利用TRIZ提高燃料電池增濕器的增濕能力

孫 震，張夢元，周 蕾，袁 斌

利用TRIZ提高燃料電池增濕器的增濕能力

孫 震，張夢元，周 蕾，袁 斌

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文利用TRIZ創(chuàng)新方法提高燃料電池增濕器的增濕能力。通過TRIZ沖突分析、物質(zhì)-場、“小人法”模型構(gòu)建、分析與求解，獲得8個解決方案，針對解決方案進(jìn)行可行解的失效分析，最終確定兩種組合解，并通過樣機(jī)研制及試驗證明其有效性。

TRIZ燃料電池 增濕器 增濕

0 引言

TRIZ理論源于國外，是指發(fā)明問題解決理論，是一種有助于科技創(chuàng)新活動的方法論。本文基于TRIZ理論的思想方法對燃料電池增濕器的增濕能力問題開展研究。

1 問題背景和描述

1.1 問題的背景

質(zhì)子交換膜燃料電池是一種將存在于氫氣與氧氣中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，其核心部件質(zhì)子交換膜的作用是在電化學(xué)反應(yīng)中傳導(dǎo)質(zhì)子。為保持較高的質(zhì)子導(dǎo)電性，質(zhì)子交換膜應(yīng)具有較高的含水量，否則，干燥的反應(yīng)氣會使質(zhì)子交換膜內(nèi)部水份降低，導(dǎo)致質(zhì)子交換膜脫水、甚至損壞，進(jìn)而導(dǎo)致電池功率下降、性能衰減、甚至停機(jī)。為保證燃料電池連續(xù)穩(wěn)定運行，需使用具備一定增濕能力的增濕器對燃料電池進(jìn)行增濕。

1.2 問題的描述

燃料電池增濕器的功能是提高反應(yīng)氣的含水量，實現(xiàn)該功能需要盡量使用尾氣中的水分和熱量、反應(yīng)氣與尾氣不能接觸、增濕器體積應(yīng)盡可能的小。

膜增濕器工作原理如圖1所示。

圖1 膜增濕器工作原理

現(xiàn)有增濕能力偏低，尺寸過大，占用燃料電池大量空間；可靠性偏低，膜管容易損壞。

因此要求新系統(tǒng)具備以下特性：1）增濕能力強(qiáng)，體積和重量較小；2）避免使用昂貴材料或部件，降低使用成本；3）可靠性好，具有較長的循環(huán)使用壽命。

2 創(chuàng)新問題分析與求解

2.1 沖突分析與求解

1）沖突分析

如果增加增濕器內(nèi)部的膜管數(shù)量，其增濕能力會提升，但是會導(dǎo)致系統(tǒng)的體積變大，即增濕器的體積增大。

2）沖突求解

改善的參數(shù)：生產(chǎn)率（增濕能力）

惡化的參數(shù)：靜止物體的體積（增濕器的體積）

查找沖突矩陣，得到如下發(fā)明原理：

No.2 抽取原理：增加膜管表面積；

No.10 預(yù)先作用原理：在增濕器中預(yù)先增加水/水蒸氣；

No.35 參數(shù)變化：改變所用膜管材料特性；

No.37 熱膨脹原理：加熱增濕器。

2.2 物質(zhì)-場分析模型構(gòu)建與求解

1）構(gòu)建物質(zhì)-場模型

2）物質(zhì)-場求解

根據(jù)所建立的物質(zhì)-場模型，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解解決流程，得到標(biāo)準(zhǔn)解為No.12標(biāo)準(zhǔn)解：加入新場去除有害作用，具體方案為在潮濕反應(yīng)氣側(cè)增加一個超聲波發(fā)生器，將尾氣中的水滴化為顆粒更小的水煮，使其更容易通過增濕器的膜管。

利用不充分作用采用第一類或第二類標(biāo)準(zhǔn)解，得：

1）No.14串聯(lián)物-物并用第三類解No.37雙系統(tǒng)和多系統(tǒng)的建立提煉，具體方案為：增加氣體流通回路；

2）No.31應(yīng)用物理作用，具體方案為：引入熱場，使液態(tài)水轉(zhuǎn)化為水蒸氣。

圖2 物質(zhì)-場模型

2.3 “小人法”建模與求解

1）使用“小人法”進(jìn)行建模

在增濕過程中，膜管小人不能完全抓住尾氣中的水蒸氣小人，導(dǎo)致進(jìn)入膜管的水蒸氣小人較少，增濕效果較差。

圖3 “小人法”模型

2）“小人法”求解

求解思路：增強(qiáng)膜管小人的數(shù)量或抓取能力。

實施方案：（1）增加膜管數(shù)量；（2）增加氣體流通回路；（3）增強(qiáng)膜管的親水性。

3 創(chuàng)新解的評估

表1 方案匯總

表2 可行解的失效分析

綜上所述，從解決問題的改動大小、范圍、成本、外協(xié)和進(jìn)度，最終確定兩種組合解。

解1：將尾氣中的水蒸氣預(yù)先冷凝為液態(tài)水（4）；在增濕器內(nèi)部提前通入水/水蒸氣（4）。

解2：在潮濕反應(yīng)氣側(cè)增加一個超聲波發(fā)生器，將尾氣中的水滴霧化為顆粒更小的水霧（5）；構(gòu)建氣體回路，使干燥氣體多次進(jìn)入增濕器（6）。

通過上述組合解的綜合應(yīng)用，開發(fā)出新型燃料電池增濕器，并通過對第一種標(biāo)準(zhǔn)解進(jìn)行樣機(jī)研制和試驗，最終證明該方案有效。

圖4 增濕器樣機(jī)

4 結(jié)論

本文利用TRIZ創(chuàng)新方法提高燃料電池增濕器的增濕能力，通過TRIZ沖突分析、物質(zhì)-場、“小人法”模型構(gòu)建、分析與求解，獲得7個解決方案，針對解決方案進(jìn)行可行解的失效分析，最終確定兩種組合解：

1）將尾氣中的水蒸氣預(yù)先冷凝為液態(tài)水；在增濕器內(nèi)部提前通入水/水蒸氣。

2）在潮濕反應(yīng)氣側(cè)增加一個超聲波發(fā)生器，將尾氣中的水滴霧化為顆粒更小的水霧；構(gòu)建氣體回路，使干燥氣體多次進(jìn)入增濕器。

上述組合解中，第一種已通過樣機(jī)研制證明可有效提高增濕器的增濕能力；第二種為當(dāng)前燃料電池增濕器未來發(fā)展的方向之一，有待進(jìn)一步的驗證。

[1] 衣寶廉. 燃料電池－原理·技術(shù)·應(yīng)用[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2003.

[2] 中國科協(xié)企業(yè)創(chuàng)新服務(wù)中心. 企業(yè)創(chuàng)新方法實務(wù)[M]．北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2018.

[3] 楊濤. 質(zhì)子交換膜燃料電池自增濕研究進(jìn)展[D]. 上海: 能源技術(shù), 2006.

[4] 王誠.陽極封閉式自增濕質(zhì)子交換膜燃料電池[D]. 北京: 清華大學(xué), 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

中國船舶集團(tuán)科技創(chuàng)新與研發(fā)項目“基于產(chǎn)業(yè)化的大規(guī)模高效氫能源應(yīng)用研究（201820K）”

孫震(1990-)，男，碩士。研究方向：燃料電池。E-mail: 13349914033@163.com。