CN109921064B - 基于超声波振动加湿器的小型质子交换膜燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声波振动加湿器的小型质子交换膜燃料电池，由外接气源、第一压力阀、流量阀、加湿器、湿度传感器、压力表、第二压力阀、燃料电池组成；外接气源、第一压力阀、流量阀、加湿器、湿度传感器、压力表、第二压力阀、燃料电池依次连接。本发明由于采用超声波振动加湿并根据电池功率设计加湿器内水槽尺寸，能够用于便携式移动电子产品的质子交换膜燃料电池。

Description

基于超声波振动加湿器的小型质子交换膜燃料电池

技术领域

本发明属于清洁能源技术领域，特别是涉及一种基于超声波振动加湿器的小型质子交换膜燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池在工作时需要保持质子的传导性。这需要质子交换膜保持充分湿润，膜内的水含量太少，会导致质子传导的阻抗增大。同时，如果膜内的水含量太多，会导致阴极水淹，降低空气扩散的能力。因此，保持质子交换膜的充分润湿是燃料电池稳定、高效工作的重要前提条件。

现有的燃料电池增湿方法包括膜加湿、液态水注射增湿、升温增湿、液态水喷射增湿、鼓泡增湿以及自增湿等。

1、膜加湿，在膜一侧通入热水，另一侧通入被增湿气体。依靠膜的阻气特性和水的浓差引起扩散实现增湿。膜增湿实际上是一个没有催化剂的假电池，成本、体积、重量较高。

2、注射增湿，通过在导流道上的多孔基板向反应气体中连续注射水蒸汽实现增湿。

3、升温增湿，反应气体在将进入电池前先通过一个指定温度的加湿器，加湿器内的水蒸发后和反应气体一起进入到电池。通常加湿器温度比电池反应温度高10°～15°。优点是设备简单、工艺简便，缺点是响应慢，不适用于电池负载变化大的情况。

4、液态水喷射加湿器由液态水喷射室和用于回收多余水分的膨胀室构成。水滴在喷嘴处被高压气体雾化，喷入到反应气体中并蒸发，再随反应气体一起经过膨胀室。

5、鼓泡法加湿器的主体是一个底部填有玻璃珠的盛水容器。反应气体进入加湿器底部，玻璃珠提供了很大的蒸发表面积，气体在玻璃珠表面和水起泡，完成对反应气体的加湿。这种方法适用于小流量，在大流量时气体鼓泡后会带出过多的液态水。

6、自增湿。自增湿技术无需从外界获取水分，利用电池阴极电化学反应生成的水和燃料电池的内部结构，使质子交换膜燃料电池即PEMFC内部水分达到平衡状态。一般的思路就是，一是在催化层加入纳米级Pt颗粒或亲水材料颗粒；二是通过减小膜厚或制作憎水层，增大膜两侧的水浓度梯度，提高水的反渗。自增湿，一是相对湿度的控制难度大，二是属于内增湿，在膜电极组件制备的同时加入亲水颗粒，本身不是独立加工的部件。

这些现有的增湿方案虽然可以达到增湿目的，但往往存在体积过大、结构复杂、价格偏高、加工难度大等问题。在小型燃料电池商用化方面，需要综合考虑体积、价格、实用等多方面因素。超声波技术是一种成熟技术，利用由压电陶瓷制作的雾化片的压电效应，通过施加高频交变电场使雾化片产生超声波机械振动。广泛用于清洗、测距、塑胶熔接、机械加工、水表、空气加湿等行业。

超声波加湿器的工作原理是超声波传导到雾化片周围液体，在表面发生空化效应，产生直径几微米的雾状水粒逸出水面。这种雾状水粒表面积很大，在周围环境中迅速汽化，通过风扇，水雾扩散到室内空气中。目前超声波加湿器主要应用于室内空气加湿，和燃料电池对加湿的要求有着很大的不同。对于电池用加湿器，加湿后气体进入到双极板流道，不需要室内加湿器的风扇设计，同时，由于雾化片产生的是液滴，虽大部分气化，但仍有少部分以液滴形式存在，不能直接通入到双极板，需要做专门处理。当前超声波加湿器产品如果要在燃料电池上使用，还需在功率、结构尺寸、功能、外观等方面进行改造。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于超声波振动加湿器的小型质子交换膜燃料电池，解决了现有技术中燃料电池加湿器体积过大、结构复杂、价格偏高、加工难度大的问题。

本发明所采用的技术方案是，基于超声波振动加湿器的小型质子交换膜燃料电池，由外接气源、第一压力阀、流量阀、加湿器、湿度传感器、压力表、第二压力阀、燃料电池组成；外接气源、第一压力阀、流量阀、加湿器、湿度传感器、压力表、第二压力阀、燃料电池依次连接。

进一步的，所述加湿器由上盖和基座组成，上盖和基座通过螺纹连接，且上盖和基座之间设有密封圈，上盖顶部设有进气口和出气口，出气口靠近上盖的内部设有防漏护网，基座靠近上盖的一侧设有水槽，水槽的上部设有水槽上盖，水槽的下部中央设有孔，孔底部设有雾化片，雾化片通过控制器与插头电连接。

进一步的，所述水槽的下部中央设有孔，孔为中空的圆台形状，孔的大小和雾化片相匹配。

进一步的，所述控制器分为电源和振荡电路，振荡电路由控制模块和振荡模块组成；控制模块由滑动变阻器RP1、电阻R5组成，振荡模块分由电容C5、电容C4、电容C3、电容C2、电容C1、电阻R4、电阻R3、电阻R2、电阻R1、电感L2、电感L1、雾化片即HD1、晶体管Q1、二极管D1组成。

进一步的，所述电阻R5的一端和滑动电阻器RP1的一端均电源U5的输出端连接，电阻R5的另一端和滑动电阻器RP1的另一端均与电阻R3的一端相连接，电阻R3的另一端分别与电感L2的一端、电容C5的一端、电阻R4的一端连接，电感L2的另一端与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端分别与电容C2的一端、电阻R1的一端、电容C3的一端连接，电容C2的另一端与HD1的一端相连接，电阻R1的另一端分别与电容C1的一端和晶体管Q1的基极连接，电容C3的另一端分别与晶体管Q1的发射极、电容C4的一端、二极管D1的输入端和电感L1的一端连接，电源U5的输出端3分别与HD1的另一端、电容C1的另一端、晶体管Q1的集电极、二极管D1的输出端、电容C4的另一端连接，电源U5的输出端1分别与电容C5的另一端、电阻R4的另一端和电感L1的另一端连接。

进一步的，所述防漏护网为多层堆叠的网。

进一步的，所述雾化片为压电陶瓷换能器。

本发明的有益效果是，与现有技术相比，本发明适用于质子交换膜燃料电池加湿装置的小型化，尤其是用于便携式移动电子产品的质子交换膜燃料电池。本发明在加湿器出气口增加了多层护网结构，有效减少液滴的流入；施加在雾化片上的偏置电压可连续调整，改变雾化片的输出功率，实现根据小型燃料电池工作功率的要求调整所需要的加湿量；并根据电池功率设计加湿器内水槽尺寸；增加了出口气体湿度传感器，结合加湿器输出功率调整电路，可实现定输出相对湿度的定量控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是基于超声波振动加湿器的小型质子交换膜燃料电池的示意图。

图2是基于超声波振动加湿器的小型质子交换膜燃料电池中加湿器的结构示意图。

图3是基于超声波振动加湿器的小型质子交换膜燃料电池中加湿器的控制电路示意图。

图中，1.第一压力阀，2.流量阀，3.加湿器，31.上盖，32.基座，311.进气口，312.出气口，313.水槽上盖，314.防漏护网，321.水槽，322.雾化片，323.控制器，324.插头，4.湿度传感器，5.压力表，6.第二压力阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

基于超声波振动加湿器的小型质子交换膜燃料电池，如图1所示，由外接气源、第一压力阀1、流量阀2、加湿器3、湿度传感器4、压力表5、第二压力阀6、燃料电池组成；外接气源、第一压力阀1、流量阀2、加湿器3、湿度传感器4、压力表5、第二压力阀6、燃料电池依次连接；

第一压力阀1，用于控制、调节进入燃料电池的反应气体压力，位于燃料电池的供气系统的进气管路上；

流量阀2，用于控制进入燃料电池的反应气体流量，位于燃料电池的供气系统的进气管路上，与第一压力阀1输出端连接；

加湿器3，用于产生水气，给进入燃料电池的反应气体的气流加湿；

加湿器3由上盖31和基座32组成，如图2所示，上盖31与基座32通过螺纹连接，且上盖31与基座32之间设有密封圈，上盖31顶部设有进气口311和出气口312，出气口312靠近上盖31的内部设有防漏护网314，基座32靠近上盖31的一侧设有水槽321，水槽321的上部设有水槽上盖313，水槽321的下部中央设有孔，孔底部设有雾化片322，雾化片322通过控制器323与插头324电连接；

水槽321的下部中央设有孔，孔为中空的圆台形状，孔的大小和雾化片322相匹配；

出气口312处设置有防漏护网314，防止较大液滴进入到出气管路，防漏护网314为多层堆叠的网，网孔起到汇聚液体，利用毛细力阻止液滴进入到出气管路，防漏护网314表面可做憎水处理；

雾化片322为压电陶瓷换能器，压电陶瓷换能器输出功率体现在压电陶瓷振动幅度上，雾化片322振动幅度会影响水雾液滴大小，过大的液滴不利于迅速气化，过小不能使液滴雾化。如果液滴进入到电池，会在阴极积聚，降低氧气扩散，降低电池性能。雾化片322振动幅度的设置和雾化片322的尺寸、谐振频率、水深、加湿气体流量有关；

控制器323的电路结构简图如图3所示，分为电源和振荡电路，其中振荡电路由控制模块和振荡模块组成；控制模块由滑动变阻器RP1、电阻R5组成，振荡模块分由电容C5、电容C4、电容C3、电容C2、电容C1、电阻R4、电阻R3、电阻R2、电阻R1、电感L2、电感L1、雾化片322即HD1、晶体管Q1、二极管D1组成。通过调整控制模块的滑动变阻器RP1的阻值，进而改变振荡模块的输出功率，改变排雾量。

电阻R5的一端和滑动电阻器RP1的一端均电源U5的输出端连接，电阻R5的另一端和滑动电阻器RP1的另一端均与电阻R3的一端相连接，电阻R3的另一端分别与电感L2的一端、电容C5的一端、电阻R4的一端连接，电感L2的另一端与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端分别与电容C2的一端、电阻R1的一端、电容C3的一端连接，电容C2的另一端与HD1的一端相连接，电阻R1的另一端分别与电容C1的一端和晶体管Q1的基极连接，电容C3的另一端分别与晶体管Q1的发射极、电容C4的一端、二极管D1的输入端和电感L1的一端连接，电源U5的输出端3分别与HD1的另一端、电容C1的另一端、晶体管Q1的集电极、二极管D1的输出端、电容C4的另一端连接，电源U5的输出端1分别与电容C5的另一端、电阻R4的另一端和电感L1的另一端连接；

电源U5的输出端2的输出电压用于给控制模块供电，电源U5的输出端3的输出电压用于给振荡模块供电，电源U5的输出端1为GND端；电源U5的输出端2的输出电压和电源U5的输出端3的输出电压根据需求进行设定；

湿度传感器4，用于监测加湿器3输出的水气；

压力表5，用于监测从加湿器3输出的气流压力；

第二压力阀6，用于控制从加湿器3输出的气流压力。

反应气体的气流流动过程：反应气体由外接气源经进气管路，依次通过第一压力阀1和流量阀2，进入到加湿器3内加湿，再通过加湿器3的出气管路，依次经过湿度传感器4、压力表5和第二压力阀6，最终进入到燃料电池的进气端。

加湿器3通过在雾化片322上施加交变电场，使其产生超声波振动，其周围液体在超声波作用下产生直径几微米的均匀雾状水粒逸出水面。雾状水粒表面积很大，在周围环境中迅速汽化，达到迅速加湿目的。

第一压力阀1、流量阀2、加湿器3、第二压力阀6的控制，通过手动单独调节各自的输出量或者按照预先设定的加湿方案，采用数字化的自动控制。

防止液滴进入到电池，通过控制雾化片322的输出功率来实现。

燃料电池工作时，加湿前的反应气体由外接气源经进气导管进入加湿器3，雾化片322通过控制器323与插头324电连接，通过调节控制器323的电阻，控制雾化片322的输出功率，对气体进行加湿，气体透过水槽上盖313后被水槽321中的水气加湿，加湿后的反应气体，经过防漏护网314，通过出气口312，最终进入到燃料电池。

本发明使用雾化片322产生超声波振动，使水槽321内的水迅速汽化，达到加湿进入到加湿器3内的反应气体的目的。根据电池输出功率和反应气体流量，通过改变控制器323的电位器调整施加在雾化片322的电压，进而改变其振动幅度，定量地调节水蒸汽生成的量，在出气口312设置防漏护网314，防止较大的水滴进入出气管路。

不同于现有的燃料电池增湿方法，本发明由于采用超声波振动加湿原理，因此大大减小加湿器3的尺寸，小型质子交换膜燃料电池在工作时，气体流量通常不超过1slpm(常温常压下每分钟1公升)，增湿到100％RH，以一次加水可连续工作1小时计算，使用超声波加湿器，所需水量不超过8mL，考虑雾化片322的工作效率和安全性，本发明采用的水箱容量不超过20毫升，而其他加湿方法，需要的水箱容量往往有几百毫升。

实施例

基于超声波振动加湿器的小型质子交换膜燃料电池的控制器323中，电源U5的输出端2的输出电压为12V，电源U5的输出端3的输出电压为19V，滑动电阻器RP1的电阻为5KΩ、电阻R5的电阻为10KΩ、电阻R3的电阻为0.6KΩ、电感L2的电感为0.33mH、电容C5的电容为0.01μF、电阻R2的电阻为10Ω、电阻R4的电阻为4.6KΩ、电容C2的电容为0.047μF、电阻R1的电阻为4Ω、电容C1的电容是100pF、电容C3的电容是0.047μF、电容C4的电容是0.015μF。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.基于超声波振动加湿器的小型质子交换膜燃料电池，其特征在于，由外接气源、第一压力阀(1)、流量阀(2)、加湿器(3)、湿度传感器(4)、压力表(5)、第二压力阀(6)、燃料电池组成；外接气源、第一压力阀(1)、流量阀(2)、加湿器(3)、湿度传感器(4)、压力表(5)、第二压力阀(6)、燃料电池依次连接；

所述加湿器(3)由上盖(31)和基座(32)组成，上盖(31)和基座(32)通过螺纹连接，且上盖(31)和基座(32)之间设有密封圈，上盖(31)顶部设有进气口(311)和出气口(312)，出气口(312)靠近上盖(31)的内部设有防漏护网(314)，基座(32)靠近上盖(31)的一侧设有水槽(321)，水槽(321)的上部设有水槽上盖(313)，水槽(321)的下部中央设有孔，孔底部设有雾化片(322)，雾化片(322)通过控制器(323)与插头(324)电连接；

所述水槽(321)的下部中央设有孔，孔为中空的圆台形状，孔的大小和雾化片(322)相匹配；所述防漏护网(314)为多层堆叠的网；所述雾化片(322)为压电陶瓷换能器；

所述控制器(323)分为电源和振荡电路，振荡电路由控制模块和振荡模块组成；控制模块由滑动变阻器RP1、电阻R5组成，振荡模块分由电容C5、电容C4、电容C3、电容C2、电容C1、电阻R4、电阻R3、电阻R2、电阻R1、电感L2、电感L1、雾化片(322)即HD1、晶体管Q1、二极管D1组成；

所述电阻R5的一端和滑动电阻器RP1的一端均电源U5的输出端连接，电阻R5的另一端和滑动电阻器RP1的另一端均与电阻R3的一端相连接，电阻R3的另一端分别与电感L2的一端、电容C5的一端、电阻R4的一端连接，电感L2的另一端与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端分别与电容C2的一端、电阻R1的一端、电容C3的一端连接，电容C2的另一端与HD1的一端相连接，电阻R1的另一端分别与电容C1的一端和晶体管Q1的基极连接，电容C3的另一端分别与晶体管Q1的发射极、电容C4的一端、二极管D1的输入端和电感L1的一端连接，电源U5的输出端3分别与HD1的另一端、电容C1的另一端、晶体管Q1的集电极、二极管D1的输出端、电容C4的另一端连接，电源U5的输出端1分别与电容C5的另一端、电阻R4的另一端和电感L1的另一端连接。