一种燃料电池堆用氢空协同加湿器及加湿方法与流程

本发明涉及燃料电池，具体涉及一种燃料电池堆用氢空协同加湿器及加湿方法。

背景技术：

1、燃料电池将燃料(如氢气)和氧化剂(如空气中的氧气)中的化学能直接转化成电能，其发电模块是燃料电池堆(简称电堆)。电堆是由膜电极、双极板、集流板、端板、密封件和紧固件组成的一个复合体。膜电极由阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极气体扩散层组成，氢气在阳极催化层中裂解成质子和电子，h2＝2h++2e-(式1)，质子和电子分别通过质子交换膜和外电路迁移到阴极催化层，与那里的空气中的氧气反应生成水，0.5o2+2h++2e-＝h2o(式2)。

2、质子交换膜和催化层中的质子交换树脂只有在达到足够高的湿化程度后才能有效地传导质子，否则，由于质子交换膜的质子传导电阻较高，其电阻带来的欧姆电压降就会较大，同时，由于催化层中质子交换树脂传导质子的能力较差，式1和式2的活化过电位就会较高，两者都会降低燃料电池的性能。另外，当质子交换膜的湿度较低时，它的寿命会下降。因此，为了保障膜电极的性能和寿命，其各个部分的质子交换膜和催化层中的质子交换树脂均达到100％相对湿度时最好。

3、在自然环境条件下，进入电堆中的空气的相对湿度远低于100％、进入电堆中的氢气的相对湿度为0％，它们进入电堆后在膜电极的入口附近，虽然式2产生水，但该部位膜电极中质子交换膜和催化层中的质子交换树脂的相对湿度都显著低于100％，尤其是氢气侧，致使氢气和空气入口处膜电极性能差、寿命短。

4、目前的方法是对空气和氢气进行外加湿，使进入电堆中的空气和氢气都获得相对比较高的相对湿度，降低由于氢气和空气的入口处膜电极中质子交换膜和催化层中的质子交换树脂的相对湿度偏低对该部位膜电极的性能和寿命带来的影响程度。加湿的方式主要有鼓泡加湿器和管式加湿器。鼓泡加湿器体积大、耗能多，只能在电堆测试台上使用，不能应用于燃料电池发电系统的实际使用过程中。

5、当使用管式加湿器时，电堆的空气出口和管式加湿器的入口相连，出堆空气的相对湿度可达到100％，在加湿器中通过其中能够传递水分的加湿管，对进入加湿器中的环境空气进行加湿(和加热)，进而，从加湿器中出来的空气的相对湿度得到一定幅度的提升，进入电堆后，电堆中空气入口处膜电极中质子交换膜和催化层中的质子交换树脂的相对湿度比使用环境空气的情况得到明显改善。

6、管式加湿器中有成百上千根基本处于平行状态排列的加湿管，空气的流量越大，加湿管的数量越多。这些加湿管一般由磺酸树脂材料制备，管内径在1mm级别，管壁厚度在0.1mm级别，水分可以通过加湿管壁实现在加湿管内、外的传输。在这些加湿管的两个端部，用树脂材料把管与管之间的缝隙封死，这样，在加湿器中形成两个相互密封的气体流动区域：加湿管内部区域和加湿管外部区域。加湿管外部区域(即加湿管与加湿管之间的区域)用来传输从电堆中出来相对湿度达100％的空气。这些空气能够通过加湿管的外壁向加湿管内部传递一定的水分后，作为空气尾气排出到加湿器之外。同时，来自环境空气的干空气进入加湿管内沿加湿管的内部传输，带走从加湿管外壁传递过来的水分，进而得到一定程度的加湿，然后进入到电堆中。

7、现有的管式加湿器只适用于加湿空气，而不适用于加湿氢气，原因是从电堆中排出的空气和氢气的气量有显著差别。在燃料电池运行过程中，空气的计量比一般需要达到2.0，同时，由于空气中含有78％的氮气和21％的氧气，这样，排出电堆的空气量是进入电堆空气量的88.5％左右，与进入加湿器中干空气的气量在一个数量级上，保证有可观的水分通过加湿管传递给加湿管内部的干空气。而对于氢气，为了保证氢气在电堆中的利用率，氢气一般采用脉冲排放方式，也即，电堆上氢气的出口大部分时间是出于关闭状态，只有在需要排气时才瞬间打开不到1秒，这样，排出的氢气量不到进入电堆中氢气量的5％，这么小的氢气量对在加湿管中流动的干氢气量微不足道，起不到有效加湿效果。即使氢气采用直排方式，为降低氢气的浪费，氢气的计量比也会控制在1.1以下，也即从电堆中出来的氢气仅占进堆干氢气的10％，对氢气的加湿效果还是微乎其微。

技术实现思路

1、本发明正是基于上述问题，提出了一种燃料电池堆用氢空协同加湿器及加湿方法，通过本发明方案，在实现氢气加湿的同时并未增加加湿器的体积；氢气通过加湿器后其温度也有显著的提升，有利于实现电堆的低温冷启动，并可降低电堆中局部水淹的风险。

2、有鉴于此，本发明的一方面提出了一种燃料电池堆用氢空协同加湿器，包括：加湿区，所述加湿区包括独立的空气加湿管道区和氢气加湿管道区，所述空气加湿管道区包括有多个空气加湿管，所述氢气加湿管道区包括有多个氢气加湿管；

3、连接于所述空气加湿管道区的空气导入管；

4、连接于所述氢气加湿管道区的氢气导入管；

5、其中，所述空气加湿管道区与燃料电池堆通过空气导出管连接，所述氢气加湿管道区与所述燃料电池堆通过氢气导出管连接；

6、连接所述燃料电池堆和加湿器的出堆空气导流管，用于将所述燃料电池堆的出堆空气输送到所述加湿器中加湿管与加湿管之间的外部区域，进而对进入所述加湿器中加湿管内部的空气或氢气进行加湿。

7、可选地，所述空气加湿管道区和所述氢气加湿管道区，通过如下方法构造：

8、通过树脂材料在加湿管的两个端部位置将所述加湿区分割成独立的空气加湿管道区和氢气加湿管道区；

9、将所述空气加湿管道区和所述氢气加湿管道区之间密封。

10、可选地，所述空气加湿管的数量为所述氢气加湿管的数量的5倍。

11、可选地，所述空气加湿管划分为多个独立的空气加湿管小组；

12、所述氢气加湿管划分为多个独立的氢气加湿管小组；

13、每组所述空气加湿管小组或所述氢气加湿管小组分别设置有独立的控制阀门。

14、可选地，对所述加湿器进行控制的方法包括：

15、在流量比例需要变化时，选择增开或闭阻所述空气加湿管小组和/或所述氢气加湿管小组中对应组的控制阀门以调节进入所述加湿器的空气流量和/或氢气流量。

16、本发明的另一方面提供一种燃料电池堆用氢空协同加湿方法，包括：

17、将加湿器的加湿区划分为独立的空气加湿管道区和氢气加湿管道区，所述空气加湿管道区包括有多个空气加湿管，所述氢气加湿管道区包括有多个氢气加湿管；

18、设置分别连接于所述空气加湿管道区的空气导入管和连接于所述氢气加湿管道区的氢气导入管；

19、将所述空气加湿管道区与燃料电池堆通过空气导出管连接；

20、将所述氢气加湿管道区与所述燃料电池堆通过氢气导出管连接；

21、设置连接于所述燃料电池堆和所述加湿器的出堆空气导流管；

22、将所述燃料电池堆的出堆空气经所述出堆空气导流管输送到所述加湿器对进入所述加湿器的空气或氢气进行加湿。

23、可选地，所述将加湿器的加湿区划分为独立的空气加湿管道区和氢气加湿管道区的操作，包括：

24、通过树脂材料在加湿管的两个端部位置将所述加湿区分割成独立的空气加湿管道区和氢气加湿管道区；

25、将所述空气加湿管道区和所述氢气加湿管道区之间密封。

26、可选地，还包括：

27、将所述空气加湿管的数量设置为所述氢气加湿管的数量的5倍。

28、可选地，还包括：

29、将所述空气加湿管按需求划分为多个独立的空气加湿管小组；

30、将所述氢气加湿管按需求划分为多个独立的氢气加湿管小组；

31、为每组所述空气加湿管小组或所述氢气加湿管小组分别设置独立的控制阀门。

32、可选地，还包括：

33、在流量比例需要变化时，选择增开或闭阻所述空气加湿管小组和/或所述氢气加湿管小组中对应组的控制阀门以调节进入所述加湿器的空气流量和/或氢气流量。

34、采用本发明的技术方案，燃料电池堆用氢空协同加湿方法包括：将加湿器的加湿区划分为独立的空气加湿管道区和氢气加湿管道区，所述空气加湿管道区包括有多个空气加湿管，所述氢气加湿管道区包括有多个氢气加湿管；设置分别连接于所述空气加湿管道区的空气导入管和连接于所述氢气加湿管道区的氢气导入管；将所述空气加湿管道区与燃料电池堆通过空气导出管连接；将所述氢气加湿管道区与所述燃料电池堆通过氢气导出管连接；设置连接于所述燃料电池堆和所述加湿器的出堆空气导流管；将所述燃料电池堆的出堆空气经所述出堆空气导流管输送到所述加湿器对进入所述加湿器的空气或氢气进行加湿。通过本发明方案，把加湿器的加湿区用树脂分割成两个相互密封的区域，再改变空气加湿管道区的空气加湿管与氢气加湿管道区的氢气加湿管的比例，就可调整两种气体进入电堆时的相对湿度；在实现氢气加湿的同时并未增加管式加湿器的体积；氢气通过加湿器后其温度也有显著的提升，有利于实现电堆的低温冷启动，并可降低进入电堆中的循环氢气中的水汽冷凝成液态水而导致局部水淹的风险。

技术特征：

1.一种燃料电池堆用氢空协同加湿器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的燃料电池堆用氢空协同加湿器，其特征在于，所述空气加湿管道区和所述氢气加湿管道区，通过如下方法构造：

3.根据权利要求2所述的燃料电池堆用氢空协同加湿器，其特征在于，所述空气加湿管的数量为所述氢气加湿管的数量的5倍。

4.根据权利要求3所述的燃料电池堆用氢空协同加湿器，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的燃料电池堆用氢空协同加湿器，其特征在于，对所述加湿器进行控制的方法包括：

6.一种燃料电池堆用氢空协同加湿方法，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的燃料电池堆用氢空协同加湿方法，其特征在于，所述将加湿器的加湿区划分为独立的空气加湿管道区和氢气加湿管道区的操作，包括：

8.根据权利要求7所述的燃料电池堆用氢空协同加湿方法，其特征在于，还包括：

9.根据权利要求8所述的燃料电池堆用氢空协同加湿方法，其特征在于，还包括：

10.根据权利要求9所述的燃料电池堆用氢空协同加湿方法，其特征在于，还包括：

技术总结
本发明提出一种燃料电池堆用氢空协同加湿器及加湿方法，方法包括：将加湿器的加湿区划分为独立的空气加湿管道区和氢气加湿管道区；设置分别连接于空气加湿管道区的空气导入管和连接于氢气加湿管道区的氢气导入管；将空气加湿管道区与燃料电池堆通过空气导出管连接；将氢气加湿管道区与燃料电池堆通过氢气导出管连接；设置连接于燃料电池堆和加湿器的出堆空气导流管；将燃料电池堆的出堆空气经出堆空气导流管输送到加湿器对进入加湿器的空气或氢气进行加湿。通过本发明方案，在实现氢气加湿的同时并未增加加湿器的体积；氢气通过加湿器后其温度也有显著的提升，有利于实现电堆的低温冷启动，并可降低电堆中局部水淹的风险。

技术研发人员：齐志刚
受保护的技术使用者：新研氢能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23