[发明专利]燃料电池系统工质气体增湿器

说明书

本发明涉及一种利用分子扩散原理对工质气体实施增湿处理的机械装置，尤其涉及以工质气体在增湿过程中压降低、能耗低、增湿量大为特点的燃料电池系统工质气体增湿器。

对气体增湿是无论在民生上，还是在工业上都是常见的工艺过程。因而自古以来人们发明了很多增湿方法。增湿是在空气等目标气体中增加水蒸汽含量的过程。因而可以通过把水加热至沸腾、机械造雾、超音波振动器造雾等方法形成分子水或微粒状水并扩散至气相对气体增湿。但这些增湿方法在装置、能耗及使用条件(温度、压力)上均有各自独特的要求。在固体高分子电解质燃料电池(PEMFC)系统中对原料气体增湿时要求：能耗低、压降低，处理量大且能加压操作。传统的增湿方式显然不能同时满足上述要求。

对增湿过程具有影响的因素有温度、湿度、压力及气流速度，并可以用式(1)定性地表示其相互关系：

      V=αAU^aT^b/P^c/H^d            (1)

      V   ：水的蒸发速度

      α      ：校正系数

      U   ：平行于蒸发面的气体流速

      T   ：体系温度

      P   ：体系压力

      H   ：气相湿度

      A   ：气液接触面积

      a~d ：指数系数(均大于零)

在式(1)中，对于一定的燃料电池系流，除了蒸发面积以外，其他各项实际上均被燃料电池系流工艺所左右。

本发明的目的是提供一种燃料电池系统工质气体增湿器，使之能在0~4atm(表压)环境下，低压降、低能耗地对大流量的氢气、空气或氧气等工质气体进行有效的增湿。

本发明是如下实施的。增湿过程主要是在中空纤维膜组件内进行。中空纤维膜组件由机能性中空纤维膜集束、气体导入管、气体导出管、水导入管、水导出管、外壳及密封材料等构成。中空纤维膜集束的两端被粘接剂等密封材料固定在外壳两端并形成两个相互隔离的通路。即由所有中空纤维内腔并联而成的通路，和在纤维束外壁与外壳内腔间形成的通路。操作时水和工质气体分别通过不同的通道。通过适当调整气相与液相间的压差可以控制由液相透过膜到气相的水的量。透过的水在膜表面形成水膜并暴露在气相中。由式(1)可知，在一定的温度、压力、气流速及湿度条件下，单位时间内水的蒸发量取决于蒸发面积，即气液接触面积。在保证工艺条件的前提下，填料的比表面积越大，单位时间内水的蒸发量就越多，增湿效果就越大。中空纤维集束形成的大表面积给气液交换提供了充足的气液接触面，使大量的水能在短时间内蒸发到气相中并增湿气体。由于数量巨多的中空纤维内腔并联形成了很大的流体通道，故流体通过过程中的压降也很小。

说明书附图是做为本技术使用法一例的构成简图。由附图表示实施例的实施要领。以下利用附图详细说明本发明的装置构成及操作状况。

图1是本发明整体结构示意图。

图2是使用本发明在燃料电池系统中对工质气体实施增湿的装置构成图。

参照图1，增湿器由集束状中空纤维[1]，外壳[2]，气体导入管[3]、气体导出管[4]、水导入管[5]、水导出管[6]，及密封材[11]构成。集束状中空纤维膜[1]为人工及天然的高分子或无机物制成的超滤膜、反渗透膜、精滤膜、离子交换膜或液体透过膜。密封材[11]为环氧树脂等热固性高分子密封材料或粘接剂，热塑性高分子密封材料或粘接剂，水泥等无机密封材料或粘接剂。外壳[2]由不锈钢等金属，工程塑料等高分子及陶瓷等无机材料制成。

在图1所示的增湿器中，中空纤维[1]的两端与外壳[2]间充填环氧树脂等充填剂做密封，并在中空纤维外壁与外壳间形成液相腔体。由中空纤维内腔并联而成的空间形成气体通路并与液相腔相隔离。其中液路和气路是可以互换的。

在图1所示的增湿器中，水由导管[5]导入液相腔内并均匀的润湿每一根中空纤维的外壁。依靠液相腔与气相腔间的浓度差及压力差，水将透过膜进入到中空纤维膜的内腔，并在中空纤维内壁形成均匀的水膜且水将从水膜表面蒸发到内腔的气相中增湿气体。

在图1所示的增湿器中，由气体导管[3]导入的干燥气体[7]经过中空纤维[1]后由气体导出管[4]导出。气体在通过中空纤维内腔的过程中，与附着在内壁的水膜接触并被增湿。由于中空纤维集束形成的内表面积非常大，故，可以将大量的水在短时间内蒸发到气流中。

在图2所示的增湿器中，气体导入管[3]与气源相接、水导入管[5]与燃料电池[13]的冷却水导出管[12]相接、水导出管[6]与燃料电池系统下水相接。在这个燃料电池系统中，冷却水被导水管[14]导入燃料电池[13]内，在冷却过程中被提升了温度后变成热水经导出管[12]导出。其中的一部分热水[9]将经水导入管[5]被导入增湿器内。由于水[9]的温度高，整个增湿器的温度将被提升。由式[1]可知，单位时间内水的蒸发量将为此提高。由气体导入管[3]导入增湿器的干燥气体[7]，在经过增湿器后变成湿气体[8]并被气体导出管[4]导出。被增湿的气体[8]经燃料电池气体导入管[15]导入到燃料电池[13]中，参加反应后被燃料电池气体导出管[16]作为尾气排出。