CN111933974B - 一种燃料电池增湿反应气体的露点温度的测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池增湿反应气体露点温度的测试方法，包括：使一定流量的反应气体流动通过增湿器进行增湿，并监测增湿后的反应气体的温度和压力；将增湿后的反应气体流入冷凝器进行冷凝处理，使反应气体由不饱和状态变为饱和状态，获取此时冷凝水的质量，并监测冷凝后的反应气体的温度和压力；采用热力学基本方程和理想气体方程，以增湿前的反应气体的流量、增湿后的反应气体的温度和压力、冷凝水的质量，及冷凝后的反应气体的温度和压力计算出非饱和蒸汽的露点温度。本发明提供的燃料电池增湿反应气体露点温度的测试方法，测量设备简单，通过热力学基本定律和理想气体状态方程可直接计算出气体增湿后的露点温度，使测试结果准确、可靠。

Description

一种燃料电池增湿反应气体的露点温度的测试方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池增湿反应气体露点温度的测试方法。
背景技术
燃料电池作为一种清洁能源，近年来越来越受到人们的重视，特别是随着燃料电池或系统产业化和批量化生产，燃料电池电堆或系统的操作条件的准确性和可控性越来越受到人们的重视，尤其是增湿后反应气体的露点温度的测试一直是一个比较大的难题。以燃料电池系统空气增湿为例，目前，现有技术中常用的确定增湿气体露点温度的方法有两种：一种是直接将经过膜增湿器的水温定义为增湿气体的露点温度，另一种做法是采用露点仪来测量增湿气体的露点温度；前者的缺点是：由于水汽交换的差异经过膜增湿器的气体不一定是饱和状态，也即增湿水温度实际上并不等于增湿气体的露点温度，导致该种方法的测试结果不精确。而后者的缺点是现在市面上已有的露点仪，在测试露点温度时容易在露点探头上产生积水的现象，从而使测试的露点温度值产生偏差，测试结果的准确性一样无法保障；且露点仪通常价格较高，使得测试花费的成本大，不经济。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池增湿反应气体露点温度的测试方法，该方法测量设备简单，通过最基本的热力学基本定律和理想气体状态方程，结合常规的时间、流量、温度及压力等测量数据，可直接计算出气体增湿后的露点温度，使测试结果准确、可靠，同时降低了测量成本。
为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明实施例提供了一种燃料电池增湿反应气体露点温度的测试方法，包括：
使一定流量的反应气体流动通过增湿器进行增湿，并监测增湿后的反应气体的温度和压力；
将增湿后的反应气体流入冷凝器进行冷凝处理，使反应气体由不饱和状态变为饱和状态，获取此时冷凝水的质量，并监测冷凝后的反应气体的温度和压力；
采用热力学基本方程和理想气体方程，以增湿前的反应气体的流量、增湿后的反应气体的温度和压力、冷凝水的质量，以及冷凝后的反应气体的温度和压力，作为计算参数，计算出非饱和蒸汽的露点温度。
进一步地，所述将增湿后的反应气体流入冷凝器进行冷凝处理，包括：将冷凝器的冷凝温度设置为小于10℃。
进一步地，所述采用热力学基本方程和理想气体方程，以增湿前的反应气体的流量、增湿后的反应气体的温度和压力、冷凝水的质量，以及冷凝后的反应气体的温度和压力，作为计算参数，计算出非饱和蒸汽的露点温度，包括：
计算冷凝气体的饱和蒸气压，采用公式：
Figure BDA0002613621860000021
其中，A、B、C为安托因方程不同气体对应的常量，其数值通过查表获得；T2为增湿后的反应气体的温度；
计算冷凝气体的水元素的比例，采用公式：Xwater2＝Psat2/(101.325+P2)；
其中，P2为增湿后的反应气体的压力；
计算未增湿气体的摩尔流速、经过冷凝器后的饱和气体中水元素的摩尔流速及冷凝水的摩尔流速，采用公式如下：
Sgas＝S/22.4；
Sgwater＝(Xwater2*Sgas)/(1-Xwater2)；
S1wate＝m/t/18；
其中S为未增湿气体的流量，m为冷凝水质量，t为测试时间；
计算增湿气体中水元素的总体流速，采用公式：Swater＝Sgwater+S1wate；
计算增湿气体的绝对压力，采用公式：Ptotal＝P1+101.325；
计算增湿气体的总摩尔流速，采用公式：Stotal＝Sgas+Swater；
计算冷凝水的蒸气压，采用公式：Pdewater＝Swater*Ptotal/Stotal；
计算非饱和蒸汽的露点温度，采用公式：
Figure BDA0002613621860000022
进一步地，所述冷凝后的反应气体的压力和所述增湿后的反应气体的压力通过压力传感器采集。
进一步地，所述冷凝后的反应气体的温度和所述增湿后的反应气体的温度通过热电偶采集。
进一步地，所述增湿前的反应气体的流量通过流量计采集。
进一步地，所述冷凝水质量通过天平称量获得。
本发明实施例还提供了一种燃料电池增湿反应气体露点温度的测试系统，包括：
增湿反应控制模块，用于使一定流量的反应气体流动通过增湿器进行增湿，并监测增湿后的反应气体的温度和压力；
气体冷凝模块，用于将增湿后的反应气体流入冷凝器进行冷凝处理，使反应气体由不饱和状态变为饱和状态，获取此时冷凝水的质量，并监测冷凝后的反应气体的温度和压力；
露点温度计算模块，用于采用热力学基本方程和理想气体方程，以增湿前的反应气体的流量、增湿后的反应气体的温度和压力、冷凝水的质量，以及冷凝后的反应气体的温度和压力，作为计算参数，计算出非饱和蒸汽的露点温度。
相对于现有技术，本发明实施例提供的燃料电池增湿反应气体露点温度的测试方法，该方法测量设备简单，通过最基本的热力学基本定律和理想气体状态方程，结合常规的时间、流量、温度及压力等测量数据，可直接计算出气体增湿后的露点温度，使得计算结果准确、可靠，同时降低了测量成本。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的燃料电池增湿反应气体露点温度的测试方法的流程示意图；
图2是本发明第三实施例提供的燃料电池增湿反应气体露点温度的测试系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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作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。
应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。
应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
本发明第一实施例：
请参阅图1，本发明第一实施例提供了一种燃料电池增湿反应气体露点温度的测试方法，包括：
S10、使一定流量的反应气体流动通过增湿器进行增湿，并监测增湿后的反应气体的温度和压力；
本步骤中，需要说明的是，增湿是指增加气体的湿度的过程，是一种属于热质传递过程的单元操作。一般来说，增湿与减湿配合使用于空气调节，为生产、生活、科学实验建立所要求的环境。在化工生产中，高温气体的急冷，热水的冷却，都采用气液直接接触进行热湿交换，原理与增湿相同，也是传热和传质同时进行的过程。其中，常用的增湿方法有：①向气体直接加入饱和蒸汽或过热蒸汽。此法简单易行，空气温度基本不变或略有升高。②向气体喷水，水的汽化使气体增湿。此法有两种操作方式：一是将气体适当加热，然后与温度恒定的循环水接触，这称为绝热增湿(或恒液温增湿)。在这种增湿过程中气体温度降低，极限温度为绝热饱和温度。另一是将水适当加热，然后与气体接触，接触过程中气体湿度增高而水温降低，这称为水冷却增湿。③保持气体中含有的水汽量不变，降低气体温度，使相对湿度增大，此称为降温增湿。
本步骤中，主要采用增湿器进行增湿，常见的增湿器有超声波型加湿器、直接蒸发型加湿器和热蒸发型加湿器三种，在应用中可根据实际需要进行选择。同时，记录增湿前的反应气体的流量S、增湿后的反应气体的温度T1和压力P1。
S20、将增湿后的反应气体流入冷凝器进行冷凝处理，使反应气体由不饱和状态变为饱和状态，获取此时冷凝水的质量，并监测冷凝后的反应气体的温度和压力；
需要说明的是，冷凝器采用的一般为蒸汽冷凝器，其原理在于：在冷凝器内部有螺旋管，气体通过螺线管时，让热量散失到四周的空气中，其中，螺旋管常常采用铜之类的金属导热性能强的材料。为提高冷凝器的效率经常在管道上附加热传导性能优异的散热片，加大散热面积，以加速散热，并通过风机加快空气对流，把热量带走，实现气体的冷凝，把非饱和气体变为饱和状态，通常为了满足冷凝效果，会将冷凝器的冷凝温度设置为小于10℃。当气体冷凝结束后至饱和状态时，采用天平称量此时的冷凝水质量m，并记录冷凝后的反应气体的温度T2和压力P2；
S30、采用热力学基本方程和理想气体方程，以增湿前的反应气体的流量S、增湿后的反应气体的温度T1和压力P1、冷凝水的质量m，以及冷凝后的反应气体的温度T2和压力P2，作为计算参数，计算出非饱和蒸汽的露点温度，
需要说明的是，露点/露点温度Td，在空气中水汽含量不变，保持气压一定的情况下，使空气冷却达到饱和时的温度称露点温度，简称露点，单位用℃或℉表示。实际上，露点温度也就是水蒸气与水达到平衡状态的温度，实际温度与露点温度之差表示空气距离饱和的程度，前者大则表示空气未饱和，二者相等时，则表示空气已饱和，后者大则表示空气过饱和。
进一步地，该步骤具体又包括如下步骤：
(1)计算冷凝气体的饱和蒸气压，采用公式：
Figure BDA0002613621860000051
其中，A、B、C为安托因方程不同气体对应的常量，其数值通过查表获得；T2为增湿后的反应气体的温度；
(2)根据冷凝气体的饱和蒸气压，冷凝后的反应气体的压力P2，计算冷凝气体的水元素的比例，采用公式：Xwater2＝Psat2/(101.325+P2)；
(3)根据未增湿气体的流速S，计算未增湿气体的摩尔流速：Sgas＝S/22.4；
(4)根据未增湿气体的摩尔流速和冷凝气体的水元素的比例，计算经过冷凝器后的饱和气体中水元素的摩尔流速：Sgwater＝(Xwater2*Sgas)/(1-Xwater2)；
(5)根据冷凝水质量m和冷凝反应所用的时间t，计算冷凝水的摩尔流速，采用公式如下：S1wate＝m/t/18；
(6)将饱和气体中水元素的摩尔流速和冷凝水的摩尔流速相加，得到增湿气体中水元素的总体流速，公式为：Swater＝Sgwater+S1wate；
(7)根据增湿后的反应气体的压力P1，计算增湿气体的绝对压力，采用公式：Ptotal＝P1+101.325；
(8)将增湿气体中水元素的总体流速和未增湿气体的摩尔流速相加，得到增湿气体的总摩尔流速，公式为：Stotal＝Sgas+Swater；
(9)将增湿气体中水元素的总体流速与增湿气体的绝对压力相乘，再除以增湿气体的总摩尔流速，得到冷凝水的蒸气压，公式为：Pdewater＝Swater*Ptotal/Stotal；
(10)最后根据冷凝水的蒸气压，计算非饱和蒸汽的露点温度，采用公式：
Figure BDA0002613621860000061
其中，A、B、C为安托因方程不同气体对应的常量。
其中，需要说明的是，“安托因方程安托尼(Antoine)方程是一个最简单的三参数蒸汽压方程，其一般形式为logP＝A-B/t+C；式中P为温度t时的蒸汽压Kpa，A、B、C均为常数，有关物性数据可在各种手册中查到。
本实施例中，进一步地，采用压力传感器采集增湿后的反应气体的压力P1及冷凝后的反应气体的压力P2；采用热电偶采集增湿后的反应气体的温度及冷凝后的反应气体的温度，其中热电偶也为一种温度传感器，是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度。各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常和显示仪表、记录仪表及电子调节器配套使用。采用热电偶测量温度具有测量范围大，响应快、测量精度高、装配简单更换方便等多种优点。
进一步地，本实施例采用流量计采集增湿前的反应气体的流量，流量计又分为有差压式流量计、转子流量计、节流式流量计、细缝流量计、容积流量计、电磁流量计、超声波流量计等。按介质分类：液体流量计和气体流量计。
相对于现有技术，本发明第一实施例提供的燃料电池增湿反应气体露点温度的测试方法，不仅测量设备简单，而且通过最基本的热力学基本定律和理想气体状态方程，结合常规的时间、流量、温度及压力等测量数据，可直接计算出气体增湿后的露点温度，使得计算结果准确、可靠，同时降低了测量成本。
本发明第二实施例：
为了帮助理解本方案的具体流程，本发明第二实施例提供了将具体数值带入该露点温度测试方法的完整计算过程，以考察某个质子交换膜燃料电池电堆测试台在某个工况点的空气增湿能力，计算其露点值为例，
在计算之前，记录空气未增湿的流量S为2504slpm，气体增湿后气体的压力P1＝102kpa、温度T1＝63.5℃，通过冷凝器将该增湿气体冷凝到一定的温度T2＝5.8℃和压力P2＝0kpa，收集冷凝后液态水的质量m＝6661g以及时间t＝32.9min，然后通过热力学和理想气体方程进行计算：
(1)计算冷凝气体的饱和蒸气压，采用公式：
Figure BDA0002613621860000071
得到psat2＝0.916kpa；其中，A、B、C为安托因方程不同气体对应的常量，其数值通过查表获得；
(2)根据冷凝气体的饱和蒸气压，冷凝后的反应气体的压力，计算冷凝气体的水元素的比例，采用公式：Xwater2＝Psat2/(101.325+P2)；计算得出Xwater2的值为0.00904813；
(3)根据未增湿气体的流速S＝2504slpm，计算未增湿气体的摩尔流速，公式为：Sgas＝S/22.4，计算得到Sgas＝111.786mol/min；
(4)根据未增湿气体的摩尔流速和冷凝气体的水元素的比例，计算经过冷凝器后的饱和气体中水元素的摩尔流速：Sgwater＝(Xwater2*Sgas)/(1-Xwater2)；计算得出Sgwater＝1.02mol/min；
(5)根据冷凝水质量m和冷凝反应所用的时间t，计算冷凝水的摩尔流速，采用公式为：S1wate＝m/t/18；计算得出S1wate＝11.238mol/min；
(6)将饱和气体中水元素的摩尔流速和冷凝水的摩尔流速相加，得到增湿气体中水元素的总体流速：Swater＝Sgwater+S1wate；得到Swater＝12.258mol/min；
(7)根据增湿后的反应气体的压力P1，计算增湿气体的绝对压力，采用公式：Ptotal＝P1+101.325；计算结果为Ptotal＝203.325kpa；
(8)计算增湿气体的总摩尔流速，公式为：Stotal＝Sgas+Swater；计算得出Stotal＝124.043mol/min；
(9)将增湿气体中水元素的总体流速与增湿气体的绝对压力相乘，再除以增湿气体的总摩尔流速，得到冷凝水的蒸气压，公式为：Pdewater＝Swater*Ptotal/Stotal；计算得到Pdewater＝20.092kpa；
(10)最后根据冷凝水的蒸气压，计算非饱和蒸汽的露点温度，采用公式：
Figure BDA0002613621860000072
其中，A、B、C为安托因方程不同气体对应的常量，最后得出露点温度值TDew＝60.2℃。
本发明第三实施例：
请参阅图2，本发明第三实施例还提供了一种燃料电池增湿反应气体露点温度的测试系统，包括：
增湿反应控制模块01，用于使一定流量的反应气体流动通过增湿器进行增湿，并监测增湿后的反应气体的温度和压力；
气体冷凝模块02，用于将增湿后的反应气体流入冷凝器进行冷凝处理，使反应气体由不饱和状态变为饱和状态，获取此时冷凝水的质量，并监测冷凝后的反应气体的温度和压力；
露点温度计算模块03，用于采用热力学基本方程和理想气体方程，以增湿前的反应气体的流量、增湿后的反应气体的温度和压力、冷凝水的质量，以及冷凝后的反应气体的温度和压力，作为计算参数，计算出非饱和蒸汽的露点温度。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种燃料电池增湿反应气体露点温度的测试方法，其特征在于，包括：
使一定流量的反应气体流动通过增湿器进行增湿，并监测增湿后的反应气体的温度和压力；
将增湿后的反应气体流入冷凝器进行冷凝处理，使反应气体由不饱和状态变为饱和状态，获取此时冷凝水的质量，并监测冷凝后的反应气体的温度和压力；
采用热力学基本方程和理想气体方程，以增湿前的反应气体的流量、增湿后的反应气体的温度和压力、冷凝水的质量，以及冷凝后的反应气体的温度和压力，作为计算参数，计算出非饱和蒸汽的露点温度，包括：
计算冷凝气体的饱和蒸气压，采用公式：
Figure FDA0003111440440000011
其中，A、B、C为安托因方程不同气体对应的常量，其数值通过查表获得；T2为增湿后的反应气体的温度；
计算冷凝气体的水元素的比例，采用公式：Xwater2＝Psat2/(101.325+P2)；
其中，P2为增湿后的反应气体的压力；
计算未增湿气体的摩尔流速、经过冷凝器后的饱和气体中水元素的摩尔流速及冷凝水的摩尔流速，采用公式如下：
Sgas＝S/22.4；
Sgwater＝(Xwater2*Sgas)/(1-Xwater2)；
S1wate＝m/t/18；
其中S为未增湿气体的流量，m为冷凝水质量，t为测试时间；
计算增湿气体中水元素的总体流速，采用公式：Swater＝Sgwater+S1wate；
计算增湿气体的绝对压力，采用公式：Ptotal＝P1+101.325；
计算增湿气体的总摩尔流速，采用公式：Stotal＝Sgas+Swater；
计算冷凝水的蒸气压，采用公式：Pdewater＝Swater*Ptotal/Stotal；
计算非饱和蒸汽的露点温度，采用公式：
Figure FDA0003111440440000021
2.根据权利要求1所述的燃料电池增湿反应气体露点温度的测试方法，其特征在于，所述将增湿后的反应气体流入冷凝器进行冷凝处理，包括：将冷凝器的冷凝温度设置为小于10℃。
3.根据权利要求1所述的燃料电池增湿反应气体露点温度的测试方法，其特征在于，所述冷凝后的反应气体的压力和所述增湿后的反应气体的压力通过压力传感器采集。
4.根据权利要求1所述的燃料电池增湿反应气体露点温度的测试方法，其特征在于，所述冷凝后的反应气体的温度和所述增湿后的反应气体的温度通过热电偶采集。
5.根据权利要求1所述的燃料电池增湿反应气体露点温度的测试方法，其特征在于，所述增湿前的反应气体的流量通过流量计采集。
6.根据权利要求1所述的燃料电池增湿反应气体露点温度的测试方法，其特征在于，所述冷凝水质量通过天平称量获得。
7.一种燃料电池增湿反应气体露点温度的测试系统，其特征在于，包括：
增湿反应控制模块，用于使一定流量的反应气体流动通过增湿器进行增湿，并监测增湿后的反应气体的温度和压力；
冷凝处理模块，用于将增湿后的反应气体流入冷凝器进行冷凝处理，使反应气体由不饱和状态变为饱和状态，获取此时冷凝水的质量，并监测冷凝后的反应气体的温度和压力；
露点温度计算模块，用于采用热力学基本方程和理想气体方程，以增湿前的反应气体的流量、增湿后的反应气体的温度和压力、冷凝水的质量，以及冷凝后的反应气体的温度和压力，作为计算参数，计算出非饱和蒸汽的露点温度，包括：
计算冷凝气体的饱和蒸气压，采用公式：
Figure FDA0003111440440000031
其中，A、B、C为安托因方程不同气体对应的常量，其数值通过查表获得；T2为增湿后的反应气体的温度；
计算冷凝气体的水元素的比例，采用公式：Xwater2＝Psat2/(101.325+P2)；
其中，P2为增湿后的反应气体的压力；
计算未增湿气体的摩尔流速、经过冷凝器后的饱和气体中水元素的摩尔流速及冷凝水的摩尔流速，采用公式如下：
Sgas＝S/22.4；
Sgwater＝(Xwater2*Sgas)/(1-Xwater2)；
S1wate＝m/t/18；
其中S为未增湿气体的流量，m为冷凝水质量，t为测试时间；
计算增湿气体中水元素的总体流速，采用公式：Swater＝Sgwater+S1wate；
计算增湿气体的绝对压力，采用公式：Ptotal＝P1+101.325；
计算增湿气体的总摩尔流速，采用公式：Stotal＝Sgas+Swater；
计算冷凝水的蒸气压，采用公式：Pdewater＝Swater*Ptotal/Stotal；
计算非饱和蒸汽的露点温度，采用公式：
Figure FDA0003111440440000032
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