專利名稱：用于燃料電池測(cè)試平臺(tái)的氣體增濕系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池測(cè)試平臺(tái)，尤其涉及一種測(cè)試質(zhì)子交換膜燃料電池測(cè)試平臺(tái)用的氣體增濕系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當(dāng)今全球能源緊張，油價(jià)高漲，尋找新能源作為化石燃料的替代品是當(dāng)務(wù)之急。燃料電池被認(rèn)為是繼水力、火力和原子能發(fā)電后的第四代發(fā)電技術(shù)，它通過(guò)電催化反應(yīng)將氧化劑和還原劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能，是一種高效、安全、清潔、靈活的新型發(fā)電技術(shù)。其中的質(zhì)子交換膜燃料電池因其具有效率高、能量密度大、反應(yīng)溫度低、無(wú)噪音、無(wú)污染等顯著優(yōu)點(diǎn)而在地面發(fā)電站、電動(dòng)車和便攜式電源等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。燃料電池內(nèi)部主要由質(zhì)子交換膜、電化學(xué)反應(yīng)催化劑、擴(kuò)散層和雙極板組成。當(dāng)燃料電池工作時(shí)，其內(nèi)部發(fā)生下述反應(yīng)過(guò)程反應(yīng)氣體在擴(kuò)散層內(nèi)擴(kuò)散，當(dāng)反應(yīng)氣體到達(dá)催化層時(shí)，在催化層內(nèi)被催化劑吸附并發(fā)生電催化反應(yīng)；陽(yáng)極反應(yīng)生成的質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜內(nèi)傳遞到陰極側(cè)，電子經(jīng)外電路到達(dá)陰極，同氧分子反應(yīng)結(jié)合成水，同時(shí)放出熱量。電極反應(yīng)為
陽(yáng)極(負(fù)極)=H2 — 2H+ + 2e 陰極(正極)1/2 + 2H+ + 2e — H2O 電池反應(yīng) H2 + 1/2 — H2O
一個(gè)典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極放在兩塊導(dǎo)電的導(dǎo)流極板中間，兩塊導(dǎo)流板分別是陽(yáng)極燃料的導(dǎo)流板與陰極氧化劑的導(dǎo)流板。這樣形成的一個(gè)燃料電池稱為單電池，為了增大整個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，需要將多個(gè)單電池通過(guò)直疊的方式串聯(lián)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(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個(gè)膜電極的陽(yáng)極導(dǎo)流面，另一面又可作為另一個(gè)相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種極板叫做雙極板。電堆通過(guò)前端板、后端板及拉桿緊固在一起。燃料電池堆在運(yùn)行時(shí)，對(duì)增濕要求比較高，在運(yùn)行過(guò)程中一旦進(jìn)入電堆的增濕效果過(guò)大或過(guò)小，則將導(dǎo)致電堆性能上的衰減和無(wú)法正常運(yùn)行，對(duì)電堆本身造成極大的影響， 需要為測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)增濕系統(tǒng)。現(xiàn)有的相關(guān)專利
中國(guó)專利號(hào)為 200710047571. 0,200710047571. 0、200710047570. 6 的發(fā)明涉及一種集成式的燃料電池增濕系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括空氣增濕堆、氫氣增濕堆、空氣側(cè)端板、氫氣側(cè)端板，空氣增濕堆由多組冷卻水導(dǎo)流板、增濕膜片、空氣導(dǎo)流板依次疊加組裝而成，氫氣增濕堆由多組冷卻水導(dǎo)流板、增濕膜片、氫氣導(dǎo)流板依次疊加組裝而成，還包括隔板，空氣增濕堆和氫氣增濕堆分別設(shè)置在隔板兩邊，形成空氣氫氣集成式增濕裝置，空氣、氫氣或冷卻水分別從空氣增濕堆側(cè)或氫氣增濕堆側(cè)進(jìn)入或流出增濕系統(tǒng)。缺點(diǎn)在于不能用于測(cè)試平臺(tái)， 不能精確的檢測(cè)和控制氣體的相對(duì)濕度。中國(guó)專利號(hào)為200510111277. 2的發(fā)明提供了一種燃料電池增濕鼓增濕平衡穩(wěn)定控制裝置，包括轉(zhuǎn)盤、速度傳感器、單片機(jī)、速度控制及功率放大器、增濕轉(zhuǎn)鼓電機(jī)以及通訊接口，轉(zhuǎn)盤安裝在增濕轉(zhuǎn)鼓電機(jī)的主軸上，速度傳感器設(shè)置在轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速感應(yīng)區(qū)域，單片機(jī)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濕轉(zhuǎn)鼓電機(jī)。缺點(diǎn)是通過(guò)機(jī)械的方式來(lái)控制RH，在操作上比較復(fù)雜，不能精確的檢測(cè)和控制氣體的相對(duì)濕度。中國(guó)專利號(hào)為20071012^68. 3和200610137930. 7的發(fā)明提供的燃料電池增濕系
統(tǒng)包括增濕裝置、水氣分離器和去離子器，增濕裝置包括氣體容器，氣體容器具有與氣體容器內(nèi)部連通的氣體進(jìn)氣口和氣體出氣口 ；其中，該增濕裝置還包括霧化噴嘴、水量調(diào)節(jié)閥和濕度測(cè)量裝置；當(dāng)濕度測(cè)量裝置檢測(cè)到的氣體的濕度不在預(yù)定范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)水量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)霧化噴嘴的進(jìn)水量，直至濕度測(cè)量裝置檢測(cè)到的氣體的濕度達(dá)到預(yù)定范圍內(nèi)。該發(fā)明提供的燃料電池增濕系統(tǒng)所包含的增濕裝置引入了濕度測(cè)量裝置，根據(jù)檢測(cè)得到的濕度調(diào)節(jié)霧化噴嘴的進(jìn)水量，從而可以對(duì)氣體的濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。缺點(diǎn)是霧化水能耗較大，在與氣體混合過(guò)程中容易結(jié)露，易產(chǎn)生過(guò)量增濕的狀態(tài)，氣體的濕度不容易控制。中國(guó)專利號(hào)為200410066643. 2的發(fā)明涉及一種高效的燃料電池增濕裝置，包括燃料電池堆、供氫裝置、冷卻流體循環(huán)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(jì)量泵、噴水計(jì)量調(diào)節(jié)閥、高效空氣增濕器，高效空氣增濕器設(shè)在空氣壓縮裝置與燃料電池堆之間，來(lái)自空氣壓縮裝置的高溫干燥空氣經(jīng)過(guò)高效空氣增濕器降溫增濕后輸入燃料電池堆使用。缺點(diǎn)是增濕水溫度需要保溫，系統(tǒng)較復(fù)雜，氣體的濕度不易控制。以上專利的增濕方式都存在缺陷
1.一種集成式的燃料電池增濕器不可用于燃料電池測(cè)試平臺(tái)，不能精確的控制RH ；
2.燃料電池鼓增濕方式通過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的方式來(lái)控制氣體的濕度，在結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不能精確的控制氣體的濕度；
3.噴霧增濕方式是水先經(jīng)大鍋爐氣化后去氣體結(jié)合進(jìn)入燃料電池；缺點(diǎn)需先霧化水能耗較大，在與氣體混合過(guò)程中容易結(jié)露，易產(chǎn)生過(guò)量增濕的狀態(tài)，濕度不容易控制；
4.噴水增濕方式是噴水通過(guò)汽水分離系統(tǒng)給燃料電池增濕；增濕水溫度需要保溫措施，要用到汽水分離系統(tǒng)，系統(tǒng)較復(fù)雜，濕度不易控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種用于燃料電池測(cè)試平臺(tái)的氣體增濕系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)增濕水溫度控制(多級(jí)加熱系統(tǒng))，實(shí)現(xiàn)增濕水經(jīng)過(guò)全氟磺酸膜管增濕器的流量和水壓控制功能，實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)補(bǔ)水功能，以及實(shí)時(shí)在線耐高溫高濕溫濕度傳感器檢測(cè)反饋功能，最后通過(guò)以上各功能的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)氣體溫濕度的精準(zhǔn)控制。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種用于燃料電池測(cè)試平臺(tái)的氣體增濕系統(tǒng)，由多級(jí)加熱系統(tǒng)，在線自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)，增濕水流量與壓力控制系統(tǒng)和氣體溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)組成，
多級(jí)加熱系統(tǒng)包括恒溫水浴鍋，加溫度控制器，加熱棒，恒溫水浴鍋內(nèi)設(shè)有若干根用于加熱增濕水的加熱棒，且加熱棒與溫度控制器連接，用于實(shí)現(xiàn)20-100°C之間多級(jí)溫度調(diào)節(jié)；
在線自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)包括恒溫水浴鍋，液位傳感器，常閉電磁閥恒溫水浴鍋內(nèi)設(shè)置液位CN 102544553 A傳感器，液位傳感器與給恒溫水浴鍋?zhàn)詣?dòng)添水的常閉電磁閥連接；增濕水流量與壓力控制系統(tǒng)包括可調(diào)節(jié)流量的水泵和背壓調(diào)節(jié)閥，恒溫水浴鍋與增濕器之間分別連接可調(diào)節(jié)流量的水泵和背壓調(diào)節(jié)閥，用于控制增濕水的流量和壓力；氣體溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)包括耐高溫高濕溫濕度傳感器，溫濕度控制單元，耐高溫高濕溫濕度傳感器設(shè)置在增濕器與燃料電池之間的管道上，并與溫濕度控制單元連接，溫濕度控制單元分別與可調(diào)節(jié)流量的水泵、背壓調(diào)節(jié)閥和溫度控制器連接，用于分別控制可調(diào)節(jié)流量的水泵、背壓調(diào)節(jié)閥和溫度控制器來(lái)改變?cè)鰸袼高^(guò)增濕器的速度和增濕水溫度。
增濕器由全氟磺酸膜管構(gòu)成；液位傳感器和常閉電磁閥分別連接電源；增濕器設(shè)有風(fēng)機(jī)。
本發(fā)明的有益效果是 本發(fā)明采用1.多級(jí)加熱系統(tǒng)以一個(gè)恒溫水浴鍋?zhàn)鰹樵鰸袼?，水浴鍋?nèi)有多根加熱棒可加熱增濕水，并添加溫度控制器12能控制加熱棒在運(yùn)行狀態(tài)使得水浴鍋中的增勢(shì)水源能實(shí)現(xiàn) 20-100°C之間多級(jí)溫度調(diào)節(jié)功能，使得增濕水溫度能精確的控制在一個(gè)溫度點(diǎn)上。
2.在線自動(dòng)補(bǔ)水在恒溫水浴鍋內(nèi)設(shè)置液位傳感器，當(dāng)恒溫水浴鍋內(nèi)水位過(guò)低時(shí)， 則打開常閉電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)添水功能。
3.增濕水流量與壓力控制選用一款可調(diào)節(jié)流量的水泵和背壓調(diào)節(jié)閥連接在恒溫水浴鍋與增濕器之間來(lái)進(jìn)行控制。根據(jù)濕度傳感器的信號(hào)反饋和氣體流量的大小要求，通過(guò)控制增濕水的流量和壓力來(lái)控制增濕水透過(guò)增濕器中全氟磺酸膜管的滲透速度，以精準(zhǔn)控制氣體需要達(dá)到的濕度。
4.氣體溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)增濕器選用全氟磺酸膜管增濕器，通過(guò)耐高溫高濕溫濕度傳感器來(lái)檢測(cè)進(jìn)入燃料電池的空氣溫濕度，在運(yùn)行燃料電池前設(shè)定一個(gè)空氣入口溫濕度值，當(dāng)檢測(cè)出空氣入口溫濕度不符合數(shù)值時(shí)，耐高溫高濕溫濕度傳感器發(fā)出信號(hào)通過(guò)溫濕度控制單元來(lái)分別控制可調(diào)節(jié)流量的水泵、背壓調(diào)節(jié)閥和溫度控制器來(lái)改變?cè)鰸袼高^(guò)全氟磺酸膜管的速度和增濕水溫度，以滿足不同氣體流量下不同濕度要求的準(zhǔn)確控制?？刂芌H的原理有兩種，一是通過(guò)控制全氟磺酸膜管增濕器的磺酸基團(tuán)濃度(磺酸基團(tuán)具有吸水性)來(lái)增加空氣中吸收的增濕水中水分子來(lái)實(shí)現(xiàn)濃差遷移；二是通過(guò)改變?cè)鰸袼畟?cè)壓力和流量使得空氣快速的帶走水分子來(lái)控制濕度來(lái)實(shí)現(xiàn)壓差遷移。
因此，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)增濕水溫度控制(多級(jí)加熱系統(tǒng))，實(shí)現(xiàn)增濕水經(jīng)過(guò)全氟磺酸膜管增濕器的流量和水壓控制功能，實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)補(bǔ)水功能，以及實(shí)時(shí)在線耐高溫高濕溫濕度傳感器檢測(cè)反饋功能，最后通過(guò)以上各功能的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)氣體溫濕度的精準(zhǔn)控制。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)原理圖； 圖2是增濕器結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
如圖1所示，用于燃料電池測(cè)試平臺(tái)用多級(jí)可變氣體增濕系統(tǒng)，其中恒溫水浴鍋 4加熱棒13和溫度控制器12可以對(duì)進(jìn)入燃料電池的增濕水源進(jìn)行多級(jí)加熱，溫度范圍為 200C -IOO0C ；可調(diào)節(jié)水流量的水泵5和背壓調(diào)節(jié)閥10可實(shí)現(xiàn)控制水流量和壓力，把恒溫水浴鍋4可調(diào)節(jié)水流量的水泵5和背壓調(diào)節(jié)閥10與全氟磺酸膜管增濕器9串聯(lián)接入燃料電池模塊6上，通過(guò)全氟磺酸膜管增濕器9水分轉(zhuǎn)換就可實(shí)現(xiàn)多級(jí)加熱和增濕流量的控制。
圖1中耐高溫高濕溫濕度傳感器8安裝在燃料電池模塊與全氟磺酸膜管增濕器增濕器9之間檢測(cè)進(jìn)入燃料電池的空氣溫濕度，高溫高濕溫濕度傳感器8、可調(diào)節(jié)水流量的水泵5、背壓調(diào)節(jié)閥10和溫度控制器與溫濕度控制單元6連接，設(shè)定一個(gè)RH值和溫度值，若高溫高濕溫濕度傳感器8測(cè)得的RH值和溫度值超出了設(shè)定值則溫濕度控制單元6通過(guò)電信號(hào)的指示來(lái)調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)水流量的水泵5、背壓調(diào)節(jié)閥10和溫度控制器來(lái)改變水流量、壓力和溫度來(lái)控制進(jìn)入燃料電池7模塊內(nèi)的增濕狀態(tài)。
圖1中液位傳感器3安裝在恒溫水浴鍋4內(nèi)并與電源2和常閉電磁閥1連接，當(dāng)恒溫水浴鍋4內(nèi)液位過(guò)低時(shí)，則通過(guò)液位傳感器3打開常閉電磁閥1添加增濕用水。
如圖2所示，全氟磺酸膜管增濕器9控制RH的原理圖，可通過(guò)兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)增濕效果的控制。方法一是通過(guò)控制全氟磺酸膜管14的磺酸基團(tuán)濃度(磺酸基團(tuán)具有吸水性)來(lái)增加空氣15中吸收的增濕水16中水分子17來(lái)實(shí)現(xiàn)濃差遷移；方法二是通過(guò)改變?cè)鰸袼?6側(cè)壓力和流量使得空氣15快速的帶走水分子17來(lái)控制濕度來(lái)實(shí)現(xiàn)壓差遷移。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池測(cè)試平臺(tái)的氣體增濕系統(tǒng)，由多級(jí)加熱系統(tǒng)，在線自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)， 增濕水流量與壓力控制系統(tǒng)和氣體溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)組成，其特征在于所述多級(jí)加熱系統(tǒng)包括恒溫水浴鍋(4)，加溫度控制器(12)，加熱棒(13)，恒溫水浴鍋 (4)內(nèi)設(shè)有若干根用于加熱增濕水的加熱棒(13)，且加熱棒(13)與溫度控制器(12)連接， 用于實(shí)現(xiàn)20-100°C之間多級(jí)溫度調(diào)節(jié)；所述在線自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)包括恒溫水浴鍋(4)，液位傳感器(3)，常閉電磁閥(1)，恒溫水浴鍋(4)內(nèi)設(shè)置液位傳感器(3)，液位傳感器(3)與給恒溫水浴鍋(4)自動(dòng)添水的常閉電磁閥(1)連接；所述增濕水流量與壓力控制系統(tǒng)包括可調(diào)節(jié)流量的水泵(5)和背壓調(diào)節(jié)閥(10)，恒溫水浴鍋(4)與增濕器(9)之間分別連接可調(diào)節(jié)流量的水泵(5)和背壓調(diào)節(jié)閥(10)，用于控制增濕水的流量和壓力；所述氣體溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)包括耐高溫高濕溫濕度傳感器(8)，溫濕度控制單元 (6)，耐高溫高濕溫濕度傳感器(8)設(shè)置在增濕器(9)與燃料電池(7)之間的管道上，并與溫濕度控制單元(6)連接，溫濕度控制單元(6)分別與可調(diào)節(jié)流量的水泵(5)、背壓調(diào)節(jié)閥 (10)和溫度控制器(12)連接，用于分別控制可調(diào)節(jié)流量的水泵(5)、背壓調(diào)節(jié)閥(10)和溫度控制器(12)來(lái)改變?cè)鰸袼高^(guò)增濕器(9)的速度和增濕水溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于燃料電池測(cè)試平臺(tái)的氣體增濕系統(tǒng)，其特征在于所述增濕器(9)由全氟磺酸膜管構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于燃料電池測(cè)試平臺(tái)的氣體增濕系統(tǒng)，其特征在于所述液位傳感器(3)和常閉電磁閥(1)分別連接電源(2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于燃料電池測(cè)試平臺(tái)的氣體增濕系統(tǒng)，其特征在于所述增濕器(9)設(shè)有風(fēng)機(jī)(11)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于燃料電池測(cè)試平臺(tái)的氣體增濕系統(tǒng)，由多級(jí)加熱系統(tǒng)，在線自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)，增濕水流量與壓力控制系統(tǒng)和氣體溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)組成。多級(jí)加熱系統(tǒng)包括恒溫水浴鍋，加溫度控制器，加熱棒，恒溫水浴鍋內(nèi)設(shè)有若干根用于加熱增濕水的加熱棒，且加熱棒與溫度控制器連接，用于實(shí)現(xiàn)20-100℃之間多級(jí)溫度調(diào)節(jié)。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)增濕水溫度控制(多級(jí)加熱系統(tǒng))，實(shí)現(xiàn)增濕水經(jīng)過(guò)全氟磺酸膜管增濕器的流量和水壓控制功能，實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)補(bǔ)水功能，以及實(shí)時(shí)在線耐高溫高濕溫濕度傳感器檢測(cè)反饋功能，最后通過(guò)以上各功能的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)氣體濕度的精準(zhǔn)控制。
文檔編號(hào)H01M8/04GK102544553SQ201210001459
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月5日
發(fā)明者張?jiān)妭? 張超, 徐麟, 沈軍, 陳凌云, 陶少龍, 顧榮鑫 申請(qǐng)人:昆山弗爾賽能源有限公司