一种圆形智能燃料电池加湿器的制作方法

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池的加湿系统。

背景技术：

燃料电池是将燃料气体的化学能转化为电能的装置，其优点是产物是水，零排放无污染，噪音低，转化效率高。工作温度可在低温环境下运行，是移动电源和基站电源和固定电源的首选。燃料电池是由膜电极、双极板、集电板、端板和紧固件组成。由于聚合物膜燃料电池单片电压低，在实际应用中，是由多个电池单元叠加在一起进行串联起来，形成电堆。燃料电池的核心部件是膜电极，膜电极的心脏是质子交换膜，主要起着隔绝气体和提供质子流动通道的作用。

质子交换膜必须在湿润的状态下才能达到良好的工作性能。为了使燃料电池达到最佳性能，延长电堆寿命，在燃料电池系统加入燃料电池增湿器，使进入燃料电池电堆的气体加湿。但是需要注意的是，质子膜干燥或过湿都会降低质子交换膜传递质子的能力，进而影响膜电极的性能。质子膜干燥不但会造成质子传输能力下降，而且会减少质子膜的寿命。为了解决这一问题，目前国内外都提出了很多的解决方案，比如公开号为CN 103069222 A公开的一种燃料电池加湿器，包括：具有第一末端和第二末端的膜外壳；设置在所述膜外壳的内部空间中的一束中空纤维膜，其中所述中空纤维膜的两个末端分别被装入所述膜外壳的所述第一末端和第二末端中；设置在所述膜外壳的所述内部空间中的湿度保持器；安置在所述膜外壳的所述第一末端上的第一覆盖物，所述第一覆盖物包括用于引入从排气管排放的高湿度的非反应气体的入口；以及安置在所述膜外壳的所述第二末端上的第二覆盖物，所述第二覆盖物包括用于排放用 来加湿的所述非反应气体的出口。在该对比文件中，为了增加气体的湿度，在膜外壳内增设了湿度保持器，但是由于湿度不可调节，燃料气体中湿度过大，会造成阴极水淹，同样对电池电堆的性能有很大的影响。目前，燃料电池的制造厂商已经普遍认识到了质子膜干燥对电堆的影响，但对质子膜过湿的影响却被忽略了，一味的提升反应气体的湿度，不能准确实时控制气体加湿的湿度，严重影响电堆的性能。

另外，传统的加湿器是燃料气体和氧化剂气体加湿器分别各使用一个加湿器，在一个燃料电池系统中加入两个加湿器，使整个系统臃肿繁杂不紧凑，也不利于燃料电池系统紧凑化和简便化的发展。

如公开号为CN 103915638 A公开的一种燃料电池用加湿器，该加湿器由若干加湿单元和加湿膜组件叠加而成，其中所述加湿单元由干面板、加湿膜组件、湿面板依此叠加组成，两个所述加湿单元之间夹设一加湿膜组件，所述加湿膜组件和干面板、湿面板上设有三进三出口：燃料进口、氧化剂进口、冷却剂进口、燃料出口、氧化剂出口、冷却剂出口，其中干面板和湿面板上还设有进气支口和出气支口。在该对比文件中，当加湿器为一个时，加湿器仅能对一个气体进口的气体进行加湿，如果要对燃料气体和氧化剂气体同时加湿，必须在电堆的两侧分别设置一个加湿器。

再比如公开号为CN 104103844 A公开的一种燃料电池加湿器组件，包括：壳体，所述壳体包括第一进口、第一出口、和允许第一气体流经所述加湿器的第一气体流动区，所述壳体还包括第二进口、第二出口、和允许第二气体流经所述加湿器的第二气体流动区，所述第一气体具有高于所述第二气体的相对湿度；以及褶状隔离物，所述褶状隔离物将所述第一流动区与所述第二流动区隔离开，使得水从所述第一气体流动到所述第二气体，由此增加所述第二气体的相对湿度。该对比文件中对用于加湿燃料电池的材料和方法进行了改进，但是从该对比文件的结构可以明显看出，该对比文件利用两种气体的相对湿度不同，使水由第一气体流动到所述第二气体中，因此该加湿器组件同样不能做到对燃料电池的燃料气体和氧化剂气体同时加湿，造成系统臃肿和成本上升。

除了以上问题外，现有的燃料电池加湿器加湿度调节不够智能化，不能根据燃料电池运行工况以及电堆输出电流的大小自行调节燃料气体的湿度。比如公开号为CN1612396 A公开的一种燃料电池的加湿量调节装置，该装置包括湿度检出部、湿度调节部和加湿量控制部，该装置通过检测燃料电池氧化剂气体的湿度值，并与设定值比较，再通过湿度调节部对湿度进行调节，气体湿度需要外部调节，类似这种加湿系统控制都是基于两个加湿器根据电堆运行需求进行控制，由于电堆的大功率的输出，阴极产生的水分较多，质子膜内的水分也越来越多，使进入电堆的水分变少，尤其是阴极气体的加湿湿度要求越来越低，基于这种运行状态，传统的使用两个加湿器的燃料电池加湿系统造成浪费加湿能力的浪费，造成整个燃料电池系统成本的增加。

由于上述问题的存在限制了燃料电池性能的提升，桎梏了燃料电池的进一步发展，解决上述问题，对燃料电池推广和应用有着重要的作用。

技术实现要素：

发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种智能型加湿器，根据燃料电池运行工况以及电堆输出电流的大小，对燃料电池的燃料气体和氧化剂气体的湿度进行智能化调节，提高燃料电池加湿器加湿效率；

本发明的另一目的在于提供一种上述加湿器的加湿方法。

技术方案：本发明所述圆形智能燃料电池加湿器，包括圆柱形的加湿器主体，所述加湿器主体内沿轴心圆周设置有至少四个加湿区域，其中包括一个燃料气体加湿区域，一个氧化剂气体加湿区域，和至少两个公共加湿区域，各个加湿区域内均分布有多个加湿单元；

所述加湿单元包括圆柱形的气体流场板，包裹在所述气体流场板外侧的透水增湿膜，以及套设在所述透水增湿膜外侧的加湿介质流场板，所述气体流场板的侧壁上设置有若干气体流道，用于流通燃料气体或氧化剂气体，所述气体流道通过所述透水增湿膜封闭，所述加湿介质流场板与所述透水增湿膜之间的空腔为介质流道，用于流通加湿水或加湿气；

各加湿区域的两端密封，且两端部分别设置有与各加湿区域内加湿单元的气体流道连通的干气体进口和湿气体出口，以及与加湿单元的介质流道连通的加湿介质进口和加湿介质出口。

本发明进一步优选地技术方案为，各加湿区域的两端通过具有缓冲装置的端板密封，两端板上分别设置有与所述加湿区域数量一致的干气体进口和湿气体出口，各干气体进口和湿气体出口分别通过相对应的加湿区域内加湿单元的气体流道连通；两端板上还设置有向各加湿区域输送加湿介质的加湿介质进口和加湿介质出口，所述加湿介质进口和加湿介质出口分别设置在两端板的轴心位置，各加湿区域内的加湿介质流道共用所述加湿介质进口和加湿介质出口相互连通。

优选地，所述加湿区域为4个，其中A加湿区域为燃料气体加湿区域，B、C加湿区域为燃料气体氧化剂气体共用加湿区域，D加湿区域为氧化剂气体加湿区域；

所述A加湿区域的进口与干燃料气体进口连通，出口与燃料电池电堆的阳极连通，所述D加湿区域的进口与干氧化剂气体进口连通，出口与所述燃料电池电堆的阴极连通，B、C两加湿区域的进口分别通过电磁换向阀与干燃料气体进口、干氧化剂气体进口连通，出口通过电磁换向阀与所述燃料电池电堆的阳极、阴极连通。

优选地，所述透水增湿膜为中空纤维膜、含氟树脂膜、PBI膜、阴阳离子膜其中一种。

优选地，所述的气液导流分散板和气体分隔分散板，均由金属或非金属材料制成。

本发明所述的圆形智能燃料电池加湿器的加湿方法，包括如下步骤：

（1）燃料电池启动初期，干燥的燃料气体进入燃料气体加湿区域，并在燃料气体加湿区域内加湿单元的气体流道内分布；干燥的氧化剂气体进入氧化剂气体加湿区域和至少一个处于氧化剂气体管路的公共加湿区域中，并在几个加湿区域的气体流道内分布；加湿介质由气体流入方向的反方向进入各个加湿区域的介质流道中，加湿介质中的水分通过扩散作用进入气体流道中，对干燥的燃料气体和氧化剂气体加湿；

（2）在燃料电池运行一段时间后，电堆的输出电流大于设定的参数时，至少一个所述公共加湿区域依次转换为燃料气体管路，干燥的燃料气体进入转换后的公共加湿区域中，随着电流的逐步增大，转换至燃料气体管路的公共加湿区域逐步增加；

（3）在燃料电池的电堆输出电流由大变小时，输出电流低于设定的参数，至少一个所述公共加湿区域再依次转换为氧化剂气体管路，干燥的氧化剂气体进入转换后的公共加湿区域中，随着电流的逐步减小，转换至氧化剂气体管路的公共加湿区域逐步增加。

进一步的限定，所述加湿区域为4个，其中A加湿区域为燃料气体加湿区域，B、C加湿区域为共用加湿区域，D加湿区域为氧化剂气体加湿区域，在燃料电池的电堆输出电流由小到大时，加湿器的4个加湿区域的加湿步骤为：

a、当电堆输出电流0≤I≤nA时，干燥燃料气体经过关断阀进入加湿器A加湿区域，在A加湿区域的加湿通道内加湿，加湿后的燃料气体直接进入燃料电池电堆的阳极；氧化剂气体经过关断阀进入加湿器B、C、D三个加湿区域进行加湿，加湿后的氧化剂气体通过电磁换向阀进入燃料电池电堆的阴极；

b、当电堆输出电流n＜I≤mA时，干燥燃料气体经过关断阀进入加湿器A、B两加湿区域，A加湿区域直接给燃料气体加湿，B加湿区域通过电磁换向阀切换到燃料气体管路，给燃料气体加湿，湿润的燃料气体再进入燃料电池电堆的阳极；氧化剂气体通过关断阀直接进入加湿器C、D加湿区域以及氧化剂气体旁路，旁路比例阀打开，C、D两加湿区域给氧化剂气体加湿，加湿后的氧化剂气体经电磁换向阀后和旁路氧化剂气体汇总进入燃料电池电堆的阴极；

c、当电堆输出电流m＜I≤kA时，干燥燃料气体经过关断阀进入加湿器A、B、C三加湿区域，A、B加湿区域直接给燃料气体加湿，C加湿区域通过电磁换向阀切换到燃料气体管路，给燃料气体加湿，湿润的燃料气体再进入燃料电池电堆的阳极；氧化剂气体通过关断阀直接进入加湿器D加湿区域以及氧化剂气体旁路，氧化剂气体旁路比例阀打开， D加湿区域给氧化剂气体加湿，加湿后的氧化剂气体和旁路氧化剂气体汇总进入燃料电池电堆的阴极；

在燃料电池的电堆输出电流由大到小时，加湿器的4个加湿区域的加湿步骤为：

d、当电堆输出电流n＜I≤mA时，干燥燃料气体经过关断阀进入加湿器A、B加湿区域给燃料气体加湿，湿润的燃料气体进入燃料电池电堆的阳极；氧化剂气体通过关断阀直接进入加湿器D加湿区域以及氧化剂气体旁路，旁路氧化剂气体比例阀打开，C加湿区域通过电磁换向阀切换到氧化剂气体管路，给氧化剂气体加湿，加湿后的氧化剂气体经电磁换向阀和旁路氧化剂气体混合后进入燃料电池电堆的阴极；

e、当电堆输出电流0＜I≤nA时，干燥燃料气体经过关断阀进入加湿器A加湿区域给燃料气体加湿，湿润的燃料气体进入燃料电池电堆的阳极；氧化剂气体通过关断阀直接进入加湿器C、D加湿区域，旁路氧化剂气体比例阀打开，B加湿区域通过电磁换向阀切换到氧化剂气体管路，给氧化剂气体加湿，加湿后的氧化剂气体经电磁换向阀进入燃料电池电堆的阴极，旁路氧化剂气体比例阀关闭；

其中I为电堆输出电流，0＜n＜m＜k。

进一步地，B、C两加湿区域的电磁换向阀在切换到燃料气体管路时，电磁换向阀先换到排空模式将加湿的燃料气体先向燃料气体收集箱中排空数秒，待B、C两加湿区域内的氧化剂气体排完后，湿润的燃料气体再进入燃料电池电堆的阳极；B、C两加湿区域的电磁换向阀在切换到氧化剂气体管路时，电磁换向阀先换到排空模式将加湿的氧化剂气体先向系统外排空数秒，待B、C两加湿区域内的氧化剂气体排完后，湿润的氧化剂气体再进入燃料电池电堆的阴极。

本发明的工作原理是：根据燃料电池启动初期工况设定相关参数，干燥的燃料气体和氧化剂气体分别从燃料气体进气孔和氧化剂气体进气孔进入加湿器，水流从气流方向的对方向进入加湿器中，透水增湿膜只能透过水，不能透过气体，水通过扩散作用和增湿膜两侧的水压差渗透到干燥的气体侧，从而给气体进行加湿，加湿后的气体进入电堆中。

有益效果：（1）本发明根据电堆功率和运行工况将气体加湿器分成若干个加湿区域，根据电堆输出的电流来调节阴极气体加湿区域的面积来调节阴极气体的湿度，将剩余的区域用于阳极气体加湿，使加湿器在燃料电池任何工况下都进行全部工作，提高燃料电池加湿器加湿效率，通过系统控制和加湿分区设计更有效控制气体加湿的湿度和更智能的提高加湿器使用率，有利于电堆性能的稳定与提高，提高燃料电池性能和寿命；同时一个加湿器同时加湿两种气体，使燃料电池系统更紧凑，有利于燃料电池系统的紧凑化，简便化发展；另外圆形的加湿器主体内圆周分布若干加湿区域，可以提高加湿区域内加湿单元的气体和加湿介质的接触面积，进一步的提升加湿器的加湿效果；

（2）本发明的燃料电池加湿单元包括圆柱形的气体流场板，包裹在气体流场板外侧的透水增湿膜，以及套设在透水增湿膜外侧的加湿介质流场板，气体流场板的侧壁上设置有若干气体流道，气体流道通过透水增湿膜封闭，加湿介质流场板与透水增湿膜之间的空腔为介质流道，同样的加湿单元可根据需要对燃料电池的燃料气体和氧化剂气体进行加湿，减少燃料电池系统的加湿器数量，减小燃料电池系统体积，使系统结构紧凑，降低生产成本；同时，可以根据实际需要，调节气体流场板侧壁的气体流道的宽度和深度，来控制气体加湿的湿度，避免燃料气体和氧化剂气体湿度过大，造成阴极水淹，损坏燃料电池电堆；

（3）本发明在加湿区域的两端设置具有压力缓冲的端板，有利于减少由于温度变化引起的加湿器尺寸和压力变化所造成的外漏和内漏的几率，同时内部加湿单元的气体压降小，成本低，便于为燃料电池批量化做配套，利于燃料电池系统模块化集成的发展。

附图说明

图1为本发明所述圆形智能燃料电池加湿器的结构示意图；

图2为本发明所述圆形智能燃料电池加湿器截面图；

图3为本发明所述加湿单元的结构示意图；

图4为本发明实施例中加湿器的管路布置图；

其中，1-加湿器主体、11-气体流场板、12-透水增湿膜、13-加湿介质流场板、14-气体流道、15-介质流道、1a- A加湿区域、1b -B加湿区域、1c-C加湿区域、1d -D加湿区域、20-加湿介质进口、21-加湿介质出口、22-干燃料气体进口、23- 湿燃料气体出口、24- 干氧化剂气体进口、25- 湿氧化剂气体出口、26-B区公共干气体进口、27- B区公共湿气体出口、28- C区公共干气体进口、29- C区公共湿气体出口。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：一种圆形智能燃料电池加湿器，如图1所示。包括圆柱形的加湿器主体1，加湿器主体1内沿轴心圆周设置有四个加湿区域，如图2所示，其中A加湿区域1a为燃料气体加湿区域，B、C加湿区域1b、1c为燃料气体氧化剂气体共用加湿区域，D加湿区域1d为氧化剂气体加湿区域，各加湿区域的两端通过具有缓冲装置的端板密封，两端板的轴心上还设置有加湿介质进口20和加湿介质出口21，各加湿区域内的加湿介质流道共用加湿介质进口20和加湿介质出口21相互连通，A加湿区域1a的两端设置有干燃料气体进口22和湿燃料气体出口23，D加湿区域1d的两端设置有干氧化剂气体进口24和湿氧化剂气体出口25，B加湿区域1b的两端设置有B区公共干气体进口26和B区公共湿气体出口27，C加湿区域1c的两端设置有C区公共干气体进口28和C区公共湿气体出口29。

各个加湿区域内均分布有多个加湿单元，如图3所示，加湿单元包括圆柱形的气体流场板11，包裹在气体流场板11外侧的透水增湿膜12，以及套设在透水增湿膜12外侧的加湿介质流场板13，气体流场板11的侧壁上设置有若干气体流道14，气体流道14通过透水增湿膜12封闭，加湿介质流场板13与透水增湿膜12之间的空腔为介质流道15。透水增湿膜为中空纤维膜、含氟树脂膜、PBI膜、阴阳离子膜其中一种，的气液导流分散板和气体分隔分散板，均由金属或非金属材料制成。

上述的圆形智能燃料电池加湿器的加湿方式，包括如下步骤：

（1）在燃料电池的电堆输出电流由小到大时，加湿器的4个加湿区域的加湿步骤为：

a、当电堆输出电流0≤I≤nA时，干燥燃料气体经过关断阀进入加湿器A加湿区域，在A加湿区域的加湿通道内加湿，加湿后的燃料气体直接进入燃料电池电堆的阳极；氧化剂气体经过关断阀进入加湿器B、C、D三个加湿区域进行加湿，加湿后的氧化剂气体通过电磁换向阀进入燃料电池电堆的阴极；

b、当电堆输出电流n＜I≤mA时，干燥燃料气体经过关断阀进入加湿器A、B两加湿区域，A加湿区域直接给燃料气体加湿，B加湿区域通过电磁换向阀切换到燃料气体管路，给燃料气体加湿，湿润的燃料气体再进入燃料电池电堆的阳极；氧化剂气体通过关断阀直接进入加湿器C、D加湿区域以及氧化剂气体旁路，旁路比例阀打开，C、D两加湿区域给氧化剂气体加湿，加湿后的氧化剂气体经电磁换向阀后和旁路氧化剂气体汇总进入燃料电池电堆的阴极；

c、当电堆输出电流m＜I≤kA时，干燥燃料气体经过关断阀进入加湿器A、B、C三加湿区域，A、B加湿区域直接给燃料气体加湿，C加湿区域通过电磁换向阀切换到燃料气体管路，给燃料气体加湿，湿润的燃料气体再进入燃料电池电堆的阳极；氧化剂气体通过关断阀直接进入加湿器D加湿区域以及氧化剂气体旁路，氧化剂气体旁路比例阀打开， D加湿区域给氧化剂气体加湿，加湿后的氧化剂气体和旁路氧化剂气体汇总进入燃料电池电堆的阴极；

（2）在燃料电池的电堆输出电流由大到小时，加湿器的4个加湿区域的加湿步骤为：

d、当电堆输出电流n＜I≤mA时，干燥燃料气体经过关断阀进入加湿器A、B加湿区域给燃料气体加湿，湿润的燃料气体进入燃料电池电堆的阳极；氧化剂气体通过关断阀直接进入加湿器D加湿区域以及氧化剂气体旁路，旁路氧化剂气体比例阀打开，C加湿区域通过电磁换向阀切换到氧化剂气体管路，给氧化剂气体加湿，加湿后的氧化剂气体经电磁换向阀和旁路氧化剂气体混合后进入燃料电池电堆的阴极。

e、当电堆输出电流0＜I≤nA时，干燥燃料气体经过关断阀进入加湿器A加湿区域给燃料气体加湿，湿润的燃料气体进入燃料电池电堆的阳极；氧化剂气体通过关断阀直接进入加湿器C、D加湿区域，旁路氧化剂气体比例阀打开，B加湿区域通过电磁换向阀切换到氧化剂气体管路，给氧化剂气体加湿，加湿后的氧化剂气体经电磁换向阀进入燃料电池电堆的阴极，旁路氧化剂气体比例阀关闭；

其中I为电堆输出电流，0＜n＜m＜k。B、C两加湿区域的电磁换向阀在切换到燃料气体管路时，电磁换向阀先换到排空模式将加湿的燃料气体先向燃料气体收集箱中排空数秒，待B、C两加湿区域内的氧化剂气体排完后，湿润的燃料气体再进入燃料电池电堆的阳极；B、C两加湿区域的电磁换向阀在切换到氧化剂气体管路时，电磁换向阀先换到排空模式将加湿的氧化剂气体先向系统外排空数秒，待B、C两加湿区域内的氧化剂气体排完后，湿润的氧化剂气体再进入燃料电池电堆的阴极。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。