燃料电池增湿器和使用该增湿器的质子交换膜燃料电池

摘要

本发明涉及燃料电池增湿器和使用该增湿器的质子交换膜燃料电池。其中燃料电池增湿器包括供气体通过的增湿筒和沿气体流通方向设置在增湿筒内的至少一道吼口环，所述吼口环的环体内具有突缩部，所述突缩部的内径小于其上游和下游位置处吼口环的内径，所述环体上对应于突缩部下游的位置处设有喷水孔，所述喷水孔具有用于与相应的水源连通的进水口，依靠突缩部和喷水孔，气流流经吼口环时能够产生流速变化并产生低压，进而实现增湿水的喷出，不需要设置水泵，从而能够降低制造和使用成本。

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池增湿器和质子交换膜燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置，其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极供氢燃料发生氧化，阴极供氧化剂还原，质子交换膜是作为电解质。质子交换膜燃料电池运行时，质子交换膜需要保持一定的湿度，因此，质子交换膜燃料电池需要一定湿度的空气和氢气，以维持电池正常运行。目前，为燃料电池中的气体增湿的增湿器包括焓轮增湿器和喷雾增湿器，其中焓轮增湿器如授权公告号为CN 203013853 U的中国专利公开的一种质子交换膜燃料电池系统的增湿器，利用陶瓷等吸水材料制成旋转轮，当较高温度和湿度的气通过时使部分水和热留在旋转轮中，当较低温度和湿度的气流经该旋转轮时使气流得到升温和增湿，旋转轮由专门机构进行驱动，驱动机构由控制器管理。喷雾增湿器如授权公告号为CN 2506908 Y的中国专利公开的一种雾化增湿器，用水泵把水喷入要增湿的气体中，水泵的作用是为喷嘴提供喷水压力，压力越高，水雾化程度越好，增湿效果越好。

但是，现有技术中的上述两种增湿器中，前者需要使用到旋转部件焓轮和相应的驱动机构，且焓轮有很高的装配精度要求，后者需要使用水泵，且对喷嘴的加工质量有很高的要求，因此制造成本和使用成本较高，不便于燃料电池电堆的制造和维护，也不利于燃料电池的商业化推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种制造和使用成本低的燃料电池增湿器，同时，本发明还提供了一种使用该增湿器的质子交换膜燃料电池。

本发明中燃料电池增湿器采用的技术方案是：燃料电池增湿器，包括供气体通过的增湿筒和沿气体流通方向设置在增湿筒内的至少一道吼口环，所述吼口环的环体内具有突缩部，所述突缩部的内径小于其上游和下游位置处吼口环的内径，所述环体上对应于突缩部下游的位置处设有喷水孔，所述喷水孔具有用于与相应的水源连通的进水口。

所述增湿筒内沿气体流通方向设有两道以上的吼口环，各吼口环沿轴向间隔设置且相邻吼口环的内径尺寸沿气体流通方向依次减小。

所述吼口环的外壁上设有用于与水源连通的储水槽，所述储水槽的槽口封盖有透水膜。

所述增湿筒的筒体内设有储水腔，所述增湿筒的内壁上设有增湿筒透水膜和供储水腔内的水流到增湿筒透水膜处的通孔。

所述增湿筒内于增湿筒透水膜的内侧设有用于支撑增湿筒透水膜的加热网。

本发明中质子交换膜燃料电池采用的技术方案是：质子交换膜燃料电池，包括质子交换膜和燃料电池增湿器，所述燃料电池增湿器包括供气体通过的增湿筒和沿气体流通方向设置在增湿筒内的至少一道吼口环，所述吼口环内具有突缩部，所述突缩部的内径小于其上游和下游位置处吼口环的内径，所述环体上对应于突缩部下游的位置处设有喷水孔，所述喷水孔具有用于与相应的水源连通的进水口。

所述增湿筒内沿气体流通方向设有两道以上的吼口环，各吼口环沿轴向间隔设置且相邻吼口环的内径尺寸沿气体流通方向依次减小。

所述吼口环的外壁上设有用于与水源连通的储水槽，所述储水槽的槽口封盖有透水膜。

所述增湿筒的筒体内设有储水腔，所述增湿筒的内壁上设有增湿筒透水膜和供储水腔内的水流到增湿筒透水膜处的通孔。

所述增湿筒内于增湿筒透水膜的内侧设有用于支撑增湿筒透水膜的加热网。

本发明采用上述技术方案，燃料电池增湿器包括供气体通过的增湿筒和沿气体流通方向设置在增湿筒内的至少一道吼口环，所述吼口环的环体内具有突缩部，所述突缩部的内径小于其上游和下游位置处吼口环的内径，所述环体上对应于突缩部下游的位置处设有喷水孔，所述喷水孔具有用于与相应的水源连通的进水口，依靠突缩部和喷水孔，气流流经吼口环时能够产生流速变化并产生低压，进而实现增湿水的喷出，不需要设置水泵，从而能够降低制造和使用成本。

附图说明

图1是本发明中燃料电池增湿器的一个实施例的结构示意图，同时也是本发明中质子交换膜燃料电池的一个实施例中燃料电池增湿器的结构示意图；

图2是图1中吼口环的放大图。

图中各附图标记对应的名称为：10增湿筒，11储水腔，20吼口环，21突缩部，22喷水孔，23进水口，24储水槽，30透水膜，40支架，50增湿筒透水膜，60加热网，70水池，80水管。

具体实施方式

本发明中燃料电池增湿器的一个实施例如图1~图2所示，包括供气体通过的增湿筒10、作为水源的水池70和通过支架40固定设置在增湿筒10内的四道吼口环20。

四道所述吼口环20均与增湿筒10同轴设置，各吼口环20沿轴向间隔设置且相邻吼口环20的径向尺寸沿气体流通方向依次减小。各吼口环20均采用环形结构，环体内具有突缩部21，类似喉口，因此成为“吼口环”。突缩部21的内径小于其上游和下游位置处吼口环20的内径，使得气流从环体内流过时能够在突缩部21突然增高流速，从而在突缩部21下游形成低压区。所述吼口环20的外壁上设有储水槽24，储水槽24通过对应的水管80与水池70连通且其槽口封盖有透水膜30。环体内壁上对应于突缩部21下游的位置处设有喷水孔22，所述喷水孔22具有与所述储水槽24连通的进水口23，从而与水源连通。吼口环20采用上述结构，依靠气流流速变化而在喷水孔22处形成的低压区，燃料电池增湿器不需要水泵即可使水从喷水孔22喷出，实现水的雾化，达到加湿目的，同时，雾化水远离增湿筒10的内壁面，有利于与被增湿气体充分混合，起到良好的加湿效果。如图2所示，各吼口环20上的突缩部21靠近环体的下部，突缩部21上游的环体内壁和下游的环体内壁均为弧形平滑结构，并且下游的环体内壁曲率变化较大，有利于气流的通过和低压区的形成，保证水的良好雾化效果。本实施例中，喷水孔22的直径优选为0.5毫米至1.5毫米。四道所述吼口环20采用上述内径依次减小的形式布置，能够避免上游吼口环20对气流的影响，保证下游吼口环20的正常工作，从而更好地保证增湿效果。当然，在其他实施例中，吼口环20的数量也可以是一个、两个、三个或者五个以上，各吼口环20的径向尺寸也可以相同。

为了达到更好的增湿效果，保证增湿器的可靠性，所述增湿筒10的筒体内设有储水腔11，所述增湿筒10的内壁上设有增湿筒透水膜50和供储水腔11内的水流到增湿筒透水膜50处的通孔，所述增湿筒10内于增湿筒透水膜50的内侧设有用于支撑增湿筒透水膜50的加热网60。这样，水池70中的水能够通过通孔进入储水腔11，并慢慢从透水膜30处透出，起到加湿作用。而加热网60不但能够起到对增湿筒透水膜50的支撑作用，还能够实现水温的调节，进而调节加湿效果并对气体预热；同时，加热网60能够使气流在增湿筒透水膜50表面形成紊流，促进增湿。

本发明中质子交换膜燃料电池的一个实施例包括质子交换膜和燃料电池增湿器，质子交换膜的结构与现有技术相同，燃料电池增湿器的结构与上述实施例中的燃料电池增湿器相同，此处不再具体说明。

使用时，气流从增湿筒10流过，在吼口环20处形成低压区使水雾化喷出，实现增湿，同时，通过增湿筒10上的增湿筒透水膜50和加热网60，气流能够被同时加湿和预热，从而保证可靠的增湿效果。并且，本发明中的加湿器与焓轮增湿器截然不同，不需要旋转件；与通常的膜增湿器传统的喷雾增湿器也不同，不需要水泵，装配简单，装配要求低，制造成本低，能够有效节省制造、维护费用。

在上述实施例中，吼口环20设有四道，在本发明的其他实施例中，吼口环20也可以仅设置一道，同样可以依靠突缩部21及喷水孔22实现低气压区的产生和喷水，进而实现加湿。另外，上述实施例中增湿筒10内的增湿筒透水膜50和加热网60也可以省去，仅依靠吼口环20对气体进行加湿，而吼口环20上的储水槽24也非必须结构，在其他实施例中也可以省去或替换，不设置储水槽24时，喷水孔22的进水口23可以通过相应的管道与水源连通。