利用TRIZ提高燃料电池增湿器的增湿能力

孙 震，张梦元，周 蕾，袁 斌

利用TRIZ提高燃料电池增湿器的增湿能力

孙 震，张梦元，周 蕾，袁 斌

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文利用TRIZ创新方法提高燃料电池增湿器的增湿能力。通过TRIZ冲突分析、物质-场、“小人法”模型构建、分析与求解，获得8个解决方案，针对解决方案进行可行解的失效分析，最终确定两种组合解，并通过样机研制及试验证明其有效性。

TRIZ燃料电池 增湿器 增湿

0 引言

TRIZ理论源于国外，是指发明问题解决理论，是一种有助于科技创新活动的方法论。本文基于TRIZ理论的思想方法对燃料电池增湿器的增湿能力问题开展研究。

1 问题背景和描述

1.1 问题的背景

质子交换膜燃料电池是一种将存在于氢气与氧气中的化学能直接转化为电能的发电装置，其核心部件质子交换膜的作用是在电化学反应中传导质子。为保持较高的质子导电性，质子交换膜应具有较高的含水量，否则，干燥的反应气会使质子交换膜内部水份降低，导致质子交换膜脱水、甚至损坏，进而导致电池功率下降、性能衰减、甚至停机。为保证燃料电池连续稳定运行，需使用具备一定增湿能力的增湿器对燃料电池进行增湿。

1.2 问题的描述

燃料电池增湿器的功能是提高反应气的含水量，实现该功能需要尽量使用尾气中的水分和热量、反应气与尾气不能接触、增湿器体积应尽可能的小。

膜增湿器工作原理如图1所示。

图1 膜增湿器工作原理

现有增湿能力偏低，尺寸过大，占用燃料电池大量空间；可靠性偏低，膜管容易损坏。

因此要求新系统具备以下特性：1）增湿能力强，体积和重量较小；2）避免使用昂贵材料或部件，降低使用成本；3）可靠性好，具有较长的循环使用寿命。

2 创新问题分析与求解

2.1 冲突分析与求解

1）冲突分析

如果增加增湿器内部的膜管数量，其增湿能力会提升，但是会导致系统的体积变大，即增湿器的体积增大。

2）冲突求解

改善的参数：生产率（增湿能力）

恶化的参数：静止物体的体积（增湿器的体积）

查找冲突矩阵，得到如下发明原理：

No.2 抽取原理：增加膜管表面积；

No.10 预先作用原理：在增湿器中预先增加水/水蒸气；

No.35 参数变化：改变所用膜管材料特性；

No.37 热膨胀原理：加热增湿器。

2.2 物质-场分析模型构建与求解

1）构建物质-场模型

2）物质-场求解

根据所建立的物质-场模型，应用标准解解决流程，得到标准解为No.12标准解：加入新场去除有害作用，具体方案为在潮湿反应气侧增加一个超声波发生器，将尾气中的水滴化为颗粒更小的水煮，使其更容易通过增湿器的膜管。

利用不充分作用采用第一类或第二类标准解，得：

1）No.14串联物-物并用第三类解No.37双系统和多系统的建立提炼，具体方案为：增加气体流通回路；

2）No.31应用物理作用，具体方案为：引入热场，使液态水转化为水蒸气。

图2 物质-场模型

2.3 “小人法”建模与求解

1）使用“小人法”进行建模

在增湿过程中，膜管小人不能完全抓住尾气中的水蒸气小人，导致进入膜管的水蒸气小人较少，增湿效果较差。

图3 “小人法”模型

2）“小人法”求解

求解思路：增强膜管小人的数量或抓取能力。

实施方案：（1）增加膜管数量；（2）增加气体流通回路；（3）增强膜管的亲水性。

3 创新解的评估

表1 方案汇总

表2 可行解的失效分析

综上所述，从解决问题的改动大小、范围、成本、外协和进度，最终确定两种组合解。

解1：将尾气中的水蒸气预先冷凝为液态水（4）；在增湿器内部提前通入水/水蒸气（4）。

解2：在潮湿反应气侧增加一个超声波发生器，将尾气中的水滴雾化为颗粒更小的水雾（5）；构建气体回路，使干燥气体多次进入增湿器（6）。

通过上述组合解的综合应用，开发出新型燃料电池增湿器，并通过对第一种标准解进行样机研制和试验，最终证明该方案有效。

图4 增湿器样机

4 结论

本文利用TRIZ创新方法提高燃料电池增湿器的增湿能力，通过TRIZ冲突分析、物质-场、“小人法”模型构建、分析与求解，获得7个解决方案，针对解决方案进行可行解的失效分析，最终确定两种组合解：

1）将尾气中的水蒸气预先冷凝为液态水；在增湿器内部提前通入水/水蒸气。

2）在潮湿反应气侧增加一个超声波发生器，将尾气中的水滴雾化为颗粒更小的水雾；构建气体回路，使干燥气体多次进入增湿器。

上述组合解中，第一种已通过样机研制证明可有效提高增湿器的增湿能力；第二种为当前燃料电池增湿器未来发展的方向之一，有待进一步的验证。

[1] 衣宝廉. 燃料电池－原理·技术·应用[M]. 北京:化学工业出版社, 2003.

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[3] 杨涛. 质子交换膜燃料电池自增湿研究进展[D]. 上海: 能源技术, 2006.

[4] 王诚.阳极封闭式自增湿质子交换膜燃料电池[D]. 北京: 清华大学, 2003.

Study on Improving of Humidifying Capacity of Fuel CellHumidifier by TRIZ

Sun Zhen, Zhang Mengyuan, Zhou Lei, Yuan Bin

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM911

A

1003-4862（2021）06-0051-03

2020-9-20

中国船舶集团科技创新与研发项目“基于产业化的大规模高效氢能源应用研究（201820K）”

孙震(1990-)，男，硕士。研究方向：燃料电池。E-mail: 13349914033@163.com。