一种大流量低流阻增湿器的制作方法

1.本发明涉及新能源技术领域，具体涉及燃料电池中的一种大流量低流阻增湿器。


背景技术：

2.燃料电池系统能作为储能发电、驱动动力电源或辅助动力，通过电化学反应将反应物的化学能转化为电能和热能的系统。燃料电池是一种通过与氧或其它氧化剂进行化学反应，将燃料的化学能转化为电能的发电系统。氢是最常见的燃料，但碳氢化合物例如天然气和类似甲醇的醇类有时也可被用做燃料。在燃料电池系统中典型地包括电池堆，电池堆包括多个形成发电组件的单个的燃料电池，每一个均具有允许电荷在燃料电池的两侧移动的阴极和阳极。燃料电池系统还包括给燃料电池的阴极供应空气的空气供应设备和给燃料电池的阳极供应氢的氢气供应设备。空气供应设备主要是对即将进入燃料电池的空气进行过滤、加压、加湿等处理，保证燃料电池堆的阴极侧的温度、压力、湿度及流量处于比较适应的范围。现有技术中的空气供给系统主要由空气滤清器、空气压缩机、中冷器、增湿器以及电子节气门等组成。
3.燃料电池电堆在反应过程中，质子交换膜需维持一定的湿度以保证质子交换膜处于合适的水饱和状态，保持较高的电导，保持较高的反应效率，因此要求反应介质需携带一定量的水蒸气进入电堆，这一步通常需要增湿器来实现。
4.增湿器的作用是将空气进行加湿，以提升燃料电池的输出性能，提升燃料电池的效率。但是，现有技术中的增湿器中广泛使用的一种类型叫膜增湿器。传统的膜增湿器被分成干侧和湿测。从燃料电池的阴极排出的空气进入到增湿器的湿测。湿空气通过膜材料，将水分转移到干侧，从而增湿空气供应设备出来的空气，将其供应到阴极。一般地，膜增湿器中的膜增膜被装在增湿器本体中，与主壳体集成到一起。膜管内部流通干气，外部流通湿气。
5.现有增湿器的入口为直角结构，存在以下问题：第一、在湿空气进入时，聚集的水滴会沿着管壁滴到模块上对膜管造成冲击。如以下图1所示，原有膜增湿器湿侧入口与增湿器本体连接呈90度直角。气体进入增湿器本体后，大部分气流会集中在管口的正下方。这样使得中间的模块气流量较大，而两侧的模块气流量较小。而且直角的连接方式会使管口突然增大，这样气体流动方向也会发生突变，导致压力损失较大。
6.第二、由于湿入的气体往往含有一定的液态水。采用直角连接方式时，这些液态水会直接随着气流一起被带到各个模块中，对膜管造成一定的冲击。


技术实现要素：

7.本发明为了克服现有技术的缺陷，提出了一种大流量低流阻增湿器，对流场进行了优化，使流场分布均匀，降低了流阻，提升了引流效果，减少对燃料电池系统中模块的冲击和损害。
8.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种大流量低流阻增湿器，包括增湿器本体，增湿器本体上分别设置有与增湿器本体内部连接的湿入管口和湿出管口，湿出管口与增湿器本体的连接处通过扩口衔接，且扩口与增湿器本体中的模块对应。
9.本发明一个较佳实施例中，扩口采用的是流线形的扩口。
10.本发明一个较佳实施例中，扩口采用的是斜面，且斜面与湿入管口的内壁之间的内夹角为α，200
°
≤α≤260
°
。
11.本发明一个较佳实施例中，湿入管口的内径为a，扩口的出口内径为b；且1.9《b/a《2.1。
12.本发明一个较佳实施例中，扩口的高度为c；且0.4《c/a《0.6。
13.本发明一个较佳实施例中，湿入管口的内径为a，扩口的高度为c；扩口的出口内径为b；且b/a比值是2，且c/a比值是0.5。
14.本发明一个较佳实施例中，流线形的扩口的弧线对应的圆心角为80
°
~100
°
；流线形的扩口的弧线对应的同心圆的半径为d，0.5c≤d≤1.5c，c为扩口的高度。
15.本发明一个较佳实施例中，流线形的扩口的弧线对应的同心圆的半径为d，0.85c≤d≤1.25c，c为扩口的高度。
16.本发明一个较佳实施例中，增湿器本体的两端设置有端盖，两端的端盖上分别设置有与增湿器本体连接的干入管口和干出管口；且干入管口和干出管口以及湿入管口和湿出管口在增湿器本体上形成了干流道和湿流道。
17.本发明一个较佳实施例中，流线形扩口与增湿器本体衔接的内壁为流线形管壁。
18.本发明基于一种大流量低流阻增湿器的优点如下：本发明将增湿器湿入管口与本体连接处设置扩口，扩口可使湿气进入增湿器湿侧时缓和扩展，从而使得压力变化较为平缓，流阻会得到明显改善。扩口也使湿气在增湿器湿侧流通时能直接覆盖大多数模块中膜管，不再只让气流冲击一小部分膜管，减少气流对膜管的冲击力，获得更好的耐久效果。
19.由于湿入管口的湿气带有一定的液态水，将连接处的扩口采用流线型扩口结构，大部分的液态水会贴着流线形管壁流动进入增湿器本体，减少对增湿器本体中模块内膜管的直接冲击，降低了对膜管的伤害，提升了耐久寿命。
附图说明
20.图1是现有技术中膜增湿器湿侧入口与增湿器本体连接的结构示意图；图2是本发明优选实施例中扩口采用的是斜面的结构示意图；图3是本发明优选实施例中扩口采用的是流线形扩口的结构示意图一；图4是本发明优选实施例中扩口采用的是流线形扩口的结构示意图二（湿入管口通过扩口与增湿器本体连接）；图5是本发明优选实施例中扩口采用的是流线形扩口的结构示意图三；附图标记如下：1-增湿器本体，2-端盖，31-湿入管口，32-湿出管口，41-干入管口，42-干出管口，5-扩口，6-模块，7-气流。
具体实施方式
21.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚地理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
22.下面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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
23.如图1所示，现有技术中，原有膜增湿器的湿入管口31与增湿器本体1连接呈90度直角。在这种情况下，气流7进入增湿器本体1后，大部分的气流7会集中在湿入管口31的正下方，使得正对或邻近增湿器本体1内部中的模块6的气流7量较大，而对应两侧的模块6的气流7量较小。而且直角的连接方式会使湿入管口31的管口突然增大，这样气体流动方向也会发生突变，导致压力损失较大。介于上述技术问题，本发明的改进技术方案如下。
24.实施例一如图2所示，本发明一种大流量低流阻增湿器，包括增湿器本体1，增湿器本体1的两端设置有端盖2，两端的端盖2上分别设置有与增湿器本体1连接的干入管口41和干出管口42；增湿器本体1上分别设置有与增湿器本体1内部连接的湿入管口31和湿出管口32，干入管口41和干出管口42以及湿入管口31和湿出管口32在增湿器本体1上形成了干流道和湿流道。湿出管口32与增湿器本体1的连接处通过扩口5衔接，且扩口5与增湿器本体1中的膜管对应。扩口5采用的是斜面，且斜面与湿入管口31的内壁之间的内夹角为α，200
°
≤α≤260
°
。湿入管口31的内径为a，扩口5的出口内径为b；扩口5的高度为c；且1.9《b/a《2.1，且0.4《c/a《0.6。
25.斜面与湿入管口31的内壁之间的内夹角α在200
°
≤α≤260
°
，能满足扩口5对于气流7的导向，同时对气流7中包含的液态水进行导流，利于液态水顺着斜面引至增湿器本体1的内壁，减少气流7中的液态水在湿入管口31与增湿器本体1衔接处因滞留后滴落在增湿器本体1中的模块上，对模块造成冲击。湿入管口31的内径为a，扩口5的出口内径为b；扩口5的高度为c；且1.9《b/a《2.1，且0.4《c/a《0.6。这样的结构能有效保证气流7从湿入管口31进入增湿器本体1时通过扩口5进行扩散和引流，提升了扩口5对气流7的扩散和均布，提高了气流7进入增湿器本体1后的均衡性。防止大部分的气流7集中在湿入管口31的正下方，而造成正对或邻近增湿器本体1内部中的模块6的气流7量大，两侧的模块6的气流7量小的问题。而且斜面的连接方式会使湿入管口31的管口是逐渐增大，这样气体流动方向不容易发生突变，进而减少压力损失。本实施例相比于现有技术中图1中直角结构的湿入管口31引入增湿器本体1时的流阻降低40%-50%。
26.实施例二如图2所示，本发明一种大流量低流阻增湿器，包括增湿器本体1，增湿器本体1的两端设置有端盖2，两端的端盖2上分别设置有与增湿器本体1连接的干入管口41和干出管口42；增湿器本体1上分别设置有与增湿器本体1内部连接的湿入管口31和湿出管口32，干入管口41和干出管口42以及湿入管口31和湿出管口32在增湿器本体1上形成了干流道和湿流道。湿出管口32与增湿器本体1的连接处通过扩口5衔接，且扩口5与增湿器本体1中的膜管对应。进一步的，湿入管口31的内径为a，扩口5的高度为c；扩口5的出口内径为b；且b/a的
比值是2，且c/a的比值是0.5。扩口5采用的是斜面，且斜面与湿入管口31的内壁之间的内夹角为α，215
°
≤α≤245
°
。
27.扩口5的尺寸中，b/a的比值是2，且c/a的比值是0.5。以及斜面与湿入管口31的内壁之间的内夹角α为215
°
≤α≤245
°
。斜面的夹角既要满足导流的需求又要实现斜面与湿入管口31的内壁以及增湿器本体1内壁衔接的顺畅性问题。而，b/a的比值是2，且c/a的比值是0.5，使得扩口5与湿入管口31以及增湿器本体1的衔接性能得到了提升。气流7在进入湿入管口31至增湿器本体1的内部时进行了预扩散，而扩散的导流采用的是逐渐扩大的结构，且扩口的扩大角度，解决了气流7进入后气体流动方向发生突变的问题，进而较少了压力损失。本实施例相比于现有技术中图1中直角结构的湿入管口31引入增湿器本体1时的流阻降低45%-50%。
28.实施例三如图3~图5所示，本发明一种大流量低流阻增湿器，包括增湿器本体1，增湿器本体1的两端设置有端盖2，两端的端盖2上分别设置有与增湿器本体1连接的干入管口41和干出管口42；增湿器本体1上分别设置有与增湿器本体1内部连接的湿入管口31和湿出管口32，干入管口41和干出管口42以及湿入管口31和湿出管口32在增湿器本体1上形成了干流道回路和湿流道回路。湿出管口32与增湿器本体1的连接处通过扩口5衔接，且扩口5与增湿器本体1中的膜管对应。扩口5采用的是流线形的扩口。流线形的扩口5与增湿器本体1衔接的内壁为流线形管壁。湿入管口31的内径为a，扩口5的出口内径为b；扩口5的高度为c；且1.9《b/a《2.1，且0.4《c/a《0.6。
29.扩口5采用流线形的结构，相比于斜面的衔接结构，一方面导流更顺畅，同时对于气流7中液态水的导向更优。流线形的内壁与湿入管口31的管壁以及增湿器本体1内的内壁之间的协调性更好，即减少了扩口5与湿入管口31以及增湿器本体1之间的导流的顺畅性，减少衔接处的滞留，利于对气流7中液态水的引流。流线形的扩口5相比于同等尺寸结构的带有斜面的扩口5的流阻降低20%左右。
30.实施例四如图3~图5所示，本发明一种大流量低流阻增湿器，包括增湿器本体1，增湿器本体1的两端设置有端盖2，两端的端盖2上分别设置有与增湿器本体1连接的干入管口41和干出管口42；增湿器本体1上分别设置有与增湿器本体1内部连接的湿入管口31和湿出管口32，干入管口41和干出管口42以及湿入管口31和湿出管口32在增湿器本体1上形成了干流道回路和湿流道回路。湿出管口32与增湿器本体1的连接处通过扩口5衔接，且扩口5与增湿器本体1中的膜管对应。湿入管口31的内径为a，扩口5的出口内径为b；扩口5的高度为c；且1.9《b/a《2.1，且0.4《c/a《0.6。扩口5采用的是流线形的扩口。流线形的扩口5与增湿器本体1衔接的内壁为流线形管壁。流线形的扩口5的弧线所对应的圆心角为80
°
~100
°
；优选的，流线形的扩口5的弧线对应的圆心角为90
°
。流线形的扩口5的弧线对应的同心圆的半径为d，0.5c≤d≤1.5c，c为扩口5的高度。优选的，流线形的扩口5的弧线对应的同心圆的半径为d，0.85c≤d≤1.25c，c为扩口5的高度。
31.扩口5采用流线形结构，相比于斜面结构，一方面使导流更顺畅，同时对于气流7中液态水的导向更优。湿入管口31的内径为a，扩口5的出口内径为b；扩口5的高度为c；且1.9《b/a《2.1，且0.4《c/a《0.6。提升了扩口5对气流7的扩散和均布，提高了气流7进入增湿器本
体1后的均衡性。防止大部分的气流7集中在湿入管口31的正下方，而造成正对或邻近增湿器本体1内部中的模块6的气流7量大，两侧的模块6的气流7量小的问题。流线形的扩口5的弧线越接近于90
°
时，且流线形的扩口5的弧线对应的同心圆的半径为d越接近于c为扩口5的高度时，流线形的扩口5的内壁与湿入管口31的管壁以及增湿器本体1内的内壁之间的协调性更好，即减少了扩口5与湿入管口31以及增湿器本体1之间的导流的顺畅性，减少衔接处的滞留，利于对气流7中液态水的引流。流线形的扩口5相比于同等尺寸结构的带有斜面的扩口5的流阻降低20%左右。
32.工作原理：由于受到系统布置的限制，增湿器的湿入管口31的内径即a往往是个定值。在此条件下，对湿入管口31放入管口和增湿器本体1连接部分进行调整，将其增加了扩口5形状，如图2所示，当扩口5的尺寸满足实施例一或实施例二中的设置时，流阻比现有技术中的图1所示的直角连接降低40%-50%。在实施例三、实施例四中，将扩口5的结构改为湿入管口31和增湿器本体1相切的流线，流阻在实施例一或实施例二的基础上能再降低20%左右。
33.经过改进后，本发明优化了湿入管口31与增湿器本体1的连接处的结构，使得气流7进入增湿器本体1后的状况得到改善。如图5所示，气流7会沿着扩口5的连接处的流线形状进入到增湿器本体1。使得气流7会均匀地分布在整个本体当中，每个模块6获得的气流7的量较为均衡，而不是集中在某一区域。可以让每个模块6中的膜管受到的气流7冲击力更为均匀，改善了局部膜管受力较大的情况。由于湿入的气流7是从电堆出口获得的，含有一定的液态水。采用直角连接方式时，这些液态水会直接随着气流7一起被带到各个模块6中，对模块6中的膜管造成冲击。本技术的大部分的液态水会贴着扩口5的流线形管壁流动进入增湿器本体1，而不是直接冲击模块6中的膜管，这样减少了膜管的损伤，增加了耐久寿命。
34.本发明是通过几个具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换和等同替代。另外，针对特定情形或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本使用新型的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。