一种燃料电池的膜增湿器和燃料电池系统的制作方法

1.本发明涉及燃料电池应用技术领域，尤其涉及一种燃料电池的膜增湿器和燃料电池系统。


背景技术：

2.随着全球碳排放的日益严格，新能源不断受到中国乃至全球各国的广泛关注。在汽车领域，甚至已经有部分国家明确了禁止燃料油车的时间表。
3.在多种新能源技术中，氢燃料电池具备多方面的优势：
4.一是属于绝对零碳排放的清洁能源；
5.二是加氢速度快；
6.三是理论能量密度高；
7.四是可作为偏远地区离网独立发电应用。
8.鉴于上述优势，氢燃料电池可用于移动式，固定式及交通运输等方面。
9.质子交换膜燃料电池(pemfc)相比其它燃料电池在运行工况、电池比功率等方面具有显著的优势，是燃料电池技术推广的主流方案。质子交换膜(pem)作为质子(氢离子)的传导媒介，是pemfc的核心部件，pem要保持良好的质子传递性能，必须时刻保持稳定的湿态。而在燃料电池系统运行过程中，电极反应会导致pem失水，因此需要对其进行增湿。
10.在鼓泡增湿、焓轮增湿等增湿方案中，外置膜增湿器增湿是最为可靠稳定的增湿方案。膜增湿器的增湿原理是：采用膜增湿器中特制的增湿膜通过水分交换的方式，将燃料电池电堆阴极电极反应排放的高湿气体中的水分以水蒸气的方式传递给进入系统的干空气，干空气携带水蒸气进入电堆并给质子交换膜加湿。
11.膜增湿器主要有两种：一种基于平板膜，另一种基于中空纤维膜管。相比平板膜增湿器，膜管式增湿器可在单位体积内装填更多面积的膜，更便于调节增湿器的增湿性能，且利于实现增湿器的小型化，因此具有明显的优势，也是当前膜增湿器的主流方案。
12.但目前的膜管增湿器将中空纤维膜管束集成到若干单元中，干燥气体流经膜管内部通孔，而湿润气体逆向流经膜管外表面，水分经膜外表面迁移至内表面，给干燥气体增湿。现有膜增湿器干侧流场流体一般均匀分布在每个中空纤维膜单元，与湿侧流场流体分布无法集中耦合，导致传质效率无法实现最大化，最终影响膜增湿器的性能。


技术实现要素：

13.本发明提供一种燃料电池的膜增湿器和燃料电池系统，实现湿气侧水分向干空气相对较高效率的传递，提高膜增湿器的增湿性能。
14.为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种燃料电池的膜增湿器，所述膜增湿器包括：主壳体、两个端盖、分隔孔、支撑框、中空纤维膜管及灌封胶；
15.所述主壳体设有湿气进口、湿气出口；
16.所述两个端盖分别布置于所述主壳体的顶部和底部，且其中一个端盖设有干气进
口，另一个端盖设有干气出口；
17.所述主壳体内部设有多个分隔孔；
18.所述支撑框的数量与所述分隔孔的数量相同，且每个分隔孔内布置一个支撑框；
19.每个支撑框均穿过各自对应的分隔孔，且所述每个支撑框内部束缚有多个中空纤维膜管；
20.所述多个中空纤维膜管通过所述灌封胶，固定于所述主壳体的顶端和底端，且每个中空纤维膜管均保持通孔状态；
21.所述每个支撑框上均设有多个窗口，所述多个窗口用于湿气的进出；
22.其中，所述湿气进口和所述湿气出口同向设置于所述主壳体的同一侧面的边缘位置；
23.所述干气进口和所述干气出口分别反向设置于所述主壳体的两个侧面，且所述干气进口与所述湿气进口、所述湿气出口位于同一侧面。
24.可选地，所述膜增湿器还包括：密封骨位、密封圈；
25.所述密封骨位分别设置于所述主壳体的顶端和底端；
26.所述密封圈通过密封胶固定于所述密封骨位上，且所述密封圈的上表面设有凸台，用于维持所述膜增湿器的气密性。
27.可选地，所述两个端盖均为梯形或楔形，所述两个端盖与所述主壳体的顶部和底部分别通过螺栓连接。
28.可选地，所述支撑框外表面设有与对应的分隔孔相匹配的卡扣，用于固定于所述分隔孔中。
29.可选地，所述多个窗口分别设置于所述每个支撑框的上部位置和下部位置；
30.所述每个支撑框上窗口的数量根据湿气的进出量决定。
31.可选地，所述分隔孔为椭圆柱形、方形、长方形、任意多边形结构中的一种或者多种组合；
32.所述支撑框的结构与各自对应的分隔孔的结构相同。
33.可选地，所述每个支撑框上的窗口的数量为10～30个。
34.可选地，所述多个分隔孔的数量为2～10个。
35.可选地，所述的灌封胶包括硬胶和软胶；
36.所述硬胶包括：聚氨脂、环氧树脂中的一种或两种；
37.所述软胶包括：聚氨脂、环氧树脂、硅胶中的一种或多种。
38.本发明实施例还提供了一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括如上任一所述的膜增湿器。
39.本发明提供的燃料电池的膜增湿器，主壳体设有湿气进口、湿气出口，用于湿气的进出；两个端盖分别布置于主壳体的顶部和底部，且其中一个端盖设有干气进口，另一个端盖设有干气出口，用于干气的进出。
40.主壳体内部设有多个分隔孔；每个分隔孔内布置一个支撑框；每个支撑框均穿过各自对应的分隔孔，且每个支撑框内部束缚有多个中空纤维膜管；多个中空纤维膜管通过灌封胶，固定于主壳体的顶端和底端，且每个中空纤维膜管均保持通孔状态。这样保证了干空气充分的流经中空纤维膜管。
41.每个支撑框上均设有多个窗口，多个窗口用于湿气的进出。支撑框及其多个窗口的设置有利于引导湿气充分流经中空纤维膜管的外部，并对中空纤维膜管起到束缚和保护的作用。
42.由于湿气进口和湿气出口同向设置于主壳体的同一侧面的边缘位置；干气进口和干气出口分别反向设置于主壳体的两个侧面，且干气进口与湿气进口、湿气出口位于同一侧面。再结合每个支撑框及其多个窗口的引导作用，进一步增加了湿气流体分布与干气流体分布的耦合性，从而有效改善干、湿气流体在中空纤维膜管束中的分布均匀性和耦合性，相较于目前的膜增湿器，湿气侧水分向干气侧的传递更加高效，使得膜增湿器的增湿性能得到明显的提升，最终提高了燃料电池的性能。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
44.图1是目前燃料电池的膜增湿器中，膜管束的布置方式示意图；
45.图2是目前燃料电池的膜增湿器中，膜管束的另一布置方式示意图；
46.图3是传统方形燃料电池膜增湿器侧视图；
47.图4是本发明实施例一种燃料电池的膜增湿器的主视图；
48.图5是本发明实施例一种燃料电池的膜增湿器的俯视结构示意图；
49.图6是本发明实施例中一个支撑框140的结构示意图；
50.图7是本发明实施例中多个中空纤维膜管150通过灌封胶170固定于主壳体110的顶端和底端的侧视图。
具体实施方式
51.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.发明人发现目前燃料电池的膜增湿器中，膜管束的布置方式为图1和图2所示的密集堆积状态，这种布置方式下湿气的流动均匀性差，而且湿气容易在膜管束中冷凝液化，增大湿气的流动阻力，抑制干气和湿气的水分交换效率，单位数量膜管的增湿效率低。
53.此外，传统的方形燃料电池膜增湿器湿气接口位于主壳体侧面中部，参照图3所示的方形燃料电池膜增湿器侧视图，湿气接口10位于主壳体1的侧面中部。而燃料电池膜增湿器在燃料电池系统中一般水平放置，而燃料电池膜增湿器在工作过程中，湿气侧容易沉积液态水，当燃料电池系统在低温环境中停机时，液态水会在内部结冰，从而可能会对膜管造成损伤，因此燃料电池系统停机时，需要对膜增湿器进行吹扫并排除液态水，而当湿气接口位于主壳体侧面中部时会造成排水困难。
54.基于上述问题，发明人经过潜心研究，经过大量的实地测试和仿真测试，创造性的
提出了本发明的燃料电池的膜增湿器，以下对本发明的方案进行详细解释和说明。
55.本发明实施例一种燃料电池的膜增湿器，包括：主壳体、两个端盖、分隔孔、支撑框、中空纤维膜管及灌封胶；
56.主壳体设有湿气进口、湿气出口，且湿气进口和湿气出口同向设置于主壳体的同一侧面的边缘位置。两个端盖分别布置于主壳体的顶部和底部，且其中一个端盖设有干气进口，另一个端盖设有干气出口。干气进口和干气出口分别反向设置于主壳体的两个侧面，且干气进口与湿气进口、湿气出口位于同一侧面。
57.主壳体内部设有多个分隔孔；支撑框的数量与多个分隔孔的数量相同，且每个分隔孔内布置一个支撑框；每个支撑框均穿过各自对应的分隔孔，且每个支撑框内部束缚有多个中空纤维膜管。
58.多个中空纤维膜管通过灌封胶，固定于主壳体的顶端和底端，且每个中空纤维膜管均保持通孔状态；每个支撑框上均设有多个窗口，多个窗口用于湿气的进出。
59.为了更清楚的说明本发明实施例的膜增湿器，参照图4，示出了本发明实施例一种燃料电池的膜增湿器的主视图；图5示出了本发明实施例一种燃料电池的膜增湿器的俯视结构示意图。图4中包括：主壳体110、两个端盖120、湿气进口111、湿气出口112、两个端盖120分别包括干气进口121以及干气出口122。
60.两个端盖120均为梯形或楔形，两个端盖120与主壳体110的顶部和底部分别通过螺栓160连接。顶部的端盖120设有干气出口122，底部的端盖120设有干气进口121。
61.湿气进口111和湿气出口112同向设置于主壳体110的同一侧面的边缘位置；干气进口121与湿气进口111、湿气出口112位于主壳体110的同一侧面。这样设置进、出口的方式，有利于湿气流体与干气流体的充分交换。
62.图5中包括：分隔孔113、密封骨位114、密封圈130、支撑框140以及中空纤维膜管150。密封骨位114分别设置于主壳体110的顶端和底端。图5为俯视图，因此示出了主壳体110顶端的密封骨位114，主壳体110底端的密封骨位114与此相同，不再单独示出。密封圈130通过密封胶固定于密封骨位114上，且密封圈130的上表面设有凸台(图5中未示出)，用于维持膜增湿器的气密性。
63.分隔孔113的数量与支撑框140的数量相同，且每个分隔孔113内布置一个支撑框140。分隔孔113的形状可以为椭圆柱形、方形、长方形、任意多边形结构中的一种或多种组合。分隔孔113的数量根据需求可以为2～10个，当然，可以理解的是，分隔孔113的数量越多，对应的支撑框140的数量就越多。图5中示例性的示出了6个分隔孔113，其中4个分隔孔113为椭圆柱形，2个分隔孔113为多边形。
64.由于每个支撑框140均是穿过各自所对应的分隔孔113，因此支撑框140的结构与各自对应的分隔孔113的结构相同，并且为了更好的固定支撑框140，支撑框140外表面设有与对应的分隔孔113相匹配的卡扣(图5中未示出)。
65.每个支撑框140内部束缚有多个中空纤维膜管150同时还起到保护多个中空纤维膜管150的作用；图5中为了图示的简洁，示例性的示出了多个中空纤维膜管150，实际上每个支撑框140中根据其空间大小，可以束缚上百根、甚至上千根中空纤维膜管150。
66.为了更有利于湿气流体的进出以及与干气流体的传递，每个支撑框140上均设有多个窗口1401，参照图6，示出了一个支撑框140的结构示意图，多个窗口1401用于湿气的进
出。
67.多个窗口1401分别设置于每个支撑框140的上部位置和下部位置；每个支撑框140上窗口1401的数量根据湿气的进出量决定。每个支撑框140上的窗口的数量可以为10～30个。窗口1401形状为圆形、椭圆形、方形、长方形、任意多边形结构中的一种或多种组合。图6中示例性的使用长方形的窗口1401。
68.被束缚的多个中空纤维膜管150均通过灌封胶，固定于主壳体110的顶端和底端，且每个中空纤维膜管150均保持通孔状态。参照图7示出了多个中空纤维膜管150通过灌封胶170固定于主壳体110的顶端和底端的侧视图，图7中仅示例性的示出了一种中空纤维膜管150通过灌封胶170固定的方式，并不代表中空纤维膜管150仅能通过该方式进行固定。每个中空纤维膜管150均保持通孔状态，保证干气流体的顺畅流通，同时也保证了干气流体与湿气流体的充分传递。
69.灌封胶170包括硬胶和软胶；硬胶包括：聚氨脂、环氧树脂中的一种或两种；软胶包括：聚氨脂、环氧树脂、硅胶中的一种或多种。上述材料均可保证灌封胶170具有良好的渗透性，有利于干气流体与湿气流体的充分传递。
70.本发明的膜增湿器，两侧端盖120内部腔体以及所有中空纤维膜管150的中间通孔共同组成干气腔室，主壳体110内部、所有中空纤维膜管150的膜管外壁、以及灌封胶170共同形成湿气腔室，灌封胶170一方面固定所有中空纤维膜管150，另一方面隔绝干气和湿气，避免干气和湿气的窜漏。
71.通过上述实施例，本发明提供的燃料电池的膜增湿器，主壳体设有湿气进口、湿气出口，用于湿气的进出；两个端盖分别布置于主壳体的顶部和底部，且其中一个端盖设有干气进口，另一个端盖设有干气出口，用于干气的进出。
72.主壳体内部设有多个分隔孔；每个分隔孔内布置一个支撑框；每个支撑框均穿过各自对应的分隔孔，且每个支撑框内部束缚有多个中空纤维膜管；多个中空纤维膜管通过灌封胶，固定于主壳体的顶端和底端，且每个中空纤维膜管均保持通孔状态。这样保证了干空气充分的流经中空纤维膜管。
73.每个支撑框上均设有多个窗口，多个窗口用于湿气的进出。支撑框及其多个窗口的设置有利于引导湿气充分流经中空纤维膜管的外部，并对中空纤维膜管起到束缚和保护的作用。
74.由于湿气进口和湿气出口同向设置于主壳体的同一侧面的边缘位置；干气进口和干气出口分别反向设置于主壳体的两个侧面，且干气进口与湿气进口、湿气出口位于同一侧面。再结合每个支撑框及其多个窗口的引导作用，进一步增加了湿气流体分布与干气流体分布的耦合性，从而有效改善干、湿气流体在中空纤维膜管束中的分布均匀性和耦合性，相较于目前的膜增湿器，湿气侧水分向干气侧的传递更加高效，使得膜增湿器的增湿性能得到明显的提升，最终提高了燃料电池的性能。
75.基于上述膜增湿，本发明实施例还提出一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括如上任一所述的膜增湿器。
76.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有
的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
77.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。