CN108023100A - 一种质子交换膜燃料电池超声加湿加热装置 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池超声加湿加热装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池超声加湿加热装置，包括加湿加热部分、燃料供给部分和超声驱动部分，加湿加热部分包括壳体和温湿度控制系统，壳体内设顶部开口的空腔，空腔内置多孔吸液透气芯，多孔吸液透气芯上端的空腔内铺设多孔金属纤维板，多孔金属纤维板上设有压电陶瓷片；隔板将空腔分隔为加热腔和吸液腔，吸液腔与燃料供给部分相连；加热腔内安装有光纤光栅温湿度传感器，光纤光栅温湿度传感器与温湿度控制系统相连，温湿度控制系统、压电陶瓷片均分别与超声驱动部分相连。本发明的有益效果为：利用多孔吸液透气芯较强的吸附力和弹性，将燃料吸附并转移至多孔金属纤维板的下面；利用压电陶瓷片将加热加湿后的氢气燃料射出，提高了燃料电池的能量密度。

Description

一种质子交换膜燃料电池超声加湿加热装置
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池超声加湿加热装置。
背景技术
能源紧缺与环境破坏迫使各国政府制定并深耕长期的能源战略，尤其是近年来新能源汽车的爆发式增长，更迫使全球学者、企业的个人与群体集中力量开发经济、高效的新能源解决方案，重点研究可再生能源与可持续利用能源，在此技术背景下，燃料电池(FuelCells)技术迅速崛起，并获得了巨大的发展。
燃料电池通常是在催化剂的作用下直接将化学能转化成电能，理论上只要能够及时地为燃料电池补充燃料，那么其能量输出可以认为是无限的，因此燃料电池被视为现阶段化石燃料最理想的替代产品之一。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种低温燃料电池，由于其电解质是由质子(H+)导电聚合物构成而得其名，在原理上相当于水电解的“逆”装置。PEMFC的半电池反应和总反应可表示如下：
阳极反应为：H2→2H++2e-
阴极反应为：
总反应:
质子交换膜燃料电池性能优越，结构简单、燃料易得且便于储存、比能量密度高、燃料补充迅速，此外，还具备以下特点：工作温度低，在室温下可快速启动；可以氢气、天然气/甲醇重整气等为燃料，以空气为氧化剂；运行安静，污染排放低；功率密度高，机动性好，在催化剂的作用下与氧气快速反应放电。因此，质子交换膜燃料电池具有代替锂离子电池等可充电电源的巨大潜力。
然而，如何进一步提高燃料电池的效率是当今研究的热点，燃料电池需要在一定的温度和湿度下工作，通过控制和调节燃料的温度以及湿度使燃料电池的性能达到最佳，从而提高燃料电池的运行效率，加湿以及加热氢气到指定温度和湿度，提高燃料电池的启动速度、保证定量供给燃料到电池阳极。针对现有质子交换膜燃料电池，电池性能弱，最大能量密度低的问题，现有燃料电池供料系统加热和加湿是分开进行，系统庞大繁杂，效率较低，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种响应速度快的质子交换膜燃料电池超声加湿加热装置。
本发明采用的技术方案为：一种质子交换膜燃料电池超声加湿加热装置，主要包括加湿加热部分、燃料供给部分和超声驱动部分，所述加湿加热部分包括壳体和温湿度控制系统，壳体内设顶部开口的空腔，空腔内置多孔吸液透气芯，多孔吸液透气芯上端的空腔内铺设多孔金属纤维板，多孔金属纤维板封闭空腔的上部开口；所述多孔金属纤维板上设有压电陶瓷片，压电陶瓷片与超声驱动部分相连；在空腔的上部设置有隔板，隔板将空腔分隔为加热腔和吸液腔；所述吸液腔内注满液态水，吸液腔与燃料供给部分相连；在加热腔内设有加热组件，加热组件与超声驱动部分相连；加热腔内安装有光纤光栅温湿度传感器，光纤光栅温湿度传感器与温湿度控制系统相连；温湿度控制系统与超声驱动部分相连；温湿度控制系统将光纤光栅温湿度传感器测得的温湿度信号传输至超声驱动部分，超声驱动部分根据温湿度信号驱动加热组件和压电陶瓷片工作。
按上述方案，所述加热组件包括金属加热丝，金属加热丝与超声驱动部分相连；金属加热丝内置于封闭的加热槽内，加热槽外壁固定有散热片。
按上述方案，所述加热槽的外侧涂有绝热材料。
按上述方案，所述燃料供给部分包括依次通过管道连通的氢气瓶、减压阀和质量流量计，质量流量计的出口通过导管与加湿加热部分的吸液腔连通。
按上述方案，导管上安设单向阀。
按上述方案，所述超声驱动部分包括阻抗匹配器、功率放大器和信号发生器，信号发生器的输入端与温湿度控制系统相连，信号发生器的输出端与功率放大器的输入端相连，功率放大器的输出端与阻抗匹配器的输入端相连，阻抗匹配器的输出端分别与金属加热丝和压电陶瓷片相连。
按上述方案，所述多孔金属纤维板为微米级百叶窗式结构。
本发明的有益效果为：
1、本发明利用多孔吸液透气芯较强的吸附力和弹性，将吸液腔中的燃料吸附并转移至多孔金属纤维板的下面；在加热腔内加湿后，利用压电陶瓷片和多孔金属纤维板将加热加湿后的氢气燃料射出进入燃料电池，这种主动式设计提高了燃料电池的能量密度，延长了燃料电池的工作时间；
2、温湿度控制系统、超声驱动部分的联合设计，实现了氢气燃料温湿度的实时调节，保证氢气燃料加湿加热至指定湿度和温度，提高了燃料电池的启动速度，保证为燃料电池定量供给燃料；
3、本发明中的多孔金属纤维板为微米级百叶窗式结构，气体与小液滴可自多孔金属纤维板穿过，氢气得到加湿；多孔金属纤维板的叶片分布间隔在微米级，可通过电动调整倾斜角度，可自由调整每个叶片之间的孔隙率、厚度等结构与物性参数，以满足不同使用工况对氢气过量系数的要求，实现对氢气传输结构的主动设计；
4、金属加热丝位于封闭的加热槽内，金属加热丝不与加热腔内的氢气直接接触，保证了装置的安全性；加热槽外侧面上的绝热材料，防止热量向加热腔外部消散；
5、本发明结构设计合理，可行性好，可靠性高。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的示意图。
图2为本实施例中加湿加热部分的原理图。
图3为本实施例中加湿加热部分的结构示意图。
其中：1、加湿加热部分；101、多孔金属纤维板；102、压电陶瓷片；103、光纤光栅温湿度传感器；104、加热腔；105、加热槽；106、线路输入输出通道，107、输入口；108、单向阀；109、吸液腔，110、多孔吸液透气芯；111、隔板；112、温湿度控制系统；2、燃料供给部分；2.1、氢气瓶；2.2、减压阀；2.3、质量流量计；3、超声驱动部分；3.1、阻抗匹配器；3.2、功率放大器；3.3、信号发生器。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
如图1所示的一种质子交换膜燃料电池超声加湿加热装置，主要包括加湿加热部分1、燃料供给部分2和超声驱动部分3，所述加湿加热部分1均分别与燃料供给部分2和超声驱动部分3相连，燃料供给部分2为加湿加热部分1提供燃料，超声驱动部分3驱动加湿加热部分1运作。
本发明中，所述加湿加热部分1包括壳体和温湿度控制系统112，壳体内设顶部开口的空腔，空腔内置具有吸附性和弹性的多孔吸液透气芯110，多孔吸液透气芯110上端的空腔铺设多孔金属纤维板101，多孔金属纤维板101封闭空腔的上部开口；所述多孔金属纤维板101上设有两块压电陶瓷片102，压电陶瓷片102与超声驱动部分3相连；在空腔的上部设置有隔板111，隔板111将空腔分隔为加热腔104和吸液腔109，加热腔104由空腔外壁、多孔金属纤维板101和多孔吸液透气芯110围合而成，吸液腔109由隔板111、空腔外壁和多孔吸液透气芯110围合而成，吸液腔109内注满液态水。在加热腔104内设有加热组件，加热组件与超声驱动部分3相连。加热组件包括加热金属丝，加热金属丝内置于封闭的加热槽105，加热槽105外壁固定有散热片，加热槽105的外侧(背向加热腔104的一侧)涂有绝热材料防止热量向外散失；所述金属加热丝与超声驱动部分3相连。加热腔104内安装有光纤光栅温湿度传感器103，光纤光栅温湿度传感器103与温湿度控制系统112相连，温湿度控制系统112同时与超声驱动部分3相连；温湿度控制系统112将光纤光栅温湿度传感器103测得的温湿度信号传输至超声驱动部分3，超声驱动部分3根据该信号控制输出功率的大小，以此驱动金属加热丝和压电陶瓷片102工作。壳体上还开设有线路输入输出管道106，用于温湿度控制系统112与压电陶瓷片102、金属加热丝和光纤光栅温湿度传感器103的电路安装；壳体上开设有与吸液腔109连通的输入口107，输入口107通过导管与燃料供给部分2连通。
本发明中，所述燃料供给部分2包括依次通过管道连通的氢气瓶2.1、减压阀2.2和质量流量计2.3，质量流量计2.3的出口通过导管与加湿加热部分1的吸液腔109连通，导管上安设单向阀108，防止吸液腔109内压强过大液体回流。
本发明中，所述超声驱动部分3包括阻抗匹配器3.1、功率放大器3.2和信号发生器3.3，信号发生器3.3的输入端与温湿度控制系统112相连，信号发生器3.3的输出端与功率放大器3.2的输入端相连，功率放大器3.2的输出端与阻抗匹配器3.1的输入端相连，阻抗匹配器3.1的输出端分别与金属加热丝和压电陶瓷片102相连。超声驱动部分3的信号发生器3.3根据温湿度控制系统112发送的温湿度信号输出与相应的功率对应设定的正弦信号，该信号经过功率放大器3.2进行放大，再经过阻抗匹配器3.1让输出的有效功率最大，最终的信号驱动压电陶瓷片102和金属加热丝工作。
本发明中，多孔金属纤维板101为微米级百叶窗式结构，气体与小液滴可自多孔金属纤维板101穿过，让氢气得到加湿；多孔金属纤维板101的实际厚度根据工作强度要求加工；多孔金属纤维板101的叶片分布间隔在微米级，可通过电动调整倾斜角度，可自由调整每个叶片之间的孔隙率、厚度等结构与物性参数，以满足不同使用工况对氢气过量系数的要求，实现对氢气传输结构的主动设计。
本发明的工作原理为：燃料供给部分2的氢气瓶2.1将燃料输送至加湿加热部分1的吸液腔109(工作线，经输入口107向吸液腔109内注满液态水)，吸液腔109内的燃料与液态水在多孔吸液透气芯110的吸附作用下转移至多孔金属纤维板101的下部；压电陶瓷片102通电，将电能转化成机械能并带动多孔金属纤维板101上下高频振动(周期短、速度快)，多孔金属纤维板101向下振动时挤压多孔吸液透气芯110的上端，多孔吸液透气芯110上部的气体与液态水分子从多孔吸液透气芯110的小孔射出，进入加热腔104内，同时多孔吸液透气芯110不断从吸液腔109补充氢气和液态水，保证加湿的连续性；加热腔104内的金属加热丝通电，对加湿的氢气加热，加热腔104内的光纤光栅温湿度传感器103实时监测加热腔104内的温度，并将实时温湿度信号反馈至温湿度控制系统112，温湿度控制系统接112收信号并将加热腔104内的实时温湿度与设置的指定温湿度进行对比分析，若实时温湿度低于指定温湿度，温湿度控制系统112通过超声驱动部分3的阻抗匹配器3.1、功率放大器3.2和信号发生器3.3驱动金属加热丝工作，继续加热加热腔1.4内的氢气，直至加热腔1.4内的氢气温湿度达到指定温湿度；若实时温湿度达到指定温湿度，温湿度控制系统112则通过超声驱动部分3的阻抗匹配器3.1、功率放大器3.2和信号发生器3.3向金属加热丝发送停止信号，同时由于压电陶瓷片102的高频振动带动多孔金属纤维板101一起上下振动，多孔金属纤维板101向上振动会挤压多孔金属纤维板101上部已经加湿加热好的氢气，加热腔104内的加湿加热氢气经多孔金属纤维板101喷出，由导管连接输送至燃料电池的阳极端燃料入口，多孔金属纤维板101向下振动挤压多孔吸液透气芯110从吸液腔109向上吸收氢气和水分，为加热腔104补充的氢气。压电陶瓷片102的振动频率可以控制多孔金属纤维板101的同步振动频率，以此调节氢气的加湿程度(振动快，多孔吸液透气芯110吸收的氢气和小液滴多，加湿程度高；振动较慢，吸收的氢气和小液滴少，加湿程度低)和吸取加湿氢气和排出加湿氢气的量。
最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种质子交换膜燃料电池超声加湿加热装置，其特征在于，主要包括加湿加热部分、燃料供给部分和超声驱动部分，所述加湿加热部分包括壳体和温湿度控制系统，壳体内设顶部开口的空腔，空腔内置多孔吸液透气芯，多孔吸液透气芯上端的空腔内铺设多孔金属纤维板，多孔金属纤维板封闭空腔的上部开口；所述多孔金属纤维板上设有压电陶瓷片，压电陶瓷片与超声驱动部分相连；在空腔的上部设置有隔板，隔板将空腔分隔为加热腔和吸液腔；所述吸液腔内注满液态水，吸液腔与燃料供给部分相连；在加热腔内设有加热组件，加热组件与超声驱动部分相连；加热腔内安装有光纤光栅温湿度传感器，光纤光栅温湿度传感器与温湿度控制系统相连；温湿度控制系统与超声驱动部分相连；温湿度控制系统将光纤光栅温湿度传感器测得的温湿度信号传输至超声驱动部分，超声驱动部分根据温湿度信号驱动加热组件和压电陶瓷片工作。
2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池超声加湿加热装置，其特征在于，所述加热组件包括金属加热丝，金属加热丝与超声驱动部分相连；金属加热丝内置于封闭的加热槽内，加热槽外壁固定有散热片。
3.如权利要求2所述的质子交换膜燃料电池超声加湿加热装置，其特征在于，所述加热槽的外侧涂有绝热材料。
4.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池超声加湿加热装置，其特征在于，所述燃料供给部分包括依次通过管道连通的氢气瓶、减压阀和质量流量计，质量流量计的出口通过导管与加湿加热部分的吸液腔连通。
5.如权利要求4所述的质子交换膜燃料电池超声加湿加热装置，其特征在于，导管上安设单向阀。
6.如权利要求2所述的质子交换膜燃料电池超声加湿加热装置，其特征在于，所述超声驱动部分包括阻抗匹配器、功率放大器和信号发生器，信号发生器的输入端与温湿度控制系统相连，信号发生器的输出端与功率放大器的输入端相连，功率放大器的输出端与阻抗匹配器的输入端相连，阻抗匹配器的输出端分别与金属加热丝和压电陶瓷片相连。
7.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池超声加湿加热装置，其特征在于，所述多孔金属纤维板为微米级百叶窗式结构。
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