用於燃料電池測試平臺的氣體增溼系統的製作方法

2023-05-17 10:21:01

專利名稱：用於燃料電池測試平臺的氣體增溼系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池測試平臺，尤其涉及一種測試質子交換膜燃料電池測試平臺用的氣體增溼系統。
背景技術：
當今全球能源緊張，油價高漲，尋找新能源作為化石燃料的替代品是當務之急。燃料電池被認為是繼水力、火力和原子能發電後的第四代發電技術，它通過電催化反應將氧化劑和還原劑的化學能直接轉換成電能，是一種高效、安全、清潔、靈活的新型發電技術。其中的質子交換膜燃料電池因其具有效率高、能量密度大、反應溫度低、無噪音、無汙染等顯著優點而在地面發電站、電動車和可攜式電源等方面具有廣泛的應用前景。燃料電池內部主要由質子交換膜、電化學反應催化劑、擴散層和雙極板組成。當燃料電池工作時，其內部發生下述反應過程反應氣體在擴散層內擴散，當反應氣體到達催化層時，在催化層內被催化劑吸附並發生電催化反應；陽極反應生成的質子通過質子交換膜內傳遞到陰極側，電子經外電路到達陰極，同氧分子反應結合成水，同時放出熱量。電極反應為
陽極(負極)=H2 — 2H+ + 2e 陰極(正極)1/2 + 2H+ + 2e — H2O 電池反應 H2 + 1/2 — H2O
一個典型的質子交換膜燃料電池中，膜電極放在兩塊導電的導流極板中間，兩塊導流板分別是陽極燃料的導流板與陰極氧化劑的導流板。這樣形成的一個燃料電池稱為單電池，為了增大整個質子交換膜燃料電池的總功率，需要將多個單電池通過直疊的方式串聯成電池組，又叫燃料電池電堆。在燃料電池電堆中，一塊極板的兩面都可以有導流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導流面，另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面，這種極板叫做雙極板。電堆通過前端板、後端板及拉杆緊固在一起。燃料電池堆在運行時，對增溼要求比較高，在運行過程中一旦進入電堆的增溼效果過大或過小，則將導致電堆性能上的衰減和無法正常運行，對電堆本身造成極大的影響， 需要為測試平臺設計增溼系統。現有的相關專利
中國專利號為 200710047571. 0,200710047571. 0、200710047570. 6 的發明涉及一種集成式的燃料電池增溼系統，該系統包括空氣增溼堆、氫氣增溼堆、空氣側端板、氫氣側端板，空氣增溼堆由多組冷卻水導流板、增溼膜片、空氣導流板依次疊加組裝而成，氫氣增溼堆由多組冷卻水導流板、增溼膜片、氫氣導流板依次疊加組裝而成，還包括隔板，空氣增溼堆和氫氣增溼堆分別設置在隔板兩邊，形成空氣氫氣集成式增溼裝置，空氣、氫氣或冷卻水分別從空氣增溼堆側或氫氣增溼堆側進入或流出增溼系統。缺點在於不能用於測試平臺， 不能精確的檢測和控制氣體的相對溼度。中國專利號為200510111277. 2的發明提供了一種燃料電池增溼鼓增溼平衡穩定控制裝置，包括轉盤、速度傳感器、單片機、速度控制及功率放大器、增溼轉鼓電機以及通訊接口，轉盤安裝在增溼轉鼓電機的主軸上，速度傳感器設置在轉盤的轉速感應區域，單片機的輸入端連接速度傳感器，輸出端分別連接速度控制及功率放大器和通訊接口，速度控制及功率放大器的輸出端連接增溼轉鼓電機。缺點是通過機械的方式來控制RH，在操作上比較複雜，不能精確的檢測和控制氣體的相對溼度。中國專利號為20071012^68. 3和200610137930. 7的發明提供的燃料電池增溼系
統包括增溼裝置、水氣分離器和去離子器，增溼裝置包括氣體容器，氣體容器具有與氣體容器內部連通的氣體進氣口和氣體出氣口 ；其中，該增溼裝置還包括霧化噴嘴、水量調節閥和溼度測量裝置；當溼度測量裝置檢測到的氣體的溼度不在預定範圍內時，通過水量調節閥調節霧化噴嘴的進水量，直至溼度測量裝置檢測到的氣體的溼度達到預定範圍內。該發明提供的燃料電池增溼系統所包含的增溼裝置引入了溼度測量裝置，根據檢測得到的溼度調節霧化噴嘴的進水量，從而可以對氣體的溼度進行實時控制。缺點是霧化水能耗較大，在與氣體混合過程中容易結露，易產生過量增溼的狀態，氣體的溼度不容易控制。中國專利號為200410066643. 2的發明涉及一種高效的燃料電池增溼裝置，包括燃料電池堆、供氫裝置、冷卻流體循環裝置、空氣壓縮裝置、水汽分離器、去離子器、去離子水水箱、噴水計量泵、噴水計量調節閥、高效空氣增溼器，高效空氣增溼器設在空氣壓縮裝置與燃料電池堆之間，來自空氣壓縮裝置的高溫乾燥空氣經過高效空氣增溼器降溫增溼後輸入燃料電池堆使用。缺點是增溼水溫度需要保溫，系統較複雜，氣體的溼度不易控制。以上專利的增溼方式都存在缺陷
1.一種集成式的燃料電池增溼器不可用於燃料電池測試平臺，不能精確的控制RH ；
2.燃料電池鼓增溼方式通過機械轉動的方式來控制氣體的溼度，在結構比較複雜，不能精確的控制氣體的溼度；
3.噴霧增溼方式是水先經大鍋爐氣化後去氣體結合進入燃料電池；缺點需先霧化水能耗較大，在與氣體混合過程中容易結露，易產生過量增溼的狀態，溼度不容易控制；
4.噴水增溼方式是噴水通過汽水分離系統給燃料電池增溼；增溼水溫度需要保溫措施，要用到汽水分離系統，系統較複雜，溼度不易控制。

發明內容
本發明的目的就是為了克服現有技術存在的缺陷而提供一種用於燃料電池測試平臺的氣體增溼系統，該系統能夠實現增溼水溫度控制(多級加熱系統)，實現增溼水經過全氟磺酸膜管增溼器的流量和水壓控制功能，實現在線自動補水功能，以及實時在線耐高溫高溼溫溼度傳感器檢測反饋功能，最後通過以上各功能的協同作用實現氣體溫溼度的精準控制。本發明是通過以下技術方案實現的一種用於燃料電池測試平臺的氣體增溼系統，由多級加熱系統，在線自動補水系統，增溼水流量與壓力控制系統和氣體溫溼度的實時監控系統組成，
多級加熱系統包括恆溫水浴鍋，加溫度控制器，加熱棒，恆溫水浴鍋內設有若干根用於加熱增溼水的加熱棒，且加熱棒與溫度控制器連接，用於實現20-100°C之間多級溫度調節；
在線自動補水系統包括恆溫水浴鍋，液位傳感器，常閉電磁閥恆溫水浴鍋內設置液位CN 102544553 A傳感器，液位傳感器與給恆溫水浴鍋自動添水的常閉電磁閥連接；增溼水流量與壓力控制系統包括可調節流量的水泵和背壓調節閥，恆溫水浴鍋與增溼器之間分別連接可調節流量的水泵和背壓調節閥，用於控制增溼水的流量和壓力；氣體溫溼度的實時監控系統包括耐高溫高溼溫溼度傳感器，溫溼度控制單元，耐高溫高溼溫溼度傳感器設置在增溼器與燃料電池之間的管道上，並與溫溼度控制單元連接，溫溼度控制單元分別與可調節流量的水泵、背壓調節閥和溫度控制器連接，用於分別控制可調節流量的水泵、背壓調節閥和溫度控制器來改變增溼水透過增溼器的速度和增溼水溫度。
增溼器由全氟磺酸膜管構成；液位傳感器和常閉電磁閥分別連接電源；增溼器設有風機。
本發明的有益效果是 本發明採用1.多級加熱系統以一個恆溫水浴鍋做為增溼水源，水浴鍋內有多根加熱棒可加熱增溼水，並添加溫度控制器12能控制加熱棒在運行狀態使得水浴鍋中的增勢水源能實現 20-100°C之間多級溫度調節功能，使得增溼水溫度能精確的控制在一個溫度點上。
2.在線自動補水在恆溫水浴鍋內設置液位傳感器，當恆溫水浴鍋內水位過低時， 則打開常閉電磁閥來實現自動添水功能。
3.增溼水流量與壓力控制選用一款可調節流量的水泵和背壓調節閥連接在恆溫水浴鍋與增溼器之間來進行控制。根據溼度傳感器的信號反饋和氣體流量的大小要求，通過控制增溼水的流量和壓力來控制增溼水透過增溼器中全氟磺酸膜管的滲透速度，以精準控制氣體需要達到的溼度。
4.氣體溫溼度的實時監控系統增溼器選用全氟磺酸膜管增溼器，通過耐高溫高溼溫溼度傳感器來檢測進入燃料電池的空氣溫溼度，在運行燃料電池前設定一個空氣入口溫溼度值，當檢測出空氣入口溫溼度不符合數值時，耐高溫高溼溫溼度傳感器發出信號通過溫溼度控制單元來分別控制可調節流量的水泵、背壓調節閥和溫度控制器來改變增溼水透過全氟磺酸膜管的速度和增溼水溫度，以滿足不同氣體流量下不同溼度要求的準確控制。控制RH的原理有兩種，一是通過控制全氟磺酸膜管增溼器的磺酸基團濃度(磺酸基團具有吸水性)來增加空氣中吸收的增溼水中水分子來實現濃差遷移；二是通過改變增溼水側壓力和流量使得空氣快速的帶走水分子來控制溼度來實現壓差遷移。
因此，本發明能夠實現增溼水溫度控制(多級加熱系統)，實現增溼水經過全氟磺酸膜管增溼器的流量和水壓控制功能，實現在線自動補水功能，以及實時在線耐高溫高溼溫溼度傳感器檢測反饋功能，最後通過以上各功能的協同作用實現氣體溫溼度的精準控制。


圖1是本發明的系統原理圖； 圖2是增溼器結構原理圖。
具體實施方式
下面通過結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
如圖1所示，用於燃料電池測試平臺用多級可變氣體增溼系統，其中恆溫水浴鍋 4加熱棒13和溫度控制器12可以對進入燃料電池的增溼水源進行多級加熱，溫度範圍為 200C -IOO0C ；可調節水流量的水泵5和背壓調節閥10可實現控制水流量和壓力，把恆溫水浴鍋4可調節水流量的水泵5和背壓調節閥10與全氟磺酸膜管增溼器9串聯接入燃料電池模塊6上，通過全氟磺酸膜管增溼器9水分轉換就可實現多級加熱和增溼流量的控制。
圖1中耐高溫高溼溫溼度傳感器8安裝在燃料電池模塊與全氟磺酸膜管增溼器增溼器9之間檢測進入燃料電池的空氣溫溼度，高溫高溼溫溼度傳感器8、可調節水流量的水泵5、背壓調節閥10和溫度控制器與溫溼度控制單元6連接，設定一個RH值和溫度值，若高溫高溼溫溼度傳感器8測得的RH值和溫度值超出了設定值則溫溼度控制單元6通過電信號的指示來調節可調節水流量的水泵5、背壓調節閥10和溫度控制器來改變水流量、壓力和溫度來控制進入燃料電池7模塊內的增溼狀態。
圖1中液位傳感器3安裝在恆溫水浴鍋4內並與電源2和常閉電磁閥1連接，當恆溫水浴鍋4內液位過低時，則通過液位傳感器3打開常閉電磁閥1添加增溼用水。
如圖2所示，全氟磺酸膜管增溼器9控制RH的原理圖，可通過兩種方法來實現對增溼效果的控制。方法一是通過控制全氟磺酸膜管14的磺酸基團濃度(磺酸基團具有吸水性)來增加空氣15中吸收的增溼水16中水分子17來實現濃差遷移；方法二是通過改變增溼水16側壓力和流量使得空氣15快速的帶走水分子17來控制溼度來實現壓差遷移。
權利要求
1.一種用於燃料電池測試平臺的氣體增溼系統，由多級加熱系統，在線自動補水系統， 增溼水流量與壓力控制系統和氣體溫溼度的實時監控系統組成，其特徵在於所述多級加熱系統包括恆溫水浴鍋(4)，加溫度控制器(12)，加熱棒(13)，恆溫水浴鍋 (4)內設有若干根用於加熱增溼水的加熱棒(13)，且加熱棒(13)與溫度控制器(12)連接， 用於實現20-100°C之間多級溫度調節；所述在線自動補水系統包括恆溫水浴鍋(4)，液位傳感器(3)，常閉電磁閥(1)，恆溫水浴鍋(4)內設置液位傳感器(3)，液位傳感器(3)與給恆溫水浴鍋(4)自動添水的常閉電磁閥(1)連接；所述增溼水流量與壓力控制系統包括可調節流量的水泵(5)和背壓調節閥(10)，恆溫水浴鍋(4)與增溼器(9)之間分別連接可調節流量的水泵(5)和背壓調節閥(10)，用於控制增溼水的流量和壓力；所述氣體溫溼度的實時監控系統包括耐高溫高溼溫溼度傳感器(8)，溫溼度控制單元 (6)，耐高溫高溼溫溼度傳感器(8)設置在增溼器(9)與燃料電池(7)之間的管道上，並與溫溼度控制單元(6)連接，溫溼度控制單元(6)分別與可調節流量的水泵(5)、背壓調節閥 (10)和溫度控制器(12)連接，用於分別控制可調節流量的水泵(5)、背壓調節閥(10)和溫度控制器(12)來改變增溼水透過增溼器(9)的速度和增溼水溫度。
2.根據權利要求1所述的用於燃料電池測試平臺的氣體增溼系統，其特徵在於所述增溼器(9)由全氟磺酸膜管構成。
3.根據權利要求1所述的用於燃料電池測試平臺的氣體增溼系統，其特徵在於所述液位傳感器(3)和常閉電磁閥(1)分別連接電源(2)。
4.根據權利要求1所述的用於燃料電池測試平臺的氣體增溼系統，其特徵在於所述增溼器(9)設有風機(11)。
全文摘要
本發明涉及一種用於燃料電池測試平臺的氣體增溼系統，由多級加熱系統，在線自動補水系統，增溼水流量與壓力控制系統和氣體溫溼度的實時監控系統組成。多級加熱系統包括恆溫水浴鍋，加溫度控制器，加熱棒，恆溫水浴鍋內設有若干根用於加熱增溼水的加熱棒，且加熱棒與溫度控制器連接，用於實現20-100℃之間多級溫度調節。本發明能夠實現增溼水溫度控制(多級加熱系統)，實現增溼水經過全氟磺酸膜管增溼器的流量和水壓控制功能，實現在線自動補水功能，以及實時在線耐高溫高溼溫溼度傳感器檢測反饋功能，最後通過以上各功能的協同作用實現氣體溼度的精準控制。
文檔編號H01M8/04GK102544553SQ201210001459
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月5日 優先權日2012年1月5日
發明者張詩偉, 張超, 徐麟, 沈軍, 陳凌雲, 陶少龍, 顧榮鑫 申請人:崑山弗爾賽能源有限公司