CN101013759A - 可测量湿度的燃料电池空气供应系统及其湿度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池，尤其涉及燃料电池空气供应系统及所供空气湿度的测量方法，目的是提供一种能够准确测量所供空气湿度的燃料电池空气供应系统，并提供一种准确测量燃料电池空气供应系统湿度的方法。一种可测量湿度的燃料电池空气供应系统，包括依次连接的过滤器、压缩机、增湿器和中冷器，所述增湿器和中冷器之间设有湿度传感器、第一压力表和第一温度传感器；所述中冷器出口段设有第二压力表和第二温度传感器。本发明最大的特点在于并不对燃料电池空气供应系统所供空气湿度进行直接测量，通过换算公式，间接得出空气供应系统所供空气准确的湿度。

Description

可测量湿度的燃料电池空气供应系统及其湿度测量方法

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其涉及燃料电池空气供应系统及所供空气湿度的测量方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池用作车、船动力系统或手提式、移动式和固定式的发电站时必须包括电池堆、燃料氢气供应、空气供应、冷却散热、自动控制及电能输出各个部分。

为了保证燃料电池长期运行的稳定性，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，从电极阳极端到达电极阴极端参加电化学反应。否则，当大量干燥的空气向燃料电池供应并离开燃料电池时，容易将质子交换膜中的水分子带走，使质子无法顺利通过质子交换膜，导致电极内阻急剧增加，电池性能急剧下降。所以向燃料电池供应的空气一般来说需要经过增湿，使进入燃料电池的空气相对湿度提高，以免使质子交换膜失水。

由于进入燃料电池空气的湿度与燃料电池的性能密切相关，因此要对其准确的测量以便进行严格控制。实际上，燃料电池都具有空气供应系统，供应系统出来的空气即进入燃料电池内部，所以测量燃料电池空气的湿度可以通过测量空气供应系统出口段的空气湿度来完成。

目前所用的燃料电池一般直接在空气供应系统的中冷器出口段加设湿度传感器来测量该处的空气湿度，并以此获得燃料电池的空气湿度，但是这种获得燃料电池空气湿度的办法存在的最大问题是：当前绝大多数湿度传感器都存在探头一旦沾上冷凝水则测量失灵的弊端，而空气供应系统的空气经过压缩机作用温度较高(超过130℃)，再经增湿、降温，达到中冷器的出口段有相变发生，极易产生冷凝水，而使湿度传感器失灵，一旦冷凝水没有被及时带走，将极大的影响系统对增湿装置的调节控制，最终影响燃料电池的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够准确测量所供空气湿度的燃料电池空气供应系统，本发明的进一步目的是提供一种准确测量燃料电池空气供应系统湿度的方法。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种可测量湿度的燃料电池空气供应系统，包括依次连接的过滤器、压缩机、增湿器和中冷器，所述增湿器和中冷器之间设有湿度传感器、第一压力表和第一温度传感器；所述中冷器出口段设有第二压力表和第二温度传感器。

一种可测量湿度的燃料电池空气供应系统的湿度测量方法，包括如下步骤：

1)测量出所述增湿器和中冷器之间空气的湿度φ₁、温度t₁和空气压力P₁；

2)测量出所述中冷器(11)出口段空气的温度t₂和空气压力P₂；

3)换算出所述中冷器(11)出口段的空气湿度φ₂，换算公式为

${\mathrm{\φ}}_2=\frac{{\mathrm{\φ}}_1\·P_{t1,H_{2}O}^{\mathrm{\Θ}}\·P_2}{P_1\·P_{t2,H_{2}O}^{\mathrm{\Θ}}}$

其中P_t1，H2O ^Θ为温度t₁下水的饱和蒸汽压，P_t2，H2O ^Θ为温度t₂下水的饱和蒸汽压。

本发明最大的特点在于并不对燃料电池空气供应系统所供空气湿度进行直接测量，从而避开了直接测量所带来的不利因素；本发明选择了空气供应系统中两个位置进行湿度、温度和压力等相关数据测量，并且保证这些测量数据的准确性，然后通过换算公式，间接得出空气供应系统所供空气准确的湿度。

附图说明

图1为燃料电池系统结构示意图。

具体实施方式

见图1，燃料电池系统的储氢罐1中存储高压氢气，上述氢气通过减压阀2后进入燃料电池堆3，在燃料电池堆3的出口侧设有氢气循环泵4把流出的氢气返回电池堆3。所述燃料电池的空气供应系统包括过滤器9、压缩机8、增湿器7和中冷器11，外界空气经过滤器9滤净进入压缩机8，洁净空气在压缩机中增温(温度超过130℃)，然后进入增湿器7中增加湿度。由于燃料电池堆3的工作温度在70℃以下，所以经过增湿的高温空气还要经过中冷器11降温，最后进入燃料电池堆3。

所述燃料电池空气供应系统的增湿器7和中冷器11之间还设有湿度传感器13、第一压力表15和第一温度传感器14；所述中冷器11出口段还设有第二压力表16和第二温度传感器12。在燃料电池堆3的出口侧设有散热器10，并有水箱5承接散热器出来的凝结水，水箱中的水通过水泵6返回电池堆中。

本发明所述燃料电池空气湿度的测量方法，包括以下步骤：

1)测量出所述增湿器7和中冷器11之间空气的湿度φ₁、温度t₁和空气压力P₁；

2)测量出所述中冷器11出口段空气的温度t₂和空气压力P₂；

3)换算出所述中冷器11出口段的空气湿度φ₂，换算公式为

${\mathrm{\φ}}_2=\frac{{\mathrm{\φ}}_1\·P_{t1,H_{2}O}^{\mathrm{\Θ}}\·P_2}{P_1\·P_{t2,H_{2}O}^{\mathrm{\Θ}}}$

其中P_t1，H2O ^Θ为温度t₁下水的饱和蒸汽压，P_t2，H2O ^Θ为温度t₂下水的饱和蒸汽压。

所述湿度传感器13安装在增湿器7和中冷器11之间，此时空气温度很高，肯定不会出现冷凝水影响湿度传感器工作的情况，能够准确测量出该处的空气湿度φ₁，位于中冷器11出口段处由于空气经过降温很容易出现冷凝水，但是并不影响在此处准确测量出温度t₂，同样也可以准确测量出增湿器和中冷器之间的温度t₁和空气压力P₁，以及中冷器出口段的空气压力P₂；然后经过换算公式转换，就可以得到中冷器11出口段的空气湿度，也即燃料电池的空气湿度，进而用于准确的对增湿器调节控制。

Claims (2)

1、一种可测量湿度的燃料电池空气供应系统，包括依次连接的过滤器(9)、压缩机(8)、增湿器(7)和中冷器(11)，其特征在于：所述增湿器(7)和中冷器(11)之间设有湿度传感器(13)、第一压力表(15)和第一温度传感器(14)；所述中冷器(11)出口段设有第二压力表(16)和第二温度传感器(12)。

2、一种权利要求1所述可测量湿度的燃料电池空气供应系统的湿度测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)测量出所述增湿器(7)和中冷器(11)之间空气的湿度φ₁、温度t₁和空气压力P₁；

2)测量出所述中冷器(11)出口段空气的温度t₂和空气压力P₂；

3)换算出所述中冷器(11)出口段的空气湿度φ₂，换算公式为

${\mathrm{\φ}}_2=\frac{{\mathrm{\φ}}_1\·P_{t1,H_{2}O}^{\mathrm{\Θ}}\·P_2}{P_1\·P_{t2,H_{2}O}^{\mathrm{\Θ}}}$

其中P_t1，H2O ^Θ为温度t₁下水的饱和蒸汽压，P_t2，H2O ^Θ为温度t₂下水的饱和蒸汽压。

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