[发明专利]一种用于大功率PEM燃料电池测试台的湿化技术和湿化系统

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池技术，尤其涉及一种用于大功率PEM燃料电池测试台的湿化技术和湿化系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种能够将富氢燃料及氧化剂连续高效地转化成电能的装置。质子交换膜燃料电池由在质子膜两侧分别涂有催化层而组装成的三合一膜电极(Membrane Electrode Assembly，MEA)、反应气体燃料侧的流场板、空气侧流场板组成。其核心部件是三合一膜电极，其结构为：中间为质子交换膜，两侧分别涂有阴极催化层和阳极催化层，最外侧有气体扩散层。

质子交换膜燃料电池工作时，燃料通过阳极气体扩散层，在阳极催化层表面发生电化学反应，失去电子，形成质子(H⁺)，H⁺可通过质子交换膜，到达膜电极的阴极一侧。与此同时，含有氧化剂的气体通过阴极扩散层，在阴极催化层表面与透过质子膜的质子发生反应，生成水。

在采用氢气、空气作为燃料的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应的方程式为：

阳极反应H₂→2H⁺+2e

阴极反应O₂+4H⁺+4e→2H₂O

目前质子交换膜燃料电池膜电极中所用的质子交换膜，在电池运行过程中需要有水分子存在，对其进行保湿。因为只有水化的质子才可以自由地穿过质子交换膜，从电极阳端到达电极阴端参加电化学反应。否则，当大量干燥的空气向燃料电池供应，它们离开时容易将质子交换膜中的水分子带走，导致质子无法穿过质子交换膜，电极内阻急剧增加，电池性能急剧下降。所以，燃料电池中质子交换膜增湿的目的就是使质子交换膜保持传输质子的能力，增湿不足，质子交换膜传输能力差，影响电池性能；增湿过分，会淹没电极，同时也会导致电池性能的下降。因此，增湿是质子交换膜燃料电池的关键技术。

目前应用于质子交换膜燃料电池增湿的方式主要有两类：

1、外增湿：湿化装置与燃料电池组分开，并在燃料电池组外部独立存在的湿化装置。主要通过氢气气体或空气气体直接在这种外增湿装置中与水分子通过充分混合碰撞促使气体吸收汽化的水分子来达到湿化气体的目的。

2、内增湿：内增湿装置是燃料电池组组成的一部分。燃料电池组分为两个部分，一个部分叫内增湿段，另一个部分叫电池活性工作段。内增湿段由增湿导流板与增湿电极构成，而电池活性工作段由导流板与膜电极构成。增湿电极往往由一种可以进行水分子自由交换的膜组成，这种膜可以让去离子水在膜的一边流动，而让燃料气体或氧化剂气体，如空气在膜的另一边流动，膜可以将燃料气体或空气与液态水分子分隔开，但水分子又可以自由穿过膜进入燃料气体或空气中去，而达到湿化目的。

发明内容

本发明提出一种用于大功率燃料电池测试台的湿化技术以及湿化系统的设计方案。为了降低大型测试台的功率需求，合理利用燃料电池所生成的热量，降低冷却介质的消耗量以及对测试台周边环境的热扩散，本专利提出了采用两级或多级换热系统将燃料电池生成的热量传递给进入燃料电池的反应剂气体。为了提高湿化系统的气液传质能力，本专利提出了采用装有高效填料的逆向流动喷淋塔作为主要的湿化设备。精确控制喷淋介质的温度(去离子水的温度)可以确保湿化的温度和水蒸气的饱和度。为了避免液滴进入后系统，本专利提出了配有精确温度控制的除沫系统，确保进入过热器的湿化气体中不带有任何液滴。为了控制进入燃料电池电堆的反应剂气体的相对湿度，本专利提出了带有外加热器和高效传热填料组件的过热器，通过对过热器温度的精确控制，可以将进入燃料电池电堆反应剂气体的相对湿度控制在±2％以内，温度控制在±0.1℃以内，为燃料电池的测试提供了良好的实验条件。

附图说明

图为大功率PEM燃料电池测试台湿化系统示意图

具体实施方式

来自于去离子水管道的去离子水通过常压去离子水槽1的液位计控制电磁阀，进入去离子水槽1。用补水泵2将去离子水槽中的去离子水流经换热器3提高温度后按规定的流量送入带液位控制的补水加热槽4。根据测试台的系统压力，该补水泵2可以是蠕动泵、隔膜泵或离心泵。可以采用步进电机或交流变频调速电机根据补水加热槽4的液位调节电机的转速，从而控制去离子水的补水流量，将补水加热槽4的去离子水维持在一个恒定的液位上。补水加热槽4上配有温度传感器，通过精密的温度控制器将喷淋用的热去离子水的温度保持在由控制系统给定的设定温度下，控温精度可以达到±0.2℃。补水加热槽4上还配有高低液位报警和连锁，确保喷淋水系统在正确的操作条件下运行。