一種緊湊型智能燃料電池加濕系統及其加濕方法與流程

本發明屬于燃料電池領域，具體涉及一種燃料電池的加濕系統。

背景技術：

燃料電池是將燃料氣體的化學能轉化為電能的裝置，其優點是產物是水，零排放無污染，噪音低，轉化效率高。工作溫度可在低溫環境下運行，是移動電源和基站電源和固定電源的首選。燃料電池是由膜電極、雙極板、集電板、端板和緊固件組成。由于聚合物膜燃料電池單片電壓低，在實際應用中，是由多個電池單元疊加在一起進行串聯起來，形成電堆。燃料電池的核心部件是膜電極，膜電極的心臟是質子交換膜，主要起著隔絕氣體和提供質子流動通道的作用。

質子交換膜必須在濕潤的狀態下才能達到良好的工作性能。為了使燃料電池達到最佳性能，延長電堆壽命，在燃料電池系統加入燃料電池增濕器，使進入燃料電池電堆的氣體加濕。但是需要注意的是，質子膜干燥或過濕都會降低質子交換膜傳遞質子的能力，進而影響膜電極的性能。質子膜干燥不但會造成質子傳輸能力下降，而且會減少質子膜的壽命。為了解決這一問題，目前國內外都提出了很多的解決方案，比如公開號為CN 103069222 A公開的一種燃料電池加濕器，包括：具有第一末端和第二末端的膜外殼；設置在所述膜外殼的內部空間中的一束中空纖維膜，其中所述中空纖維膜的兩個末端分別被裝入所述膜外殼的所述第一末端和第二末端中；設置在所述膜外殼的所述內部空間中的濕度保持器；安置在所述膜外殼的所述第一末端上的第一覆蓋物，所述第一覆蓋物包括用于引入從排氣管排放的高濕度的非反應氣體的入口；以及安置在所述膜外殼的所述第二末端上的第二覆蓋物，所述第二覆蓋物包括用于排放用 來加濕的所述非反應氣體的出口。在該對比文件中，為了增加氣體的濕度，在膜外殼內增設了濕度保持器，但是由于濕度不可調節，燃料氣體中濕度過大，會造成陰極水淹，同樣對電池電堆的性能有很大的影響。目前，燃料電池的制造廠商已經普遍認識到了質子膜干燥對電堆的影響，但對質子膜過濕的影響卻被忽略了，一味的提升反應氣體的濕度，不能準確實時控制氣體加濕的濕度，嚴重影響電堆的性能。

另外，傳統的加濕器是燃料氣體和氧化劑氣體加濕器分別各使用一個加濕器，在一個燃料電池系統中加入兩個加濕器，使整個系統臃腫繁雜不緊湊，也不利于燃料電池系統緊湊化和簡便化的發展。

如公開號為CN 103915638 A公開的一種燃料電池用加濕器，該加濕器由若干加濕單元和加濕膜組件疊加而成，其中所述加濕單元由干面板、加濕膜組件、濕面板依此疊加組成，兩個所述加濕單元之間夾設一加濕膜組件，所述加濕膜組件和干面板、濕面板上設有三進三出口：燃料進口、氧化劑進口、冷卻劑進口、燃料出口、氧化劑出口、冷卻劑出口，其中干面板和濕面板上還設有進氣支口和出氣支口。在該對比文件中，當加濕器為一個時，加濕器僅能對一個氣體進口的氣體進行加濕，如果要對燃料氣體和氧化劑氣體同時加濕，必須在電堆的兩側分別設置一個加濕器。

再比如公開號為CN 104103844 A公開的一種燃料電池加濕器組件，包括：殼體，所述殼體包括第一進口、第一出口、和允許第一氣體流經所述加濕器的第一氣體流動區，所述殼體還包括第二進口、第二出口、和允許第二氣體流經所述加濕器的第二氣體流動區，所述第一氣體具有高于所述第二氣體的相對濕度；以及褶狀隔離物，所述褶狀隔離物將所述第一流動區與所述第二流動區隔離開，使得水從所述第一氣體流動到所述第二氣體，由此增加所述第二氣體的相對濕度。該對比文件中對用于加濕燃料電池的材料和方法進行了改進，但是從該對比文件的結構可以明顯看出，該對比文件利用兩種氣體的相對濕度不同，使水由第一氣體流動到所述第二氣體中，因此該加濕器組件同樣不能做到對燃料電池的燃料氣體和氧化劑氣體同時加濕，造成系統臃腫和成本上升。

除了以上問題外，現有的燃料電池加濕器加濕度調節不夠智能化，不能根據燃料電池運行工況以及電堆輸出電流的大小自行調節燃料氣體的濕度。比如公開號為CN1612396 A公開的一種燃料電池的加濕量調節裝置，該裝置包括濕度檢出部、濕度調節部和加濕量控制部，該裝置通過檢測燃料電池氧化劑氣體的濕度值，并與設定值比較，再通過濕度調節部對濕度進行調節，氣體濕度需要外部調節，類似這種加濕系統控制都是基于兩個加濕器根據電堆運行需求進行控制，由于電堆的大功率的輸出，陰極產生的水分較多，質子膜內的水分也越來越多，使進入電堆的水分變少，尤其是陰極氣體的加濕濕度要求越來越低，基于這種運行狀態，傳統的使用兩個加濕器的燃料電池加濕系統造成浪費加濕能力的浪費，造成整個燃料電池系統成本的增加。

由于上述問題的存在限制了燃料電池性能的提升，桎梏了燃料電池的進一步發展，解決上述問題，對燃料電池推廣和應用有著重要的作用。

技術實現要素：

發明目的：本發明目的在于針對現有技術的不足，提供一種緊湊型智能燃料電池加濕系統，根據燃料電池運行工況以及電堆輸出電流的大小，對燃料電池的燃料氣體和氧化劑氣體的濕度進行智能化調節，提高燃料電池加濕器加濕效率，確保燃料電池處于最佳工作輸出狀態；

本發明的另一目的在于提供一種上述加濕系統的加濕方法。

技術方案：本發明所述緊湊型智能燃料電池加濕系統，包括電磁換向閥、管道和向燃料電池電堆供應加濕氣體的加濕器，所述加濕器包括四個相互平行并層疊為一體的加濕區域，每個加濕區域由若干組加濕單元組成，每組所述加濕單元內均布置有用于干氣體與加濕介質流通交換的加濕通道，其中A加濕區域為燃料氣體加濕區域，B、C加濕區域為燃料氣體氧化劑氣體共用加濕區域，D加濕區域為氧化劑氣體加濕區域；

所述A加濕區域的進口與干燃料氣體進口連通，出口通過管道與所述燃料電池電堆的陽極連通，所述D加濕區域的進口與干氧化劑氣體進口連通，出口通過管道與所述燃料電池電堆的陰極連通，B、C兩加濕區域的進口分別通過電磁換向閥與干燃料氣體進口、干氧化劑氣體進口連通，出口通過電磁換向閥與所述燃料電池電堆的陽極、陰極連通。

本發明進一步優選地技術方案為，所述加濕單元包括氣液導流分散板，設置于所述氣液導流分散板兩側的氣體分隔分散板，以及位于所述氣液導流分散板和兩氣體分隔分散板之間的透水隔氣的透水增濕膜；

所述氣液導流分散板的兩側均設置有氣液分散流場，所述氣液分散流場內分布有加濕水或加濕氣；所述氣體分隔分散板上設置有氣體流場，所述氣體流場內分布有燃料氣體或氧化劑氣體；所述氣液分散流場和兩側所述氣體流場之間由所述透水增濕膜隔開。

優選地，各加濕區域內加濕單元的氣體流場相互連通形成各加濕區域內的加濕通道，四個加濕區域全部加濕單元的氣液分散流場連通形成用于流通加濕介質的介質通道。

優選地，四個所述加濕區域層疊放置，兩端由具有緩沖裝置的端板壓緊，并通過固定件固定。

優選地，其中一側端板上設置有干燃料氣體進口、干氧化劑氣體進口和加濕介質出口，另一側端板上設置有濕燃料氣體出口、濕氧化劑氣體出口和加濕介質進口；所述加濕介質進口和加濕介質出口之間通過所述介質通道連通。

優選地，所述氣液分散流場和氣體流場為蛇形流場、直行流場、點狀流場、復合流場其中任意一種。

優選地，所述的氣液導流分散板和氣體分隔分散板，均由金屬或非金屬材料制成。

優選地，所述A加濕區域的進口與干燃料氣體進口之間以及所述D加濕區域的進口與干氧化劑氣體進口連通之間還分別設置有關斷閥。

本發明的緊湊型智能燃料電池加濕系統的加濕方法為，

（1）當電堆輸出電流由小到大時的加濕步驟：

a、當電堆輸出電流0≤I≤nA時，干燥燃料氣體經過關斷閥進入加濕器A加濕區域，在A加濕區域的加濕通道內加濕，加濕后的燃料氣體直接進入燃料電池電堆的陽極；氧化劑氣體經過關斷閥進入加濕器B、C、D三個加濕區域進行加濕，加濕后的氧化劑氣體通過電磁換向閥進入燃料電池電堆的陰極；

b、當電堆輸出電流n＜I≤mA時，干燥燃料氣體經過關斷閥進入加濕器A、B兩加濕區域，A加濕區域直接給燃料氣體加濕，B加濕區域通過電磁換向閥切換到燃料氣體管路，給燃料氣體加濕，濕潤的燃料氣體再進入燃料電池電堆的陽極；氧化劑氣體通過關斷閥直接進入加濕器C、D加濕區域以及氧化劑氣體旁路，旁路比例閥打開，C、D兩加濕區域給氧化劑氣體加濕，加濕后的氧化劑氣體經電磁換向閥后和旁路氧化劑氣體匯總進入燃料電池電堆的陰極；

c、當電堆輸出電流m＜I≤kA時，干燥燃料氣體經過關斷閥進入加濕器A、B、C三加濕區域，A、B加濕區域直接給燃料氣體加濕，C加濕區域通過電磁換向閥切換到燃料氣體管路，給燃料氣體加濕，濕潤的燃料氣體再進入燃料電池電堆的陽極；氧化劑氣體通過關斷閥直接進入加濕器D加濕區域以及氧化劑氣體旁路，氧化劑氣體旁路比例閥打開， D加濕區域給氧化劑氣體加濕，加濕后的氧化劑氣體和旁路氧化劑氣體匯總進入燃料電池電堆的陰極；

（2）當電堆輸出電流由大到小時的加濕步驟：

d、當電堆輸出電流n＜I≤mA時，干燥燃料氣體經過關斷閥進入加濕器A、B加濕區域給燃料氣體加濕，濕潤的燃料氣體進入燃料電池電堆的陽極；氧化劑氣體通過關斷閥直接進入加濕器D加濕區域以及氧化劑氣體旁路，旁路氧化劑氣體比例閥打開，C加濕區域通過電磁換向閥切換到氧化劑氣體管路，給氧化劑氣體加濕，加濕后的氧化劑氣體經電磁換向閥和旁路氧化劑氣體混合后進入燃料電池電堆的陰極。

e、當電堆輸出電流0＜I≤nA時，干燥燃料氣體經過關斷閥進入加濕器A加濕區域給燃料氣體加濕，濕潤的燃料氣體進入燃料電池電堆的陽極；氧化劑氣體通過關斷閥直接進入加濕器C、D加濕區域，旁路氧化劑氣體比例閥打開，B加濕區域通過電磁換向閥切換到氧化劑氣體管路，給氧化劑氣體加濕，加濕后的氧化劑氣體經電磁換向閥進入燃料電池電堆的陰極，旁路氧化劑氣體比例閥關閉；

其中I為電堆輸出電流，0＜n＜m＜k。

優選地，B、C兩加濕區域的電磁換向閥在切換到燃料氣體管路時，電磁換向閥先換到排空模式將加濕的燃料氣體先向燃料氣體收集箱中排空數秒，待B、C兩加濕區域內的氧化劑氣體排完后，濕潤的燃料氣體再進入燃料電池電堆的陽極；B、C兩加濕區域的電磁換向閥在切換到氧化劑氣體管路時，電磁換向閥先換到排空模式將加濕的氧化劑氣體先向系統外排空數秒，待B、C兩加濕區域內的氧化劑氣體排完后，濕潤的氧化劑氣體再進入燃料電池電堆的陰極。

本發明的工作原理是：根據燃料電池啟動初期工況設定相關參數，干燥的燃料氣體和氧化劑氣體分別從燃料氣體進氣孔和氧化劑氣體進氣孔進入加濕器，水流從氣流方向的對方向進入加濕器中，透水增濕膜只能透過水，不能透過氣體，水通過擴散作用和增濕膜兩側的水壓差滲透到干燥的氣體側，從而給氣體進行加濕，加濕后的氣體進入電堆中。

有益效果：（1）本發明根據電流輸出大小和運行工況將氣體加濕器分成4個加濕區域，根據電堆輸出的電流來調節陰極氣體加濕區域的面積來調節陰極氣體的濕度，將剩余的區域用于陽極氣體加濕，使加濕器在任何工況下都全部工作，滿足燃料電池濕度需求，提高燃料電池加濕器加濕效率，通過系統控制和加濕分區設計更有效控制氣體加濕的濕度和更智能的提高加濕器使用率，有利于電堆性能的穩定與提高，提高燃料電池性能和壽命；同時一個加濕器同時加濕兩種氣體，使燃料電池系統更緊湊，有利于燃料電池系統的緊湊化，簡便化發展；

（2）本發明的燃料電池加濕單元由氣液導流分散板、氣體分隔分散板和透水隔氣的透水增濕膜組成，氣液導流分散板的兩側均分布有氣液分散流場，一組加濕單元可同時給燃料電池的燃料氣體和氧化劑氣體進行加濕，減少燃料電池系統的加濕器數量，減小燃料電池系統體積，使系統結構緊湊，降低生產成本；同時，水在氣液導流分散板的氣液分散流場內均勻分布，通過擴散作用和增濕膜兩側的水壓差滲透作用加濕干氣體，可以根據實際需要，調節氣液導流分散板兩側流場流道的寬度和深度，以及流場的形狀和氣液流量來控制氣體加濕的濕度，避免燃料氣體和氧化劑氣體濕度過大，造成陰極水淹，損壞燃料電池電堆；

（3）本發明在4個加濕區域的兩端設置具有壓力緩沖的端板，有利于減少由于溫度變化引起的加濕器尺寸和壓力變化所造成的外漏和內漏的幾率，同時內部加濕單元的氣體壓降小，成本低，便于為燃料電池批量化做配套，緊固件更能保證加濕器的外形尺寸，更能便于燃料電池系統模塊化集成。

附圖說明

圖1為本發明所述加濕器的結構示意圖；

圖2為本發明所述加濕器的剖面圖；

圖3為本發明所述加濕單元的結構示意圖；

圖4為本發明所述加濕器的管路布置圖；

其中1-加濕器、2-端板、3-固定件、11-氣液導流分散板、12-氣體分隔分散板、13-透水增濕膜、1a- A加濕區域、1b- B加濕區域、1c- C加濕區域、1d-D加濕區域、1e-介質通道、20-加濕介質出口、21-加濕介質進口、22-A區干燃料氣體進口、23- B區公共干氣體進口、24- C區公共干氣體進口、25- D區干氧化劑氣體進口、26-A區濕燃料氣體出口、27- B區公共濕氣體出口、28- C區公共濕氣體出口、29- D區濕氧化劑氣體進口。

具體實施方式

下面通過附圖對本發明技術方案進行詳細說明，但是本發明的保護范圍不局限于所述實施例。

實施例：一種緊湊型智能燃料電池加濕系統，包括燃料電池電堆和向燃料電池電堆供應加濕氣體的加濕器1。如圖1所示，加濕器1包括四個相互平行并層疊為一體的加濕區域A加濕區域1a、B加濕區域1b、C加濕區域1c和D加濕區域1d，兩端由具有緩沖裝置的端板2壓緊，并通過固定件3固定，其中一側端板2上設置有A區干燃料氣體進口22、B區公共干氣體進口23、C區公共干氣體進口24、D區干氧化劑氣體進口25和加濕介質出口20，另一側端板2上設置有A區濕燃料氣體出口26、B區公共濕氣體出口27、C區公共濕氣體出口28、D區濕氧化劑氣體進口29和加濕介質出口21；加濕介質進口21和加濕介質出口20之間通過介質通道連通。

每個加濕區域由若干組加濕單元組成，加濕單元包括氣液導流分散板11，設置于氣液導流分散板11兩側的氣體分隔分散板12，以及位于氣液導流分散板12和兩氣體分隔分散板11之間的透水隔氣的透水增濕膜13；氣液導流分散板11的兩側均設置有氣液分散流場，氣液分散流場內分布有加濕水或加濕氣；氣體分隔分散板12上設置有氣體流場，氣體流場內分布有燃料氣體或氧化劑氣體；氣液分散流場和兩側氣體流場之間由透水增濕膜13隔開。氣液分散流場和氣體流場為蛇形流場、直行流場、點狀流場、復合流場其中任意一種。氣液導流分散板11和氣體分隔分散板12均由金屬或非金屬材料制成。

各加濕區域內加濕單元的氣體流場相互連通形成各加濕區域內的加濕通道，四個加濕區域全部加濕單元的氣液分散流場連通形成用于流通加濕介質的介質通道1e。

四個加濕區域中，A加濕區域1a為燃料氣體加濕區域，B、C加濕區域1b、1c為燃料氣體氧化劑氣體共用加濕區域，D加濕區域1d為氧化劑氣體加濕區域；A加濕區域1a的進口通過關斷閥與A區干燃料氣體進口22連通，出口與A區濕燃料氣體出口26連通，D加濕區域1d的進口通過關斷閥與D區干氧化劑氣體進口25連通，出口與D區濕氧化劑氣體進口29連通，B、C兩加濕區域1b、1c的進口分別通過電磁換向閥與B區公共干氣體進口23、C區公共干氣體進口24連通，出口通過電磁換向閥與B區公共濕氣體出口27、C區公共濕氣體出口28連通。

加濕器的四個加濕區域的加濕方法，包括兩段加濕步驟，

（1）當電堆輸出電流由小到大時的加濕步驟：

a、當電堆輸出電流0≤I≤nA時，干燥燃料氣體經過關斷閥進入加濕器A加濕區域，在A加濕區域的加濕通道內加濕，加濕后的燃料氣體直接進入燃料電池電堆的陽極；氧化劑氣體經過關斷閥進入加濕器B、C、D三個加濕區域進行加濕，加濕后的氧化劑氣體通過電磁換向閥進入燃料電池電堆的陰極；

b、當電堆輸出電流n＜I≤mA時，干燥燃料氣體經過關斷閥進入加濕器A、B兩加濕區域，A加濕區域直接給燃料氣體加濕，B加濕區域通過電磁換向閥切換到燃料氣體管路，給燃料氣體加濕，濕潤的燃料氣體再進入燃料電池電堆的陽極；氧化劑氣體通過關斷閥直接進入加濕器C、D加濕區域以及氧化劑氣體旁路，旁路比例閥打開，C、D兩加濕區域給氧化劑氣體加濕，加濕后的氧化劑氣體經電磁換向閥后和旁路氧化劑氣體匯總進入燃料電池電堆的陰極；

c、當電堆輸出電流m＜I≤kA時，干燥燃料氣體經過關斷閥進入加濕器A、B、C三加濕區域，A、B加濕區域直接給燃料氣體加濕，C加濕區域通過電磁換向閥切換到燃料氣體管路，給燃料氣體加濕，濕潤的燃料氣體再進入燃料電池電堆的陽極；氧化劑氣體通過關斷閥直接進入加濕器D加濕區域以及氧化劑氣體旁路，氧化劑氣體旁路比例閥打開， D加濕區域給氧化劑氣體加濕，加濕后的氧化劑氣體和旁路氧化劑氣體匯總進入燃料電池電堆的陰極；

（2）當電堆輸出電流由大到小時的加濕步驟：

d、當電堆輸出電流n＜I≤mA時，干燥燃料氣體經過關斷閥進入加濕器A、B加濕區域給燃料氣體加濕，濕潤的燃料氣體進入燃料電池電堆的陽極；氧化劑氣體通過關斷閥直接進入加濕器D加濕區域以及氧化劑氣體旁路，旁路氧化劑氣體比例閥打開，C加濕區域通過電磁換向閥切換到氧化劑氣體管路，給氧化劑氣體加濕，加濕后的氧化劑氣體經電磁換向閥和旁路氧化劑氣體混合后進入燃料電池電堆的陰極。

e、當電堆輸出電流0＜I≤nA時，干燥燃料氣體經過關斷閥進入加濕器A加濕區域給燃料氣體加濕，濕潤的燃料氣體進入燃料電池電堆的陽極；氧化劑氣體通過關斷閥直接進入加濕器C、D加濕區域，旁路氧化劑氣體比例閥打開，B加濕區域通過電磁換向閥切換到氧化劑氣體管路，給氧化劑氣體加濕，加濕后的氧化劑氣體經電磁換向閥進入燃料電池電堆的陰極，旁路氧化劑氣體比例閥關閉；

其中I為電堆輸出電流，0＜n＜m＜k，B、C兩加濕區域的電磁換向閥在切換到燃料氣體管路時，電磁換向閥先換到排空模式將加濕的燃料氣體先向燃料氣體收集箱中排空數秒，待B、C兩加濕區域內的氧化劑氣體排完后，濕潤的燃料氣體再進入燃料電池電堆的陽極；B、C兩加濕區域的電磁換向閥在切換到氧化劑氣體管路時，電磁換向閥先換到排空模式將加濕的氧化劑氣體先向系統外排空數秒，待B、C兩加濕區域內的氧化劑氣體排完后，濕潤的氧化劑氣體再進入燃料電池電堆的陰極。

如上所述，盡管參照特定的優選實施例已經表示和表述了本發明，但其不得解釋為對本發明自身的限制。在不脫離所附權利要求定義的本發明的精神和范圍前提下，可對其在形式上和細節上作出各種變化。