CN102420334B - 质子交换膜燃料电池自反馈加湿器 - Google Patents

Abstract

一种质子交换膜燃料电池自反馈加湿器，包括加湿器本体，加湿器本体两端分别设置有进气口和出气口，加湿器本体内设置有液态水喷射机构，液态水喷射机构与供水管相连，供水管连接加湿水箱，供水管上设置有水量控制阀，其中：进气口和出气口上均设置有流量计、压力表和温度计，流量计、压力表和温度计的信号输出端均与控制器连接，控制器还与水量控制阀相连，控制器为能依据进气口和出气口流量、压力和温度得出准确加水量并控制水量控制阀开启度的控制装置。本发明能够通过压力表、温度计和流量计对进、出口的压力、温度和流量进行监测，有效保障加湿器安全性，并能够根据测得的数据，由控制器对加湿度进行控制，容易实现加湿的自反馈。

Description

质子交换膜燃料电池自反馈加湿器

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，具体地指一种能够对质子交换膜燃料电池的反应气进行自反馈加湿的质子交换膜燃料电池自反馈加湿器。

背景技术

燃料电池是一种电化学发电装置，由于它能量转化效率高(50％～70％)、对环境污染小、噪音低等突出的优越性，燃料电池技术的研究和开发备受各国政府与大公司的重视，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。在各种类型的燃料电池中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)很适用于便携式电源和运输工具。大多数汽车公司开发的燃料电池也大都着重于PEMFC。

质子交换膜燃料电池是一种能够将氢气和氧气储存的能量直接转化为电能的发电装置，其反应气的湿度对电池性能有着重要的影响，因此对反应气的加湿度控制就显得非常必要。目前，电堆的加湿方式主要分为内加湿和外加湿两种。内加湿是指在电堆内部加入加湿段以实现对反应气的加湿，它依靠膜的阻气特性与水在膜内的浓差扩散来实现。加湿段实际上是一个假电池，其结构与电池结构一样，但其电极上无催化剂，不发生电化学反应。在膜的一侧通入热水，另一侧通入需要加湿的气体，如氢气或氧气(空气)。一般来说，根据所采用的加湿段的加湿能力不同，加湿段占电堆的1/10～1/5左右。这种方式会使电池结构复杂化，而且难以维护，严重影响了电池的性能。外加湿技术又可以分为增温加湿、蒸气注射加湿和直接液态水喷射加湿。增温加湿是将反应气通过一个水箱，在一定温度条件下，水箱内的水在蒸气压作用下蒸发，并同反应气一起进入电池，反应气的湿化程度完全依赖于湿化温度，湿化温度越高，电池性能越好，其优点是设备简单、工艺简便，缺点是当电池快速启动或负载大幅度变化时，加湿不能够及时同步响应。蒸气注射加湿是通过附加在导流通道上的多孔基板向反应气中连续注入水蒸气进行湿化的方式，其缺点为结构复杂，并且提高了电池的制作成本。直接液态水喷射加湿是将液态水直接注入反应气中进行湿化的方式，当气流中的水蒸气不足以补偿水从阳极到阴极的迁移量时，注入的液态水有更强的补偿能力，而且伴随液态水的蒸发，还可以起到冷却电极的作用，其性能优于相同温度下采用增温加湿的电池性能。同时具有结构简单、效率高的优点。然而这种方式一般是采取单一的孔径结构来实现对反应气的加湿，这种单一流通方式难以控制加湿量，加湿不足或过度都会对电池性能造成影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种质子交换膜燃料电池自反馈加湿器，能够有效实现质子交换膜燃料电池在进行直接液态水喷射加湿时的自反馈加湿。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种质子交换膜燃料电池自反馈加湿器，包括加湿器本体，所述加湿器本体两端分别设置有进气口和出气口，所述加湿器本体内设置有液态水喷射机构，所述液态水喷射机构与供水管相连，供水管连接加湿水箱，供水管上设置有水量控制阀，其特别之处在于：所述进气口和出气口上均设置有流量计、压力表和温度计，所述流量计、压力表和温度计的信号输出端均与控制器连接，所述控制器还与水量控制阀相连，所述控制器为能依据进气口和出气口流量、压力和温度得出准确加水量并控制水量控制阀开启度的控制装置。

上述技术方案中，所述液态水喷射机构为竖直布置在加湿器本体内的喷管，所述喷管上开设有喷孔。

上述技术方案中，所述液态水喷射机构为布置在加湿器本体顶部和/或下部的喷嘴。

上述技术方案中，所述加湿器本体内嵌置有初级多孔结构块，所述初级多孔结构块的厚度为1～10cm，呈“L”状；所述初级多孔结构块的孔径范围为0.1～1mm。

进一步地，所述初级多孔结构块的外端设置有次级多孔结构块，所述次级多孔结构块的厚度为1～10cm；所述次级多孔结构块的孔径范围为1～10μm。

更进一步地，所述初级多孔结构块侧板和次级多孔结构块之间留有缓冲区，所述缓冲区厚度为1～10cm。

上述技术方案中，所述加湿器本体的底部设置有回流管，所述回流管与加湿水箱相连。

本发明的有益效果在于：能够通过压力表、温度计和流量计对进、出口的压力、温度和流量进行监测，有效保障加湿器安全性，并能够根据测得的数据，由控制器对加湿度进行控制，容易实现加湿的自反馈，且整个装置结构简单。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例二的结构示意图；

图3为本发明实施例三的结构示意图；

图中：1-流量计，2-压力表，3-温度计，4-喷管，4’-喷嘴，5-喷孔，6-初级多孔结构块，7-缓冲区，8-次级多孔结构块，9-回流管，10-控制器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步的详细描述：

实施例一：

如图1所示，本发明的一种质子交换膜燃料电池自反馈加湿器，包括加湿器本体，加湿器本体两端分别设置有进气口和出气口。在加湿器本体内设置有液态水喷射机构，本实施例中的液态水喷射机构为竖直布置在加湿器本体内的若干喷管4，喷管4上开设有喷孔5，喷管4与供水管相连，供水管则连接加湿水箱，供水管上设置有水量控制阀，用于控制供水水量。此外，进气口和出气口上均设置有流量计1、压力表2和温度计3，流量计1、压力表2和温度计3的信号输出端均与控制器10连接，该控制器10还与水量控制阀相连。控制器10为能依据进气口和出气口流量、压力和温度得出准确加水量并控制水量控制阀开启度的控制装置。控制器10可选用具有数据存储模块的控制器10，该控制器10可以将流量、压力、温度和对应加水量的数据(真值表)存储至存储模块内，可根据测量值准确从数据库中搜寻并找到对应加水量，以控制水量控制阀的开启度；还可以选用带有运算芯片的控制器，将流量、压力和温度以及对应加水量的运算公式录入进运算芯片，可根据测量值准确算出加水量，控制水量控制阀开启。以反应气是H₂为例，设其进气流量为，出气口的气体流量为m，则加湿水量为m-

，出气口的气体压力为P、温度为T，则出气口气体的相对湿度RH满足：

$\frac{m_{H_2}/M_{H_2}}{m-m_{H_2}/M_{H_{2}O}}=\frac{p-\mathrm{RH}\·p_{\mathrm{sat}}\left(T\right)}{\mathrm{RH}\·p_{\mathrm{sat}}\left(T\right)}$

其中，p_sat(T)为温度为T时的水蒸气饱和压力，

和分别为H₂和H₂O的摩尔质量，于是相对湿度RH为：

$\mathrm{RH}=\frac{p}{(1+\frac{m_{H_2}/M_{H_2}}{m-m_{H_2}/M_{H_{2}O}})p_{\mathrm{sat}}\left(T\right)}$

而加湿水量为：

$m-m_{H_2}=\frac{m_{H_2}}{M_{H_2}}\·\frac{M_{H_{2}O}}{\frac{p}{\mathrm{RH}\·p_{\mathrm{sat}}\left(T\right)}-1}$

由上式可以看出，气体的目标加湿度(即出气口气体的相对湿度RH)已知，通过监控气体的进气流量

、出口压力P和温度T就可以计算出所需要的加湿水量

。由上式计算出的数据，可以输入到控制器10的存储模块中，由控制器10来控制水量控制阀的开启度。

为了实现对反应气的初步加湿并防止液态水流出加湿器本体，进入燃料电池，影响电池性能，在加湿器本体内可嵌置初级多孔结构块6，其厚度为1～10cm、孔径范围为0.1～1mm，呈“L”状。其底板设置在加湿器本体底部，用以搜集多余的加湿水，其侧板与加湿器本体内腔密封，经过喷水加湿后的反应气通过初级多孔结构块6时，其内过多的液态水能够被多孔结构阻留，并流至初级多孔结构块6的底板内。

为进一步精确控制加湿度，在初级多孔结构块6外端还可嵌置次级多孔结构块8，其厚度为1～10cm、孔径范围为1～10μm。在加湿器本体内嵌置不同孔径范围的多孔结构块的意义在于更好的使气体获得目标加湿度。气体通过初级多孔结构块6时的速率要比通过次级多孔结构块8的速率更快，使得气体在初级多孔结构块6获得基础加湿后，在通过次级多孔结构块8时能够获得更均匀的加湿，达到目标加湿度。

为了使反应气在多孔结构中的流动时间加长，增强加湿效果，在初级多孔结构块6侧板和次级多孔结构块8之间可留设缓冲区7，该缓冲区7厚度为1～10cm。

为保证加湿水能够循环使用，在加湿器本体底部还可设置回流管9，该回流管9的一端与初级多孔结构块6的底板联通、另一端连接加湿水箱。搜集到的多余加湿水可以通过回流管9流入加湿水箱内重复利用。

本装置的工作原理如下：质子交换膜燃料电池的反应气进行加湿时，反应气通过本加湿器的进气口进入加湿器本体，通过出气口流出，其间喷管4喷出液态水对反应气进行加湿。加湿过程中，设置在加湿本体两端的流量计1、压力表2和温度计3会实时采集数据，并将数据反馈至控制器10。控制器10根据接收到的流量、压力和温度等数据准确得出加水量，并将控制信号传至水量控制阀，通过控制其开启程度，控制加水量。确保加湿过程的精确。

实施例二：

本实施例的其它结构和原理与实施例一相同，区别仅在于，该处的液态水喷射机构为布置在加湿器本体顶部的喷嘴4’。

实施例三：

本实施例的其它结构和原理与实施例一相同，区别仅在于，该处的液态水喷射机构为布置在加湿器本体顶部和下部的喷嘴4’。

本发明的核心在于在加湿器本体的进气口和出气口上均设置流量计1、压力表2和温度计3，且其信号输出端均与控制器10相连，再由控制器10准确控制加水量以实现加湿量的自反馈，所以其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神，例如：喷管4或者喷嘴4’的个数及布置方式不限于实施例所述，只要能均匀的对反应气进行加湿即可；流量计1、压力表2和温度计3的个数也可以是多个；初级多孔结构块6和次级多孔结构块8的厚度、孔径、是否设置缓冲区7等均可根据质子交换膜燃料电池的规格进行调整等。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (9)

1.一种质子交换膜燃料电池自反馈加湿器，包括加湿器本体，所述加湿器本体两端分别设置有进气口和出气口，所述加湿器本体内设置有液态水喷射机构，所述液态水喷射机构与供水管相连，供水管连接加湿水箱，供水管上设置有水量控制阀，其特征在于：所述进气口和出气口上均设置有流量计（1）、压力表（2）和温度计（3），所述流量计（1）、压力表（2）和温度计（3）的信号输出端均与控制器（10）连接，所述控制器（10）还与水量控制阀相连，所述控制器（10）为能依据进气口和出气口流量、压力和温度得出准确加水量并控制水量控制阀开启度的控制装置；所述加湿器本体内嵌置有初级多孔结构块（6），所述初级多孔结构块（6）的厚度为1~10cm，呈“L”状。

2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池自反馈加湿器，其特征在于：所述液态水喷射机构为竖直布置在加湿器本体内的喷管（4），所述喷管（4）上开设有喷孔（5）。

3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池自反馈加湿器，其特征在于：所述液态水喷射机构为布置在加湿器本体顶部和/或下部的喷嘴（4’）。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的质子交换膜燃料电池自反馈加湿器，其特征在于：所述初级多孔结构块（6）的孔径范围为0.1~1mm。

5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的质子交换膜燃料电池自反馈加湿器，其特征在于：所述初级多孔结构块（6）的外端设置有次级多孔结构块（8），所述次级多孔结构块（8）的厚度为1~10cm。

6.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池自反馈加湿器，其特征在于：所述次级多孔结构块（8）的孔径范围为1~10μm。

7.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池自反馈加湿器，其特征在于：所述初级多孔结构块（6）侧板和次级多孔结构块（8）之间留有缓冲区（7），所述缓冲区（7）厚度为1~10cm。

8.根据权利要求6所述的质子交换膜燃料电池自反馈加湿器，其特征在于：所述初级多孔结构块（6）侧板和次级多孔结构块（8）之间留有缓冲区（7），所述缓冲区（7）厚度为1~10cm。

9.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的质子交换膜燃料电池自反馈加湿器，其特征在于：所述加湿器本体的底部设置有回流管（9），所述回流管（9）与加湿水箱相连。

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