[发明专利]一种燃料电池加湿控制装置有效

专利信息
申请号: 201911266757.4 申请日: 2019-12-11
公开(公告)号: CN112952148B 公开(公告)日: 2023-09-19
发明(设计)人: 孙海;王子乾;孙公权 申请(专利权)人: 中国科学院大连化学物理研究所
主分类号: H01M8/04119 分类号: H01M8/04119;H01M8/04298;H01M8/04828
代理公司: 沈阳科苑专利商标代理有限公司 21002 代理人: 郑伟健
地址: 116023 辽宁省*** 国省代码: 辽宁;21
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摘要:
搜索关键词: 一种 燃料电池 加湿 控制 装置
【说明书】:

一种燃料电池加湿控制装置,包括:用于将通入的气体进行加湿的鼓泡加湿器,所述加湿器内设有电加热元件、热电偶以及气体分散器。本发明相比现有技术,测温区温度高于加湿气温度,露点温度的测量与控制更为准确;相比于膜加湿器成本更低,加湿程度更高;相比于喷淋法,加湿更为均匀,不存在液态水,加湿效果稳定;相比于传统鼓泡加湿器,响应更快,湿度的测量和控制更为精准,加湿器降温速率更快,能通过简单水管理系统进行水位的控制与温度调节。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域,具体是一种质子交换膜燃料电池系统的加湿控制装置和加湿控制方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种能量转换效率高、零污染、安全性高的能量转换装置,其基本组件包括膜电极、密封件、双极板、端板等,其中膜电极为该体系中的核心部件。目前该领域使用的质子交换膜主要包括膜以及PBI膜,其中前者必须在湿润状态下才能正常进行离子传导,适用于100℃以下燃料电池系统;后者对气体湿度要求不高,但其质子传导率同样对气体湿度较为敏感,适用于150~180℃的燃料电池系统。因此测试系统的气体加湿的控制对电池性能与寿命至关重要。

燃料电池测试设备气体加湿常用方法有喷淋加湿、鼓泡加湿以及膜渗透加湿等。鼓泡加湿的原理是将气体分散到鼓泡箱中,通过加热鼓泡水箱中的水的温度使水蒸发,来加湿气体;喷淋加湿的原理是将水通过喷头喷出,通过与气体在短时间内混合完成气体加湿;膜渗透加湿原理是通过水的浓度差,使水渗透到膜的另一边和气体混合来实现气体加湿。

传统的气体加湿装置存在以下不足:①鼓泡加湿方法的升降温速率慢,启动停机时间过长,响应速度慢,气体湿度不易控制和改变;②喷淋法加湿水雾化效果不好,若液态水随气体进入燃料电池,可导致膜电极水淹;③膜渗透加湿法制作工艺复杂、成本高,湿度可调范围较窄。

无论是燃料电池性能和使用寿命等技术参数的测试还是实际应用,都必须精确控制测试湿度,因此需要针对现有的加湿技术的缺点进行改进。

发明内容

针对于鼓泡加湿方法中湿度控制改变困难的缺点,本发明提供了一种燃料电池测试气体加湿控制装置和方法。

本发明提供了一种燃料电池的气体加湿控制装置,包括:

用于将通入的气体进行加湿的鼓泡加湿器,所述加湿器内设有电加热元件、热电偶以及气体分散器;

用于调节加湿后的所述气体露点温度的冷却塔,位于加湿器与气体加热管路之间;

进一步地,所述冷却塔外层设有用于通入冷却流体的夹套或盘管,夹套或盘管入口设有电加热元件;

进一步地,所述冷却塔内壁设有2个以上沿轴向设置的冷却片组,所述冷却片组为一个上下二端开口的圆锥台形筒体或2个以上沿圆周方向间隔分布的、上下表面为圆弧面的圆弧形挡片,其中圆锥台形筒体靠近下底面的侧壁上设有导液通孔,圆弧形挡片的圆心角向下,可避免冷凝液态水被吹入测温区;

可选地,冷却塔材质采用透明材质,所述透明材质包括亚克力、PFA塑料、PC塑料中的一种,可用于观测加湿器水位以及冷却塔冷凝情况,在控制系统出现异常时可以及时的判断异常位置与程度;

用于测量加湿后的所述气体露点温度的测温装置,该装置位于冷却塔出口与加热管路入口的连接处;

进一步地,所述测温装置内部含有一个电加热元件以及一个热电偶,通过电加热元件将整个测温装置控制在所需露点温度之上的某一温度,此时加湿气经过该装置时,加湿气体与测温装置间存在强制对流传热,理想情况下当测温装置温度稳定时,测温装置对加湿气的传热量Q1与对管壁连接处的传热量Q2之和等于内部电加热元件的加热功率W,如下式所示:

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