CN112952148A - 一种燃料电池加湿控制装置 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池加湿控制装置，包括：用于将通入的气体进行加湿的鼓泡加湿器，所述加湿器内设有电加热元件、热电偶以及气体分散器。本发明相比现有技术，测温区温度高于加湿气温度，露点温度的测量与控制更为准确；相比于膜加湿器成本更低，加湿程度更高；相比于喷淋法，加湿更为均匀，不存在液态水，加湿效果稳定；相比于传统鼓泡加湿器，响应更快，湿度的测量和控制更为精准，加湿器降温速率更快，能通过简单水管理系统进行水位的控制与温度调节。

Description

一种燃料电池加湿控制装置

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体是一种质子交换膜燃料电池系统的加湿控制装置和加湿控制方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种能量转换效率高、零污染、安全性高的能量转换装置，其基本组件包括膜电极、密封件、双极板、端板等，其中膜电极为该体系中的核心部件。目前该领域使用的质子交换膜主要包括

膜以及PBI膜，其中前者必须在湿润状态下才能正常进行离子传导，适用于100℃以下燃料电池系统；后者对气体湿度要求不高，但其质子传导率同样对气体湿度较为敏感，适用于150～180℃的燃料电池系统。因此测试系统的气体加湿的控制对电池性能与寿命至关重要。

燃料电池测试设备气体加湿常用方法有喷淋加湿、鼓泡加湿以及膜渗透加湿等。鼓泡加湿的原理是将气体分散到鼓泡箱中，通过加热鼓泡水箱中的水的温度使水蒸发，来加湿气体；喷淋加湿的原理是将水通过喷头喷出，通过与气体在短时间内混合完成气体加湿；膜渗透加湿原理是通过水的浓度差，使水渗透到膜的另一边和气体混合来实现气体加湿。

传统的气体加湿装置存在以下不足：①鼓泡加湿方法的升降温速率慢，启动停机时间过长，响应速度慢，气体湿度不易控制和改变；②喷淋法加湿水雾化效果不好，若液态水随气体进入燃料电池，可导致膜电极水淹；③膜渗透加湿法制作工艺复杂、成本高，湿度可调范围较窄。

无论是燃料电池性能和使用寿命等技术参数的测试还是实际应用，都必须精确控制测试湿度，因此需要针对现有的加湿技术的缺点进行改进。

发明内容

针对于鼓泡加湿方法中湿度控制改变困难的缺点，本发明提供了一种燃料电池测试气体加湿控制装置和方法。

本发明提供了一种燃料电池的气体加湿控制装置，包括：

用于将通入的气体进行加湿的鼓泡加湿器，所述加湿器内设有电加热元件、热电偶以及气体分散器；

用于调节加湿后的所述气体露点温度的冷却塔，位于加湿器与气体加热管路之间；

进一步地，所述冷却塔外层设有用于通入冷却流体的夹套或盘管，夹套或盘管入口设有电加热元件；

进一步地，所述冷却塔内壁设有2个以上沿轴向设置的冷却片组，所述冷却片组为一个上下二端开口的圆锥台形筒体或2个以上沿圆周方向间隔分布的、上下表面为圆弧面的圆弧形挡片，其中圆锥台形筒体靠近下底面的侧壁上设有导液通孔，圆弧形挡片的圆心角向下，可避免冷凝液态水被吹入测温区；

可选地，冷却塔材质采用透明材质，所述透明材质包括亚克力、PFA塑料、PC塑料中的一种，可用于观测加湿器水位以及冷却塔冷凝情况，在控制系统出现异常时可以及时的判断异常位置与程度；

用于测量加湿后的所述气体露点温度的测温装置，该装置位于冷却塔出口与加热管路入口的连接处；

进一步地，所述测温装置内部含有一个电加热元件以及一个热电偶，通过电加热元件将整个测温装置控制在所需露点温度之上的某一温度，此时加湿气经过该装置时，加湿气体与测温装置间存在强制对流传热，理想情况下当测温装置温度稳定时，测温装置对加湿气的传热量Q₁与对管壁连接处的传热量Q₂之和等于内部电加热元件的加热功率W，如下式所示：

Q₁+Q₂＝hΔT₁+bΔT₂＝W，其中h为对流传热系数，ΔT₁为测温装置与加湿气间的温度差，b为测温装置本体内的热传导系数，ΔT₂为测温装置与管壁接触点的温度差；

具体地，将该传热过程等效为外掠等温平板传热过程，其特征数方程如下：Nu＝0.664Re^1/2Pr^1/3，其中Nu＝hL/k，Re＝ρvd/μ，Pr＝μC_p/k；

由于气路气压p可由气压表得到，初始气体流量q已知，进入加热管路的加湿器为水蒸气饱和的气体，因此k、ρ、v、μ、C_p均可写为露点温度T、气压p以及流量q的函数，将上述参数带入W＝hΔT₁+bΔT₂中后的方程内仅有传热面的几何特征长度L，流场特征长度d，露点温度T，热传导系数b以及壁面接触点温度T′五个未知量，由于理论露点温度T可根据加湿气体内收集的水的质量、待加湿气流量以及气压推算得出，L和d可合并为一个参数d^1/2L^1/3，因此通过三组或三组以上的校准实验可以得到d^1/2L^1/3、b以及T′，将该参数带入原方程可以根据加热功率W计算出气体露点温度，其中b和d^1/2L^1/3校准一次即可，而T′受外界环境温度与壁温影响，在每次加湿器启动时均需采用干燥气校准；

用于保持和/或提高加湿气温度的加热管路，所述加热管路上设有电加热元件，所述加热管路上设有气压表；

可选地，所述加热管路外壁设有隔热材料，所述隔热材料为玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐、气凝胶毡、真空板中的一种或二种以上；

用于控制加湿器内去离子水水位和温度的水管理系统，所述水管理系统包括进水管、出水管、水泵、水箱以及第一和第二三通阀，所述出水管路上设有水压表，通过控制第一和第二三通阀方向，可以利用一个水泵实现所述去离子水在加湿罐中的排入、排出以及外部冷却循环，从而完成加湿罐内水位以及水温的迅速调节；

可选地，水管理系统管路和/或水箱内和/或外可设置冷却和/或加热装置，所述冷却为通入冷却流体的夹套或盘管、风扇中的一种或两种，所述加热装置包括通入导热流体的夹套或盘管、电加热元件中的一种或两种。

本发明相比现有的技术的，其有益效果是：

1.测温区温度高于加湿气温度，避免了传统热电偶测温导致加湿气冷凝的缺点，同时校准了热电偶由外部热传导导致的测量误差，因此露点温度的测量与控制更为准确；

2.相比于膜加湿器成本更低，加湿程度更高；

3.相比于喷淋法，加湿更为均匀，不存在液态水，加湿效果稳定；

4.相比于传统鼓泡加湿器，响应更快，湿度的测量和控制更为精准，加湿器降温速率更快，能通过简单水管理系统进行水位的控制与温度调节；

本发明提供了一种燃料电池气体加湿程度的快速控制方法，控制步骤如下：

步骤S1：在加湿器内无去离子水的情况下启动加湿器，测定气体温度T₀；

步骤S2：启动露点温度测试装置内的加热元件，控制加热功率使温度测试装置温度稳定在温度T₁，该温度需大于所需最大露点温度，同时根据T₀与测温装置加热功率W检验测温装置是否处于正常工作状态并校准测温装置与管壁接触点温度T′，根据实验需求，上述校准步骤可在一个或两个以上的温度点进行；

步骤S3：若系统正常，启动水管理系统，向加湿罐内供水，根据水压表与气压表的差值计算并控制水位；

步骤S4：上位机通过PID控制程序控制加湿器水温为T₂，该温度根据测试范围内所需的最大露点温度调整；

步骤S5：上位机根据燃料电池所需的加湿量，通过改变冷却塔夹套或盘管内冷却流体的温度来控制加湿气露点温度，所述加湿气露点温度由露点温度测试装置测得；

步骤S6：当所需加湿范围过大，上述控制方法难以满足低湿度要求时，可通过控制水管理系统使加湿器内的去离子水通过外循环的方式迅速降温。

本发明的有益效果是：可进行湿度的快速与准确控制，加湿效果稳定，开机时可进行系统诊断程序，从而保证加湿数据的可靠性。

附图说明

图1是本发明中燃料电池的气体加湿控制装置的结构示意图；

图2是本发明中冷却塔内圆弧形挡片的一种结构示意图；

图3是本发明中加湿器加湿控制结构示意图；

图4是本发明中加湿器进水流向的示意图；

图5是本发明中加湿器出水流向的示意图；

图6是本发明中加湿器外部水循环流向的示意图；

附图标记：1、加湿器主体；2、冷却塔；3、夹套；4、气体管路；5、气体分布器；6、气体管路入口；7、加湿器加热管；8、温度测试管；9、进水管；10、出水管；11、水箱；12、第一三通阀；13、第二三通阀；14、水泵；15、加热管路；16、加热管；17、热电偶套管；18、气压表；19、冷却流体出口；20、冷却片组；21、冷却塔下开口端螺纹；22、冷却塔上开口端螺纹；23、水压压力表；24、冷却流体入口处的加热管。

具体实施方式

下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例一

一种燃料电池的加湿控制装置；

如图片1所示，燃料电池的加湿控制装置包括：加湿器主体1，加湿器主体1为上端开口的容器，开口端为圆形，内部装填有水；气体管路4穿过容器的侧壁面伸入至水面以下，气体管路出口端设有气体分布器5，气体管路入口6与气源相连；于容器内水面以下设有加热管7，加热管7内设有电加热棒，于容器内水面以下设有温度测试管8，温度测试管8内设有热电偶；加湿罐侧面设有进水管9，加湿器底部出水管10；

还包括水箱11，进水管9和出水管10分别与水箱11相连通，于进水管9和出水管10上分别设有第一三通阀12和第二三通阀13，第一三通阀12和第二三通阀13的第三个接口经水泵14相连通；出水管10上设有水压压力表23；

还包括冷却塔2，冷却塔2为上下二端开口的中空的圆锥台形筒体，冷却塔2圆锥台形筒体的圆锥角角度为60°，冷却塔2的下开口端21与容器圆形上开口端通过螺纹螺合密闭连接；冷却塔2的外壁面上设有用于通入冷却流体的夹套3，夹套3入口设有加热管24，加热管内设有电加热棒，夹套3出口19位于夹套顶部；冷却塔2的内壁面上设有3个沿轴向设置的冷却片组20，每个冷却片组为一个上下二端开口的圆锥台形筒体，圆锥台形筒体下端与冷却塔2的内壁面固接，圆锥台形筒体靠近下底面的侧壁上设有导液通孔；

还包括加热管路15，加热管路15与冷却塔2的上开口端22通过螺纹螺合密闭连接，另一端与燃料电池相连；加热管路15内设有加热管16，加热管内设有电加热棒；加热管路15入口处设有套管17，套管17内壁紧贴一层环状电加热片，热电偶置于环形电加热片轴向方向，其内部孔隙由导热硅脂填充，该装置用于测试加湿气露点温度；加热管路15上设有气压表18。

实施例二

一种燃料电池加湿系统开机时的校准方法，应用至第一实施例所述的燃料电池的加湿控制装置，加湿校准方法包括如下步骤：

步骤S1：在加湿器主体1内无去离子水的情况下启动加湿器，测定气体温度T₀；

步骤S2：启动露点温度测试装置17内的加热元件，控制加热功率使温度测试装置温度稳定在温度T₁，该温度需大于所需最大露点温度，同时检验测温装置是否处于正常工作状态并校准测温装置与管壁接触点温度T′；

具体地，将步骤S1测得的T₀、测温装置加热功率W、气压表压力P以及设定初始流量q带入发明内容中提到的已经过校准的计算方程中，若结果与校准文件的误差低于1％则说明测试系统正常，此时可以选择进行额外的温度点或气体流量进行校准测试，根据测试结果修正参数T′；若校准结果与校准文件误差处于1％～5％，则必须额外选取2个或2个以上的温度点或气体流量进行校准测试，根据测试结果修正参数T′；若校准结果与校准文件误差高于5％，说明系统工作不正常，需要检查加湿系统各部件运行状态或重新进行发明内容中提到的校准过程；

步骤S3：若系统正常，启动整个加湿控制系统。

实施例三

实施例结构示意图如图3所示；

一种燃料电池气体加湿控制方法，应用至第一实施例所述的燃料电池的加湿控制装置，加湿校准方法包括如下步骤：

步骤S1，根据水压表23与气压表18的差值计算并控制水位；

具体地，启动水泵14，第一三通阀12和第二三通阀13方向按图4所示，向加湿器主体1内供水，上位机根据水压表与气压表的差值计算水位，当检测到水位达到预设值范围时关闭水泵，当检测到水位低于预设值范围时开启水泵；

步骤S2：上位机通过PID控制程序控制加湿器水温为T₂，该温度根据测试范围内所需的露点温度进行调整；

具体地，上位机记录有2个或2个以上常用加湿器温度下，加湿程度的上下限值，当加湿过程中出现超过加湿范围的情况时，上位机自动记录下该加湿器温度下的上限值和/或下限值，作为后续测试参考值；

步骤S3：上位机根据燃料电池所需的加湿量，通过改变冷却塔夹套或盘管3内冷却流体的温度来控制加湿气露点温度，所述加湿气露点温度由露点温度测试装置测得；

具体地，上位机根据露点测量装置反馈的温度信号通过PID控制程序控制冷却塔夹套或盘管3入口处的加热元件24的加热功率；

具体地，加湿气露点温度根据测温装置17内电加热元件的加热功率、气体流量、初始气体组成，气压表示数，结合发明内容中提到的校准后的计算方程计算得到；

步骤S4：当所需加湿范围远远低于该加湿器主体1温度下的加湿下限值时，可通过控制水管理系统使加湿器内的去离子水通过外循环的方式迅速降温；

具体地，启动水泵14，第一三通阀12和第二三通阀13方向按图6所示，使去离子水循环冷却，加湿器进出水管路外可设置额外的冷却装置加速冷却效率，同时关闭冷却塔夹套或盘管3入口处的加热元件24，直到加湿温度达到所需范围；

步骤S5：当加湿器停机时，启动水泵14，第一三通阀12和第二三通阀13方向按图5所示，将加湿器主体1内去离子水抽离，上位机根据水压表与气压表的差值计算水位，当检测到水位达到预设值时关闭水泵。

Claims (10)

1.一种燃料电池加湿控制装置，其特征在于：

包括加湿器主体(1)，加湿器主体(1)为上端开口的容器，开口端为圆形，于圆形上开口端上方设置有一上下二端开口的中空的圆锥台形筒体作为冷却塔(2)，冷却塔(2)的下开口端与容器圆形上开口端密闭连接；

于冷却塔(2)的外壁面上设有用于通入冷却流体的夹套或盘管(3)；

于容器内装填有水，一气体管路(4)穿过容器的侧壁面伸入至水面以下，于气体管路伸入至水面以下的出口端设有气体分布器(5)；处于容器外的气体管路入口(6)与气源相连；

于容器内水面以下设有加热管(7)，加热管(7)内设有电加热元件；于容器内水面以下设有温度测试管(8)，温度测试管(8)内设有热电偶；

于容器底部和/或侧面设有进水管(9)和出水管(10)，进水管(9)和出水管(10)分别与水箱(11)相连通，于进水管(9)和出水管(10)上分别设有第一三通阀(12)和第二三通阀(13)，第一三通阀(12)和第二三通阀(13)的第三个接口经水泵(14)相连通；

于冷却塔(2)的上开口端设有加热管路(15)，加热管路(15)一端与冷却塔(2)的上开口端密闭连接，另一端与燃料电池相连；于加热管路(15)上设有电加热元件，电加热元件置于一插入加热管路(15)内的加热管(16)内或缠绕于加热管路(15)的外壁面上；

于靠近冷却塔(2)的加热管路(15)内设有一套管，套管内设有热电偶(17)，热电偶(17)和套管内壁面之间设有电加热元件；

于加热管路(15)上设有气压表(18)。

2.按照权利要求1所述装置，其特征在于：

于夹套或盘管(3)的冷却流体入口处设有电加热元件，电加热元件置于一插入冷却流体入口处的加热管(24)内或缠绕于冷却流体入口处的外壁面上；冷却流体入口位于夹套或盘管(3)的底部，冷却流体出口(19)位于夹套或盘管(3)的顶部。

3.按照权利要求1或2所述装置，其特征在于：

于冷却塔(2)的内壁面上设有2个以上沿轴向设置的冷却片组(20)，每个冷却片组为一个上下二端开口的圆锥台形筒体或2个以上沿圆周方向间隔分布的、上下表面为圆弧面的圆弧形挡片，圆锥台形筒体或圆弧形挡片下端与冷却塔(2)的内壁面固接，圆锥台形筒体靠近下底面的侧壁上设有导液通孔，圆弧形挡片的圆心角向下。

4.按照权利要求1所述装置，其特征在于：

冷却塔(2)的下开口端(21)与容器圆形上开口端密闭连接，所述密闭连接方式为螺纹螺合、焊接中的一种。

5.按照权利要求1所述装置，其特征在于：

加热管路(15)一端与冷却塔(2)的上开口端(22)密闭连接，所述密闭连接方式为螺纹螺合、焊接中的一种。

6.按照权利要求1所述装置，其特征在于：

于出水管(10)上设有水压压力表(23)。

7.按照权利要求1所述装置，其特征在于：冷却塔(2)圆锥台形筒体的圆锥角角度45～75°。

8.按照权利要求1所述装置，其特征在于：电加热元件为电加热丝、电加热带、电加热管中的一种或二种以上。

9.按照权利要求1所述装置，其特征在于：加热管路(15)外壁设有隔热材料，所述隔热材料为玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐、气凝胶毡、真空板中的一种或二种以上。

10.按照权利要求1-9任一所述装置对燃料电池气体加湿程度的快速控制方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤S1：在加湿器内无去离子水的情况下启动加湿器，测定气体温度T₀；

步骤S2：启动露点温度测试装置内的加热元件，控制加热功率使温度测试装置温度稳定在温度T₁，该温度需大于所需最大露点温度，同时根据T₀与测温装置加热功率W检验测温装置是否处于正常工作状态并校准测温装置与管壁接触点温度T′，根据实验需求，上述校准步骤可在一个或两个以上的温度点进行；

步骤S3：若系统正常，启动水管理系统，向加湿罐内供水，根据水压表与气压表的差值计算并控制水位；

步骤S4：上位机通过PID控制程序控制加湿器水温为T₂，该温度根据测试范围内所需的最大露点温度调整；

步骤S5：上位机根据燃料电池所需的加湿量，通过改变冷却塔夹套或盘管内冷却流体的温度来控制加湿气露点温度，所述加湿气露点温度由露点温度测试装置测得；

步骤S6：当所需加湿范围过大，上述控制方法难以满足低湿度要求时，可通过控制水管理系统使加湿器内的去离子水通过外循环的方式迅速降温。

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