[实用新型]一种大功率燃料电池喷淋增湿器

说明书

本实用新型属于燃料电池领域，公开了一种大功率燃料电池测试台喷淋增湿器。该结构用热水通过雾化喷嘴形成细小液滴，与需要增湿的气体混合，混合过程中的气体经过翅片换热器升温后达到需要的露点温度，增湿后的反应气为燃料电池电堆使用。本实用新型可解决大功率燃料电池测试过程中大气量反应气的增湿问题，巧妙的利用结构设计为大气量反应气增湿，经济性良好，解决了大功率燃料电池电堆测试过程中反应气增湿问题，保证大功率燃料电池电堆运行。

技术领域

本实用新型属于燃料电池领域，具体涉及一种大功率燃料电池测试台喷淋增湿器。

背景技术

燃料电池是一种清洁、高效、长寿命的发电装置。燃料电池与常规的发电技术相比，在效率、安全性、可靠性、灵活性、清洁性、操作性能等方面有很大的优势，应用前景十分广阔。作为燃料电池中的一种，质子交换膜燃料电池还具有操作温度低、比能量高、使用寿命长、响应速度快以及无电解质泄漏等优点，在国防、能源、交通、环保、通讯等方面都有很好的应用前景。在质子交换膜燃料电池运行过程中，反应气体的湿度控制是最重要的环节之一。一方面，如果反应气体湿度过低，会造成质子交换膜脱水或者干枯，膜的质子传导能力与其含水量(润湿状态)关系密切，当膜处于良好的润湿状态时，才具有高的质子传导能力，膜的干枯会导致质子传导能力的下降，膜电阻增加，欧姆损失增加，电池性能下降。另一方面，如果反应气体湿度过高，反应气带水进入电池内部，会造成电池内部积水过多，导致电极中的催化剂被水腌渍，反应活性降低，并且还会在流道和扩散层中形成气、液两相流，造成局部阻塞，使气体传质过程受阻，反应气体供应不足，造成燃料电池的输出性能下降，影响电池运行。因此，燃料电池测试过程中反应气体的增湿控制，是重要的控制环节之一。

在目前实际应用中，为燃料电池进气增湿的增湿器主要有：膜增湿器，通过水分在膜中的扩散对气体增湿；焓轮增湿器，通过焓轮增湿；鼓泡增湿器，反应气通过鼓泡器，用控制鼓泡器水温进行增湿控制。

膜增湿器具有结构紧凑、低压降等特点，其典型结构包括湿板、聚合物膜和扩散层、以及干板，其中干板上的流动通道用于干气体的流通和增湿，湿板上有增湿通道。膜材料透水、但不透气，它一侧与湿板接触，另外一侧是由弹性、导电、透气材料制成的扩散层。但是，膜增湿器存在密封和承压问题，因为聚合物膜遇水溶胀，膜在干-湿态之间的反复溶胀-收缩，会导致与密封面脱离，从而发生渗漏；另外，聚合物膜是有机材料，易于变形，且耐压能力差，在使用过程中可能会在气压的作用下发生破裂。

焓轮增湿器是利用焓轮为燃料电池的进气进行增湿增热，其核心部件是由电机带动的多孔陶瓷转轮(即焓轮)。它的工作原理是燃料电池的排气(湿度接近100％的热、湿气)进入焓轮加湿器，焓轮吸收排气中的热量和水分，储存于其多孔结构中。当新鲜空气进入焓轮时，由于新鲜空气相对湿度低，将焓轮内的水分蒸发出来并带走，从而完成对进气的加湿，同时进气由于吸收热量，温度也得到提高。当焓轮增湿器以一定速度转动时，焓轮依次经过对进气增湿加热(增湿过程)和从燃料电池排气中吸收热量和水分(吸湿过程)，即增湿-吸湿过程。焓轮增湿器具有成本低、寿命长、结构简单、易于制造、热回收率高、增湿湿量容易调节等优点。然而，焓轮增湿器存在以下问题：(1)陶瓷密度大，会增加系统质量和转动电机的功率消耗，特别是在汽车上应用时，对重量和功耗(效率)比较敏感；(2)陶瓷磨损问题严重，陶瓷焓轮与壳体之间的磨损，会导致焓轮与壳体之间的间隙增加，这将导致燃料电池的排气混入新鲜空气中，降低增湿后进气中氧气浓度；(3)陶瓷作为增湿焓轮的磨擦阻力较大，功耗和噪音较大，影响增湿器的寿命。由于存在这些问题，焓轮增湿器不能很好地满足燃料电池系统的高效率和长期运行要求。