本發明專利技術公開一種質子交換膜燃料電池的增濕裝置，屬于燃料電池技術領域。該裝置主要由外筒、內筒、螺旋葉片、傳動軸構成，所述螺旋葉片固定在內筒外表面，內筒的筒壁上有微孔，內筒由連接桿與傳動軸相連。該裝置用于對質子交換膜燃料電池原料氣進入電堆前的加濕，充分利用尾氣中的水份和熱量，并能調節增濕氣體的壓力，具有節能、高效、調節方便的優點，滿足原料氣增濕要求和進電堆壓力要求，使燃料電池系統能耗、成本降低，體積減小，效果顯著。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及質子交換膜燃料電池，尤其涉及一種質子交換膜燃料電池的增濕裝置。
技術介紹
燃料電池相當于一種電化學池，其將燃料的化學能直接轉化為電能，效率高達40 60%。質子交換膜燃料電池是燃料電池的一種，由于其工作溫度低，在室溫下就可以啟動。質子交換膜燃料電池以氫氣為燃料，氫氣在電池陽極吸附解離為氫離子，電解質膜是一種特殊的膜，其只允許氫離子通過。目前使用最廣泛的是氟化磺酸膜，氫離子在此膜中以水合質子(H3O+)的形式，從陽極遷移至陰極，與陰極的氧氣或者空氣發生反應生成水。氟化磺 酸膜在足夠的濕度下才具有很好的氫離子導電性，當缺水時膜內阻急劇增加，電池性能會迅速下降。雖然燃料電池在陰極端會生成水，但是當使用空氣作為氧化劑時，需要通入過量空氣，當大量干空氣吹入時，未反應的高溫氣體會將生成的水分帶走，致使陰極端缺水。為此在進電堆前一般對空氣進行加濕。質子交換膜燃料電池的加濕方式一般有以下幾種 蒸汽加濕利用電阻絲加熱去離子水，產生水蒸氣，將需要加濕的氣體通過來加濕。此方法需要加熱裝置和額外的加水，具有體積大，耗能等缺點。利用質子交換膜加濕該加濕方法利用質子交換膜的阻氣特性和水在膜內的濃差擴散實現，在膜的一側通水，一側通氣體，水分通過膜達到另一側，將氣體加濕。此方法使用昂貴的質子交換膜，一般做成與電堆一樣的結構，和電堆裝在一起。其缺點是成本高，增大了電堆體積，增濕效率低，需要額外提供去離子水，而且對氣體產生很大的阻力。還有一種是焓輪增濕器，燃料電池的尾氣和原料氣分別進入增濕器兩側， 利用陶瓷材料的微孔吸收尾氣中的水分和熱量，電機驅動轉動焓輪，原料氣再將陶瓷材料中的水分和熱量吸收，進而加濕。此方法的缺點是密封難，尾氣與原料氣易串氣；同時也不能用于氫氣側加濕。在對空氣側進行加濕時，各種增濕裝置會對空氣的流動產生阻力，空氣壓力的下降直接影響了電堆的性能。目前對于千瓦級燃料電池系統，空氣端的能耗占系統總能量的10% 15%，而且市場上符合要求的空壓機或者鼓風機很少。有了增濕器以后，為了滿足進電堆空氣的壓力需求，就需要從空壓機或者鼓風機出來的空氣壓力更大，這樣需要更大功率的空氣壓縮裝置，燃料電池系統的總能耗、成本和體積都會增加。
技術實現思路
本專利技術旨在克服現有技術的不足，提供一種節能、高效，同時對加濕氣體壓力進行調節的質子交換膜燃料電池的增濕裝置。本專利技術的技術方案是質子交換膜燃料電池的增濕裝置，主要由外筒、內筒、螺旋葉片、傳動軸構成，所述外筒與內筒同軸設置，螺旋葉片固定在內筒外表面，其外緣與外筒內壁靠近、有小間隙，內筒的筒壁上有微孔，內筒由連接桿與傳動軸相連，該裝置的首端設有與內、外筒之間的空腔相連通的原料氣進口，以及與內筒內腔相連通的尾氣出口，該裝置的尾端設有連接內、外筒之間的空腔與電堆的原料氣管道以及連接內筒空腔與電堆的尾氣管道。所述內筒筒壁上的微孔孔徑為0. 01 I. Omm ;所述尾氣出口有兩個、對稱設置；所述尾氣管道與該裝置尾端的連接口有兩個，對稱設置；所述內筒的兩端與該裝置首尾端之間的滑動部位設有密封圈；所述傳動軸與電機及調速機構相連接。與傳統的增濕方式相比，本專利技術具有以下優點 首先，利用尾氣加濕，不需要額外加水，可以減小系統的體積和功耗； 其次，通過螺旋葉片的設計，可以在氣體增濕的同時調節其壓力，彌補增濕器對氣體的阻力，提聞電池性能； 再次，待加濕空氣與燃料電池尾氣在不同的管道對流運行中傳遞水分與熱量，兩種氣體的流量相互之間無影響，增強電堆的穩定性； 同時，加濕氣體的流速可以調節，從而滿足增濕要求和進電堆壓力要求。上述的燃料電池質子交換膜的增濕裝置，待增濕氣體從原料氣進口 7進入外筒10與內筒9形成的空腔2中，在螺旋葉片11的轉動推動下到達增濕器的尾端，從外筒尾端的原料氣管道I出來進入燃料電池電堆13中；燃料電池電堆的尾氣從尾氣管道12進入內筒的空腔3中，高溫高濕尾氣在離心力作用下，通過內筒壁上的孔，將熱量和水分傳遞給空腔2中的氣體，尾氣中的氣體成分從尾氣出口 6排出系統外；內筒通過若干連接桿4與傳動軸固定連接，螺旋葉片與內筒外壁固定相連，在傳動軸的帶動下，內筒、螺旋葉片隨傳動軸一起轉動；外筒固定不動。上述的燃料電池質子交換膜的增濕裝置，外筒與內筒之間有螺旋葉片，螺旋葉片與內筒外壁固定連接，與外筒內壁實現動態密封；內筒兩端與裝置的端面滑動部位有密封圈8。上述的燃料電池質子交換膜的增濕裝置，內筒與傳動軸通過連接桿固定，電機與傳動軸相連。電機帶動傳動軸轉動，傳動軸帶動內筒轉動，內筒帶動螺旋葉片轉動；螺旋葉片的旋向與傳動軸轉動方向相反。上述的燃料電池質子交換膜的增濕裝置，傳動軸的轉速可調，從而螺旋葉片的轉速可調，實現加濕氣體的流速可調。本專利技術的主要特點是其解決了因增濕器對氣體阻力而使進電堆的壓力不夠問題，降低了對空氣壓縮機或者鼓風機的要求；同時加濕氣體的流速通過電機的控制調節，根據不同的系統選擇合適的轉速，也可以改變螺旋葉片的螺距大小或者選擇不同形狀的螺旋面，使其滿足電堆對加濕氣體的濕度和壓力需求。本裝置還具有高增濕效率、低耗能、低成本的特點。附圖說明附圖為本專利技術的質子交換膜燃料電池增濕裝置結構示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術作進一步說明。如圖所示，本專利技術中外筒10為一個固定的密封空心圓柱體，內筒9與外筒同軸，其壁上分布有大小不一的微孔道，孔徑為0. 01 I. 0毫米，孔隙率為50% 80%，螺旋葉片11固定于內筒外壁上，與外筒留有很小的縫隙，類似于鼓風機風輪與外壁的結構，內筒通過連接桿4與傳動軸5固定連接，在傳動軸帶動下，內筒和螺旋葉片一起轉動。原料氣通過原料氣進口 7進入外筒與內筒之間的空腔2中，從原料氣管道I出去直接進入電堆13。電堆的尾氣通過尾氣管道12進入內筒內腔3中，最后從尾氣出口 6排出系統外。內筒與外筒滑動部位有密封圈8，防止 原料氣和尾氣串氣。燃料電池的高溫高濕尾氣進入空腔3中，電機開啟，傳動軸帶動內筒和螺旋葉片一起轉動，尾氣中的水分遇到冷的內筒壁部分液化，在離心作用下從內筒壁上的微孔被甩入空腔2中，原料氣進入空腔2中將水分攜帶走，內筒材料選用熱的良導體，如不銹鋼或者其他金屬材料，尾氣中的熱量將傳遞給原料氣，外筒材料為絕熱體，保證增濕裝置內熱量幾乎不被環境吸收。加濕氣體的流速跟螺旋葉片的轉速、螺距大小和螺旋面的形狀有關，傳動軸的轉速通過電控部分在500 IlOOrpm范圍內可調，螺旋葉片的轉速可通過傳動軸的轉速來控制，傳動軸轉速越快，螺旋葉片轉速也越快，原料氣的流速加快，原料氣與尾氣的熱交換和濕度交換就越快。同時該裝置中傳動軸的轉動方向與螺旋葉片的旋向方向相反，在轉動時可以使空腔2中的氣體壓力增加，且壓力的改變可以通過調節螺旋葉片轉速來實現。傳動軸、螺旋葉片的轉動對空腔3內燃料電池尾氣的流速和壓力幾乎不產生影響，從而能使原料氣更好的加濕和換熱，能使燃料電池系統快速啟動且高效運行。本專利技術中螺旋葉片與內筒外壁固定連接，與外筒內壁之間的空隙越小越好，從而保證更好的控制原料氣的壓力。螺旋葉片的螺距和螺旋面形狀可以根據實際電堆的工作條件確定。根據燃料電池系統對加濕效果的要求，可以改變空腔3的大小，來改變尾氣在腔體內的停留時間和容量；可以根據原料氣的流量和增濕要求來改本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種質子交換膜燃料電池的增濕裝置，其特征是該裝置主要由外筒（10）、內筒（9）、螺旋葉片（11）、傳動軸（5）構成，所述外筒與內筒同軸設置，螺旋葉片固定在內筒外表面，其外緣與外筒內壁靠近、有小間隙，內筒的筒壁上有微孔，內筒由連接桿（4）與傳動軸相連，該裝置的首端設有與內、外筒之間的空腔（2）相連通的原料氣進口（7），以及與內筒內腔（3）相連通的尾氣出口（6），該裝置的尾端設有連接內、外筒之間的空腔（2）與電堆（13）的原料氣管道（1）以及連接內筒空腔（3）與電堆（13）的尾氣管道（12）。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：佘沛亮，王利生，仙存妮，
申請(專利權)人：北京慧峰聚能科技有限公司，
類型：發明
國別省市：
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