專利名稱：質(zhì)子交換膜燃料電池自反饋加濕器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域，具體地指一種能夠?qū)|(zhì)子交換膜燃料電池的反應(yīng)氣進行自反饋加濕的質(zhì)子交換膜燃料電池自反饋加濕器。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種電化學(xué)發(fā)電裝置，由于它能量轉(zhuǎn)化效率高(50% 70% )、對環(huán)境污染小、噪音低等突出的優(yōu)越性，燃料電池技術(shù)的研究和開發(fā)備受各國政府與大公司的重視，被認(rèn)為是21世紀(jì)首選的潔凈、高效的發(fā)電技術(shù)。在各種類型的燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)很適用于便攜式電源和運輸工具。大多數(shù)汽車公司開發(fā)的燃料電池也大都著重于PEMFC。質(zhì)子交換膜燃料電池是一種能夠?qū)錃夂脱鯕鈨Υ娴哪芰恐苯愚D(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，其反應(yīng)氣的濕度對電池性能有著重要的影響，因此對反應(yīng)氣的加濕度控制就顯得非常必要。目前，電堆的加濕方式主要分為內(nèi)加濕和外加濕兩種。內(nèi)加濕是指在電堆內(nèi)部加入加濕段以實現(xiàn)對反應(yīng)氣的加濕，它依靠膜的阻氣特性與水在膜內(nèi)的濃差擴散來實現(xiàn)。 加濕段實際上是一個假電池，其結(jié)構(gòu)與電池結(jié)構(gòu)一樣，但其電極上無催化劑，不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。在膜的一側(cè)通入熱水，另一側(cè)通入需要加濕的氣體，如氫氣或氧氣(空氣)。一般來說，根據(jù)所采用的加濕段的加濕能力不同，加濕段占電堆的1/10 1/5左右。這種方式會使電池結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，而且難以維護，嚴(yán)重影響了電池的性能。外加濕技術(shù)又可以分為增溫加濕、蒸氣注射加濕和直接液態(tài)水噴射加濕。增溫加濕是將反應(yīng)氣通過一個水箱，在一定溫度條件下，水箱內(nèi)的水在蒸氣壓作用下蒸發(fā)，并同反應(yīng)氣一起進入電池，反應(yīng)氣的濕化程度完全依賴于濕化溫度，濕化溫度越高，電池性能越好，其優(yōu)點是設(shè)備簡單、工藝簡便，缺點是當(dāng)電池快速啟動或負(fù)載大幅度變化時，加濕不能夠及時同步響應(yīng)。蒸氣注射加濕是通過附加在導(dǎo)流通道上的多孔基板向反應(yīng)氣中連續(xù)注入水蒸氣進行濕化的方式，其缺點為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且提高了電池的制作成本。直接液態(tài)水噴射加濕是將液態(tài)水直接注入反應(yīng)氣中進行濕化的方式，當(dāng)氣流中的水蒸氣不足以補償水從陽極到陰極的遷移量時，注入的液態(tài)水有更強的補償能力，而且伴隨液態(tài)水的蒸發(fā)，還可以起到冷卻電極的作用，其性能優(yōu)于相同溫度下采用增溫加濕的電池性能。同時具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高的優(yōu)點。然而這種方式一般是采取單一的孔徑結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)對反應(yīng)氣的加濕，這種單一流通方式難以控制加濕量，加濕不足或過度都會對電池性能造成影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題就是提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池自反饋加濕器，能夠有效實現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池在進行直接液態(tài)水噴射加濕時的自反饋加濕。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種質(zhì)子交換膜燃料電池自反饋加濕器，包括加濕器本體，所述加濕器本體兩端分別設(shè)置有進氣口和出氣口，所述加濕器本體內(nèi)設(shè)置有液態(tài)水噴射機構(gòu)，所述液態(tài)水噴射機構(gòu)與供水管相連，供水管連接加濕水箱，供水管上設(shè)置有水量控制閥，其特別之處在于所述進氣口和出氣口上均設(shè)置有流量計、壓力表和溫度計，所述流量計、壓力表和溫度計的信號輸出端均與控制器連接，所述控制器還與水量控制閥相連，所述控制器為能依據(jù)進氣口和出氣口流量、壓力和溫度得出準(zhǔn)確加水量并控制水量控制閥開啟度的控制裝置。上述技術(shù)方案中，所述液態(tài)水噴射機構(gòu)為豎直布置在加濕器本體內(nèi)的噴管，所述噴管上開設(shè)有噴孔。上述技術(shù)方案中，所述液態(tài)水噴射機構(gòu)為布置在加濕器本體頂部和/或下部的噴嘴。上述技術(shù)方案中，所述加濕器本體內(nèi)嵌置有初級多孔結(jié)構(gòu)塊，所述初級多孔結(jié)構(gòu)塊的厚度為1 10cm，呈“L”狀；所述初級多孔結(jié)構(gòu)塊的孔徑范圍為0. 1 1mm。進一步地，所述初級多孔結(jié)構(gòu)塊的外端設(shè)置有次級多孔結(jié)構(gòu)塊，所述次級多孔結(jié)構(gòu)塊的厚度為1 IOcm ；所述次級多孔結(jié)構(gòu)塊的孔徑范圍為1 10 μ m。更進一步地，所述初級多孔結(jié)構(gòu)塊側(cè)板和次級多孔結(jié)構(gòu)塊之間留有緩沖區(qū)，所述緩沖區(qū)厚度為1 10cm。上述技術(shù)方案中，所述加濕器本體的底部設(shè)置有回流管，所述回流管與加濕水箱相連。本發(fā)明的有益效果在于能夠通過壓力表、溫度計和流量計對進、出口的壓力、溫度和流量進行監(jiān)測，有效保障加濕器安全性，并能夠根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，由控制器對加濕度進行控制，容易實現(xiàn)加濕的自反饋，且整個裝置結(jié)構(gòu)簡單。


圖1為本發(fā)明實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明實施例三的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1-流量計，2-壓力表，3-溫度計，4-噴管，4’-噴嘴，5-噴孔，6-初級多孔結(jié)構(gòu)塊，7-緩沖區(qū)，8-次級多孔結(jié)構(gòu)塊，9-回流管，10-控制器。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作進一步的詳細描述實施例一如圖1所示，本發(fā)明的一種質(zhì)子交換膜燃料電池自反饋加濕器，包括加濕器本體， 加濕器本體兩端分別設(shè)置有進氣口和出氣口。在加濕器本體內(nèi)設(shè)置有液態(tài)水噴射機構(gòu)，本實施例中的液態(tài)水噴射機構(gòu)為豎直布置在加濕器本體內(nèi)的若干噴管4，噴管4上開設(shè)有噴孔5，噴管4與供水管相連，供水管則連接加濕水箱，供水管上設(shè)置有水量控制閥，用于控制供水水量。此外，進氣口和出氣口上均設(shè)置有流量計1、壓力表2和溫度計3，流量計1、壓力表2和溫度計3的信號輸出端均與控制器10連接，該控制器10還與水量控制閥相連?？刂破?0為能依據(jù)進氣口和出氣口流量、壓力和溫度得出準(zhǔn)確加水量并控制水量控制閥開啟度的控制裝置?？刂破?0可選用具有數(shù)據(jù)存儲模塊的控制器10，該控制器10可以將流量、壓力、溫度和對應(yīng)加水量的數(shù)據(jù)(真值表)存儲至存儲模塊內(nèi)，可根據(jù)測量值準(zhǔn)確從數(shù)
4據(jù)庫中搜尋并找到對應(yīng)加水量，以控制水量控制閥的開啟度；還可以選用帶有運算芯片的控制器，將流量、壓力和溫度以及對應(yīng)加水量的運算公式錄入進運算芯片，可根據(jù)測量值準(zhǔn)確算出加水量，控制水量控制閥開啟。以反應(yīng)氣是吐為例，設(shè)其進氣流量為，出氣口的氣體流量為m，則加濕水量為m- ^h2，出氣口的氣體壓力為P、溫度為T，則出氣口氣體的相
對濕度RH滿足
mH /A= P-RH-Psat(T) m-mH2/RH-Psat(T)
/Mll2O其中，psat(T)為溫度為T時的水蒸氣飽和壓力，Mff^Mff20分別為H2和H2O的摩爾質(zhì)量，于是相對濕度RH為
RH=_I_
mH2/d + w wMh； )Ρ,ΛΤ)而加濕水量為
mH2mH2O
m-m =-------“2 Mlliρ1
2 RH-Psat(T)'由上式可以看出，氣體的目標(biāo)加濕度(即出氣口氣體的相對濕度RH)已知，通過監(jiān)控氣體的進氣流量 ff2、出口壓力P和溫度T就可以計算出所需要的加濕水量 -^ 2。由上式計算出的數(shù)據(jù)，可以輸入到控制器10的存儲模塊中，由控制器10來控制水量控制閥的開啟度。為了實現(xiàn)對反應(yīng)氣的初步加濕并防止液態(tài)水流出加濕器本體，進入燃料電池，影響電池性能，在加濕器本體內(nèi)可嵌置初級多孔結(jié)構(gòu)塊6，其厚度為1 10cm、孔徑范圍為 0. 1 1mm，呈“L”狀。其底板設(shè)置在加濕器本體底部，用以搜集多余的加濕水，其側(cè)板與加濕器本體內(nèi)腔密封，經(jīng)過噴水加濕后的反應(yīng)氣通過初級多孔結(jié)構(gòu)塊6時，其內(nèi)過多的液態(tài)水能夠被多孔結(jié)構(gòu)阻留，并流至初級多孔結(jié)構(gòu)塊6的底板內(nèi)。為進一步精確控制加濕度，在初級多孔結(jié)構(gòu)塊6外端還可嵌置次級多孔結(jié)構(gòu)塊8， 其厚度為1 10cm、孔徑范圍為1 10 μ m。在加濕器本體內(nèi)嵌置不同孔徑范圍的多孔結(jié)構(gòu)塊的意義在于更好的使氣體獲得目標(biāo)加濕度。氣體通過初級多孔結(jié)構(gòu)塊6時的速率要比通過次級多孔結(jié)構(gòu)塊8的速率更快，使得氣體在初級多孔結(jié)構(gòu)塊6獲得基礎(chǔ)加濕后，在通過次級多孔結(jié)構(gòu)塊8時能夠獲得更均勻的加濕，達到目標(biāo)加濕度。為了使反應(yīng)氣在多孔結(jié)構(gòu)中的流動時間加長，增強加濕效果，在初級多孔結(jié)構(gòu)塊6 側(cè)板和次級多孔結(jié)構(gòu)塊8之間可留設(shè)緩沖區(qū)7，該緩沖區(qū)7厚度為1 10cm。為保證加濕水能夠循環(huán)使用，在加濕器本體底部還可設(shè)置回流管9，該回流管9的一端與初級多孔結(jié)構(gòu)塊6的底板聯(lián)通、另一端連接加濕水箱。搜集到的多余加濕水可以通過回流管9流入加濕水箱內(nèi)重復(fù)利用。
本裝置的工作原理如下質(zhì)子交換膜燃料電池的反應(yīng)氣進行加濕時，反應(yīng)氣通過本加濕器的進氣口進入加濕器本體，通過出氣口流出，其間噴管4噴出液態(tài)水對反應(yīng)氣進行加濕。加濕過程中，設(shè)置在加濕本體兩端的流量計1、壓力表2和溫度計3會實時采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)反饋至控制器10?？刂破?0根據(jù)接收到的流量、壓力和溫度等數(shù)據(jù)準(zhǔn)確得出加水量，并將控制信號傳至水量控制閥，通過控制其開啟程度，控制加水量。確保加濕過程的精確。實施例二本實施例的其它結(jié)構(gòu)和原理與實施例一相同，區(qū)別僅在于，該處的液態(tài)水噴射機構(gòu)為布置在加濕器本體頂部的噴嘴4’。實施例三本實施例的其它結(jié)構(gòu)和原理與實施例一相同，區(qū)別僅在于，該處的液態(tài)水噴射機構(gòu)為布置在加濕器本體頂部和下部的噴嘴4’。本發(fā)明的核心在于在加濕器本體的進氣口和出氣口上均設(shè)置流量計1、壓力表2 和溫度計3，且其信號輸出端均與控制器10相連，再由控制器10準(zhǔn)確控制加水量以實現(xiàn)加濕量的自反饋，所以其保護范圍并不限于上述實施例。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變形而不脫離本發(fā)明的范圍和精神，例如噴管4或者噴嘴4’的個數(shù)及布置方式不限于實施例所述，只要能均勻的對反應(yīng)氣進行加濕即可；流量計1、壓力表2和溫度計3的個數(shù)也可以是多個；初級多孔結(jié)構(gòu)塊6和次級多孔結(jié)構(gòu)塊8的厚度、孔徑、是否設(shè)置緩沖區(qū)7等均可根據(jù)質(zhì)子交換膜燃料電池的規(guī)格進行調(diào)整等。倘若這些改動和變形屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變形在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種質(zhì)子交換膜燃料電池自反饋加濕器，包括加濕器本體，所述加濕器本體兩端分別設(shè)置有進氣口和出氣口，所述加濕器本體內(nèi)設(shè)置有液態(tài)水噴射機構(gòu)，所述液態(tài)水噴射機構(gòu)與供水管相連，供水管連接加濕水箱，供水管上設(shè)置有水量控制閥，其特征在于所述進氣口和出氣口上均設(shè)置有流量計(1)、壓力表( 和溫度計(3)，所述流量計(1)、壓力表 ⑵和溫度計⑶的信號輸出端均與控制器(10)連接，所述控制器(10)還與水量控制閥相連，所述控制器(10)為能依據(jù)進氣口和出氣口流量、壓力和溫度得出準(zhǔn)確加水量并控制水量控制閥開啟度的控制裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池自反饋加濕器，其特征在于所述液態(tài)水噴射機構(gòu)為豎直布置在加濕器本體內(nèi)的噴管G)，所述噴管(4)上開設(shè)有噴孔(5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池自反饋加濕器，其特征在于所述液態(tài)水噴射機構(gòu)為布置在加濕器本體頂部和/或下部的噴嘴(4’ )。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求所述的質(zhì)子交換膜燃料電池自反饋加濕器，其特征在于所述加濕器本體內(nèi)嵌置有初級多孔結(jié)構(gòu)塊(6)，所述初級多孔結(jié)構(gòu)塊(6)的厚度為1 10cm，呈“L”狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的質(zhì)子交換膜燃料電池自反饋加濕器，其特征在于所述初級多孔結(jié)構(gòu)塊(6)的孔徑范圍為0. 1 1mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的質(zhì)子交換膜燃料電池自反饋加濕器，其特征在于所述初級多孔結(jié)構(gòu)塊(6)的外端設(shè)置有次級多孔結(jié)構(gòu)塊(8)，所述次級多孔結(jié)構(gòu)塊(8)的厚度為1 IOcm0
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的質(zhì)子交換膜燃料電池自反饋加濕器，其特征在于所述次級多孔結(jié)構(gòu)塊(8)的孔徑范圍為1 10 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的質(zhì)子交換膜燃料電池自反饋加濕器，其特征在于所述初級多孔結(jié)構(gòu)塊(6)側(cè)板和次級多孔結(jié)構(gòu)塊(8)之間留有緩沖區(qū)(7)，所述緩沖區(qū)(7)厚度為1 IOcm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求所述的質(zhì)子交換膜燃料電池自反饋加濕器，其特征在于所述加濕器本體的底部設(shè)置有回流管(9)，所述回流管(9)與加濕水箱相連。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的質(zhì)子交換膜燃料電池自反饋加濕器，其特征在于所述加濕器本體的底部設(shè)置有回流管(9)，所述回流管(9)與加濕水箱相連。
全文摘要
一種質(zhì)子交換膜燃料電池自反饋加濕器，包括加濕器本體，加濕器本體兩端分別設(shè)置有進氣口和出氣口，加濕器本體內(nèi)設(shè)置有液態(tài)水噴射機構(gòu)，液態(tài)水噴射機構(gòu)與供水管相連，供水管連接加濕水箱，供水管上設(shè)置有水量控制閥，其中進氣口和出氣口上均設(shè)置有流量計、壓力表和溫度計，流量計、壓力表和溫度計的信號輸出端均與控制器連接，控制器還與水量控制閥相連，控制器為能依據(jù)進氣口和出氣口流量、壓力和溫度得出準(zhǔn)確加水量并控制水量控制閥開啟度的控制裝置。本發(fā)明能夠通過壓力表、溫度計和流量計對進、出口的壓力、溫度和流量進行監(jiān)測，有效保障加濕器安全性，并能夠根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，由控制器對加濕度進行控制，容易實現(xiàn)加濕的自反饋。
文檔編號H01M8/04GK102420334SQ20111038672
公開日2012年4月18日 申請日期2011年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月29日
發(fā)明者余意, 葉東浩, 涂正凱, 潘牧, 羅志平 申請人:武漢理工大學(xué)