CN104716357B - 一种用于燃料电池的增湿器 - Google Patents

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Abstract

本发明开发了一种燃料电池用增湿器，它采用鼓泡法对进入燃料电池的反应气（燃料和氧化剂）进行增湿。与常见的鼓泡增湿器不同，本发明的增湿器具有防止返水功能，可防止增湿器内的水返回增湿器之前的减压、气体流量测量/控制设备中，避免水腐蚀/堵塞设备部件，保证其正常使用寿命。

Description

一种用于燃料电池的增湿器
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池水管理方法，具体地说是涉及一种燃料电池反应气的增湿技术。
背景技术
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种能够将燃料中化学能直接转化为电能的发电装置，具有能量转化效率高、环境友好、结构简单、操作方便等优点，不仅可用于建设分散电站，也适宜用作可移动动力电源，是电动汽车、潜艇的理想候选电源之一。
PEMFC中核心部件为膜电极（MEA），MEA中膜的作用是传导质子、阻隔阴阳极气体。由于膜传导质子需要水的参与，一般采用对反应气预增湿方法，保证膜处于良好的水合状态。PEMFC中反应气增湿方法包括喷淋增湿、渗透膜增湿、焓轮增湿、鼓泡增湿等，其中鼓泡增湿法由于其所用设备简单、工艺简便、成本低廉等特点，在实验室燃料电池测试平台中较为常见。
鼓泡增湿法示意图如图1所示。在燃料电池运行前，首先往增湿器中添加合适的水量，电池运行时反应气自下而上进入增湿器，以鼓泡的方式得到润湿，然后再通入燃料电池发生电化学反应。通过调节气体流量、水温、液面高度可改变加湿量的大小。为使得反应气达到较高的湿度，通常还需要对增湿器进行加热，并且还可以放置一些多孔物质，如玻璃珠，用于分散增湿器内的气泡，增大水的蒸发表面积，便于反应气更好的润湿。
在实际的PEMFC测试平台中，反应气自气源（如高压气瓶）中出来，首先经过减压设备（包括减压阀、压力表等）将气压降低至燃料电池操作压力，然后才进入增湿器进行增湿。另外，为方便测量反应气流量，在增湿器之前还安装气体流量测量/控制设备（如转子流量计、质量流量控制器等）。上述减压、气体流量测量/控制设备通常需要在反应气干燥状态下才能正常工作，潮湿的气体会影响设备的测量、控制准确度，严重时会腐蚀/堵塞部件，造成设备失效，甚至会产生安全隐患。
由于减压、气体流量测量/控制设备安装在增湿器之前，PEMFC正常运行时，增湿器中的液态水是不会进入这些设备的，但在PEMFC停车时通常需要使用减压设备对整个管路中的气体进行泄压，若泄压速度控制不当，增湿器出口气体压力高于进口压力，则增湿器内的水极易沿管路倒灌进入减压、气体流量测量/控制设备，造成设备的准确度降低、失效或损坏。
发明内容
针对以上PEMFC中鼓泡增湿器常见的问题，本发明的目的在于开发一种具有防止返水功能的增湿器，可防止增湿水返回增湿器之前的减压、气体流量测量/控制设备中。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种可防止返水的鼓泡增湿器，主要部件包括增湿器和防返水板。此增湿器可为反应气增湿，反应气自防返水板上方进气，经防返水板下端出口进入水中，经鼓泡润湿后的气体再通入燃料电池。
所述的防返水板上端为反应气的进口，下端没入增湿器内水面以下；防返水板上端与增湿器内壁密封良好，将增湿器内部空间分为上下两部分，此上下两部分空间仅通过防返水板下端气孔连接。
防返水板上端与增湿器内壁的密封方式包括焊接、弹性材料密封等。
所述的增湿器中水的体积不大于防返水板上方增湿器空间的体积。
所述增湿器反应气包括燃料和氧化剂。
所述增湿器的水中可添加多孔状物质，如陶瓷环、玻璃珠等，用于分散反应气，增加水的蒸发表面积。
所述增湿器还可安装加热装置，可以用加热棒等直接进行加热；也可以使用换热器，使加热介质与增湿水进行热交换，所用的加热介质是高温水、油等，还可以利用燃料电池循环冷却水。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
通过在鼓泡增湿器中添加防返水板，可防止燃料电池停车时增湿器内的水返回位于增湿器之前的减压、气体流量测量/控制设备中，防止水腐蚀/堵塞设备部件，保证减压、气体测量/控制设备的正常使用寿命。本发明所述增湿器尤其适合应用于燃料电池测试平台中。
附图说明：
图1常见的鼓泡增湿器结构示意图
图2实施例1可防止返水的鼓泡增湿器结构示意图
图3实施例1中的防返水板
图4实施例2可防止返水的鼓泡增湿器结构示意图
图5实施例2中的防返水板
具体实施方式：
为使熟悉该项技艺人士了解本发明的目的、特征及功效，由下述具体实施例，并配合所附图式，对本发明详加说明，说明如后。
实施例1：
图2中的1为根据本发明所制作、具有防止返水功能的一种鼓泡增湿器，此增湿器可用于给PEMFC氧气增湿。此增湿器反应气进口、出口分别为2、3，进口2与增湿器之前的减压阀、压力表、气体流量计等相连接，出口3与燃料电池氧化剂入口相连接。此增湿器所用防返水板4形似漏斗，如图3所示，其中8为防返水板上端，9为下端。5为增湿器内高纯水，水位最低需淹没防返水板的下端，最高为反应气出口3的下边缘7。需要注意的是，增湿器内所能容纳的水体积不应超过防返水板上方空间的体积，即图2中的阴影6所示空间。
PEMFC运行前首先往增湿器1中注入适量的高纯水5，使水位淹没防返水板下端。当电池开始运行时，氧化剂氧气自进口2进入增湿器，然后从漏斗形防返水板下端9出来，在高纯水5中鼓泡润湿，然后自出口3进入燃料电池进行电化学反应。
当PEMFC停车时，即使增湿器之前的减压阀泄压速度很快，在增湿器进出口间形成负压（出口压力高于进口），增湿器内的水5将沿防返水板4的下端9上升进入空间6，由于空间6的体积可容纳增湿器内所有液态水，因此将不会有多余液态水通过进口2进入减压阀、压力表、气体流量计等设备，从而达到保护这些设备的目的。
实施例2：
图4中的1为根据本发明所制作、具有防止返水功能的另一种鼓泡增湿器，此增湿器可用于给PEMFC氢气增湿。
与实施例1不同的是，此增湿器防返水板进行了改进，如图4所示，漏斗的容积更大，这样可使得防返水板上方空间更大，容纳更多的增湿水；增湿器内添加了一些多孔陶瓷环10，用于分散气泡，增加水的蒸发表面积；此外还安装了换热器11，换热器用于为增湿器内水加热，其中12为增湿器内被加热的水、气体通道，13、14分别换热器的进出口。此换热器11与燃料电池循环冷却水腔连接，因此可以利用燃料电池热量，有利于节约能源、提高能量利用率。
此增湿器反应气进口2与增湿器之前的减压阀、压力表、气体流量控制器相连接，出口3与燃料电池燃料入口相连接。PEMFC开始运行时，燃料氢气自进口2进入增湿器，然后从防返水板下端9出来，在高纯水5中所鼓气泡被多空陶瓷环10分散；另外由于换热器11的作用，增湿水温较高，散碎的气泡与高温增湿水进行充分的水汽交换，达到一定的湿度，然后自出口3进入燃料电池进行电化学反应。
当PEMFC停车时，即使在增湿器进出口间形成负压，在防返水板4的作用下也不会有多余液态水通过进口2进入减压阀、压力表、流量计等设备，从而达到保护这些设备的目的。

Claims (4)

1.一种具有防止返水功能的鼓泡增湿器，其特征在于：增湿器(1)内部设置防返水板(4)，返返水板上端(8)为反应气的进口，下端(9)没入增湿水(5)面以下；防返水板上端(8)与增湿器内壁为密封结构，将增湿器内部空间分为上下两部分，此上下两部分空间仅通过防返水板下端(9)气孔连接；增湿水的体积不大于防返水板上方增湿器空间的体积；燃料电池反应气自增湿器防返水板上端(8)进气，经防返水板下端(9)出口进入增湿水(5)中，经鼓泡增湿后的气体再通入燃料电池。
2.根据权利要求1所述的具有防止返水功能的鼓泡增湿器，其特征在于：所述防返水板上端(8)与增湿器内壁的密封结构，是通过焊接或弹性材料密封实现。
3.根据权利要求1所述的具有防止返水功能的鼓泡增湿器，其特征在于：所述反应气包括燃料和氧化剂。
4.根据权利要求1所述的具有防止返水功能的鼓泡增湿器，其特征在于：所述增湿器能够安装加热装置，用加热棒直接进行加热或使用换热器使加热介质与增湿水进行热交换，所用的加热介质是高温水、油或燃料电池循环冷却水。
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