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燃料电池加湿器概述

2019/10/16 9:54:113054

低温FC系统需要加湿反应气体，对于采用全氟磺酸膜（如美国杜邦公司生产的Nafion 系列膜）的PEMFC来说，气体反应物，特别是阴极侧的气体反应物的相对湿度对膜的性能的影响是至关重要的。这类膜的主体结构是PTFE，同时包含磺酸基功能团，传输质子时需要质子以水合离子的形式存在。干燥的膜不具备传导质子的能力。因此，对于反应气体进行加湿，保证质子膜的湿润，对于膜的质子传导能力是必不可少的。相对湿度可以通过提高质子交换膜的电导率来降低膜电阻，从而提高PEMFC性能输出。但相对湿度也不是越高越好的。当相对湿度高于100%时，意味着气体中已有液态水的存在，如果这些液态水无法有效排走，那么容易导致水淹。

目前应用于PEMFC系统的空气加湿通常是内部加湿和外部加湿。内部加湿是指在电堆内部通过改进电池的构造或者改进膜电极的结构使电堆实现加湿的方法；外加湿是指在反应气体进入到电池反应前，通过电池外部附加装置实现对燃料气体增湿的技术。对于车载PEMFC系统来说，外部加湿是最常用的加湿方式。外部加湿一般有喷水加湿、膜加湿、鼓泡加湿、焓轮加湿等。注水型加湿器早期用于一些FCV上，由于技术原因，这类加湿器逐渐被淘汰，取而代之的是气/气型加湿器（G/G型）。膜加湿器和焓轮加湿器都是G/G型加湿器。G/G型加湿器的工作原理和注水型加湿器不同，以管壳式G/G加湿器为例，它是由一束管膜排列成，干燥的气体从管内侧流入，电池堆排出的气体从管外侧流过，把热量和水分传递给内侧气体。因此，G/G型加湿系统无需额外的水箱。加湿器依据进气和排气的流动方向可以设计成水平式和垂直式。水平式的加湿器要求进气和排气从同一个方向流入，而垂直式的则要求从相反方向流入。

管壳式G/G膜加湿器水热传递原理图 管壳式加湿器由内管（见图中控制体1）和外管(见图中控制体2)组成，内外两管之间经管膜发生水、热传递两个过程。实际上，膜的热传递就像热交换器一样，膜的含水量和水分扩散性直接关系着水蒸气的传递量。目前，G/G型加湿器的研发主要关注一下几个方面：提高加湿效率、改善膜的水传导性能、实现非电能驱动、扩大工作范围、降低成本。