專利名稱：用于燃料電池測試平臺的氣體增濕系統(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試平臺，尤其涉及一種測試質(zhì)子交換膜燃料電池測試平臺用的氣體增濕系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
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(wù)之急。燃料電池被認為是繼水力、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、無噪音、無污染等顯著優(yōu)點而在地面發(fā)電站、電動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、擴散層和雙極板組成。當燃料電池工作時，其內(nèi)部發(fā)生下述反應(yīng)過程反應(yīng)氣體在擴散層內(nèi)擴散，當反應(yīng)氣體到達催化層時，在催化層內(nèi)被催化劑吸附并發(fā)生電催化反應(yīng)；陽極反應(yīng)生成的質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜內(nèi)傳遞到陰極側(cè)，電子經(jīng)外電路到達陰極，同氧分子反應(yīng)結(jié)合成水，同時放出熱量。電極反應(yīng)為
陽極(負極)=H2 — 2H+ + 2e 陰極(正極)1/2 + 2H+ + 2e — H2O 電池反應(yīng) H2 + 1/2 — H2O
一個典型的質(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。這樣形成的一個燃料電池稱為單電池，為了增大整個質(zhì)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(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膜電極的陽極導(dǎo)流面，另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種極板叫做雙極板。電堆通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起。燃料電池堆在運行時，對增濕要求比較高，在運行過程中一旦進入電堆的增濕效果過大或過小，則將導(dǎo)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(shè)計增濕系統(tǒng)?，F(xiàn)有的相關(guān)專利
中國專利號為 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)進入或流出增濕系統(tǒng)。缺點在于不能用于測試平臺， 不能精確的檢測和控制氣體的相對濕度。中國專利號為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、速度控制及功率放大器、增濕轉(zhuǎn)鼓電機以及通訊接口，轉(zhuǎn)盤安裝在增濕轉(zhuǎn)鼓電機的主軸上，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。缺點是通過機械的方式來控制RH，在操作上比較復(fù)雜，不能精確的檢測和控制氣體的相對濕度。中國專利號為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)閥和濕度測量裝置；當濕度測量裝置檢測到的氣體的濕度不在預(yù)定范圍內(nèi)時，通過水量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)霧化噴嘴的進水量，直至濕度測量裝置檢測到的氣體的濕度達到預(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量裝置，根據(jù)檢測得到的濕度調(diào)節(jié)霧化噴嘴的進水量，從而可以對氣體的濕度進行實時控制。缺點是霧化水能耗較大，在與氣體混合過程中容易結(jié)露，易產(chǎn)生過量增濕的狀態(tài)，氣體的濕度不容易控制。中國專利號為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、噴水計量泵、噴水計量調(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，來自空氣壓縮裝置的高溫干燥空氣經(jīng)過高效空氣增濕器降溫增濕后輸入燃料電池堆使用。缺點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試平臺，不能精確的控制RH ；
2.燃料電池鼓增濕方式通過機械轉(zhuǎn)動的方式來控制氣體的濕度，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(jié)露，易產(chǎn)生過量增濕的狀態(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試平臺的氣體增濕系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)增濕水溫度控制(多級加熱系統(tǒng))，實現(xiàn)增濕水經(jīng)過全氟磺酸膜管增濕器的流量和水壓控制功能，實現(xiàn)在線自動補水功能，以及實時在線耐高溫高濕溫濕度傳感器檢測反饋功能，最后通過以上各功能的協(xié)同作用實現(xiàn)氣體溫濕度的精準控制。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種用于燃料電池測試平臺的氣體增濕系統(tǒng)，由多級加熱系統(tǒng)，在線自動補水系統(tǒng)，增濕水流量與壓力控制系統(tǒng)和氣體溫濕度的實時監(jiān)控系統(tǒng)組成，
多級加熱系統(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，用于實現(xiàn)20-100°C之間多級溫度調(diào)節(jié)；
在線自動補水系統(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自動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；氣體溫濕度的實時監(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)閥和溫度控制器來改變增濕水透過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)有風機。
本發(fā)明的有益效果是 本發(fā)明采用1.多級加熱系統(tǒng)以一個恒溫水浴鍋做為增濕水源，水浴鍋內(nèi)有多根加熱棒可加熱增濕水，并添加溫度控制器12能控制加熱棒在運行狀態(tài)使得水浴鍋中的增勢水源能實現(xiàn) 20-100°C之間多級溫度調(diào)節(jié)功能，使得增濕水溫度能精確的控制在一個溫度點上。
2.在線自動補水在恒溫水浴鍋內(nèi)設(shè)置液位傳感器，當恒溫水浴鍋內(nèi)水位過低時， 則打開常閉電磁閥來實現(xiàn)自動添水功能。
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進行控制。根據(jù)濕度傳感器的信號反饋和氣體流量的大小要求，通過控制增濕水的流量和壓力來控制增濕水透過增濕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濕度。
4.氣體溫濕度的實時監(jiān)控系統(tǒng)增濕器選用全氟磺酸膜管增濕器，通過耐高溫高濕溫濕度傳感器來檢測進入燃料電池的空氣溫濕度，在運行燃料電池前設(shè)定一個空氣入口溫濕度值，當檢測出空氣入口溫濕度不符合數(shù)值時，耐高溫高濕溫濕度傳感器發(fā)出信號通過溫濕度控制單元來分別控制可調(diào)節(jié)流量的水泵、背壓調(diào)節(jié)閥和溫度控制器來改變增濕水透過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確控制?？刂芌H的原理有兩種，一是通過控制全氟磺酸膜管增濕器的磺酸基團濃度(磺酸基團具有吸水性)來增加空氣中吸收的增濕水中水分子來實現(xiàn)濃差遷移；二是通過改變增濕水側(cè)壓力和流量使得空氣快速的帶走水分子來控制濕度來實現(xiàn)壓差遷移。
因此，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)增濕水溫度控制(多級加熱系統(tǒng))，實現(xiàn)增濕水經(jīng)過全氟磺酸膜管增濕器的流量和水壓控制功能，實現(xiàn)在線自動補水功能，以及實時在線耐高溫高濕溫濕度傳感器檢測反饋功能，最后通過以上各功能的協(xié)同作用實現(xiàn)氣體溫濕度的精準控制。


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。
具體實施方式
下面通過結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
如圖1所示，用于燃料電池測試平臺用多級可變氣體增濕系統(tǒng)，其中恒溫水浴鍋 4加熱棒13和溫度控制器12可以對進入燃料電池的增濕水源進行多級加熱，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，通過全氟磺酸膜管增濕器9水分轉(zhuǎn)換就可實現(xiàn)多級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之間檢測進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RH值和溫度值，若高溫高濕溫濕度傳感器8測得的RH值和溫度值超出了設(shè)定值則溫濕度控制單元6通過電信號的指示來調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)水流量的水泵5、背壓調(diào)節(jié)閥10和溫度控制器來改變水流量、壓力和溫度來控制進入燃料電池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，當恒溫水浴鍋4內(nèi)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，可通過兩種方法來實現(xiàn)對增濕效果的控制。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中吸收的增濕水16中水分子17來實現(xiàn)濃差遷移；方法二是通過改變增濕水16側(cè)壓力和流量使得空氣15快速的帶走水分子17來控制濕度來實現(xiàn)壓差遷移。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池測試平臺的氣體增濕系統(tǒng)，由多級加熱系統(tǒng)，在線自動補水系統(tǒng)， 增濕水流量與壓力控制系統(tǒng)和氣體溫濕度的實時監(jiān)控系統(tǒng)組成，其特征在于所述多級加熱系統(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， 用于實現(xiàn)20-100°C之間多級溫度調(diào)節(jié)；所述在線自動補水系統(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時監(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)來改變增濕水透過增濕器(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試平臺的氣體增濕系統(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試平臺的氣體增濕系統(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試平臺的氣體增濕系統(tǒng)，其特征在于所述增濕器(9)設(shè)有風機(11)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于燃料電池測試平臺的氣體增濕系統(tǒng)，由多級加熱系統(tǒng)，在線自動補水系統(tǒng)，增濕水流量與壓力控制系統(tǒng)和氣體溫濕度的實時監(jiān)控系統(tǒng)組成。多級加熱系統(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，用于實現(xiàn)20-100℃之間多級溫度調(diào)節(jié)。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)增濕水溫度控制(多級加熱系統(tǒng))，實現(xiàn)增濕水經(jīng)過全氟磺酸膜管增濕器的流量和水壓控制功能，實現(xiàn)在線自動補水功能，以及實時在線耐高溫高濕溫濕度傳感器檢測反饋功能，最后通過以上各功能的協(xié)同作用實現(xiàn)氣體濕度的精準控制。
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(yōu)先權(quán)日2012年1月5日
發(fā)明者張詩偉, 張超, 徐麟, 沈軍, 陳凌云, 陶少龍, 顧榮鑫 申請人:昆山弗爾賽能源有限公司