[发明专利]加湿装置及具有其的燃料电池动力系统

说明书

本发明提供了一种加湿装置及具有其的燃料电池动力系统。该加湿装置包括壳体，壳体内设置有液体通道、气体通道以及分隔部，分隔部设置在液体通道和气体通道之间，分隔部上设置有液体渗析口，液体渗析口用于连通液体通道和气体通道。这种加湿装置结构简单、湿度可控性强，只要基于渗析原理通过增加液体通道和气体通道两侧介质的浓度差，或调整液体渗析口的材料的亲疏水性、或者两侧的压力或温度等操作条件即可实现湿度的灵活调节。将其应用于燃料电池的动力系统中时，能利用电池堆自身反应的产热产水对电池堆的反应物料进行加湿，进而实现燃料电池动力系统中水热的高效利用。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种加湿装置及具有其的燃料电池动力系统。

背景技术

燃料电池汽车(FCV)是一种用车载燃料电池装置产生的电能作为动力的汽车。目前，广泛应用于燃料电池汽车的是质子交换膜燃料电池(PEMFC)。质子交换膜燃料电池汽车的工作原理为：燃料氢气沿燃料电池电堆阳极板流道分配在膜电极的阳极侧，在阳极催化剂的作用下解离成电子和质子，电子经外电路到达阴极，质子直接穿过膜电极到达阴极，与阴极反应气体中的氧气反应生成水。此过程的产物为电能、热和水。其中电能带动电动机工作，电动机再带动汽车中的机械传动结构，进而带动汽车的前桥(或后桥)等行走机械结构工作，从而驱动电动汽车前进。热和水通过热交换装置直接排放或综合利用。

目前，功率等级较大的质子交换膜燃料电池车用动力系统，为了降低系统散热负荷，保证较高的电堆反应温度，通常空气需要进行外部加湿，外部加湿一般采用气/气型加湿方式，即利用电池堆阴极反应尾气(COG)中的热量和气态水对阴极进堆空气进行加湿。同时为了提高氢气利用率及系统使用安全性，燃料供给系统一般采用氢气循环方式。图1为质子交换膜燃料电池车用动力系统的简化流程，其主要包含空气供给、氢气供给及电池堆冷却三个回路，电池堆001’电化学反应所需的空气由空气输送设备002’提供动力进入加湿器003’被电堆阴极反应尾气加湿升温后进入电池堆阴极侧，阴极尾气与空气在加湿器中完成传热传质后的废气直接排放；来自高压储气瓶004’的氢气通过减压计量装置005’后进入电堆阳极侧，阳极侧反应后的出堆气体通过氢气循环装置006’输送又循环进入电池堆，此过程由于涉及阴极惰性气体N₂膜渗透、阳极杂质气体循环累积及水管理等问题，在阳极出口氢气管路设置了吹扫装置007’，以便定时定量进行阳极杂质气体排放与阳极气水管理。电池堆电化学反应过程产生的热量由动力设备008’输送的冷却介质穿过电堆带出后进入散热装置009’完成热量平衡，冷却介质在散热装置降温后又循环进入电堆。

上述系统中涉及的COG膜加湿过程存在以下几方面的问题：

(1)膜加湿器成本昂贵。由于膜加湿器使用了大量Nafion材料，又由于该技术目前只掌握于一两家国外企业，此两方面因素导致其价格高昂；

(2)COG膜加湿过程加湿效率较低。由于COG加湿过程利用阴极尾气从电池堆带出的气态水在膜加湿器中对干空气进行加湿。空气进堆相对湿度随COG加湿回路管路布局及保温效果会有很大变化，经模拟计算，当加湿回路阻力较小，保温效果较佳时，空气进堆相对湿度为60％左右。

(3)COG膜加湿过程湿度调控困难。燃料电池系统由于应用场所不同、功率量级不同或电池堆关键材料及结构设计差别导致其对反应物料的湿度需求有所不同。利用电池堆COG对阴极进堆空气加湿时，空气湿度受COG湿度、温度等因素影响而变化，即处于被动调节状态，这样可能造成电池堆在某些运行条件下(如温度升高、计量比增加等)过干，某些条件下(如温度降低、计量比减小等)水淹。

(4)COG膜加湿过程压力适应性小。一方面由于膜加湿器中Nafion材料的承压能力有限，对COG和干空气两侧压差提出了严格限制。另一方面，随着压力增加加湿效率降低。

(5)COG膜加湿占用空间较大。燃料电池系统多数应用场所要求其具有小量化轻量化的特点，而COG膜加湿系统一般体积大，占用空间多，此方面对其应用也造成了一定的限制。

发明内容