本发明属于质子交换膜燃料电池，具体涉及一种扭曲管式燃料电池膜加湿器及其应用。
背景技术：
1、燃料电池可将燃料中储存的化学能直接转化为电能，具有高效、清洁等优点。质子交换膜燃料电池属于燃料电池的一种，其使用高分子膜，具有运行温度低、能量密度高、启动速度快等优点，目前应用十分广泛。质子交换膜燃料电池中的高分子膜在传输质子与水分子的同时可以隔绝气体，其只有在充分水合的状态下才能成为良好的质子导体。研究表明，若高分子膜的含水量过低，会导致膜质子传导能力、电池电化学反应速率下降。为了保证高分子膜处于湿润状态，对进入燃料电池的反应气体进行充分加湿是目前广泛采用的技术。
2、管式膜加湿器加湿法是一种常见的加湿技术，其利用燃料电池排出的高热湿废气对反应气体进行加湿。中空纤维管束是管式膜加湿器的关键部件，待加湿气体和热湿废气分别在纤维管内外部流动，热量和水分通过纤维管壁从管外部扩散至管内部，实现对反应气体的加热加湿过程。管式膜加湿器相较于其他膜加湿器具有更大的传热传质面积，加湿效率较高，同时其重量也较轻。但目前管式膜加湿器中的中空纤维管束均为直管，当燃料电池功率提高、膜加湿器中气体流量增大时，沿程阻力损失会不可避免地增大，进而导致膜加湿器加湿效率的降低。因此，有必要提供一种改进的扭曲管式燃料电池膜加湿器，以解决上述问题。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种扭曲管式燃料电池膜加湿器及其应用，以增强传热传质效果，提高加热加湿效率。
2、为实现上述目的，本发明提供了一种扭曲管式燃料电池膜加湿器，包括螺旋扭曲管束、分别与所述螺旋扭曲管束两端连通的待加湿气体入口和加湿后气体出口，以及与所述螺旋扭曲管束外壁相通的热湿气体腔体；所述热湿气体腔体设置有热湿气体入口和出口；
3、所述螺旋扭曲管束包括若干个螺旋扭曲管，每个所述螺旋扭曲管的任一处横截面均为椭圆形，且每个横截面的中心均位于同一条轴线上，所述椭圆形的长轴和短轴的位置沿所述螺旋扭曲管的周向周期性旋转变化。
4、进一步的，所述螺旋扭曲管的扭距s为9～11mm，长短轴之比为1.4～1.6。
5、进一步的，所述螺旋扭曲管的长轴长度为1～1.4mm，短轴长度为0.6～0.9mm，所述螺旋扭曲管的管壁厚度为0.08～0.12mm。
6、进一步的，所述热湿气体腔体为管式壳体，所述螺旋扭曲管束设置于所述管式壳体的内部；所述管式壳体的两端分别设有前垫片和后垫片，所述前垫片和后垫片上设有与每个所述螺旋扭曲管相配合的通孔，用于与所述螺旋扭曲管相接。
7、进一步的，所述前垫片和后垫片分别与前端盖和后端盖相连，所述前端盖上设置所述待加湿气体入口，所述后端盖设置所述加湿后气体出口(9)。
8、进一步的，所述管式壳体的两端周壁上分别设有热湿气体入口和热湿气体出口，且所述热湿气体入口靠近所述加湿后气体出口一端设置，所述热湿气体出口靠近所述待加湿气体入口一端设置。
9、进一步的，所述热湿气体入口与燃料电池的废气出口相连接，用于通入燃料电池产生的高热高湿废气。
10、进一步的，每个所述螺旋扭曲管的外缘螺旋线相互接触，且每个所述螺旋扭曲管的扭曲方向相同。
11、进一步的，所述螺旋扭曲管束的材质为聚醚砜材料。
12、本发明还提供一种以上任一项所述的扭曲管式燃料电池膜加湿器在大型质子交换膜燃料电池测试系统中的应用。
13、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
14、(1)本发明将传统的圆管式中空纤维管扭曲，采用椭圆形的同轴螺旋扭曲管，气体在扭曲管内流动时，流动方向沿管的轴向不断旋转变化，湍流强度增加，同时管内流体的旋转流动也会产生垂直于主流方向的二次旋流，二次旋流会使壁面处的热边界层变薄，因此扭曲管的传热性能增强。膜加湿器中空纤维管采用螺旋扭曲管后，管外气体扰动程度增强，在靠近管壁处气流会产生径向速度同时流速进一步增大，有助于管外高浓度水蒸气跨越扭曲管管壁扩散至管内，因此螺旋扭曲管的水蒸气转移率提高。
15、(2)本发明中纤维管采用螺旋扭曲管，扭曲管外缘螺旋线相互接触，管间间距减小，管束结构更加紧凑。同时每根扭曲管之间相互支撑，可以有效减轻气体流过时产生的振动，膜加湿器运行可靠性提高。
16、(3)由于本发明结构更加紧凑，且在相同气体流量下拥有更高的加湿效率，因此整体结构尺寸减小，装置重量下降，生产成本降低。
1.一种扭曲管式燃料电池膜加湿器，其特征在于，包括螺旋扭曲管束(10)、分别与所述螺旋扭曲管束(10)两端连通的待加湿气体入口(1)和加湿后气体出口(9)，以及与所述螺旋扭曲管束(10)外壁相通的热湿气体腔体(12)；所述热湿气体腔体(12)设置有热湿气体入口和出口；
2.根据权利要求1所述的扭曲管式燃料电池膜加湿器，其特征在于，所述螺旋扭曲管的扭距s为9～11mm，长短轴之比为1.4～1.6。
3.根据权利要求2所述的扭曲管式燃料电池膜加湿器，其特征在于，所述螺旋扭曲管的长轴长度为1～1.4mm，短轴长度为0.6～0.9mm，所述螺旋扭曲管的管壁厚度为0.08～0.12mm。
4.根据权利要求1所述的扭曲管式燃料电池膜加湿器，其特征在于，所述热湿气体腔体(12)为管式壳体(5)，所述螺旋扭曲管束(10)设置于所述管式壳体(5)的内部；所述管式壳体(5)的两端分别设有前垫片(3)和后垫片(7)，所述前垫片(3)和后垫片(7)上设有与每个所述螺旋扭曲管相配合的通孔，用于与所述螺旋扭曲管相接。
5.根据权利要求4所述的扭曲管式燃料电池膜加湿器，其特征在于，所述前垫片(3)和后垫片(7)分别与前端盖(2)和后端盖(8)相连，所述前端盖(2)上设置所述待加湿气体入口(1)，所述后端盖(8)设置所述加湿后气体出口(9)。
6.根据权利要求4所述的扭曲管式燃料电池膜加湿器，其特征在于，所述管式壳体(5)的两端周壁上分别设有热湿气体入口(6)和热湿气体出口(4)，且所述热湿气体入口(6)靠近所述加湿后气体出口(9)一端设置，所述热湿气体出口(4)靠近所述待加湿气体入口(1)一端设置。
7.根据权利要求6所述的扭曲管式燃料电池膜加湿器，其特征在于，所述热湿气体入口(6)与燃料电池的废气出口相连接，用于通入燃料电池产生的热湿废气。
8.根据权利要求1所述的扭曲管式燃料电池膜加湿器，其特征在于，每个所述螺旋扭曲管的外缘螺旋线相互接触，且每个所述螺旋扭曲管的扭曲方向相同。
9.根据权利要求1所述的扭曲管式燃料电池膜加湿器，其特征在于，所述螺旋扭曲管束的材质为聚醚砜材料。
10.一种权利要求1-9任一项所述的扭曲管式燃料电池膜加湿器在质子交换膜燃料电池测试系统中的应用。
