CN110957511A - 一种集成式燃料电池测试平台气体加湿加温装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成式燃料电池测试平台气体加湿加温装置，包括壳体和湿热交换模块，湿热交换模块包括第一隔水板、第二隔水板和换热管，第一隔水板、第二隔水板和壳体之间形成气体流道、第一循环热水流道和第二循环热水流道，换热管的两端分别与上述两块隔水板相连，换热管连通第一循环热水流道和第二循环热水流道，壳体上设有循环热水进口、循环热水出口、喷淋水进口、喷淋水出口、气体进口和气体出口。本发明以加湿片阵列和换热管阵列作为湿/热交换主体，喷淋水在湿/热交换模块的表面形成大面积水膜和蒸气，保证气‑水表面充分接触，实现了同时进行湿热交换的过程。

Description

一种集成式燃料电池测试平台气体加湿加温装置
技术领域
本发明涉及气体加湿加温技术领域，具体涉及一种集成式燃料电池测试平台气体加湿加温装置。
背景技术
燃料电池测试平台是一种用于测试和评价燃料电池的专业设备，可以对电池堆进行性能测试、耐久性测试、活化、出厂检验等，是燃料电池研究、生产和质量检测不可缺少的设备。质子交换膜燃料电池在反应过程中，需要有适量的水分子参与才能保证其电化学反应顺利进行，水分子不足和过量都会严重影响电池性能，而控制燃料电池进气温湿度可以实现电池湿度的控制。所以在燃料电池测试平台中，气体温湿度控制与模拟技术至关重要，是评测燃料电池的一项关键技术。
目前，燃料电池测试平台进气加湿技术主要有鼓泡加湿、焓轮加湿、膜增湿器加湿、蒸汽加湿、喷淋加湿、湿膜加湿等。鼓泡加湿是将气体以气泡的形式与水接触，实现加温加湿；该技术的缺点是难于精准控制、响应速度慢、气量要求大时设备体积过于庞大。焓轮加湿属于气-气加湿，是一种利用燃料电池排出废气中的水分和热量来给进入燃料电池的气体加湿加热的方法；焓轮增湿的湿度控制范围较窄、可靠性差，不适用于大功率的燃料电池测试系统。膜增湿器加湿可以进行气-气加湿，也可以进行气-水加湿，但膜增湿器存在密封和承压问题，气-气(水)压差要求苛刻且耐压能力差。蒸汽加湿是将高温蒸汽喷射到气体管道内，与干气混合使气体增湿，蒸汽加湿缺点是需要高温蒸汽且系统复杂。喷淋加湿是将液态水通过高压喷嘴将液体雾化喷射到容器内与气体混合，使气体加温加湿，其加湿效率低，特别是对于大气量要求时效果不理想。湿膜加湿是利用湿膜材料加湿气体，当干燥的加热气体通过湿膜材料时，干燥的气体被加湿；湿膜加湿的设备体积偏大、气体需要提前加热，而且湿膜材料易变质污染，需要经常更换、清洗和换水，操作复杂。
专利CN101577338B公开了一种燃料电池加湿器，包括气液交换区、热交换区以及喷头控制区。其工作原理是：气体进入气液交换区后与喷头控制区喷出的水雾进行水热交换，使气体达到过饱和，然后经过下部热交换区加热升温，再经过滤器除去液态水进入燃料电池。该装置利用喷头喷出的水雾进行水热交换，与现有喷淋加湿技术的原理基本相同，不同的是引进了燃料电池冷凝水加热技术，让冷凝水通过多孔换热板对气体进行升温，并在气体出口增加了电加热装置再次对气体加热控温。该装置对喷淋水量要求较为严格，系统较为复杂，水量调整和水压调整无法实现快速响应，对于大气量加湿需求，该发明的加湿加热效果仍不理想。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，而研究设计一种集成式燃料电池测试平台气体加湿加温装置，来解决现有加湿加热装置的加湿效率低、响应速度慢、加湿效果不理想的缺点。本发明采用的技术手段如下：
一种集成式燃料电池测试平台气体加湿加温装置，包括壳体和湿热交换模块，所述湿热交换模块设于所述壳体的内部，所述湿热交换模块包括第一隔水板、第二隔水板和至少一根换热管，所述第一隔水板和第二隔水板均将所述壳体的内部空间隔断，所述第一隔水板和第二隔水板之间形成气体流道，所述第一隔水板与所述壳体之间形成第一循环热水流道，所述第二隔水板与所述壳体之间形成第二循环热水流道，所述换热管设于所述气体流道内，所述换热管的两端分别与所述第一隔水板和第二隔水板相连，所述换热管连通所述第一循环热水流道和第二循环热水流道，所述壳体上设有与所述第一循环热水流道或第二循环热水流道相连的循环热水进口，所述壳体上设有与所述第一循环热水流道或第二循环热水流道相连的循环热水出口，所述壳体上设有与所述气体流道相连的喷淋水进口、喷淋水出口、气体进口和气体出口。
优选地，所述湿热交换模块还包括至少一块加湿片，所述加湿片垂直于所述换热管，所述加湿片呈阵列式排布在所述第一隔水板和第二隔水板之间，所述换热管贯穿加湿片阵列。
优选地，所述湿热交换模块包括多根换热管，所述换热管呈阵列式排布在所述第一隔水板和第二隔水板之间，所述气体流道包括气体换热流道以及位于气体换热流道两侧的第一气体流道和第二气体流道，所述换热管设于所述气体换热流道内。
优选地，所述壳体内设有至少一块导流隔板，所述导流隔板平行于所述换热管阵列，所述导流隔板将所述壳体分隔为多个舱室，所述舱室之间的气体流道首尾连通形成折流通道，所述舱室之间的第一循环热水流道和第二循环热水流道首尾连通形成折流通道。
优选地，所述壳体为圆柱形罐体，所述第一隔水板和第二隔水板垂直于所述壳体的圆形端面，所述换热管和导流隔板平行于所述壳体的圆形端面。
优选地，所述壳体内设有三块导流隔板，所述导流隔板将所述壳体分隔为四个舱室，每一个舱室包括一个湿热交换单元。
优选地，所述第一隔水板和第二隔水板的结构相同，所述第一循环热水流道和第二循环热水流道的结构相同，所述第一气体流道和第二气体流道的结构相同。
优选地，所述气体流道内设有至少一个喷淋头，所述喷淋头与所述喷淋水进口相连，所述喷淋头采用广角形实心锥喷嘴。
优选地，所述换热管的外壁设有螺旋翅片。
与现有技术比较，本发明所述的一种集成式燃料电池测试平台气体加湿加温装置，有益效果如下：
1、本装置以加湿片阵列和换热管阵列作为湿/热交换主体，通过喷淋水在湿热交换模块的表面形成大面积水膜和蒸气，提高了蒸汽混合度，保证气-水表面充分接触，实现了同时进行湿热交换的过程。
2、本装置的加湿片阵列和换热管阵列设计的有效工作面积为理论值的数倍，湿热交换模块内部各处加湿加热效果均匀，可以高效、快速、充分的加湿加温。
3、本装置的全部功能部件都集成在壳体内部，装置集成度高，体积小、耐压高。
附图说明
图1是本发明在实施例1中的正视剖视结构示意图；
图2是本发明在实施例1中的左视剖视结构示意图；
图3是本发明在实施例1中的俯视剖视结构示意图；
图4是本发明在实施例1中湿热交换单元的俯视剖视结构示意图；
图5是本发明在实施例2中的俯视剖视结构示意图；
图6是本发明在实施例2中湿热交换单元的俯视剖视结构示意图；
图7是本发明在实施例3中的正视剖视结构示意图；
图中，1、壳体；2、导流隔板；3、湿热交换模块；4、循环热水进口；5、循环热水出口；6、喷淋水进口；7、喷淋水出口；8、气体进口；9、气体出口；11、第一舱室；12、第二舱室；13、第三舱室；14、第四舱室；15、喷淋头；21、气体流道；22、第一循环热水流道；23、第二循环热水流道；31、换热管；32、加湿片；33、第一隔水板；34、第二隔水板；35、湿热交换单元；36、螺旋翅片；211、气体换热流道；212、第一气体流道；213、第二气体流道。
具体实施方式
实施例1：
如图1-4所示，一种集成式燃料电池测试平台气体加湿加温装置，包括壳体1和湿热交换模块3，壳体1为圆柱形罐体，湿热交换模块3设于壳体1的内部。湿热交换模块3包括第一隔水板33、第二隔水板34和多根换热管31，第一隔水板33和第二隔水板34均垂直于圆柱形罐体的圆形端面，换热管31平行于圆柱形罐体的圆形端面。第一隔水板33和第二隔水板34互相平行设置，第一隔水板33和第二隔水板34均将壳体1内部的空间隔断，第一隔水板33和第二隔水板34与圆柱形罐体的内壁采用密封焊接。第一隔水板33和第二隔水板34之间形成气体流道21，第一隔水板33与壳体1之间形成第一循环热水流道22，第二隔水板34与壳体1之间形成第二循环热水流道23。气体流道21包括气体换热流道211以及位于气体换热流道211两侧的第一气体流道212和第二气体流道213，换热管31设于气体换热流道211内，换热管31的两端分别与第一隔水板33和第二隔水板34相连，换热管31呈阵列式排布在第一隔水板33和第二隔水板34之间，换热管31连通第一循环热水流道22和第二循环热水流道23。换热管31阵列的各进水口和各出水口分别汇集到上述两块隔水板上，隔水板上对应的位置设有用于与换热管31相通的开孔，换热管31与隔水板之间采用密封焊接，保证装置的密封性。换热管31阵列中的循环热水会导致圆柱形罐体内的温度升高，可使得湿热交换模块3内的喷淋水汽化，进而产生蒸汽，壳体1内的湿热交换过程更充分，本装置的加湿加温效果更好。
壳体1上设有与第一气体流道212相连的喷淋水进口6、气体进口8和气体出口9，壳体1上设有与第二气体流道213相连的喷淋水出口7。增湿水从喷淋水进口6进入壳体1内部后，依靠重力下落，依次经过第一气体流道212和气体换热流道211后，汇集到第二气体流道213，最终通过喷淋水出口7排出至壳体1外部。喷淋水进口6和喷淋水出口7与壳体1外部的循环水罐和水泵循环管路连接，共同组成喷淋水循环系统，根据气体加热所需温度要求，可通过温控器自动控制加湿水的温度，实现同时加湿和加热。
壳体1上设有与第一循环热水流道22相连的循环热水进口4和循环热水出口5，循环热水进口4和循环热水出口5与壳体1外部的加热水罐和水泵循环管路连接，共同组成加热循环水系统。根据气体加热所需温度要求，可通过温控器自动控制加热循环水的温度。
同时为保证加热后的气体具有一定的湿度，可通过调整加湿水和循环热水温度，以此控制加热后的气体温度高于气体中水蒸气的露点温度，避免气体中夹带液滴的问题。
进一步地，湿热交换模块3还包括多块加湿片32，加湿片32垂直于换热管31且覆盖换热管31阵列，加湿片32呈阵列式排布在第一隔水板33和第二隔水板34之间，换热管31贯穿加湿片32阵列。湿热交换模块3由密集等距平行排列的长方形加湿片32阵列、均匀等距分布的换热管31阵列和换热管31阵列两侧的第一隔水板33和第二隔水板34构成。壳体1内部的喷淋水会附着在换热管31阵列和加湿片32阵列，增大了气体的加湿、换热面积，提升了加湿和换热效果。
进一步地，壳体1内设有三块导流隔板2，导流隔板2均平行于圆柱形罐体的圆形端面，三块导流隔板2将圆柱形罐体的内部分为四个舱室，分别为第一舱室11、第二舱室12、第三舱室13和第四舱室14。每个舱室的中部是一个湿热交换单元35，湿热交换单元35由加湿片32阵列和换热管31阵列垂直堆叠构成，湿热交换单元35内各处气体的加湿加温效果均匀，气体的整体加湿加温效果良好。
本实施例中，导流隔板2同时将第一循环热水流道22和第一气体流道212分隔开，或者导流隔板2同时将第二循环热水流道23和第二气体流道213分隔开。第一循环热水流道22、第二循环热水流道23和换热管31共同构成循环热水流道。每个舱室中的气体流道之间首尾连通形成单向折流通道，每个舱室中的循环热水流道之间首尾连通形成折流通道。将与圆柱形罐体内径相同的圆形板材去除需要连通的部分后，即形成导流隔板2的形状，导流隔板2与圆柱形罐体的内壁密封焊接，导流隔板2与隔水板垂直密封焊接，保证各流道内的密封效果。
进一步地，循环热水进口4与第四舱室14中的第一循环热水流道22连通，第四舱室14中的第二循环热水流道23与第三舱室13中的第二循环热水流道23之间直接连通，第三舱室13中的第一循环热水流道22与第二舱室12中的第一循环热水流道22之间直接连通，第三舱室13中的第二循环热水流道23与第四舱室14中的第二循环热水流道23之间直接连通，第四舱室14中的第一循环热水流道22与循环热水出口5连通。加热循环水通过循环热水进口4进入第一循环热水流道22后，再经过换热管31进入第二循环热水流道23，循环加热水在循环热水流道和换热管31阵列内通过导流隔板2实现折返流动，使得加热更充分，增强了加热效果。
进一步地，气体进口8与第一舱室11中的第一气体流道212连通，第一舱室11中的第二气体流道213与第二舱室12中的第二气体流道213之间直接连通，第二舱室12中的第一气体流道212与第三舱室13中的第一气体流道212之间直接连通，第三舱室13中的第二气体流道213与第四舱室14中的第二气体流道213之间直接连通，第四舱室14中的第一气体流道212与气体出口9连通。工作气体从气体进口8进入壳体1后，在气体流道21内通过导流隔板2实现折返流动，使得工作气体与换热管31和喷淋加湿水的接触时间更长，加湿加热效果更好。
进一步地，圆柱形罐体内设有八个喷淋头15，每个舱室的第一气体流道212内安装有两个喷淋头15，喷淋头15均通过管道与喷淋水进口6相连。喷淋头15采用广角形实心锥喷嘴，本实施例中选用110°实心锥形喷嘴，使得喷淋水的分散程度更高，湿热交换更充分。喷淋头15可以采用不锈钢制作，也可以采用陶瓷等材料制作。喷淋头15将壳体1外部提供的加湿水以实心锥形形态喷淋到加湿片32阵列和换热管31阵列上，工作气体与湿热交换单元35表面的喷淋水接触后，实现气体加湿。
本实施例中，第一隔水板33和第二隔水板34为相同的结构，第一循环热水流道22和第二循环热水流道23为相同的结构，第一气体流道212和第二气体流道213为相同的结构。使得气体在湿热交换单元中的加湿和受热更均匀，确保气体的整体加湿加温效果。圆柱形罐体的壳体1、导流隔板2、加湿片32阵列、换热管31阵列、第一隔水板33和第二隔水板34可以采用不锈钢材料制作，材料来源广泛，成本低且耐压、耐腐蚀性良好。
本实施例提供的一种集成式燃料电池测试平台气体加湿加温装置，其工作过程和原理如下：
加热循环水从圆柱形罐体的循环热水进口4进入装置后，依次折返通过第四舱室14、第三舱室13、第二舱室12、第一舱室11的湿热交换单元35中的换热管31阵列，最后从循环热水出口5返回壳体1外部的加热循环水系统，加热循环水经热传导将整个湿热交换单元35进行加热。
加湿水从圆柱形罐体上的喷淋水进口6进入壳体1后，通过各喷淋头15喷淋到湿热交换单元35的加湿片32阵列和换热管31阵列表面上，形成大面积水膜，多余的喷淋水汇集在圆柱形罐体的底部，经喷淋水出口7返回喷淋水循环系统。
工作气体从气体进口8进入本加湿加温装置后，沿气体流道21依次折返通过第一舱室11、第二舱室12、第三舱室13、第四舱室14的湿热交换单元35，气体先后与四个湿热交换单元35中的加湿片32阵列和换热管31阵列表面上的大面积水膜接触后，气体湿度不断增加，同时温度也逐渐升高，在第四舱室14中达到设定露点，从气体出口9排出至壳体1外部，并经由保温管路进入燃料电池。为保证加热后的气体具有一定的湿度，可控制第四舱室14中的气体温度高于水蒸气的露点温度，防止气体中水蒸气出现结雾现象，解决气体中夹带液态水的问题。
综上，本装置的实施过程中减少了微小液态水滴，解决了喷淋加湿技术的效率低、易夹带液态水等缺点。本装置不需要提前对气体进行预热升温，气-水湿热交换所需要的热量由加热循环水持续提供；加湿所需要的水载体不是传统的吸水材料，而是湿热交换模块表面，从而避免了湿膜增湿技术的水易污染、材料容易变质、设备体积庞大等问题，解决了现有技术中加湿效率低、响应速度慢、加湿效果不理想的问题。本发明还可在气体加湿，特别是大型燃料电池测试平台气体加湿等领域广泛推广。
实施例2：
如图5-6所示，与实施例1的不同之处在于，换热管31的外壁上等距绕设有螺旋翅片36，本实施例中采用螺旋翅片36来替代实施例1中的加湿片32阵列。工作气体进入壳体1的内部后，通过螺旋翅片36的作用增加了气体混乱度，同时提高了喷淋加湿水在湿热交换模块3中的分散程度，工作气体的加湿与换热过程均可达到所需效果。
实施例3：
如图7所示，与实施例1的不同之处在于，壳体1为不规则的长方形箱体，本实施例中采用长方形箱体来替代实施例1中的圆柱形罐体。该长方形箱体的内部包括长方形气体流道21和长方形循环热水流道，该长方形箱体的内部设有导流隔板2。将壳体1设置为长方形箱体时，可将气体流道21和循环热水流道均设计为可拆卸结构，方便装置的制作。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种集成式燃料电池测试平台气体加湿加温装置，其特征在于：包括壳体和湿热交换模块，所述湿热交换模块设于所述壳体的内部，所述湿热交换模块包括第一隔水板、第二隔水板和至少一根换热管，所述第一隔水板和第二隔水板均将所述壳体的内部空间隔断，所述第一隔水板和第二隔水板之间形成气体流道，所述第一隔水板与所述壳体之间形成第一循环热水流道，所述第二隔水板与所述壳体之间形成第二循环热水流道，所述换热管设于所述气体流道内，所述换热管的两端分别与所述第一隔水板和第二隔水板相连，所述换热管连通所述第一循环热水流道和第二循环热水流道，所述壳体上设有与所述第一循环热水流道或第二循环热水流道相连的循环热水进口，所述壳体上设有与所述第一循环热水流道或第二循环热水流道相连的循环热水出口，所述壳体上设有与所述气体流道相连的喷淋水进口、喷淋水出口、气体进口和气体出口。
2.根据权利要求1所述的一种集成式燃料电池测试平台气体加湿加温装置，其特征在于：所述湿热交换模块还包括至少一块加湿片，所述加湿片垂直于所述换热管，所述加湿片呈阵列式排布在所述第一隔水板和第二隔水板之间，所述换热管贯穿加湿片阵列。
3.根据权利要求1所述的一种集成式燃料电池测试平台气体加湿加温装置，其特征在于：所述湿热交换模块包括多根换热管，所述换热管呈阵列式排布在所述第一隔水板和第二隔水板之间，所述气体流道包括气体换热流道以及位于气体换热流道两侧的第一气体流道和第二气体流道，所述换热管设于所述气体换热流道内。
4.根据权利要求3所述的一种集成式燃料电池测试平台气体加湿加温装置，其特征在于：所述壳体内设有至少一块导流隔板，所述导流隔板平行于所述换热管阵列，所述导流隔板将所述壳体分隔为多个舱室，所述舱室之间的气体流道首尾连通形成折流通道，所述舱室之间的第一循环热水流道和第二循环热水流道首尾连通形成折流通道。
5.根据权利要求4所述的一种集成式燃料电池测试平台气体加湿加温装置，其特征在于：所述壳体为圆柱形罐体，所述第一隔水板和第二隔水板垂直于所述壳体的圆形端面，所述换热管和导流隔板平行于所述壳体的圆形端面。
6.根据权利要求5所述的一种集成式燃料电池测试平台气体加湿加温装置，其特征在于：所述壳体内设有三块导流隔板，所述导流隔板将所述壳体分隔为四个舱室，每一个舱室包括一个湿热交换单元。
7.根据权利要求6所述的一种集成式燃料电池测试平台气体加湿加温装置，其特征在于：所述第一隔水板和第二隔水板的结构相同，所述第一循环热水流道和第二循环热水流道的结构相同，所述第一气体流道和第二气体流道的结构相同。
8.根据权利要求1所述的一种集成式燃料电池测试平台气体加湿加温装置，其特征在于：所述气体流道内设有至少一个喷淋头，所述喷淋头与所述喷淋水进口相连，所述喷淋头采用广角形实心锥喷嘴。
9.根据权利要求1所述的一种集成式燃料电池测试平台气体加湿加温装置，其特征在于：所述换热管的外壁设有螺旋翅片。
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