CN111883803A - 一种基于膜增湿的燃料电池增湿系统压力自适应平衡方法 - Google Patents

一种基于膜增湿的燃料电池增湿系统压力自适应平衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池测试技术领域的一种基于膜增湿的燃料电池增湿系统压力自适应平衡方法，将膜增湿器应用于燃料电池测试台增湿系统，可大幅降低测试台功耗、简化测试台结构、减少测试台体积；采用压力平衡自适应控制方法，可实现膜增湿器气水两侧的压力快速自动平衡，从而大幅降低膜增湿器因压力不平衡导致的故障率，提升采用膜增湿器作为增湿方案的燃料电池测试台的可靠性。本发明提出的方法可应用于燃料电池测试台，此外也可应用于燃料电池系统集成。

Description

一种基于膜增湿的燃料电池增湿系统压力自适应平衡方法
技术领域
本发明涉及燃料电池测试技术领域，具体来说，是一种用于燃料电池测试台的、基于膜增湿的燃料电池增湿系统压力自适应平衡方法。
背景技术
燃料电池是一种可将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的发电装置。反应气湿度对燃料电池性能有较大影响，因此在对燃料电池进行测试时，燃料电池测试台需对进入燃料电池的反应气体的湿度进行控制。目前应用于燃料电池测试台的增湿方法主要有鼓泡增湿、喷淋增湿、焓轮增湿、膜增湿等。其中膜增湿具有增湿器体积小、流程简化、结构简单、功耗低、标准化产品种类丰富便于选型等诸多优点，非常适合应用于燃料电池测试台。然而，对于膜增湿器，使用过程中必须保证膜的两侧压强接近平衡，若有一侧压强过大就会造成膜破裂或者挤压变形。因此，由于故障率较高，使得膜增湿器在燃料电池测试台领域实际应用案例较少。
现有技术中公开了申请号为201220001990.7的实用新型专利，该申请中提供了一种用于燃料电池测试台的增湿系统，该增湿系统由恒温水浴锅、温度控制器、加热棒、液位传感器、常闭电磁阀、水泵、背压调节阀、耐高温高湿温湿度传感器、温湿度控制单元组成。该专利利用背压调节阀和可控制压力的水泵来改变膜增湿器水侧压力，以调节膜增湿器气-水两侧压力平衡。缺点是水侧压强改变的响应速度较慢，在气体压强发生变化时难以快速到达预期状态，膜增湿器易于发生故障。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于膜增湿的燃料电池增湿系统压力自适应平衡方法，实现了膜增湿器气水两侧的压力快速自动平衡，有效提高了基于膜增湿器的燃料电池测试台的可靠性。
本发明的目的是这样实现的：一种基于膜增湿的燃料电池增湿系统压力自适应平衡方法，其系统包括：
温水循环回路，所述温水循环回路中至少设置送水泵，以及内置加热装置的、盛装去离子水的加热水箱，所述送水泵的进水端与加热水箱接通，所述送水泵的出水端与膜增湿器的进水口接通，所述膜增湿器的出水口与加热水箱接通；
补水管路，用于将去离子水接引补充到加热水箱内；
输气管路，用于将干气通入膜增湿器的进气口；
接通膜增湿器的出气口的湿气输出管路；
系统还包括高位水箱，所述高位水箱设置于加热水箱的上方并在使用时与加热水箱接通，以使高位水箱与加热水箱通水；
其中，所述输气管路分为两路，其中一路为主路并与膜增湿器的进气口接通，另一路为旁路与高位水箱内的上部气腔接通；
所述送水泵设置为离心泵；
该方法至少包括如下步骤：
当膜增湿器的气侧压强变大以致膜增湿器的气水两侧的压强不平衡时，部分干气通过输气管路的旁路通往高位水箱内的上部气腔，以使高位水箱内的上部气腔的气压增强，以增强高位水箱、加热水箱的内部水压，以增强膜增湿器的水侧压强，以实时平衡膜增湿器的气水两侧的压强。
进一步地，在所述输气管路的主路上按照气流方向依次设置第一气路电磁阀、第二压力传感器，所述第二压力传感器用于实时检测干气气压。
进一步地，在所述输气管路的旁路上按照气流方向依次设置第二气路电磁阀、气路止回阀；当膜增湿器的气侧压强变小以致膜增湿器的气水两侧的压强不平衡时，所述气路止回阀处于关闭状态，干气通过输气管路的主路输入膜增湿器的进气口。
进一步地，该方法还包括补水步骤，在高位水箱上设置高液位传感器、低液位传感器，所述补水管路上按照水流方向依次布置有补水泵、补水电磁阀、水路止回阀，所述补水管路的出水端与加热水箱底部接通；
上述补水步骤按照如下流程进行：
当高位水箱中液位低于低液位传感器时，补水电磁阀打开，补水泵工作，进行去离子水的自动补充；
当高位水箱中液位高于高液位传感器时，补水泵和补水电磁阀关闭，完成补水。
进一步地，所述高位水箱的上部设有第三压力传感器，所述第三压力传感器用于检测高位水箱的上部气腔的气压。
进一步地，在温水循环回路中，在加热水箱通往送水泵的通路上设置二级加热水箱,所述二级加热水箱内置加热装置，以辅助加热去离子水。
进一步地，在补水管路上接通有预热水箱，所述预热水箱内置加热装置，以预热去离子水。
进一步地，所述温水循环回路的进水端、出水端分别接通膜增湿器两侧，在温水循环回路的处于送水泵出水侧的通路上设置用于检测输入水压的第一压力传感器。
进一步地，所述湿气输出管路上设置有用于检测湿气温度的温度传感器。
本发明的有益效果在于：
1、实现了对膜增湿器气水两侧压力的快速自动平衡，从而将膜增湿系统两侧压力差控制在安全范围内，有效的解决了将膜增湿器用于燃料电池测试台时遇到的气-水两侧压力不易平衡而导致的故障频发的问题，大大提高了使用膜增湿器的燃料电池测试台的可靠性；
2、可使得测试台系统结构大幅简化，功耗得以极大程度地降低，同等功率等级的测试台体积得以大幅减小；
3、利用较为简单的机械结构解决了膜增湿器两侧压力快速平衡问题，省去了复杂的电子控制系统，易于实现，成本低且效果优；
4、提高了采用膜增湿器的燃料电池测试台的增湿响应速度，提高了测试台的测试效率。
附图说明
图1是本发明实施例1的原理图。
图2是本发明实施例2的原理图。
图3是本发明实施例3的原理图。
图中，1膜增湿器，2加热水箱，3送水泵，4第一压力传感器，5第一气路电磁阀，6第二压力传感器，7第二气路电磁阀，8气路止回阀，9第三压力传感器，10高液位传感器，11低液位传感器，12高位水箱，13连通电磁阀，14温度传感器，15补水泵，16补水电磁阀，17水路止回阀，18二级加热水箱，19预热水箱。
具体实施方式
下面结合附图1-3和具体实施例对本发明进一步说明。基于膜增湿的燃料电池增湿系统压力自适应平衡方法可以存在如下三种实施例(实施例1-3)，值得一提的是，本方法不仅限于如下三种实施例。所有实施例中涉及的各类传感器、电磁阀等部件均与电控系统连接，以便统一控制。
实施例1
如图1所示，基于膜增湿的燃料电池增湿系统压力自适应平衡方法，其系统包括：
温水循环回路，温水循环回路中设置送水泵3，以及内置加热装置的、盛装去离子水的加热水箱2，送水泵3的进水端与加热水箱2接通，送水泵3的出水端与膜增湿器1的进水口接通，膜增湿器1的出水口与加热水箱2接通；
补水管路，用于将去离子水接引补充到加热水箱2内；
输气管路，用于将干气通入膜增湿器1的进气口；
接通膜增湿器1的出气口的湿气输出管路；
高位水箱12，高位水箱12设置于加热水箱2的上方并在使用时与加热水箱2接通，以使高位水箱12与加热水箱2通水。
其中，上述输气管路分为两路，其中一路为主路并与膜增湿器1的进气口接通，另一路为旁路与高位水箱12内的上部气腔接通；在输气管路的主路上按照气流方向依次设置第一气路电磁阀5、第二压力传感器6，第二压力传感器6用于实时检测干气气压。
送水泵3设置为离心泵。通过调节送水泵3(离心泵)转速和加热水箱2的温度来精确控制增湿的湿度。
上述温水循环回路的进水端、出水端分别接通膜增湿器1两侧，在温水循环回路的处于送水泵3出水侧的通路上设置用于检测输入水压的第一压力传感器4。
该方法包括如下步骤：
当膜增湿器1的气侧压强变大以致膜增湿器1的气水两侧的压强不平衡时，部分干气通过输气管路的旁路通往高位水箱12内的上部气腔，以使高位水箱12内的上部气腔的气压增强，以增强高位水箱12、加热水箱2的内部水压，以增强膜增湿器1的水侧压强，以实时平衡膜增湿器1的气水两侧的压强。
在高位水箱12与加热水箱2连通的管路上设置连通电磁阀13，在使用时连通电磁阀13打开，以使高位水箱12与加热水箱2通水，由于高位水箱12设置于加热水箱2的上方，因此，在高位水箱12内的上部气腔的气压增强时，气压会将高位水箱12中的水挤入加热水箱2，使得加热水箱2的输出水压升高，由于送水泵3设置为离心泵，基于离心泵的快速响应的工艺特性，可以使得膜增湿器1的水侧压力迅速攀升，以迅速平衡膜增湿器1的气水两侧的压强。
在输气管路的旁路上按照气流方向依次设置第二气路电磁阀7、气路止回阀8；当膜增湿器1的气侧压强变小以致膜增湿器1的气水两侧的压强不平衡时，气路止回阀8处于关闭状态，干气通过输气管路的主路输入膜增湿器1的进气口，从而使得膜增湿器1的气侧适当增压，以迅速平衡膜增湿器1的气水两侧的压强。
该方法还包括补水步骤，在高位水箱12上设置与电控系统连接的高液位传感器10、低液位传感器11，补水管路上按照水流方向依次布置有补水泵15、补水电磁阀16、水路止回阀17，补水管路的出水端与加热水箱2底部接通，补水电磁阀16与高液位传感器10、低液位传感器11存在控制关联，以便根据高位水箱12的水位来控制补水电磁阀16的启闭动作。
具体地，上述补水步骤按照如下流程进行：
当高位水箱12中液位低于低液位传感器11时，低液位传感器11将感应信号反馈给电控系统，电控系统驱使补水电磁阀16打开，补水泵15工作(受电控系统控制打开)，进行去离子水的自动补充；
当高位水箱12中液位高于高液位传感器10时，补水泵15和补水电磁阀16关闭，完成补水。
在应用过程中，高液位传感器10与低液位传感器11相距较近，补水泵15一直处于工作状态，由此加热水箱2中水温度无明显变化，水温波动很小。
上述高位水箱12的上部设有第三压力传感器9，第三压力传感器9用于检测高位水箱12的上部气腔的气压。
使用过程中，测试台输送的反应干气经过膜增湿器1的增湿作用后得到一定湿度的湿气，提供给测试电堆进行反应。上述湿气输出管路上设置有用于检测湿气温度的温度传感器14，以实时检测输出湿气的温度。
实施例2
如图2所示，实施例2与实施例1的区别在于：在温水循环回路中，在加热水箱2通往送水泵3的通路上设置二级加热水箱18,二级加热水箱18内置加热装置，以辅助加热去离子水；在应用过程中，高液位传感器10、低液位传感器11相距较远，补水泵15间歇性工作，当补水时加热水箱2的水温会降低，利用二级加热水箱18来对去离子水的温度进行补偿，避免水温产生波动。
实施例3
如图3所示，实施例3与实施例1的区别在于：在补水管路上接通有预热水箱19，预热水箱19内置加热装置，以预热去离子水，预热水箱19设置在水路止回阀17与加热水箱2之间的通路上；在应用过程中，高液位传感器10、低液位传感器11相距较远，补水泵15间歇性工作，当补水时加热水箱2的水温会降低，因此在去离子水进入加热水箱2前，先利用预热水箱19提高水温，避免加热水箱2中的水温产生波动。
以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于膜增湿的燃料电池增湿系统压力自适应平衡方法，其系统包括：
温水循环回路，所述温水循环回路中至少设置送水泵(3)，以及内置加热装置的、盛装去离子水的加热水箱(2)，所述送水泵(3)的进水端与加热水箱(2)接通，所述送水泵(3)的出水端与膜增湿器(1)的进水口接通，所述膜增湿器(1)的出水口与加热水箱(2)接通；
补水管路，用于将去离子水接引补充到加热水箱(2)内；
输气管路，用于将干气通入膜增湿器(1)的进气口；
接通膜增湿器(1)的出气口的湿气输出管路；
其特征在于，系统还包括高位水箱(12)，所述高位水箱(12)设置于加热水箱(2)的上方并在使用时与加热水箱(2)接通，以使高位水箱(12)与加热水箱(2)通水；
其中，所述输气管路分为两路，其中一路为主路并与膜增湿器(1)的进气口接通，另一路为旁路与高位水箱(12)内的上部气腔接通；
所述送水泵(3)设置为离心泵；
该方法至少包括如下步骤：
当膜增湿器(1)的气侧压强变大以致膜增湿器(1)的气水两侧的压强不平衡时，部分干气通过输气管路的旁路通往高位水箱(12)内的上部气腔，以使高位水箱(12)内的上部气腔的气压增强，以增强高位水箱(12)、加热水箱(2)的内部水压，以增强膜增湿器(1)的水侧压强，以实时平衡膜增湿器(1)的气水两侧的压强。
2.根据权利要求1所述的一种基于膜增湿的燃料电池增湿系统压力自适应平衡方法，其特征在于，在所述输气管路的主路上按照气流方向依次设置第一气路电磁阀(5)、第二压力传感器(6)，所述第二压力传感器(6)用于实时检测干气气压。
3.根据权利要求2所述的一种基于膜增湿的燃料电池增湿系统压力自适应平衡方法，其特征在于，在所述输气管路的旁路上按照气流方向依次设置第二气路电磁阀(7)、气路止回阀(8)；当膜增湿器(1)的气侧压强变小以致膜增湿器(1)的气水两侧的压强不平衡时，所述气路止回阀(8)处于关闭状态，干气通过输气管路的主路输入膜增湿器(1)的进气口。
4.根据权利要求1所述的一种基于膜增湿的燃料电池增湿系统压力自适应平衡方法，其特征在于,该方法还包括补水步骤，在高位水箱(12)上设置高液位传感器(10)、低液位传感器(11)，所述补水管路上按照水流方向依次布置有补水泵(15)、补水电磁阀(16)、水路止回阀(17)，所述补水管路的出水端与加热水箱(2)底部接通；
上述补水步骤按照如下流程进行：
当高位水箱(12)中液位低于低液位传感器(11)时，补水电磁阀(16)打开，补水泵(15)工作，进行去离子水的自动补充；
当高位水箱(12)中液位高于高液位传感器(10)时，补水泵(15)和补水电磁阀(16)关闭，完成补水。
5.根据权利要求4所述的一种基于膜增湿的燃料电池增湿系统压力自适应平衡方法，其特征在于,所述高位水箱(12)的上部设有第三压力传感器(9)，所述第三压力传感器(9)用于检测高位水箱(12)的上部气腔的气压。
6.根据权利要求1所述的一种基于膜增湿的燃料电池增湿系统压力自适应平衡方法，其特征在于,在温水循环回路中，在加热水箱(2)通往送水泵(3)的通路上设置二级加热水箱(18),所述二级加热水箱(18)内置加热装置，以辅助加热去离子水。
7.根据权利要求1所述的一种基于膜增湿的燃料电池增湿系统压力自适应平衡方法，其特征在于,在补水管路上接通有预热水箱(19)，所述预热水箱(19)内置加热装置，以预热去离子水。
8.根据权利要求1所述的一种基于膜增湿的燃料电池增湿系统压力自适应平衡方法，其特征在于,所述温水循环回路的进水端、出水端分别接通膜增湿器(1)两侧，在温水循环回路的处于送水泵(3)出水侧的通路上设置用于检测输入水压的第一压力传感器(4)。
9.根据权利要求6或7所述的一种基于膜增湿的燃料电池增湿系统压力自适应平衡方法，其特征在于,所述湿气输出管路上设置有用于检测湿气温度的温度传感器(14)。
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