科普 | 什么是氢燃料电池增湿器？

在氢燃料电池中，除核心部件电堆外，附属零部件的作用也极其重要，如增湿器、空压机、氢循环泵、引射器、去离子器及水泵等。氢能汇（微信公众号：h2-2005）今天就为您介绍一下氢燃料电池中核心附属零件中增湿器的知识。

一、什么是氢燃料电池增湿器

氢燃料电池增湿器是一种用于调节燃料电池电堆空气湿度的设备，它通过对反应介质进行加湿，确保质子交换膜维持在合适的水饱和状态，从而保证燃料电池电堆能够高效稳定的运行。增湿器影响电堆内的水含量，对电堆性能有着重大影响。

具体来说，燃料电池在运行过程中，质子交换膜含水率对电堆的性能和寿命有重要影响。如果质子交换膜含水率过低，就不能有效传导质子让电堆性能下降，长时间运行甚至会导致质子交换膜被损毁，最终燃料电池发动机也无法正常工作；若质子交换膜含水率过高，会导致水淹，燃料电池发动机同样无法正常工作。

二、增湿器结构与工作原理

氢燃料电池增湿器的核心部件包括：集束状中空纤维、外壳、气体导入管、气体导出管、水导入管、水导出管以及密封材等。这些部件共同构成了一个能够进行湿热交换的系统，通过回收电堆中的水分和热量，实现对电堆的加湿。

增湿器的原理

在工作过程中，氢燃料电池电堆中的质子交换膜需要维持一定的湿度，以保证质子的高效传输和反应效率。增湿器通过调节进入电堆的气体湿度，确保水蒸气的适量供应，从而维持电堆的稳定运行。

氢燃料电池增湿器的工作原理：通过特种材料制成的膜管，实现膜管内外的湿热交换。具体来说，空压机出来的干燥气体从膜管的一端进入，同时电堆出来的含有水分和热量的废气从另一端进入膜管的外部。这两种气体在膜管内部和外部进行热湿交换，干燥气体吸收了废气中的水分和热量后，被加热和加湿，并从膜管的另一端输出。这样，就能够满足电堆所需的温度和湿度要求。

三、增湿器的类型

目前，市场上有三种类型的增湿器：气泡式增湿器、焓轮加湿器、膜增湿器；前两种增湿器较少应用，主流的燃料电池系统上基本都是膜增湿器。膜增湿器主要分为两类： 膜管式加湿器和平板膜加湿器。

膜管式加湿器：其核心是一束束中空亲水膜管。当干燥的进气口空气流过膜管的内部时，空气被加湿，同时干燥的入堆空气会吸收燃料电池反应后排出过量空气的热量。在膜管外侧，反应后空气中的水分和热量被送入到膜管内部的空气中。许多这样的中空膜管在一起成束加上外壳就制成了这类增湿器。

管膜增湿器和框架版式膜增湿器对比

平板膜加湿器：这种加湿器的构造较膜管式加湿器相对来说更简单，设计基本均基于框架板式热交换器。将几个框架并列放置，然后每个框架中间区域由膜来分割。气体很难透过膜，但是由于膜的亲水性，它可以将气体中的水分吸收并与另一侧干燥的气体进行水分交换。在一个这样的组合结构内，从电堆出来的含较多水分的阴极废气从一侧通过，水分被膜吸收；同时新鲜的干燥空气从另一侧流过，从膜中获得其中的水分，并进入电堆。将若干片这样的框架和膜的的组合依次叠加起来，就可以制成一个框架板式膜加热器了。

在一个这样的组合结构内，从电堆出来的含较多水分的阴极废气从一侧通过，水分被膜吸收；同时新鲜的干燥空气从另一侧流过，从膜中获得其中的水分，并进入电堆。将若干片这样的框架和膜的的组合依次叠加起来，就可以制成一个框架板式膜加热器。 

四、增湿器如何选型

燃料电池增湿器的选型是一个复杂的过程，需要结合燃料电池的工作环境、性能需求及成本考虑等多个方面综合决定。

以下是选型时应关注的关键要点：

露点接近温度：增湿器的露点接近温度是评估其加湿能力的重要指标。具体来说，增湿器通过给定湿侧接近饱和的湿气体（湿侧初露点），看它能把干空气加湿到何种程度（干侧终露点）。此外，也可以通过膜水传递率 g/(min·cm²) 来评估其性能。

流阻：流阻直接影响到燃料电池系统的整体能耗和效率，因此在选型时需要选择流阻较低的产品。

耐温耐压：考虑到燃料电池工作时的温度和压力条件，增湿器需要具备良好的耐温耐压特性。一般膜材料的耐温都在 100℃ 以上，而跨膜压差则依据具体应用场合有所不同。

最大跨膜压差：在某些应用场合，如美国能源部（DOE）的要求中，跨膜压差需达到 75 kPa，这对于一些特殊材质（例如无支撑超薄中空纤维管）的增湿器而言可能是一个挑战。

可靠性测试：包括耐久性测试前后露点接近温度的变化以及通过气泡法判断膜破损率的方法来评估增湿器的可靠性。

具体到不同类型的增湿器产品，市场上有多种选择，如博纯（授权 Nafion 中空纤维管）、KOLON（聚砜均质中空纤维管）、NOK（聚苯砜中空纤维膜，纳米孔隙）、Dpoint（夹层复合平板膜 Gore+PFSA）等。不同类型的膜材料，例如聚砜系列、聚酰亚胺、含氟磺酸膜等，各有优缺点，需根据实际应用需求进行选择。

五、增湿器技术发展态势

国内产品在性能上与外资品牌相比，尚存在一定差距，尤其是在膜材料方面。例如，国内产品在相同长度的单根膜管稳定性上，与国外品牌存在差距。部分国内企业通过添加甘油以增强膜管材料的增湿能力，虽然初期性能表现良好，但性能衰减速度较快。国产增湿器在性能提升方面，仍有较大的进步空间。

尽管如此，自主品牌在技术进步和核心竞争力提升方面的追求从未停止。特别是在近两年，随着国家对氢能发展的重视和燃料电池领域的广阔前景，国内优秀增湿器企业技术创新的氛围尤为浓厚。

在设计方面，已有企业成功研发出折叠式膜增湿器，该产品由平板膜增湿器延伸而来，在相同性能及条件下，体积仅为管束式的50%，平板式的30%，显著减少了系统厂商对于大功率系统设计边界尺寸的需求。该产品具有高可靠性、低成本的特点，供应商表示，产品价格处于千元级别，是公司响应降本趋势的主动创新。

在功率方面，随着燃料电池功率的提升，客户对增湿器的流量和压降提出了更高要求。多数企业正致力于此方面的研发。例如，魔方氢能源已开发出适用于250kW燃料电池系统的增湿器，流量大于15000L/min，压降小于5kPa。

在集成方面，部分增湿器企业将增湿器与电堆尾板集成，此技术路线具有明显优势，可提高系统功率密度，增强换热换湿效率，减少管路接头等。

未来，增湿器的发展趋势将呈现“小型化”、“耐高温”、“模块化”、“数字化”的特点。相关企业已逐步向此方向迈进。特别是在小型化方面，以匹配180kW系统的产品为例，一套增湿器的体积几乎占据系统1/3的空间，因此，未来增湿器的体积需进一步减小，同时成本需降低，这将成为国产增湿器产品的重要竞争力之一。

六、增湿器相关企业

  深圳伊腾迪  

深圳伊腾迪新能源有限公司于2014年成立，是全球产能最大的增湿器研发制造企业，占地6000平米，是一家致力于燃料电池系统核心原材料、零部件研发和生产的国家高新技术企业，已通过ISO9001/IATF16949认证。目前主要以增湿器、离子器（离子罐）、增湿器测试台、集成系列等产品的研发、生产为主。

  沃瑞氢能  

沃瑞具有12年材料技术研发、生产经验。Voir®e-PTFE膜具有增湿透湿、过滤分离、防爆泄压、防水（油）透气的功能，是PEM的基材微孔膜，主要的组成部分具有强度、耐老化寿命和水汽传输效率高的特点，同时也是沃瑞氢能增湿器迭代升级的加湿膜材料。

魔方新能源  

东莞市魔方新能源科技有限公司，成立于2014年，专注于锂电功能隔膜的开发与应用。其积极开发增湿器技术，产品部分性能已与国际同步。魔方增湿器开发系列：1、平台系列：3-6款增湿器，覆盖7kW-240kW；2、定制系列：可根据客户的特别需求独家定制，开发周期大约3个月出样品。

  富铭科技  

富铭工业成立于1982年，为一汽解放、东风汽车、重汽集团、山河智能、中联重科等商用车和非道路机械配套塑料和橡胶制品。2019年，公司成立氢燃料电池汽车零部件事业部，专业从事加湿器、去离子器、节温阀、冷却硅胶管路、PTC加热器等关键零部件的设计和开发，全方位为氢燃料电池汽车提供非金属产品解决方案。

  琦睿电池  

廊坊琦睿电池科技有限公司专注于氢燃料电池发动机、仿真系统及相关关键零部件自主研发及产业化的高新技术企业。经过多年的核心技术研发，公司先后承接燃料电池城市客车示范车开发与试验运行研究”、“可再生能源制氢及HCNG城市客车研发项目、新能源汽车动力总成控制器的研发和产业化项目，中国燃料电池公共汽车商业化示范等项目，在氢燃料电池汽车整车设计、氢燃料电池发动机开发、电子控制系统开发、车用加氢站、氢能示范园的建设与运营方面取得重要成果。目前公司已经成功开发（10kw-120kW级）针对国内市场的增湿器，先后通过了国内多家客户的测试，2021年已逐批推向市场。

  德国科德宝freudenberg  

科德宝在燃料电池领域的专业知识涵盖一系列核心组件：包括减少泄漏并提高穿过膜的氢质子流量的特种密封解决方案、控制气流并使其均匀分布在燃料电池表面的气体扩散层（GDL）以及对燃料电池的进气进行加湿处理的加湿器。集团的产品组合还包括去除颗粒物和有害气体的过滤器。这些产品有助于提升燃料电池的效率、性能和耐久性。

素材来源：山东省新能源产业协会、氢能达人、高工氢电等