一种燃料电池增湿器装置、燃料电池系统及其增湿处理方法与流程

本发明涉及新能源技术领域，尤其涉及一种燃料电池增湿器装置、燃料电池系统及其增湿处理方法。

背景技术：

燃料电池系统在测试过程中，空气湿度的调试同样至关重要，而影响空气湿度重要的部件之一即为增湿器。通过增湿器，可以调节燃料电池电堆空气的湿度，从而有助于延长燃料电池电堆的使用寿命。

但是，目前试验台架中的增湿器为物理增湿器，物理式增湿器容易发生积水现象，积水容易使进堆空气的相对湿度高于对应的数值，这打破了各单片电池内部的水平衡，严重时会发生电堆内部水淹情况，使单片燃料电池的运行性能降低，从而影响燃料电池电堆的输出功率和运行。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种燃料电池增湿器装置、燃料电池系统及其增湿处理方法，用于解决现有物理式增湿器容易发生积水，影响燃料电池运行的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种燃料电池增湿器装置，包括：

外壳，所述外壳包括首端、与首端相对应的处于首端对侧的尾端以及两端同侧处设置湿润气体的第一进气口和第一出气口；

中通纤维膜管，具有不同的直径，所述中通纤维膜管位于所述外壳的内部，所述中通纤维膜管的两端分别处于所述外壳的所述首端和所述尾端；

隔膜，所述隔膜将外壳分隔为上腔和下腔，所述上腔内布置有适于所述干燥气体流通的所述中通纤维膜管，所述下腔内布置有适于所述湿润气体流通的所述中通纤维膜管，所述隔膜的中间均匀分布有若干微孔，所述湿润气体适于从所述下腔经所述微孔进入到所述上腔；

端帽，所述端帽分别与所述外壳的所述首端和所述尾端连接，并设置有干燥气体的第二进气口和第二出气口，所述端帽的所述第二进气口与所述端帽的所述第二出气口的气体相连通。

进一步地，所述外壳的底部中间部位开设有排水口，所述排水口连接有排水管道，所述排水管道上依次设置有电磁阀和电热片，另一端连接至所述外壳的顶部中间部位。

进一步地，所述上腔内的所述中通纤维膜管具有中间管径小、两端管径大，以适于所述干燥气体在管径大的位置流速变快，在管径小的位置流速变慢。

进一步地，所述下腔内的所述中通纤维膜管具有中间管径大、两端管径小，以适于所述湿润气体在管径大的位置流速变快，在管径小的位置流速变慢。

进一步地，所述隔膜为渗透膜。

进一步地，所述干燥气体进口与所述湿润进口分设于所述外壳的两侧，所述干燥气体出口与所述湿润出口也分设于所述外壳的两侧，以使所述干燥气体流动通道与所述湿润气体流动通道内气体或液体的流动方向逆向流动。

本发明还提供了一种燃料电池系统，具有如上述所述的燃料电池增湿器装置，第二出气口通过连接管路连通至燃料电池电堆，所述连接管路的倾斜角度为30度。

进一步地，所述燃料电池增湿器装置设置在所述燃料电池电堆的下方，并距离所述燃料电池电堆的高度为48-52厘米。

进一步地，干燥气体的进气管道、出气管道和湿润气体的进气管道、出气管道上均设置阀体，并通过控制器控制阀体的开关及流量大小切换。

本发明还提供了一种基于上述所述的燃料电池增湿器装置的增湿处理方法，包括：

步骤1：反应气体中的氧气在燃料电池工作时与氢气侧传递过来的氢质子结合产生大量的水，水以水蒸气和液体水的形成混合在反应后的气体中；

步骤2：当反应后的气体通过反应气体进口进入所述燃料电池增湿器装置，经过隔膜的中间位置时进行热交换，下腔内的一部分气态水经所述隔膜的微孔进入到上腔中，对干燥气体进行加湿；

步骤3：当燃料电池电堆需要大功率输出时，将压缩冷却后的气体注入所述反应气体进口，此时水会通过浓度差的方式传递到干燥空气中，同时将下腔底部的积水通过排水口和排水管道排出，控制电磁阀和电热片使积水重新变为气态水返回到上腔，对干燥气体进行加湿。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所设计制作的燃料电池增湿器装置，改变原先增湿器的位置，将原来竖直设置的增湿器设计为平躺式增湿器装置，将在原来增湿器的各空气管路连接的基础上，增加排水管路和电磁阀控制开关，同时使增湿器位置低于燃料电池电堆，空气从增湿器出到燃料电池电堆的管路倾斜角度为30°，防止测试过程结束后，空气管路中积存有大量的液态水并混有杂质，在第二次起堆过程中进入电池内部，对质子交换膜产生不可挽回的损伤，由于位置的高低，液态水可以顺着管路流入增湿器内再利用增加的管路排出，此管路连接到尾排管，随着相应的废气一起排出。

附图说明

图1为本发明实施例中燃料电池系统结构及工作原理示意图。

图2为本发明实施例中用于燃料电池增湿器装置的截面结构示意图。

图3为本发明实施例中位于上腔内中通纤维膜管的结构示意图。

图4为本发明实施例中位于上腔内中通纤维膜管的结构示意图。

图5为本发明实施例中增湿器装置外壳的截面结构示意图。

附图标记说明：

1-外壳，11-第一进气口，12-第一出气口，13-排水口，14-密封垫，15-电磁阀，16-电热片，17-电子泵，2-中通纤维膜管，21-上腔，22-下腔，23-上纤维膜管，24-下纤维膜管，3-隔膜，31-微孔，4-端帽，41-第二进气口，42-第二出气口，43-左端帽，44-右端帽，5-连接管路，6-空压机，7-燃料电池电堆。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

在本发明的描述中，应当说明的是，各实施例中的术语名词例如“上”、“下”、“前”、“后”等指示方位的词语，只是为了简化描述基于说明书附图的位置关系，并不代表所指的元件和装置等必须按照说明书中特定的方位和限定的操作及方法、构造进行操作，该类方位名词不构成对本发明的限制。

目前试验台架中的增湿器为物理增湿器，物理式增湿器容易发生积水现象，积水容易使进堆空气的相对湿度高于对应的数值，这打破了各单片电池内部的水平衡，严重时会发生电堆内部水淹情况，使单片燃料电池的运行性能降低，从而影响燃料电池电堆的输出功率和运行。

为解决以上技术问题，如图1-5所示，本发明实施例提供了一种燃料电池增湿器装置，包括：

外壳1，外壳1包括首端、与首端相对应的处于首端对侧的尾端以及两端同侧处设置湿润气体的第一进气口11和第一出气口12，外壳1的两端分别设置有密封垫14；

中通纤维膜管2，具有不同的直径，中通纤维膜管2位于所述外壳1的内部，中通纤维膜管2的两端分别处于外壳1的首端和尾端；

隔膜3，隔膜3将外壳1分隔为上腔21和下腔22，上腔21内布置有适于干燥气体流通的中通纤维膜管2，下腔22内布置有适于湿润气体流通的中通纤维膜管2，隔膜3的中间均匀分布有若干微孔31，湿润气体适于从下腔22经所述微孔31进入到上腔21；

端帽4，端帽4分别与外壳1的首端和尾端连接，并设置有干燥气体的第二进气口和41和第二出气口42，端帽4的第二进气口41与端帽4的第二出气口42的气体相连通，在本实施例中端帽4包括左端帽43和右端帽44，分别固定设置在外壳1的两端。其中第二进气口和41与空压机6通过管路连接，第二出气口42通过连接管路5连接至燃料电池电堆7。

具体地，外壳1的底部中间部位开设有排水口13，排水口13连接有排水管道，排水管道上依次设置有电磁阀15和电热片16，另一端连接至外壳1的顶部中间部位。结合图1所示，排水管道上还设置有电子泵17用于抽水，排水管道上设置有电热片16，用于对积水进行加热蒸发，蒸发的水蒸气又返回到上腔，对干燥气体进行湿润。

具体地，上腔内的中通纤维膜管2具有中间管径小、两端管径大，以适于干燥气体在管径大的位置流速变快，在管径小的位置流速变慢。

具体地，下腔内的中通纤维膜管2具有中间管径大、两端管径小，以适于湿润气体在管径大的位置流速变快，在管径小的位置流速变慢。

体结合图3-4所示，上腔21内平行设置有上纤维膜管23，下腔22内平行设置有下纤维膜管24，上纤维膜管23的中间管径小、两端管径大，适于干燥气体在管径大的位置流速变快，在管径小的位置流速变慢；下纤维膜管24的中间管径大、两端管径小，适于湿润气体在管径大的位置对干燥气体进行加湿。

具体地，隔膜3为渗透膜。

具体地，干燥气体进口与湿润进口分设于外壳1的两侧，干燥气体出口与湿润出口也分设于外壳1的两侧，以使干燥气体流动通道与湿润气体流动通道内气体或液体的流动方向逆向流动。

本发明还提供了一种燃料电池系统，具有如上述所述的燃料电池增湿器装置，第二出气口42通过连接管路5连通至燃料电池电堆，连接管路5的倾斜角度为30度。

具体地，燃料电池增湿器装置设置在燃料电池电堆的下方，并距离燃料电池电堆的高度为48-52厘米。

具体地，干燥气体的进气管道、出气管道和湿润气体的进气管道、出气管道上均设置阀体，并通过控制器控制阀体的开关及流量大小切换。

本发明实施例还提供一种基于上述所述的燃料电池增湿器装置的增湿处理方法，包括：

步骤1：反应气体中的氧气在燃料电池工作时与氢气侧传递过来的氢质子结合产生大量的水，水以水蒸气和液体水的形成混合在反应后的气体中；

步骤2：在燃料电池测试过程结束后，进行吹扫阶段开启电磁阀15，同时设置间歇开启关闭时间，开启时间为5s，关闭时间为10s，直至吹扫结束。

步骤3：当反应后的气体通过反应气体进口进入所述燃料电池增湿器装置，经过隔膜3的中间位置时进行热交换，下腔内的一部分气态水经所述隔膜3的微孔31进入到上腔中，对干燥气体进行加湿；

步骤4：当燃料电池电堆需要大功率输出时，将压缩冷却后的气体注入所述反应气体进口，此时水会通过浓度差的方式传递到干燥空气中，同时将下腔底部的积水通过排水口13和排水管道排出，控制电磁阀15和电热片16使积水重新变为气态水返回到上腔，对干燥气体进行加湿。

步骤5：在再次起堆的过程中，空压机给定目标转速后，未打开dc使能之前，此电磁阀打开，时间开启时间为10s，随之关闭，尽快排出积存的液态水。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。