CN112310441B - 一种燃料电池反应气体的温湿度控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池反应气体的温湿度控制系统，待控制气体划分为两路，第一管路的出气口连接加湿罐的第一进气口；第二管路的出气口连接加湿罐的第二进气口；加湿罐包含水、曝气石；控制加湿罐内水的温度达到预设温度值；第一进气口通过管道与曝气石连接，曝气石将气体打成小气泡，并从水中排出，以使得从水中排出气体的温度达到预设温度值，湿度达到第二湿度；加湿罐的第二进气口和第二出气口通过浸没在加湿罐内水中的管道连接，从第二出气口流出气体的湿度不变，温度达到预设温度值；将从两个出气口排出的两路气体混合，控制第一管路气体流量和第二管路气体流量的比例控制混合后的气体的湿度。本发明实现对气体湿度和温度同时简单有效控制。

Description

一种燃料电池反应气体的温湿度控制系统

技术领域

本发明属于燃料电池反应气体温湿度控制领域，更具体地，涉及一种燃料电池反应气体的温湿度控制系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池作为一种清洁新能源，具有能量转换效率高、无污染、零排放等优点，有广泛的发展前景。而在燃料电池的设计与测试过程中，需要模拟各种环境与运行条件下的工作状况，调整反应气体的流量、压力、温度、湿度等参数，验证其在各种情况下的性能与可靠性。

专利CN201821999866.8公开了一种大功率测试平台气体温湿度调控系统，具体包括反应气进气管路、增湿器出气管路、增湿水循环管路和补水管路，使用鼓泡与喷淋两种方式进行增湿，通过控制加湿水的温度来控制输出气体的湿度，该系统动态响应慢，未考虑到温度对气体相对湿度的影响，难以完成预期响应速度的湿度控制效果。

专利CN201910721836.3公开了一种气体温度湿度可控的流量控制设备，包括控制设备本体、控制模块、加湿调节通道、干燥调节通道、温度调节装置、加湿器、干燥器和温湿度传感器，该实验新型将干湿两气道分开来进行控温、干燥与加湿，结构繁琐，且在温度控制后才进行加湿，无法保证温度控制的效果，并可能在管道中产生冷凝，影响气体流量的控制效果。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种燃料电池反应气体的温湿度控制系统，旨在解决现有燃料电池反应气体的温湿度控制系统复杂，且控制效果不佳的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种燃料电池反应气体的温湿度控制系统，包括：进气管路、第一管路、第二管路、加湿罐以及输出管路；

待控制气体进入所述进气管路，被划分为两路气体，分别流入所述第一管路和第二管路；所述待控制气体的湿度为第一湿度；

所述第一管路的出气口连接所述加湿罐的第一进气口；所述第一管路不对气体进行处理；

所述第二管路的出气口连接所述加湿罐的第二进气口；第一管路气体流量和第二管路气体流量的比例可调；所述第二管路不对气体进行处理；或者所述第二管路对气体进行干燥处理，以降低第二管路气体的湿度；

所述加湿罐包含：水、曝气石、换热管以及温度控制装置；所述曝气石淹没于水内，所述水的体积小于加湿罐的体积；所述温度控制装置用于控制加湿罐内水的温度，使得水的温度达到预设温度值；所述第一进气口通过密闭管道与曝气石连接，所述曝气石将从第一进气口流入加湿罐的气体打成小气泡，并从水中排出，以使得从水中排出气体的温度达到所述预设温度值，湿度达到第二湿度；所述第二湿度大于第一湿度；

所述加湿罐的第一出气口位于加湿罐的顶部，不被加湿罐内的水淹没；从加湿罐水中排出的气体从所述第一出气口排出；所述加湿罐的第二进气口和第二出气口通过浸没在加湿罐内水中的所述换热管连接，流经所述换热管的气体与加湿罐内的水进行热交换，使得从第二出气口流出气体的湿度与第二官道气体的湿度保持一致，温度达到所述预设温度值；

所述输出管路连接所述加湿罐的第一出气口和第二出气口，将从第一出气口和第二出气口排出的两路不同湿度的气体混合并输出，并通过控制第一管路气体和第二管路气体的流量比例以控制混合后气体的湿度。

在一个可选的实施例中，所述进气管路包括：进气开关阀和第一三通阀；

所述进气开关阀的一端连接待控制气体入口，另一端通过管道连接第一三通阀的第一接口，第一三通阀的第二接口和第三接口分别连接所述第一管路和第二管路。

在一个可选的实施例中，所述第一管路包括：第一质量流量控制器和第一单向阀；

所述第一质量流量控制器的一端连接第一三通阀的第二接口，另一端连接所述第一单向阀的入口；所述第一质量流量控制器用于控制第一管路的气体流量；

所述第一单向阀的出口连接所述加湿罐的第一进气口。

在一个可选的实施例中，所述第二管路不对气体进行处理时，所述第二管路包括：第二质量流量控制和第二单向阀；

所述第二质量流量控制器的一端连接第一三通阀的第三接口，另一端连接第二单向阀的入口；所述第二质量流量控制器用于控制第二管路的气体流量；

所述第二单向阀的出口连接所述加湿罐的第二进气口。

在一个可选的实施例中，所述第二管路对气体进行干燥处理时，所述第二管路还包括：干燥器；

所述干燥器至于第二质量流量控制和第二单向阀之间；所述干燥器用于对第二管路的气体进行干燥处理，使得气体的湿度达到第三湿度；所述第三湿度低于第一湿度。

在一个可选的实施例中，所述温度控制装置包括：温度传感器、水泵、散热器、加热器以及浮球式开关阀；

所述加热器浸没于加湿罐内的水中；所述加热器用于对加湿罐内的水进行加热；

所述浮球式开关阀、水泵以及散热器均位于加湿罐外部，所述浮球式开关阀连接加湿罐的第一进水口，所述水泵的一端连接加湿罐的出水口，所述水泵的另一端连接散热器的一端，所述散热器的一端连接加湿罐的第二进水口；所述浮球式开关阀用于控制加湿罐内的水的高度在预设高度范围内，以防止水位过低或者过高；所述水泵用于提供加湿罐内水从出水口流出，经过散热器进行散热后，再从第二进水口流入的动力，以对加湿罐内的水进行散热；

所述温度传感器用于检测加湿罐内的水的温度，并基于检测的温度和所述预设温度值的差异控制加热器或散热器的功率，使得加湿罐内的水的温度达到所述预设温度值。

在一个可选的实施例中，所述输出管路包括：第二三通阀、混合测量瓶以及输出开关阀；

所述第二三通阀的第一接口连接加湿罐的第一出气口，第二接口连接加湿罐的第二出气口，第三接口连接混合测量瓶的进气口；所述混合测量瓶用于将从第一出气口和第二出气口流出的气体混合均匀，并测量混合后气体的温度和湿度；

所述混合测量瓶的出气口连接输出开关阀；所述输出开关阀用于控制混合后的气体输出。

在一个可选的实施例中，所述输出管路采用绝热材料管道。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供一种燃料电池反应气体的温湿度控制系统，将待控制气体分为两路，两路气体分别通入加湿罐，通过控制加湿罐内水的温度，以及让两路气体在加湿罐的水内充分热交换，使得两路气体的温度一致，均与加湿罐内水温度相同；另外，通过水中的密闭管道流通一路气体，使得该路气体湿度不变，另一路气体经过加湿罐内浸没于水的曝气石进行湿度调节，达到不同的湿度，并通过对两路不同湿度气体的流量比例控制，调节混合后的气体的湿度；达到了对气体湿度和温度的同时简单有效控制的目的。

本发明提供一种燃料电池反应气体的温湿度控制系统，利用气体混合与即时反馈精确控制输出气体的湿度，可以调节得到的反应气体湿度范围大，精确度高。动态响应好，反应迅速，方便实现反应气体条件的动态变化，满足模拟输入气体在不同工作状况下的燃料电池实验条件。本发明可同时控制输出气体的具体温度和相对湿度，原理简单，结构稳定。

附图说明

图1是本发明提供的燃料电池测试平台用进气温湿度控制系统结构图；

图2是本发明提供的加湿罐结构图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为进气管路，2为第一管路，3为第二管路，4为加湿罐，5为输出管路；11为进气开关阀，12为第一三通阀，21为第一质量流量控制器，22为第一单向阀，23为气液分离器，31为第二质量流量控制器，32为第二单向阀，33为干燥器，40为温度传感器，41为曝气石，42为换热管，43为水泵，44为散热器，45为加热器，46为浮球式开关阀，47为第一出气口，48为第二出气口，51为第二三通阀，52为混合测量瓶，53为输出开关阀。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明综合了干湿气体混合的湿度控制方法和鼓泡加湿的优点，将温度控制和湿度控制整合为一套控制方法，采用质量流量控制器进行气体流量的精确控制，提高控制的精度与响应速度，原理简单，结构稳定。

具体地，本发明提供一种用于小型燃料电池测试平台的反应气体湿度控制系统，包括进气管路，第一管路，第二管路，加湿罐和输出管路；进气管路包括进气开关阀与三通阀；第一管路包括质量流量控制器、单向阀和气液分离器；第二管路包括质量流量控制器、单向阀和干燥器；加湿罐结构包括曝气石、换热管、水泵、散热器、加热器、浮球式开关阀和温度传感器；输出管路包括三通阀、混合测量瓶和输出开关阀。该控制系统的调节方法为：气体从输入管路进入气体控制系统，通过三通阀分为两路后，一路气体经过质量流量控制器调节后通过加湿系统的加湿通路，湿度达到加湿罐内水温度下的饱和值；另一路经过质量流量控制器调节后进入加热气体的换热通路，经过换热管与系统交换热量，以使其与通入加湿通路的气体温度保持一致；这两路温度相同的干湿气体在按照一定的流量比例汇合进入混合测量瓶，充分混合并达到目标设定的高精度温湿度值，从气体输出口输出。该系统可以通过输入信号进行动态控制，即时地改变反应气体的温湿度参数，迅速获得目标参数的反应气体，获得的气体湿度范围大，精度高，动态响应好，装置原理简单，结构稳定。

本发明提供的燃料电池测试平台用进气温湿度控制系统结构如图1所示，包括：进气管路1，第一管路2，第二管路3，加湿罐4以及输出管路5；

进气管路1包括进气开关阀11与第一三通阀12，进气开关阀11一端连接气体入口，另一端通过管道连接第一三通阀12，第一三通阀12的另外两个接口分别连接第一管路2和第二管路3；

第一管路2包括第一质量流量控制器21、第一单向阀22和气液分离器23，通过管道按顺序连接第一质量流量控制器21和第一单向阀22，并连接到加湿罐4的加湿入口，通过加湿罐4之后从加湿出口连接到气液分离器23，最后连接到输出管路5的第二三通阀51；

第二管路3包括第二质量流量控制器31、第二单向阀32和干燥器33，通过管道按顺序连接第二质量流量控制器31、干燥器33和第二单向阀32，并连接到加湿罐4的加热入口，通过加湿罐4之后从加热出口连接到输出管路5的第二三通阀51；

加湿罐4的结构如图2所示，第一管路2进入加湿罐4后连接至曝气石41，加湿罐4罐口附近设有第一出气口47；曝气石41置于加湿罐水平面以下深处；第二管路3进入加湿罐4后连接至换热管42，之后连接至第二出气口48，其中换热管42置于加湿罐水平面以下；加湿罐4底部通过管道连接至水泵43，其出口连接至散热器44，散热器44通过管道连接至加湿罐上部；加湿罐4底部设置有加热器45；加湿罐4底部设置有液位控制管路，通过浮球式开关阀46控制；加湿罐4液面下设置有温度传感器40。

输出管路5包括三通阀51、混合测量瓶52和输出开关阀53，第一管路2和第二管路3通入到三通阀51后连接到混合测量瓶52，混合测量瓶52连接到输出开关阀53，通向气体输出口；其中，混合测量瓶52中设有温湿度传感器；

加湿罐4可采用不锈钢或玻璃材质的密封结构，仅存在管路与外界相连。

输出管路5可采用绝热材料管道，避免气体在管路中温度下降过大。

第一单向阀22和第二单向阀32的作用是防止高湿度气体逆流而导致的质量流量控制器损坏。

加湿罐内的水通过温度控制装置将水温控制在设定温度，可采用继电器通断控制电热丝加热，控制水泵与散热器运行给水降温，从而将水温维持在目标温度。气体通过管路分为两路，一路为加湿通路，其中的气体经过质量流量控制器与单向阀，通入水中的气体通过曝气石造泡后携带大量水分子逸出水面，湿度接近达到该温度下的饱和值；另一路经过质量流量控制器调节后进入加湿气体的换热通路，经过换热管与系统交换热量，以使其与通入加湿通路的气体温度保持一致；这两路温度相同的干湿气体在湿度控制器的控制下按照一定的流量比例汇合进入测量混合瓶混合均匀，获得对应温湿度的反应气体，同时由传感器采集混合气体的参数传输给湿度控制器，以完成闭环反馈控制。

需要说明的是，理论上来说只要获得100％RH的饱和湿度气体和0％RH的绝对干燥气体进行任意确定比例的混合，可以获得任意确定相对湿度的气体。

具体地，加湿罐主要目的是将湿润气体的相对湿度提高到接近100％RH，从而增大湿度控制的上限范围，而此处在第二管路中干燥处理则是为了将干燥管路的相对湿度尽量降低，获得更低的下限范围。

特殊的，在对诸如99％纯度的瓶装氢气/氮气等进行湿度控制时，可以视为已经通过预处理的纯干燥气体，此时可以略去干燥装置。

由于通过两路气体比例控制最终湿度的方法，其最大范围由干燥气体和湿气体决定，当温度一定时，混合湿度必定大于两者之中的干燥气体，而小于湿润气体，其具体值通过实际混合比例控制。具体地，加湿罐加湿后的湿度并非固定，而是接近饱和。进行鼓泡加湿的目的是提高最终加湿效果的上限，具体湿度的控制靠调节干湿气体的比例进行。

论文Patel,V.,Patel,R.&Patel,J.Experimental and theoretical evaluationof bubbler humidifier for humidification-dehumidification water desalinationsystem.Heat Mass Transfer 55,3201–3210(2019)中的研究结果表明，曝气石鼓泡加湿的相对湿度与气体流量、加湿温度和液面高度成正相关，与气泡直径成负相关。当采用燃料电池通常运行所模拟的参数时，如G.Vasu,A.Tangirala,B.Viswanathan,K.Dhathathreyan，Continuous bubble humidification and control of relative humidity of H2 for aPEMFC system，Int.J.Hydrogen Energy,33(17)(2008)中的数据所示，经过曝气石鼓泡加湿的气体湿度通常会达到93％RH-96％RH。

在一个具体的实施例中，可设经过曝气石鼓泡加湿的气体湿度为90％RH。则控制湿度的原理为：相同温度的干湿气体混合，最终获得的湿度范围会在两者的湿度之间，最终湿度控制由干湿气体混合的比例控制。例如，假设待控制温湿度的干燥气体湿度为20％RH，加湿气体湿度为90％RH，将两路质量流量控制器的流量值调整为相同值，则获得输出气体的湿度为55％RH；若提高加湿气体所占的流量比例，则输出气体的湿度增高，最大值为加湿气体的湿度90％RH，此时干湿气体比值为0：1，反之同理。各测量器件连接到湿度控制器，收集气体在各个位置的温湿度参数，与设定目标湿度对比进行PID反馈控制，使得输出稳定为设定的目标湿度。

可以理解的是，具体加湿管路加湿后的湿度可通过大量实验条件反复验证，以在实验条件固定条件下达到对应固定湿度，另外，通过控制干燥管路的实验条件控制干燥气体的湿度值。在反复实验验证下，通过控制加湿管路的实验条件控制湿润气体的湿度，通过控制干燥管路的实验条件控制干燥气体的湿度，最终通过控制两路气体的流量比例控制混合气体的湿度。

进一步地，由于两路气体都经过加湿罐内水的热交换，保证了混合之前的两路气体的温度是一致且可控的，最终实现了气体的温度、湿度一体化简单控制。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种燃料电池反应气体的温湿度控制系统，其特征在于，包括：进气管路、第一管路、第二管路、加湿罐以及输出管路；

待控制气体进入所述进气管路，被划分为两路气体，分别流入所述第一管路和第二管路；所述待控制气体的湿度为第一湿度；

所述第一管路的出气口连接所述加湿罐的第一进气口；所述第一管路不对气体进行处理；

所述第二管路的出气口连接所述加湿罐的第二进气口；第一管路气体流量和第二管路气体流量的比例可调；所述第二管路不对气体进行处理；或者所述第二管路对气体进行干燥处理，以降低第二管路气体的湿度；

所述加湿罐包含：水、曝气石、换热管以及温度控制装置；所述曝气石淹没于水内，所述水的体积小于加湿罐的体积；所述温度控制装置用于控制加湿罐内水的温度，使得水的温度达到预设温度值；所述第一进气口通过密闭管道与曝气石连接，所述曝气石将从第一进气口流入加湿罐的气体打成小气泡，并从水中排出，以使得从水中排出气体的温度达到所述预设温度值，湿度达到第二湿度；所述第二湿度大于第一湿度；

所述加湿罐的第一出气口位于加湿罐的顶部，不被加湿罐内的水淹没；从加湿罐水中排出的气体从所述第一出气口排出；所述加湿罐的第二进气口和第二出气口通过浸没在加湿罐内水中的所述换热管连接，流经所述换热管的气体与加湿罐内的水进行热交换，使得从第二出气口流出气体的温度达到所述预设温度值；

所述输出管路连接所述加湿罐的第一出气口和第二出气口，将从第一出气口和第二出气口排出的两路不同湿度的气体混合并输出，并通过控制第一管路气体和第二管路气体的流量比例以控制混合后气体的湿度。

2.根据权利要求1所述的温湿度控制系统，其特征在于，所述进气管路包括：进气开关阀和第一三通阀；

所述进气开关阀的一端连接待控制气体入口，另一端通过管道连接第一三通阀的第一接口，第一三通阀的第二接口和第三接口分别连接所述第一管路和第二管路。

3.根据权利要求2所述的温湿度控制系统，其特征在于，所述第一管路包括：第一质量流量控制器和第一单向阀；

所述第一质量流量控制器的一端连接第一三通阀的第二接口，另一端连接所述第一单向阀的入口；所述第一质量流量控制器用于控制第一管路的气体流量；

所述第一单向阀的出口连接所述加湿罐的第一进气口。

4.根据权利要求2所述的温湿度控制系统，其特征在于，所述第二管路不对气体进行处理时，所述第二管路包括：第二质量流量控制和第二单向阀；

所述第二质量流量控制器的一端连接第一三通阀的第三接口，另一端连接第二单向阀的入口；所述第二质量流量控制器用于控制第二管路的气体流量；

所述第二单向阀的出口连接所述加湿罐的第二进气口。

5.根据权利要求4所述的温湿度控制系统，其特征在于，所述第二管路对气体进行干燥处理时，所述第二管路还包括：干燥器；

所述干燥器至于第二质量流量控制和第二单向阀之间；所述干燥器用于对第二管路的气体进行干燥处理，使得气体的湿度达到第三湿度；所述第三湿度低于第一湿度。

6.根据权利要求2所述的温湿度控制系统，其特征在于，所述温度控制装置包括：温度传感器、水泵、散热器、加热器以及浮球式开关阀；

所述加热器浸没于加湿罐内的水中；所述加热器用于对加湿罐内的水进行加热；

所述浮球式开关阀、水泵以及散热器均位于加湿罐外部，所述浮球式开关阀连接加湿罐的第一进水口，所述水泵的一端连接加湿罐的出水口，所述水泵的另一端连接散热器的一端，所述散热器的一端连接加湿罐的第二进水口；所述浮球式开关阀用于控制加湿罐内的水的高度在预设高度范围内，以防止水位过低或者过高；所述水泵用于提供加湿罐内水从出水口流出，经过散热器进行散热后，再从第二进水口流入的动力，以对加湿罐内的水进行散热；

所述温度传感器用于检测加湿罐内的水的温度，并基于检测的温度和所述预设温度值的差异控制加热器或散热器的功率，使得加湿罐内的水的温度达到所述预设温度值。

7.根据权利要求1至6任一项所述的温湿度控制系统，其特征在于，所述输出管路包括：第二三通阀、混合测量瓶以及输出开关阀；

所述第二三通阀的第一接口连接加湿罐的第一出气口，第二接口连接加湿罐的第二出气口，第三接口连接混合测量瓶的进气口；所述混合测量瓶用于将从第一出气口和第二出气口流出的气体混合均匀，并测量混合后气体的温度和湿度；

所述混合测量瓶的出气口连接输出开关阀；所述输出开关阀用于控制混合后的气体输出。

8.根据权利要求1至6任一项所述的温湿度控制系统，其特征在于，所述输出管路采用绝热材料管道。

Images