加湿膜管20随机摆放的问题；更紧密的加湿膜管20状态使得加湿介质较难进入管束内部，导致了组件内部局部速度过小或出现流动死区，依然存在流动分布不均匀性对组件冷却效率与加湿效率的恶化作用；为了减少加湿介质流阻，在加湿单元置于壳体中时必须留出足够的空间，这影响了综合膜管填充率。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种燃料电池高效膜加湿器，以解决上述问题。

实用新型内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种燃料电池高效膜加湿器，在同样的加湿材料和使用环境下，提高加湿效率和膜管使用寿命，以有效降低加湿器的体积，提高整体燃料电池的使用寿命。