CN101165953A - 一种用于小型pem燃料电池测试台的湿化系统 - Google Patents

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曾壎
刘振泰
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Abstract

本发明提供一种适用于小型PEM燃料电池测试台的气体加热和湿化系统。为了提高小型湿化系统的湿化控制精度，采用了预热气相和液相至预定温度的方法，这样大大降低了湿化器的加热负荷。进入湿化系统的去离子水和反应剂气体可以根据被湿化反应剂气体的流量由控制系统预设到略高于饱和温度，这样进入湿化器的气体反应剂在接近饱和温度下通过传质吸收水分，尽可能减少湿化器的轴向温差。使饱和温度的控制更为精确可靠。

Description

一种用于小型PEM燃料电池测试台的湿化系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术，尤其涉及一种用于小型PEM燃料电池测试台的湿化系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种能够将富氢燃料及氧化剂连续高效地转化成电能的装置。质子交换膜燃料电池由在质子膜两侧分别涂有催化层而组装成的三合一膜电极(Membrane Electrode Assembly，MEA)、反应气体燃料侧的流场板、空气侧流场板组成。其核心部件是三合一膜电极，其结构为：中间为质子交换膜，两侧分别涂有阴极催化层和阳极催化层，最外侧有气体扩散层。
质子交换膜燃料电池工作时，燃料通过阳极气体扩散层，在阳极催化层表面发生电化学反应，失去电子，形成质子(H+)，H+可通过质子交换膜，到达膜电极的阴极一侧。与此同时，含有氧化剂的气体通过阴极扩散层，在阴极催化层表面与透过质子膜的质子发生反应，生成水。
在采用氢气、空气作为燃料的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应的方程式为：
阳极反应H2→2H++2e
阴极反应O2+4H++4e→2H2O
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，对其进行保湿。因为只有水化的质子才可以自由地穿过质子交换膜，从电极阳端到达电极阴端参加电化学反应。否则，当大量干燥的空气向燃料电池供应，它们离开时容易将质子交换膜中的水分子带走，导致质子无法穿过质子交换膜，电极内阻急剧增加，电池性能急剧下降。所以，燃料电池中质子交换膜增湿的目的就是使质子交换膜保持传输质子的能力，增湿不足，质子交换膜传输能力差，影响电池性能；增湿过分，会淹没电极，同时也会导致电池性能的下降。因此，增湿是质子交换膜燃料电池的关键技术。
目前应用于质子交换膜燃料电池增湿的方式主要有两类：
1、外增湿：湿化装置与燃料电池组分开，并在燃料电池组外部独立存在的湿化装置。主要通过氢气气体或空气气体直接在这种外增湿装置中与水分子通过充分混合碰撞促使气体吸收汽化的水分子来达到湿化气体的目的。
2、内增湿：内增湿装置是燃料电池组组成的一部分。燃料电池组分为两个部分，一个部分叫内增湿段，另一个部分叫电池活性工作段。内增湿段由增湿导流板与增湿电极构成，而电池活性工作段由导流板与膜电极构成。增湿电极往往由一种可以进行水分子自由交换的膜组成，这种膜可以让去离子水在膜的一边流动，而让燃料气体或氧化剂气体，如空气在膜的另一边流动，膜可以将燃料气体或空气与液态水分子分隔开，但水分子又可以自由穿过膜进入燃料气体或空气中去，而达到湿化目的。
发明内容
本发明提供一种适用于小型PEM燃料电池测试台的气体加热和湿化系统。为了提高小型湿化系统的湿化控制精度，采用了预热气相和液相至预定温度的方法，这样大大降低了湿化器的加热负荷。进入湿化系统的去离子水和反应剂气体可以根据被湿化反应剂气体的流量由控制系统预设到略高于饱和温度，这样进入湿化器的气体反应剂在接近饱和温度下通过传质吸收水分，尽可能减少湿化器的轴向温差。使饱和温度的控制更为精确可靠。
附图说明
图1为小型测试台湿化系统示意图
图2为小型测试台湿化系统改进后的实施方案
具体实施方式
来自去离子水管道的去离子水经补液泵1进入液相加热器2，加热到预定温度T1后送入平衡罐6。来自于反应剂气源的反应剂气体经气体流量控制器3按规定的流量计量后进入气体预热器4，加热到预定温度T2后进入湿化器5。平衡罐中的去离子水通过平衡管进入湿化器5参与气液交换，将热量和水分交换给反应剂直至达到饱和。高气液交换面积的湿化器中装有比表面积达到700～2000M2/M3的高校填料，每米填料的理论搭板数可以达到8～40。这样大大强化了反应剂和热去离子水的气液交换，保证了被湿化气体在湿化饱和温度点T3处达到完全饱和。除沫器7用于捕集饱和反应剂气体中可能夹带的水雾，确保进入过热器的反应剂气体处于完全饱和状态。由反应剂进堆温度传感器T4所反馈的温度信号，经控制系统根据实验所设定的反应剂相对湿度和温度设置值，通过PID控制方式控制过热器8的温度，以保证进入燃料电池电堆的反应剂满足实验设定的温度及相对湿度条件。湿化器5的液位由装在平衡罐6上的液位计L通过电磁阀和控制开关和补液泵1进行控制。

Claims (7)

1.一种用于小型PEM燃料电池测试台的湿化系统，包括补液泵1，液位监测和郁热罐(2+6)，气体流量控制器3，气体预热器5，高气液交换面积湿化器5，除沫器7，过热器8。
2.权利要求1所述的补液泵，控制其转速，使其连续供水，确保湿化器中的液位稳定。这样湿化器中的气液交换及压力降变得更为稳定。
3.权利要求1所述的液位监测和预热罐，将原来分离的加热器和平衡罐合并为一个容器，并在预热罐底部增设一个温度检测点。由于扩大了液位监测和预热罐的直径，可以将电加热器较大的功率配置在液位监测和预热罐上，较小的加热功率配置在湿化器5上，这样由于起笔温度传递所造成的温度失调或超调会减少。
4.测试台湿化系统液相预热温度T1和气相预热温度T2的设置值与反应剂流量关联，通过热量平衡和实验计算建立一个关联式，进一步提高控制精度。
5.权利要求1所述的高气液交换面积湿化器5，将原先用于去离子水和气体加热的填料部分移出湿化器，这样湿化器中用于传质的有效搭板数会增加。
6.权利要求1所述的液位监测和预热罐(2+6)与湿化器5之间形成三根连接管道的系统。
7.权利要求6所述的三根连接管道，控制液位高于接管b时，温度较低的液体从接管a返回液位监测和预热罐。加热后的液体从接管b进入湿化器5，形成一个和蒸馏塔塔底再沸腾一样的自然对流循环。接管c用作气相连通管。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112201815A (zh) * 2020-08-31 2021-01-08 湖北德普电气股份有限公司 一种大功率氢燃料电池电堆测试仪加湿模块
CN114176666A (zh) * 2021-12-28 2022-03-15 上海交通大学 一种具有恒压、恒温、加湿功能的二氧化碳气腹管路

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PB01 Publication
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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