我所理解的氢燃料电池(第十章：系统-空气子系统4-加湿器)
10-1-3 加湿器
接着中冷器提到的问题说，加湿器除了能加湿空气，还可以进一步降低空气的温度，那加湿器降温的原因是什么呢？
在讲原因之前，需要了解两个概念，“显热”和“潜热”：
显热，是指物体在不发生相变（如固态、液态、气态间的转变）的情况下，因温度变化而吸收或释放的热量。这种热量变化可以通过温度计直接测量，因此被称为“可感知的热”。
潜热，是指物体在发生相变（如蒸发、凝结、融化、凝固）时，吸收或释放的热量。此时物质温度保持不变，热量用于打破或形成分子间作用力（如液态水蒸发为气态），因此被称为“隐藏的热”。
举个例子，电水壶烧水，当温度小于100℃时，电能转化的热能是显热，水仅表现为温度的升高，物质状态不变；当温度达到100℃时，水的温度不再升高，而电能又不断地在转化热能，此时的热能就是潜热，导致水的相变，液态变为气态。
当压缩空气从中冷器出来之后，温度还是有点高，携带了大量的热量，这时的热量是显热，当空气被加湿时，说明液态水变成了水蒸气，需要一定量的潜热，而这些潜热就是空气显热转变的，从而导致空气的温度降低。
在加湿过程中，假设物外部热交换，空气的总焓(显热和潜热)基本守恒，当水蒸气进入空气时，空气的潜热(与水蒸气含量相关)增加，而显热(温度)降低，表现为温度下降但是湿度升高。
可以简单理解为，在等焓条件下，空气进入加湿器的温度降得越低，湿度就会升得越高，直至达到露点。
在典型的燃料电池工作条件下，燃料电池发生反应生成的水量大于加湿入口气体所需的水量，所以通过适当的设计可以利用电池的生成水满足电池本身的增湿需要。基于这个有利的事实，加湿器的类型主要有两种，焓轮增湿器和膜增湿器。
焓轮增湿器，如图10-3所示，其核心部件为多孔陶瓷转轮，其表面覆有一层吸水材料。增湿器工作时陶瓷转轮在电机的带动下转动。当燃料电池湿热尾气经过增湿器一侧时，水分储存于其表面，然后转动到增湿器另一侧；当新鲜空气进入焓轮时，将多孔陶瓷表面吸附的水带走，从而完成对反应气的加湿，最后将具有一定温度的高含湿量气体送入燃料电池。
图10-3 焓轮增湿器的工作原理
相比于其他增湿器，焓轮增湿器具有独特的优势：技术成熟，增湿量可控，成本较低，增湿/ 换热效率较高，结构简单。
焓轮增湿器的核心是多孔陶瓷转轮，加湿量取决于多孔陶瓷的量，同时焓轮本身结构上的特点，决定了焓轮增湿器有一些缺点：芯体陶瓷密度较大，造成焓轮整体重量较大；旋转结构不容易密封，尾气容易窜漏到反应气中，影响加湿和进入电池的空气含氧量；需要外界的动力才能旋转，旋转机构容易磨损；多孔陶瓷抗振性能不强；干气温度较高时其增湿能力急剧下降。
以上的特点决定了焓轮增湿器在常压燃料电池系统上尚有用武之地，而在增压型燃料电池上，由于空压机出口空气温度较高，压力也较大，密封不易，焓轮就不太适用了。
膜增湿器是目前常用的大功率增湿器之一，如图10-4 所示，它利用电池尾气对电池的尾排气体进行增湿，温暖潮湿的尾气通过膜的一侧，然后在浓度差的作用下扩散到膜的另一侧，最后蒸发至电池反应气中。这种增湿器所用的膜的特点是透水不透气，以传统的Nafion 膜最为常见。
图10-4 膜增湿器的工作原理
目前膜增湿器主要有两类产品，平板膜增湿器、中空管膜增湿器，它们原理相同，产品的形态不同，原材料也有差别。
平板膜增湿器的核心部件由可以传递水的膜以及多孔的支撑体组成，膜与支撑体都制作成平板样，膜一侧通湿热气体，另一侧通干冷气体，在膜表面进行湿热交换。
中空管膜增湿器内部有膜制备的均质无孔中空管，水从中空纤维管外侧流过，加湿气体从中空纤维管内侧流过，水由于浓度差从中空纤维管外侧扩散至内侧，并蒸发进入反应气体中，完成对气体的增湿。当气体通过管时，水被吸收并迁移到管的内壁以增湿气体。水迁移的驱动力为膜内外两侧的浓度梯度，通过管的气体必须在管内停留数秒，以达到增湿的目的。
膜增湿器的特点是：结构简单，无运动部件，运行稳定可靠；增湿效果取决于输入的干气和湿气的流量、压力、湿度，无法调节以适应不同的工况；动态响应慢；长期工作时膜容易破损，造成内部窜漏。
