專利名稱：一種燃料電池用膜增濕器結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及用于燃料電池的氣體增濕裝置，具體涉及膜增濕器結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池，氫氣在陽極的催化劑表面發(fā)生氧化反應(yīng)，生成電子和質(zhì)子，電子經(jīng)過外電路到達陰極，質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜傳遞到陰極；在陰極催化劑表面，氧氣與質(zhì)子、電子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成水，水隨著尾氣排出電池。燃料電池的工作原理和有關(guān)研究結(jié)果表明質(zhì)子交換膜的電導(dǎo)率與其水合程度幾乎成線性關(guān)系。因此，為了實現(xiàn)在較高的能量轉(zhuǎn)化效率的前提下得到滿意的輸出功率，增濕是燃料電池中的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，燃料電池正在朝著技術(shù)完善、實用開發(fā)的方向發(fā)展，以開發(fā)采用空氣為氧化 劑的車用燃料電池系統(tǒng)為例，由于空氣中的氧分壓較低，氣體流速較大，從而會使質(zhì)子交換膜失水更為嚴重，因此必須將氣流增濕。同時為了減小燃料電池系統(tǒng)的體積和重量，提高系統(tǒng)的能量密度和比功率，特別需要體積小，效率高，操作簡單的氣體增濕器。在燃料電池系統(tǒng)中給反應(yīng)氣體增濕的方法有很多種，根據(jù)增濕水的來源不同可以分為外部補水和電池生成水回收兩類，根據(jù)增濕裝置的工作方式不同可以分為混和器、焓輪和膜增濕器?；旌推髟鰸穹椒ㄊ菤怏w進入電池之前在一個容器中與水或水蒸汽直接接觸，通過控制溫度和水流量來調(diào)節(jié)氣體的相對濕度，混和方式包括鼓泡、噴淋等，如中國專利200410066643. 2,200710122668. 3,201110254614. 9 和 US 7226680B2 公開的方法都屬于此類，增濕水的來源包括電池生成水回收和外部補充水，盡管此種方法可以達到增濕的目的，但是對于大功率的PEMFC系統(tǒng)，由于氣體流量大,存在增濕器體積過大和氣流穩(wěn)定性不好的問題，通常這種方式只適用于小功率的燃料電池系統(tǒng)。焓輪是一個以一定的速度不斷轉(zhuǎn)動的蜂窩狀轉(zhuǎn)輪，它是由蓄熱、吸濕材料制成。通過隔板將轉(zhuǎn)輪分為A/B兩個分隔區(qū)，當(dāng)熱的濕氣體通過轉(zhuǎn)輪的A區(qū)時，氣體的顯熱和潛熱被轉(zhuǎn)輪吸收，隨著轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)冷的干空氣通過此區(qū)時這部分熱量被釋放出來，從而達到熱量和濕度交換的目的。對于燃料電池系統(tǒng)，在電堆的排出氣體中含有大量的熱和水，濕度接近飽和，焓輪增濕器就是利用這部分熱量和濕度來給進氣增濕的。US. 6，013，385、US. 20060134474AUCN25, 544，418和C N101043081A公開了采用焓輪的燃料電池系統(tǒng)氣體管理方法。此類方法存在運動部件易損耗、氣體泄漏等問題。膜增濕器也是燃料電池系統(tǒng)較多采用的氣體增濕方法，既采用膜作為阻氣隔膜制成氣體增濕裝置，在膜的兩側(cè)分別走水或濕氣和干氣，利用膜兩側(cè)水的分壓差使水或水蒸汽向干氣中擴散，達到對氣體增濕的目的。由于膜包括管式、平板和中空纖維三種，用他們制成的器件形式可以是列管式、板框式、卷式和中空纖維式，他們的填充密度和工作效率相差也較大。US5382478等公開的方法是在電池組中加入增濕段它的結(jié)構(gòu)與電池一樣為板框式，只不過“電極”上無催化劑，在膜的一側(cè)通水，另一側(cè)通入被增濕的氣體，利用膜的阻氣性和水在膜內(nèi)的濃差擴散來實現(xiàn)對氣體的增濕。US20080001313A1公開的膜增濕器是用平板膜制成的多層板式組件。這類增濕器的優(yōu)點是制作、操作簡單，但是它的體積和重量較大，約占電池組的1/10 1/5，降低了 PEMFC的重量比功率，同時成本也較高，因為多使用Nafi or#膜作為阻氣隔膜。US7156379B2、US20100086818A1、US7040606B2、US6755399B2 和中國專利03133848. 8中均采用中空纖維膜制成燃料電池供氣增濕裝置，即采用親水性中空纖維膜作為阻氣隔膜，它可以獲得較大的填充密度，以減小增濕器的體積，但是由于中空纖維膜材料的限制，所以價格比較昂貴。在膜分離技術(shù)中，文獻報道和CN2008100404353和CN2010105319049所公開的螺 旋卷式膜元件是將兩張對置的平板膜的三邊密封形成信封狀膜包，膜包中放入一張導(dǎo)流隔網(wǎng)，將膜包開口邊與一根集流管密封，在膜包外側(cè)襯以另一張導(dǎo)流隔網(wǎng)，然后將膜袋與導(dǎo)流隔網(wǎng)一起沿著集流管卷繞形成膜卷，再裝入壓力容器內(nèi)構(gòu)成膜組件。此結(jié)構(gòu)的膜組件中，膜袋內(nèi)側(cè)的流體是經(jīng)過膜滲透進入的，然后由集流管流出。整個膜組件只有三個外接口 原液進口、濃縮液出口和滲透液出口。該膜元件只適用于分離，不適合于燃料電池系統(tǒng)的氣體增濕，主要是由于滲透側(cè)氣體是由膜滲透進入的，然后由唯一的導(dǎo)流管流出，由于受到膜滲透速率的限制，滲透側(cè)的流體流量受到限制，不能滿足燃料電池系統(tǒng)氣體增濕傳質(zhì)要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種螺旋卷式膜增濕器結(jié)構(gòu)，適用于燃料電池系統(tǒng)氣體增濕。本發(fā)明的技術(shù)方案是；一種燃料電池用膜增濕器結(jié)構(gòu)，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兩片對置的膜片，分別為膜片I和膜片II，兩個導(dǎo)流管，分別是導(dǎo)流管I和導(dǎo)流管II，兩個導(dǎo)流隔網(wǎng)，分別是導(dǎo)流隔網(wǎng)I和導(dǎo)流隔網(wǎng)II，兩片對置的膜片的一對邊密封成膜筒，另一對邊為敞開邊，導(dǎo)流隔網(wǎng)I置于膜筒的兩片膜片之間，導(dǎo)流隔網(wǎng)II置于膜筒的其中一片膜片的外面，所述的兩個導(dǎo)流管的每個導(dǎo)流管的一端封閉，導(dǎo)流管的管壁上沿軸向開有進料口，進料口的長度與膜筒的敞開邊等長，進料口的寬度與膜筒的厚度相等，膜筒開口的一對邊分別與兩個導(dǎo)流管管壁上進料口密封連接，沿其中一個導(dǎo)流管將膜筒卷繞成螺旋卷式膜元件，卷繞成的螺旋卷式膜元件有四個外接口，分別是；兩個導(dǎo)流管開口端的流體I進口和流體I出口，螺旋卷式膜元件中導(dǎo)流隔網(wǎng)II形成的流體II進口和流體II出口 ；所述外筒為封閉容器，外筒的筒壁上設(shè)有兩個對外接口，所述螺旋卷式膜元件置于外筒中間，螺旋卷式膜元件的兩個導(dǎo)流管直接伸出外筒壁，導(dǎo)流管與外筒壁之間密封。本發(fā)明所述一種燃料電池用膜增濕器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述兩個導(dǎo)流管的開口朝向相同或者相反。本發(fā)明所述一種燃料電池用膜增濕器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述膜片是親水性的平板膜片。本發(fā)明所述一種燃料電池用膜增濕器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述膜片是致密膜、反滲透膜、超濾膜、微濾膜和納濾膜中的一種。
本發(fā)明所述一種燃料電池用膜增濕器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述外筒內(nèi)壁上設(shè)有定位柱，定位柱在外筒兩端的內(nèi)壁上，每端內(nèi)壁上有3— 6個定位柱沿外筒內(nèi)壁均勻分布，螺旋卷式膜元件固定在定位柱上。本發(fā)明的膜增濕器結(jié)構(gòu)使用時，膜筒內(nèi)側(cè)的流體I由導(dǎo)流管I進入，由導(dǎo)流管II流出，膜筒外側(cè)的流體II由膜片敞開的一邊進入，從膜片敞開邊的另一邊流出。具體連接方式是當(dāng)干空氣作為流體II連接時，干空氣接口與外筒的兩個對外接口的其中一個連接，外筒的另一個對外接口與電堆的空氣入口連接，增濕源的流體作為流體I與兩個導(dǎo)流管中的一個連接，兩個導(dǎo)流管中的另一個與電堆的尾排口連接；當(dāng)干空氣作為流體I連接時，干空氣接口與兩個導(dǎo)流管中的一個連接，兩個導(dǎo)流管中的另一個與電堆的空氣入口連接，增濕源的流體作為流體II與外筒的兩個對外接口的其中一個連接，外筒的另一個對外接口與電堆的尾排口連接。本發(fā)明的膜增濕器結(jié)構(gòu)的原理是增濕源的流體和干空氣通過膜阻隔，由于膜的一側(cè)走增濕源的流體水或濕氣，膜的另一側(cè)走干氣，利用膜兩側(cè)水的分壓差使水或水蒸汽 向干氣中擴散，達到對氣體增濕。本發(fā)明的有益效果是I、螺旋卷式膜元件是膜分離領(lǐng)域常用的器件結(jié)構(gòu)，選材廣泛、填充密度大、成本低；2、膜片的兩側(cè)有兩個外接口，可以將濕氣源和干氣源同時、大量地引入到膜元件中，減小流體阻力，實現(xiàn)水、熱交換；3、膜增濕器結(jié)構(gòu)制作簡單、成本低、效率高、安裝方式靈活；4、膜增濕器結(jié)構(gòu)的四個外接口，可以根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的氣路要求選定接口布局，節(jié)省系統(tǒng)空間；5、增濕源可以是濕氣體，也可以是水，適應(yīng)性強。


本發(fā)明共有八幅附圖，其中圖I是導(dǎo)流管開口朝向相同的膜筒結(jié)構(gòu)示意2是導(dǎo)流管開口朝向相反的膜筒結(jié)構(gòu)示意3是導(dǎo)流管開口朝向相同的膜卷及導(dǎo)流管結(jié)構(gòu)示意4是導(dǎo)流管開口朝向相反的膜卷及導(dǎo)流管結(jié)構(gòu)示意5是燃料電池用膜增濕器結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖5-1是膜筒的導(dǎo)流管開口朝向相同，外筒兩個對外接口置于外筒兩端的示意5-2是膜筒的導(dǎo)流管開口朝向相反，外筒兩個對外接口置于外筒兩端的示意5-3是膜筒的導(dǎo)流管開口朝向相反，外筒兩個對外接口一個置于外筒一端另一個置于筒壁端部的示意5-4是膜筒的導(dǎo)流管開口朝向相反，外筒兩個對外接口置于外筒壁兩端部的示意圖附圖中，I、膜元件；4、外筒；41、定位柱11、導(dǎo)流管I，12、導(dǎo)流管II ;21、導(dǎo)流隔網(wǎng)I，22、導(dǎo)流隔網(wǎng)II，31膜片I，32—膜片II。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。膜元件I包括兩片對置的膜片，分別為膜片131和膜片II 32，兩個導(dǎo)流管，分別是導(dǎo)流管Ill和導(dǎo)流管II 12，兩個導(dǎo)流隔網(wǎng)，分別是導(dǎo)流隔網(wǎng)121和導(dǎo)流隔網(wǎng)II 22，兩片對置的膜片的一對邊密封成膜筒，另一對邊為敞開邊，導(dǎo)流隔網(wǎng)121置于膜筒的兩片膜片之間，導(dǎo)流隔網(wǎng)II 22置于膜筒的其中一片膜片的外面；兩個導(dǎo)流管的每個導(dǎo)流管的一端封閉，導(dǎo)流管的管壁上沿軸向開有進料口，進料口的長度與膜筒的敞開邊等長，進料口的寬度與膜筒的厚度相等，膜筒開口的一對邊分別與兩個導(dǎo)流管管壁上進料口密封連接，沿其中一個導(dǎo)流管將模筒卷繞成螺旋卷式膜元件，卷繞成的螺旋卷式膜元件有四個外接口，分別是；兩個導(dǎo)流管開口端的流體I進口和流體I出口，一對膜片敞開邊形成的流體II進口和流體II出口 ；外筒4為封閉容器，外筒4的筒壁上設(shè)有兩個對外接口，螺旋卷式膜元件置于外筒中間，螺旋卷式膜元件的兩個導(dǎo)流管直接伸出外筒壁，導(dǎo)流管與外筒壁之間密封。實施例I 如圖I所示，將兩張對置的膜片31、32的一組對邊用密封膠密封，形成膜筒，將導(dǎo)流隔網(wǎng)121放在膜筒的中間，在膜筒外側(cè)放一張導(dǎo)流隔網(wǎng)1122，將膜筒的兩個開放端分別兩個插入導(dǎo)流管11、12的進料槽中，用密封膠密封固定，兩個導(dǎo)流管的開放端為同一方向。將膜筒沿著其中一個導(dǎo)流管卷繞，形成如圖3所示的膜卷。將膜卷放入外筒4中，外筒內(nèi)壁上的四個定位柱41將膜卷固定。外筒的兩端開有外接口(如圖5-1)。用于燃料電池時，來自于空氣壓縮機的干空氣(流體II)進入外筒，同時，來自于燃料電池電堆陰極的尾排濕氣體(流體I)進入膜卷的導(dǎo)流管之一。流體I和流體II分別流經(jīng)膜筒內(nèi)和膜筒外側(cè)，由于流體I中的水蒸氣分壓大于流體II，濕空氣中的水蒸汽可以通過膜片滲透到膜的對面，進入到干空氣中，達到使干空氣增濕的目的，被增濕的氣流II在外筒另一端流出，進入燃料電池電堆。實施例2如圖2所示，將兩張對置的膜片31、32的一組對邊用密封膠密封，形成膜筒，將導(dǎo)流隔網(wǎng)121放在膜筒的中間，在膜筒外側(cè)放一張導(dǎo)流隔網(wǎng)1122，將膜筒的兩個開放端分別兩個插入導(dǎo)流管11、12的進料槽中，用密封膠密封固定，兩個導(dǎo)流管的開放端為相反方向。將膜筒沿著其中一個導(dǎo)流管卷繞，形成如圖4所示的膜卷。將膜卷放入外筒4中，外筒內(nèi)壁上的四個定位柱41將膜卷固定。外筒的兩端開有外接口(如圖5-2)。外筒的兩外接口也可開在外筒壁的兩端部(如圖5-4)，還可以其中一個外接口開在外筒的一端，另一個開在外筒壁的一端部(如圖5-3)用于燃料電池時，來自于空氣壓縮機的干空氣(流體II)進入外筒，同時，來自于燃料電池電堆陰極的尾排濕氣體(流體I)進入膜卷的導(dǎo)流管之一。流體I和流體II分別流經(jīng)膜筒內(nèi)和膜卷中的膜筒外側(cè)，由于流體I中的水蒸氣分壓大于流體II，濕空氣中的水蒸汽可以通過膜片滲透到膜的對面，進入到干空氣中，達到使干空氣增濕的目的，被增濕的氣流II在外筒另一端流出，進入燃料電池電堆。實施例3將來自于燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的水箱的水作為流體I引入膜卷的導(dǎo)流管之一，進入膜筒內(nèi)測。來自于空氣壓縮機的干空氣(流體II)進入外筒，進入膜筒的外側(cè)的導(dǎo)流隔網(wǎng) II間的流道。水分子經(jīng)過膜片滲透到膜筒外側(cè)，進入到干空氣(流體II)，達到使干空氣增濕的目的，被增濕的氣流II在外筒另一端流出，進入燃料電池電堆。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池用膜增濕器結(jié)構(gòu)，包括膜元件(I)和外筒(4)，膜元件(I)是螺旋卷式膜元件，其特征在于所述螺旋卷式膜元件包括兩片對置的膜片，分別為膜片I (31)和膜片II(32)，兩個導(dǎo)流管，分別是導(dǎo)流管I (11)和導(dǎo)流管II (12)，兩個導(dǎo)流隔網(wǎng)，分別是導(dǎo)流隔網(wǎng)I (21)和導(dǎo)流隔網(wǎng)II (22)，兩片對置的膜片的一對邊密封成膜筒，另一對邊為敞開邊，導(dǎo)流隔網(wǎng)I (21)置于膜筒的兩片膜片之間，導(dǎo)流隔網(wǎng)II (22)置于膜筒的其中一片膜片的外面，所述的兩個導(dǎo)流管的每個導(dǎo)流管的一端封閉，導(dǎo)流管的管壁上沿軸向開有進料口，進料口的長度與膜筒的敞開邊等長，進料口的寬度與膜筒的厚度相等，膜筒開口的一對邊分別與兩個導(dǎo)流管管壁上進料口密封連接，沿其中一個導(dǎo)流管將膜筒卷繞成螺旋卷式膜元件，卷繞成的螺旋卷式膜元件有四個外接口，分別是；兩個導(dǎo)流管開口端的流體I進口和流體I出口，螺旋卷式膜元件中導(dǎo)流隔網(wǎng)II形成的流體II進口和流體II出口 ；所述外筒(4)為封閉容器，外筒的筒壁上設(shè)有兩個對外接口，所述螺旋卷式膜元件置于外筒中間，螺旋卷式膜元件的兩個導(dǎo)流管直接伸出外筒壁，導(dǎo)流管與外筒壁之間密封。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種燃料電池用膜增濕器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述兩個導(dǎo)流管的開口朝向相同或者相反。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種燃料電池用膜增濕器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述膜片是親水性的平板膜片。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種燃料電池用膜增濕器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述膜片是致密膜、反滲透膜、超濾膜、微濾膜和納濾膜中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種燃料電池用膜增濕器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述外筒(4)內(nèi)壁上設(shè)有定位柱(41)，定位柱(41)在外筒(4)兩端的內(nèi)壁上，每端內(nèi)壁上有3— 6個定位柱沿外筒內(nèi)壁均勻分布，螺旋卷式膜元件固定在定位柱(41)上。
6.權(quán)利要求I所述一種燃料電池用膜增濕器結(jié)構(gòu)的使用方法，其特征在于所述使用方法包括外筒的兩個對外接口的其中一個與干空氣接口連接，外筒的另一個對外接口與電堆的空氣入口連接，增濕源的流體與兩個導(dǎo)流管中的一個連接，兩個導(dǎo)流管中的另一個與電堆的尾排口連接；或者兩個導(dǎo)流管中的一個與干空氣接口連接，兩個導(dǎo)流管中的另一個與電堆的空氣入口連接，增濕源的流體與外筒的兩個對外接口的其中一個連接，外筒的另一個對外接口與電堆的尾排口連接。
全文摘要
一種燃料電池用膜增濕器結(jié)構(gòu)，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兩片對置的膜片，兩個導(dǎo)流管和兩個導(dǎo)流隔網(wǎng)，膜片的一對邊密封成膜筒，一個導(dǎo)流隔網(wǎng)置于膜筒內(nèi)，另一個置于一片膜片的外面，導(dǎo)流管一端封閉，管壁上開有進料口，膜筒開口的一對邊分別與兩個導(dǎo)流管管壁上進料口密封連接，并沿其中一個卷繞成螺旋卷式膜元件，外筒為封閉容器，筒壁上設(shè)有兩個對外接口，膜元件置于外筒中間。本發(fā)明的有益效果是膜元件選材廣泛、填充密度大、成本低；可以將濕氣源和干氣源同時、大量地引入，減小阻力，實現(xiàn)水、熱交換；結(jié)構(gòu)制作簡單、效率高、安裝方式靈活；節(jié)省系統(tǒng)空間；增濕源可以是濕氣體，也可以是水，適應(yīng)性強。
文檔編號H01M8/04GK102832402SQ20121032201
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月3日
發(fā)明者邢丹敏, 戚朋, 王仁芳, 馬由奇, 徐麗雙, 侯中軍, 明平文 申請人:新源動力股份有限公司