用于燃料电池系统的反应气体加湿方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于燃料电池系统的反应气体加湿方法，其中，所述反应气体加湿方法至少包括以下步骤：在反应气体支路中以第一质量流量供应干燥的反应气体并且加热所述反应气体；在蒸气支路中将液态的去离子水蒸发成饱和蒸气，然后将饱和蒸气进一步加热成过热蒸气，并且以第二质量流量供应所述过热蒸气；在混合干路中将来自所述反应气体支路的所述反应气体和来自所述蒸气支路的所述过热蒸气混合形成加湿气体并且将所述加湿气体的温度调节至期望温度

【技术实现步骤摘要】
用于燃料电池系统的反应气体加湿方法、加湿装置和系统


[0001]本专利技术涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种用于燃料电池系统的反应气体加湿方法和一种用于燃料电池系统的反应气体加湿装置
。
本专利技术还涉及一种相应的燃料电池系统
。

技术介绍

[0002]近年来，环境污染和能源缺乏等问题日益突出
。
燃料电池是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的高效发电装置
。
由于反应产物主要是水并且基本上不排放有害气体，燃料电池具有显著的清洁环保的优点并且尤其受到人们的关注
。
[0003]在燃料电池的运行过程中，氢气在阳极在催化剂作用下分解为氢离子和电子，氢离子在电位差的驱动下从阳极通过质子交换膜流向阴极并且与阴极的氧原子结合生成水分子，其中，质子交换膜是一种选择透过膜并且仅为氢离子提供转移通道
。
在该过程中，燃料电池的质子交换膜需要保持一定的含水率，所述含水率决定了质子的导电性
。
在此，当含水率过高时会产生“水淹”故障，使得气体反应物的传输受阻并且催化剂的活性面积因水的覆盖而降低，从而显著增加活化损耗和浓差损耗；而当含水率过低时会产生“膜干”故障，使得电阻率上升并且质子交换膜的产热增加，进一步导致能量转化效率降低以及更为严重的膜干故障，甚至膜撕裂，严重影响输出性能和剩余寿命
。
[0004]为此，在反应气体送入燃料电池之前对所述反应气体加湿，以控制质子交换膜的含水率
。
目前已存在不同的加湿方式，例如鼓泡加湿或喷淋加湿，但这些加湿方式不仅需要大的加湿空间，而且加湿的动态响应也相对较慢
。

技术实现思路

[0005]因此，本专利技术的目的在于提出一种改进的用于燃料电池系统的反应气体加湿方法，所述反应气体加湿方法能够将反应气体和用于加湿所述反应气体的水蒸气直接混合并且准确地控制水蒸气的质量流量，从而精确地并且快速地实现目标湿度，这不仅确保燃料电池系统的工作性能，还能够实现不同气体湿度的快速控制并且提升膜湿度的动态响应速度
。
在此，所述反应气体加湿方法尤其适用于大流量反应气体的加湿
。
[0006]根据本专利技术的第一方面，提出一种用于燃料电池系统的反应气体加湿方法，其中，所述反应气体加湿方法至少包括以下步骤：
[0007]S1
：在反应气体支路中以第一质量流量供应干燥的反应气体并且加热所述反应气体；
[0008]S2
：在蒸气支路中将液态的去离子水蒸发成饱和蒸气，然后将所述饱和蒸气进一步加热成过热蒸气，并且以第二质量流量供应所述过热蒸气；
[0009]S3
：在混合干路中将来自所述反应气体支路的所述反应气体和来自所述蒸气支路的所述过热蒸气混合形成加湿气体并且将所述加湿气体的温度调节至期望温度
。
[0010]相比于现有技术，根据本专利技术的反应气体加湿方法能够将具有第一质量流量的干燥的反应气体与具有第二质量流量的过热蒸气在混合干路中直接混合成加湿气体，从而实现反应气体的精确加湿，以便产生具有期望温度和目标湿度的加湿气体
。
所述反应气体加湿方法还能够节省用于形成加湿气体的步骤并且快速地调节气体湿度，由此能够改善质子交换膜的湿度的响应速度
。
此外，尤其对于具有大流量反应气体的燃料电池系统而言，所述反应气体加湿方法还能够减小用于加湿反应气体的装置体积，从而减小整个燃料电池系统的体积和制造成本
。
[0011]根据本专利技术第二方面提出一种相应的用于燃料电池系统的反应气体加湿装置，所述反应气体加湿装置构造成用于实施根据本专利技术的反应气体加湿方法并且至少包括：
[0012]‑
反应气体支路，所述反应气体支路构造成用于供应干燥的反应气体，其中，在所述反应气体支路中至少布置有用于调节所述反应气体的质量流量的第一质量流量控制单元和用于加热所述反应气体的第一加热单元；
[0013]‑
蒸气支路，所述蒸气支路构造成用于供应水蒸气，其中，在所述蒸气支路中至少布置有用于产生饱和蒸气的蒸气发生单元
、
用于将所述饱和蒸气加热成过热蒸气的第二加热单元和用于调节所述过热蒸气的质量流量的第二质量流量控制单元；和
[0014]‑
混合干路，所述反应气体支路和所述蒸气支路共同汇入到所述混合干路中并且所述反应气体和所述过热蒸气在所述混合干路中形成加湿气体，其中，在所述混合干路中布置有温度控制单元，所述温度控制单元构造成用于控制所述加湿气体的温度
。
[0015]根据本专利技术第三方面提出一种相应的燃料电池系统，所述燃料电池系统至少包括燃料电池电堆和至少一个根据本专利技术的反应气体加湿装置
。
附图说明
[0016]下面，通过参看附图更详细地描述本专利技术，可以更好地理解本专利技术的原理
、
特点和优点
。
附图包括：
[0017]图1示出了根据本专利技术的一个示例性实施例的用于燃料电池系统的反应气体加湿装置的示意性框图；
[0018]图2示出了根据本专利技术的一个示例性实施例的用于燃料电池系统的反应气体加湿方法的示意性流程图
。
具体实施方式
[0019]为了使本专利技术所要解决的技术问题
、
技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个示例性实施例对本专利技术进行进一步详细说明
。
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术，而不用于限定本专利技术的保护范围
。
在此，出于简要性的原因，具有相同附图标记的元件在附图中仅标出一次
。
[0020]在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和
/
或步骤呈现为特定的步骤序列
。
然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤
。
如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的
。
因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制
。
此外，针对该方法和
/
或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人
员可以容易地理解，这些顺序可以变化，并且仍然保持在本申请实施例的精神和范围内
。
[0021]图1示出了根据本专利技术的一个示例性实施例的用于燃料电池系统的反应气体加湿装置
100
的示意性框图
。
在此，燃料电池系统示例性地构造为燃料电池测试系统，所述燃料电池测试系统被配置成用于测试燃料电池在不同的工况条件下的性能表现并且为此需要质子交换膜的精确的含水率
。
但也可以考虑，燃料电池系统构造为燃料电池发电站或另外的配备有燃料电池的系统
。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于燃料电池系统的反应气体加湿方法，其特征在于，所述反应气体加湿方法至少包括以下步骤：
S1
：在反应气体支路
(10)
中以第一质量流量供应干燥的反应气体并且加热所述反应气体；
S2
：在蒸气支路
(20)
中将液态的去离子水蒸发成饱和蒸气，然后将所述饱和蒸气进一步加热成过热蒸气，并且以第二质量流量供应所述过热蒸气；
S3
：在混合干路
(30)
中将来自所述反应气体支路
(10)
的所述反应气体和来自所述蒸气支路
(20)
的所述过热蒸气混合形成加湿气体并且将所述加湿气体的温度调节至期望温度
。2.
根据权利要求1所述的反应气体加湿方法，其特征在于，所述过热蒸气的所述第二质量流量根据所述加湿气体的期望温度
、
所述加湿气体的露点温度
、
所述加湿气体的气压和所述反应气体的所述第一质量流量确定并且基于实验数据和
/
或理论推导公式求取
。3.
根据权利要求1或2所述的反应气体加湿方法，其特征在于，所述反应气体加湿方法还包括步骤
S4
：将尤其预热的去离子水供应至所述蒸气支路
(20)
，以持续地产生所述水蒸气
。4.
根据前述权利要求中任一项所述的反应气体加湿方法，其特征在于，所述加湿气体的期望温度小于
100℃、
尤其处于
40℃
至
90℃
的范围中；和
/
或所述反应气体是氢气
、
氧气或空气
。5.
用于燃料电池系统的反应气体加湿装置
(100)
，其特征在于，所述反应气体加湿装置
(100)
构造成用于实施根据权利要求1至4中任一项所述的反应气体加湿方法并且至少包括：
‑
反应气体支路
(10)
，所述反应气体支路构造成用于供应干燥的反应气体，其中，在所述反应气体支路
(10)
中至少布置有用于调节所述反应气体的质量流量的第一质量流量控制单元
(11)
和用于加热所述反应气体的第一加热单元
(12)
；
‑
蒸气支路
(20)
，所述蒸气支路构造成用于供应水蒸气，其中，在所述蒸气支路
(20)
中至少布置有用于产生饱和蒸气的蒸气发生单元
(21)、
用于将所述饱和蒸气进一步加热...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵峰，王秋实，
申请(专利权)人：博世汽车部件苏州，
类型：发明
国别省市：