一种燃料电池系统的气体加湿装置的制作方法

本发明涉及燃料电池技术领域，具体为一种燃料电池系统的气体加湿装置以及加湿方法。

背景技术：

燃料电池是一种零排放污染、高转换效率、低噪声的能量转换装置。它的主要组成部件包括：膜电极、双极板、集流板、端板，其中膜电极为其核心部件。质子交换膜在湿润状态下才能发挥其最大的离子传导作用，同时提高电堆整体性能和寿命。所以在测试系统中必须加入气体加湿装置，增湿的方式主要有：鼓泡、喷淋、膜渗透等。第一，鼓泡增湿的原理是将气体分散到鼓泡水箱之中，通过加热鼓泡水箱中的水的温度使水蒸发，来加湿气体流经鼓泡水箱的气体，例如中国实用新型专利公告号为cn202792334u公开了一种气体加湿系统，包括加湿装置，加湿装置包括第一容器、第二容器、喷淋头和循环泵，第一容器设置为筒状，循环泵从第一容器的底端将第一容器内的加湿液泵入第二容器中，并通过第二容器加热后将加湿液回流至第一容器内的喷淋头中喷出；空气从第一容器的下端进入第一容器中，出气口设置于第一容器的上端；空气进入加湿装置后先通过鼓泡的方式通过第一容器内的加湿液，再通过喷淋的方式进行进一步加湿，使气体得到充分的湿润。但这种方式受鼓泡箱高度的限制，只适用于小功率测试设备使用。第二，淋增湿的原理是降水通过喷头喷出，和气体短时间的混合增湿气体，但这种方式极易将液态的水带进测试系统及被测电堆，造成相对湿度传感元件甚至燃料电池的损坏。第三，膜渗透增湿原理是通过水的浓度差，使水渗透到膜的另一边和气体混合来实现增湿气体，但该种渗透膜价格昂贵，且工艺复杂、成本高，湿度可调范围较窄。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于如何提供一种结构简单、能够适应大功率燃料电池的加湿以及防止燃料电池损坏的加湿装置以及加湿方法。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种燃料电池系统的气体加湿装置，包括加湿箱、气体均布装置、超声加湿装置、混流装置、加热装置和水汽分离装置，所述加湿箱为内部中空的箱体，所述加湿箱内部由底部至顶部依次设置所述气体均布装置、超声加湿装置、混流装置、加热装置和水汽分离装置，所述加湿箱上分别设置有第一进气口、第二进气口、第三进气口、进水口以及出气口，所述第一进气口和第二进气口分别与所述气体均布装置和混流装置连接，所述第三进气口与混流装置远离第二进气口的一端连接，所述进水口设置在加湿箱底部，所述出气口设置在加湿箱顶部。

该加湿装置不仅结构和工艺简单，成本低，并且还可以适用于不同的应用现场，可灵活切换工作模式，通过调整所述第二进气口与第三进气口的流量大小来控制出气口的出气量大小来适应不同功率燃料电池的加湿需求，又或者是调整第一进气口的流量与超声加湿装置的电压来控制出气口的出气量大小来适应不同功率燃料电池的加湿需求，以及通过加热装置来控制加湿后气体的温度，通过水汽分离装置防止出气口排出的加湿气体中含有水分损坏燃料电池。

优选地，所述混流装置包括多组混流结构，所述混流结构叠加设置，所述混流结构包括混流层、传质层和缓冲层，所述混流层、传质层和缓冲层依次由下至上设置，所述混流层两端分别与所述第二进气口和第三进气口连接；通过混流层和传质层的配合设置，保证待加湿气体与蒸汽的充分混合来实现第一级传热、传质以及为混合后的气体提供有效接触的“温床”，完成第二级传热、传质。

优选地，所述混流层包括多根第一管道和第二管道，所述第一管道与第二管道水平间隔设置，所述第一管道与所述第二进气口连通，所述第二管道与所述第三进气口连通，所述第一管道和第二管道上分别设置有第一通孔和第二通孔，相邻之间的第一管道和第二管道上的第一通孔和第二通孔相对设置。

优选地，所述传质层由多层金属片水平叠加组成，所述金属片上均匀开设有多个第三通孔。

优选地，所述金属片为褶状波浪型。

优选地，所述加热装置包括多层加热丝网板和温度控制装置，所述加热丝网板叠加设置，且加热丝网板两端分别固定在所述加湿箱内壁，所述温度控制装置一端连接所述加热丝网板，一端设置在所述加湿箱外侧用于调整加热丝网板温度；不仅实现混合气体的加热，还能对气体混合前加湿箱及其内部所有器件的表面温度进行预热，提高待加湿气体的加湿效果。

优选地，所述温度控制装置包括温度探头、温控仪表以及电力调整器，所述温度探头分别设置在底部加热丝网板和顶部加热丝网板上，所述温度探头电连接所述温控仪表，所述电力调整器的输出端连接所述加热丝网板。

优选地，相邻之间的加热丝网板的加热丝错位设置；提高经混流装置混合后的气体在加热丝网板的热量转换率。

优选地，所述第一进气口和第二进气口并联设置。

优选地，所述加湿箱底部侧面还设置有液位检测器。

优选地，本发明还提供一种燃料电池系统的气体加湿装置的加湿方法，该气体加湿装置的应用现场不具备锅炉，包括如下步骤：

步骤1：开启所述加热装置对加湿箱内部预热；

步骤2：关闭第二进气口和第三进气口，开启进水口向加湿箱内部注水，并启动超声加湿装置将水分进行雾化，同时开启第一进气口将待加湿气体充入气体均布装置，使得雾化后的水颗粒与经均布后的待加湿气体自然混合，实现待加湿气体的加湿，并通过调整第一进气口的进气流量以及调整超声加湿装置的电压控制雾化量来控制混合气体的流量；

步骤3：混合后的气体经混流装置后通过加热装置进行加热，并通过控制加热装置来控制混合后气体的温度；

步骤4：经加热装置加热后的气体通过水汽分离装置将混合后的气体中水分进行分离，从而得到加湿气体并从出气口排出。

优选地，本发明还提供一种燃料电池系统的气体加湿装置的加湿方法，该气体加湿装置的应用现场具备锅炉，包括如下步骤：

步骤1：关闭超声加湿装置，开启所述加热装置对加湿箱内部预热；

步骤2：将所述第一进气口和进水口关闭，将蒸汽锅炉的蒸汽输出口与所述第三进气口连通以及将第二进气口打开输送待加湿的气体，待加湿气体与蒸汽分别进入混流装置进行混合，实现待加湿气体的加湿，并通过调整第二进气口和第三进气口的进气流量来控制混合气体的流量；

步骤3：混合后的气体经混流装置后通过加热装置进行加热，并通过控制加热装置来控制混合后气体的温度；

步骤4：经加热装置加热后的气体通过水汽分离装置将混合后的气体中水分进行分离，从而得到加湿气体并从出气口排出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、该加湿装置不仅结构和工艺简单，成本低，并且还可以适用于不同的应用现场，可灵活切换工作模式，通过调整所述第二进气口与第三进气口的流量大小来控制出气口的出气量大小来适应不同功率燃料电池的加湿需求，又或者是调整第一进气口的流量与超声加湿装置的电压来控制出气口的出气量大小来适应不同功率燃料电池的加湿需求，以及通过加热装置来控制加湿后气体的温度，通过水汽分离装置防止出气口排出的加湿气体中含有水分损坏燃料电池。

2、通过混流层和传质层的配合设置，保证待加湿气体与蒸汽的充分混合来实现第一级传热、传质以及为混合后的气体提供有效接触的“温床”，完成第二级传热、传质。

3、通过加热装置的设置，不仅实现混合气体的加热，还能对气体混合前加湿箱及其内部所有器件的表面温度进行预热，提高待加湿气体的加湿效果。

4、相邻之间的加热丝网板的加热丝错位设置来提高经混流装置混合后的气体在加热丝网板的热量转换率。

附图说明

图1为本发明实施例的一种燃料电池系统的气体加湿装置的结构示意图；

图2为本发明实施例混流装置的结构示意图；

图3为本发明实施例混流层的结构示意图；

图4为本发明实施例传质层的主视图；

图5为本发明实施例传质层的俯视图；

图6为本发明实施例加热装置的结构示意图；

图7为本发明实施例加热丝网板的错位示意图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例一

参阅图1，本实施例公开了一种燃料电池系统的气体加湿装置，包括加湿箱1、气体均布装置2、超声加湿装置3、混流装置4、加热装置5和水汽分离装置6，所述加湿箱1为内部中空的箱体，所述加湿箱1内部由底部至顶部依次设置所述气体均布装置2、超声加湿装置3、混流装置4、加热装置5和水汽分离装置6，所述加湿箱1上分别设置有第一进气口11、第二进气口12、第三进气口13、进水口14、排水口15及出气口16，所述第一进气口11和第二进气口12分别与所述气体均布装置2和混流装置4连接，所述第三进气口13与混流装置4远离第二进气口12的一端连接，所述进水口进和排水口15设置在加湿箱1底部，所述出气口16设置在加湿箱顶部。

该加湿装置不仅结构和工艺简单，成本低，并且还可以适用于不同的应用现场，可灵活切换工作模式，通过调整所述第二进气口12与第三进气口13的流量大小来控制出气口16的出气量大小来适应不同功率燃料电池的加湿需求，又或者是调整第一进气口11的流量与超声加湿装置的电压来控制出气口16的出气量大小来适应不同功率燃料电池的加湿需求，以及通过加热装置5来控制加湿后气体的温度，通过水汽分离装置6防止出气口14排出的加湿气体中含有水分损坏燃料电池。

在本实施例中，所述气体均布装置2为气体均布器，所述超声加湿装置3为超声加湿器，所述水汽分离装置6为水汽分离设备，在市场中均能够购买得到的。

参阅图2，所述混流装置4包括多组混流结构，所述混流结构叠加设置，所述混流结构包括混流层41、传质层42和缓冲层43，混流层41、传质层42和缓冲层43依次由下至上设置。

参阅图3，所述混流层41包括多根第一管道411和第二管道412，所述第一管道411与第二管道412水平间隔设置，所述第一管道411与所述第二进气口12连通，所述第二管道412与所述第三进气口13连通，所述第一管道411和第二管道412上分别设置有第一通孔4111和第二通孔4121，相邻之间的第一管道411和第二管道412上的第一通孔4111和第二通孔4121相对设置，使得第一管道内411内的待加湿气体与所述第二管道412内的蒸汽能够充分混合，传递能量，实现第一级传热、传质。

参阅图4和图5，所述传质层42由多层褶状波浪型的金属片421水平叠加组成，所述金属片421上均匀开设有多个第三通孔4211，可以有效提高经混流层41混合后的气体与金属片421接触表面积，为混合后的气体提供有效接触的“温床”，在传质层42完成第二级传热、传质。

所述缓冲层43为一段空腔，让混合后的气体进行缓冲，同时由于空腔内阻力相对混流层41和传质层42阻力较小，因此可以提高混合气体的流速。

参阅图6和图7，所述加热装置5包括多层加热丝网板51和温度控制装置52，所述加热丝网板51叠加设置，且加热丝网板51两端分别固定在所述加湿箱1内壁，相邻之间的加热丝网板51的加热丝错位设置来提高经混流装置4混合后的气体在加热丝网板51的热量转换率，如图7所示，错开间距为l。

所述温度控制装置52包括温度探头521、温控仪表522、电力调整器523和铠装护套524，所述温度探头521分别设置在底部加热丝网板51和顶部加热丝网板51上，且以对角线方向设置，用于测量加热丝网板51底部和顶部的温度，所述温度探头521的连接端电连接加湿箱1外侧的所述温控仪表522用于显示温度探头522输出的温度信号，所述加湿箱1外侧所述电力调整器523的输出端通过导热线连接所述加热丝网板51，为其提供热量，并且可根据温控仪表521显示的温度信号来改变电力调整器522的电压，从而控制加热丝网板51的热量，可以实时控制混合后气体温度的调整，进而控制最终从出气口16排出的加湿气体的温度。具体的，再参阅所述图6，所述加湿箱1靠近所述温度控制装置52的一侧开设有两个通孔，所述通孔内均密封焊接有所述铠装护套524，与所述温度探头521连接的导线以及导热线分别贯穿所述铠装护套524，并与铠装护套524之间采用密封胶密封，以防止气体从加湿箱1内部往外泄露。

另外，由于在气体混合前加湿箱1及其内部所有器件的表面温度较低，因此需要经历一段时间的预热才能保证良好的加湿效果，因此也可以利用加热装置5的加热投入有效缩短预热的时间，提高加湿效果。

进一步的，所述第一进气口11和第二进气口12并联设置。

进一步的，所述加湿箱1底部侧面还设置有液位检测器7，用于监测加湿箱1内部水量。

实施例二：

当该气体加湿装置的应用现场不具备锅炉时，本实施例还公开了一种燃料电池系统的气体加湿装置的加湿方法，包括如下步骤：

步骤1：开启所述加热装置5对加湿箱1内部预热。

步骤2：关闭所述第二进气口12和第三进气口13，并通过开启进水口14向加湿箱1内部注水，并启动所述超声加湿装置3，将加湿箱1内部的水分进行雾化，同时打开所述第一进气口11充入待加湿气体，待加湿的气体通过气体均布装置2均匀进入加湿箱1内，使得雾化后的水颗粒与经均布后的待加湿气体自然混合，实现待加湿气体的加湿，并通过调整第一进气口11的进气流量以及调整超声加湿装置3的电压控制雾化量来控制混合气体的流量。

步骤3：混合后的气体经混流装置后进入多层的加热丝网板51中加热，并且可以根据温控仪表521显示温度探头521测得的温度信号来改变电力调整器522的电压，控制加热丝网板51的热量，实时控制混合后气体温度的调整。

步骤4：加热完成后的混合气体通过水汽分离装置6将混合后的气体中水分进行分离，从而得到加湿气体并从出气口16排出，防止出气口16排出的加湿气体中含有水分损坏燃料电池。

实施例三：

当该气体加湿装置的应用现场不具备锅炉时，本实施例还公开了一种燃料电池系统的气体加湿装置的加湿方法，包括如下步骤：

步骤1：关闭超声加湿装置3，开启所述加热装置2对加湿箱1内部预热。

步骤2：将锅炉的蒸汽输出口与所述第三进气口13连通用于输送蒸汽，并将所述第一进气口11关闭、第二进气口12打开输送待加湿的气体，待加湿气体与蒸汽分别进入混流装置4中的第一管道411和第二管道412，并从第一通孔4111和第二通孔4121流出进行混合，实现第一级传热、传质，然后混合的气体与金属片421表面接触，为混合后的气体提供有效接触的“温床”，在传质层42完成第二级传热、传质，最终从第三通孔4211穿过；并通过调整第二进气口12和第三进气口13的进气流量来控制混合气体的流量。

步骤3：混合后的气体经混流装置后进入多层的加热丝网板51中加热，并且可以根据温控仪表521显示温度探头521测得的温度信号来改变电力调整器522的电压，控制加热丝网板51的热量，实时控制混合后气体温度的调整。

步骤4：加热完成后的混合气体通过水汽分离装置6将混合后的气体中水分进行分离，从而得到加湿气体并从出气口16排出，防止出气口16排出的加湿气体中含有水分损坏燃料电池。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述实施例仅表示发明的实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。