[发明专利]一种鼓泡喷雾组合加湿器及其用于的燃料电池加湿系统

说明书

该发明公开了一种鼓泡喷雾组合加湿器及其用于的燃料电池加湿系统，涉及燃料电池领域，特别是燃料电池的湿度控制领域。本发明包括膜加湿器和鼓泡喷雾组合加湿器，气体经过组合加湿系统后可保证出口气体处于饱和状态。通过将电堆模块冷却系统接入加湿器换热夹套中来实现加湿器温度与电堆模块运行温度实时保持一致，通过电堆混合进气加热器将干湿混合气加热到电堆模块运行温度，最后利用干湿气体混合湿度控制法来实现湿度的快速响应需求。同时通过冷凝水补水系统实现燃料电池产水的循环利用，通过燃料电池尾气及反应产热对反应气体进行预热，实现系统能量的综合利用，确保加湿系统的高效、低能耗运行。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，特别是燃料电池的湿度控制领域。

背景技术

加湿系统是影响燃料电池系统性能和耐久性的重要辅助系统，为了提高质子交换膜燃料电池的质子传导率，膜需要维持足够的水合水平以有效地传导质子。低湿化或不湿化操作会加速膜降解过程，而过多的水又可能阻碍反应物的转运，合适的湿度是维持燃料电池的良好性能的关键。因此空气和氢气的湿度在进入燃料电池电堆前都应该被精确控制，设计合适的加湿系统及控制策略对燃料电池的广泛应用具有重要意义。

目前为止，用于燃料电池系统的加湿方法主要有膜加湿、气体鼓泡加湿、喷雾加湿及焓轮加湿等。对于便携式或车载应用，膜加湿可能更有利于减轻重量和减少空间，而对于固定式应用，空间没有严格限制，但对加湿有较大功率需求，此时采用气体鼓泡加湿或喷雾加湿更为合适。鼓泡加湿器非常适合发电厂，即使在紧急停机操作条件下也有足够的加湿，但系统状态发生变化时，加湿迟滞现象明显。而通过喷雾器来加湿反应物的缺点是，当注入较高量的水时，水滴可能会直接进入单电池中并最终沉淀在GDL上，从而阻止反应物气体的运输进而影响燃料电池的输出性能。焓轮和尾气回收加湿系统，尽管有帮助，但无法根据加湿要求进行精确控制，并受到出口气体湿度含量的限制，这种不精确的控制也会导致反应物气体的过量加湿和干燥条件下的不当加湿，从而增加了水的管理问题。

对于大功率燃料电池测试系统的加湿，单一鼓泡加湿是目前最常用的方法。如图3中的 (a)所示，气体进入鼓泡加湿器后，在鼓泡层内与液态水进行水气传热传质，期间还需对加湿器进行补水，鼓泡加湿器温度为T₁，气体出来后的湿度RH₁一般为90％-100％，经湿度传感器后检测后进入加热器加热，湿气温度达到燃料电池电堆模块运行温度T₂，此时进气湿度将变为RH₂。

其中，n_水为加湿补水，n_气为待加湿进气,P₁为加湿器出口气体压力，P₂为经过加热器后气体压力，P_sat1和P_sat2分别为T₁和T₂下水蒸气的饱和蒸汽压，该值仅取决于温度，即P_sat＝f(T)；公式(1)中RH₂为控制目标值，该值和RH₁关系如下：

从公式(1)可看出，假设理想情况下，气体通过鼓泡加湿器后湿度为100％，那么燃料电池电堆模块的湿度目标值仅取决于鼓泡加湿器与电堆运行温度的比值，当电堆运行温度不变时，可通过调节加湿器运行温度进行目标湿度控制，而温度控制响应存在较大迟滞，如果采用大功率加热或冷却又会带来较大的功率消耗，因此该方法不能满足加湿的快速响应需求。

另外还有一种方法是干湿混合气加湿方法，如图3中的 (b)所示，气体分为两路，一路进入鼓泡加湿器中进行加湿，加湿完成后和另一路经过预热后的干气体进行汇合，然后进入加热器中进行加热保温，避免水气在管道中的凝结，最后进入燃料电池电堆模块中，在该加湿方法中加湿器温度、干气体预热温度、加热器温度和电堆模块运行温度保持一致，均为T₂，此时电堆模块进口气体湿度RH₂可表示为：