CN113648777A - 一种用于燃料电池测试台的气体预热加湿装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池测试台的气体预热加湿装置，顶盖总成上设有湿气体出口，罐体自上而下依次设有水路进口和干气体入口，底盖总成上设有水路出口，水路进口用于通入热水；罐体内部自上而下依次设有除湿结构、喷淋组件和预热器，喷淋组件接通水路进口，预热器的进气口接通干气体入口，预热器的出气口包括多个曝气头。与现有技术相比，本发明先将气体在预热器内预热，经由曝气头生成细密均匀的气泡，与水充分接触加湿，再通过喷淋组件再次加湿，预热加湿效果好，且除湿结构采用滤水网与除雾器组合，既可以有效过滤湿气体中携带的水分，又降低因过滤增加的阻力，防止湿气体中的液态水从除雾器与滤水网的边缘缝隙进入湿气体出口。

Description

一种用于燃料电池测试台的气体预热加湿装置

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种用于燃料电池测试台的气体预热加湿装置。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种把氢气所具有的化学能直接转化为电能的装置，通过电化学反应产生电能，不受卡诺循坏限制，因此燃料电池的能量转换效率高。但燃料电池质子交换膜质子的电导率与水含量、温度密切相关，当质子交换膜失水或者水过量时，质子电导率都会变慢；低温或高温也会影响燃料电池能量转换效率。因此，需要控制好反应气体的温度与湿度。

BOP零件是燃料电池系统重要组成部分，如氢气循环泵、引射器、气水分离器等，也需要通入一定温度与湿度的气体进行测试。通过测试结果对BOP零部件进行优化，使其更适合应用于燃料电池。

综上，需要一套气体的预热加湿装置，对燃料电池及BOP零部件进行测试，确保燃料电池及BOP零件能够在合适的气体温度与湿度下运行。

现有技术中，专利CN211427168U公开了一种燃料电池测试台气体加湿装置，该装置包括加湿罐、加热装置、进水单元、进气单元、温湿度传感器及喷雾装置，该装置能够将气体加温加湿到预定的范围内。但是该装置有两处问题：1、在温湿度传感器前端没有除雾装置，可能导致传感器湿度显示不准确；2、在加湿罐底部铺有填充物，如玻璃珠等，虽然能够让气体通过时变成小气泡但不均匀，填充物会在水中相互撞击，产生噪音；撞击还会产生细小颗粒，影响水质等问题。

专利CN103776121B公开了一种用于实验室系统的带压加湿装置，专利装置包括进水管路、进气管路、加湿罐、加湿管道、捕集网、泄压阀等，该专利能够对气体进行加湿并过滤掉气体中的液滴，确保气体湿度的准确性。但气体经过加湿罐时，气体产生的气泡较大且不均匀，气体无法充分被水湿润，导致气体加湿不充分，会影响出口处气体的湿度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于燃料电池测试台的气体预热加湿装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于燃料电池测试台的气体预热加湿装置，包括顶盖总成、罐体、底盖总成和传感器单元；

所述顶盖总成上设有湿气体出口，所述罐体自上而下依次设有水路进口和干气体入口，所述底盖总成上设有水路出口，所述水路进口用于通入热水；

所述罐体内部自上而下依次设有除湿结构、喷淋组件和预热器，所述喷淋组件接通水路进口，热水通过所述喷淋组件进行喷淋，其喷淋区域覆盖了整个罐体内部区域，所述预热器的进气口接通干气体入口，在所述预热器内气体与罐体内的热水进行热交换，所述预热器的出气口包括多个曝气头，所述曝气头设置在罐体的底部，用于生成气泡。

优选的，所述除湿结构包括滤水网、除雾器和挡板，所述挡板为设置在罐体内壁上的凸块，除雾器固定安装在挡板上方，滤水网布置在除雾器的上方；采用滤水网与除雾器组合，既可以有效过滤湿气体中携带的水分，又降低因过滤增加的阻力；新增挡板既能固定除雾器，又有效防止湿气体中的液态水从除雾器与滤水网的边缘缝隙进入到湿气体出口。

优选的，所述预热器包括中心主管、多个预热盘管、多个盘管侧支撑杆、多个支路弯管和多个曝气头；

所述中心主管包括两段，分别为上主管和下主管，上主管和下主管上分别固定安装有盘管固定盘，所述盘管侧支撑杆与预热盘管一一对应，两端分别与盘管固定盘连接，用于支撑预热盘管，所述预热盘管固定在两个盘管固定盘之间；

上主管的进气口接通干气体入口，上主管的出气口接入各个预热盘管的进气口；所述预热盘管为螺旋柱状结构，各个预热盘管的出气口均接入下主管的进气口，下主管的出气口通过支路弯管接入各个曝气头；所述支路弯管的出气口的位置高于支路弯管的进气口的位置。

一方面通过预热盘管增加换热面积，能使气体充分加热，另一方面气体通过曝气头生成细密均匀的气泡，曝气头在罐体底部，气体与水能够充分接触，气体预热加湿效果更好。

优选的，所述预热器还包括活动限位盘和底座连接盘，所述活动限位盘设于预热器的顶端，用于将预热器固定在罐体的侧壁上，所述底座连接盘设于预热器的底端，用于将预热器固定在底盖总成上。

优选的，所述预热器与干气体入口连接的位置设有快换卡盘。

优选的，所述湿气体出口设有快换卡盘，所述水路进口和水路出口均设有快换卡盘，所述干气体入口设有卡套管，便于与外部测试台等设备连接。

优选的，所述曝气头为金属烧结制成，孔隙率高、孔径分布均匀，使用寿命长。

优选的，所述罐体包括上段罐体和下段罐体，这样的分段设置便于加工以及内部的预热器、喷淋组件等的安装，顶盖总成上带有法兰盘，上段罐体的上下两端带有法兰盘，下段罐体的上下两端带有法兰盘，底盖总成上带有法兰盘，所述上段罐体分别与顶盖总成和下段罐体密封连接，所述下段罐体分别与上段罐体和底盖总成密封连接；所述除湿结构、喷淋组件和水路进口布置在上段罐体，所述干气体入口和预热器布置在下段罐体。

优选的，所述底盖总成的底部还设有法兰盘，用于固定气体预热加湿装置。

优选的，所述罐体上还设有多个视镜，分别设于罐体上的不同位置，用于观察喷淋组件和曝气头生成的气泡。

优选的，所述罐体外部包覆有保温层，包覆整个罐体的保温层既减少热量损失，又防止人被烫伤。

优选的，所述底盖总成上设有排水阀。

优选的，所述传感器单元包括温度传感器和压力传感器，所述温度传感器和压力传感器布置在湿气体出口处。

优选的，所述罐体上设有液位管，用于反应罐体内的液位情况，所述传感器单元包括布置在所述液位管上的液位传感器，所述罐体上还设有补水口，所述补水口设于干气体入口下方，且靠近底盖总成，液位传感器的位置处于干气体入口与曝气头最高点之间。设置液位传感器其实为了检测罐体内部水的容量(体现为液位高度)，补水时超过液位最高点，则停止补水；当水量低于曝气头最高处，气体的湿度得不到保证，就会触发液位传感器，对罐体进行补水。

优选的，所述液位管为透明或半透明液位管，便于肉眼观察液位情况。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)湿气体的湿度更准确：采用滤水网与除雾器组合，既可以有效过滤湿气体中携带的水分，又降低因过滤增加的阻力，新增挡板，既能固定除雾器，又有效防止湿气体中的液态水从除雾器与滤水网的边缘缝隙进入到湿气体出口。

(2)安全可靠：本装置本身不不具有加热、升温部件，通入外界的热水对其他进行加热，热量完全来自于外界热水，因此在罐体内部对氢气等活泼气体的加热不存在风险，不会出现爆炸等危险，因此更适合应用于对活泼气体的预热加湿。

(3)气体能够充分加热加湿：通过创新设计预热器，一方面通过预热盘管增加气体的换热面积，能使气体充分加热，另一方面气体通过曝气头，得益于曝气头的结构和水压，生成细密均匀的气泡，使得气体与水能够充分接触，之后气体再次经过喷淋区域加湿，气体加湿效果更好。

(4)批量生产：本装置的通用性高，适用于绝大部分气体的预热加湿，气体预热加湿效果明显，结构简单，可进行批量生产降低成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的半剖视图；

图3为除湿结构的局部剖视图；

图4为预热器的结构示意图；

图5为预热器的剖视图；

附图标记：H1、水路进口，H2、水路出口，H3、补水口，Q1、干气体入口，Q2、湿气体出口，

1、顶盖总成，2、上段罐体，21、挡板，3、下段罐体，4、底盖总成，5、温度传感器，6、压力传感器，7、视镜，8、液位传感器，9、液位管，10、排水阀，11、滤水网，12、除雾器，13、喷淋装置，131、喷淋区域，14、预热器，141、预热器快接卡盘，142、中心主管，143、活动限位盘，144、盘管固定盘，145、预热盘管，146、盘管侧支撑杆，147、曝气头，148、支路弯管，149、底座连接盘，15、保温体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当放大了部件。

在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1：

一种用于燃料电池测试台的气体预热加湿装置，如图1所示，包括顶盖总成1、罐体、底盖总成4和传感器单元；顶盖总成1上设有湿气体出口Q2，罐体自上而下依次设有水路进口H1和干气体入口Q1，底盖总成4上设有水路出口H2，水路进口H1和水路出口H2将气体预热加湿装置与外界的循环水路连接在一起，水路进口H1用于通入热水，外界加热后的热水进入罐体，再从水路出口H2流出，进入循环水路，再次加热，重新通过水路进口H1流入罐体。

如图2所示，罐体内部自上而下依次设有除湿结构、喷淋组件13和预热器14，喷淋组件13接通水路进口H1，热水通过喷淋组件13进行喷淋，其喷淋区域131覆盖了整个罐体内部区域，预热器14的进气口接通干气体入口Q1，在预热器14内气体与罐体内的热水进行热交换，预热器14的出气口包括多个曝气头147，曝气头147设置在罐体的底部，用于生成气泡。

本实施例中，罐体包括上段罐体2和下段罐体3，这样的分段设置便于加工以及内部的预热器14、喷淋组件13等的安装，在其他实施方式中如果不考虑加工和安装难度，也可以使用一体成型的罐体。如图1所示，顶盖总成1上带有法兰盘，上段罐体2的上下两端带有法兰盘，下段罐体3的上下两端带有法兰盘，底盖总成4上带有法兰盘，上段罐体2分别与顶盖总成1和下段罐体3密封连接，下段罐体3分别与上段罐体2和底盖总成4密封连接；除湿结构、喷淋组件13和水路进口H1布置在上段罐体2，干气体入口Q1和预热器14布置在下段罐体3。本实施例中底盖总成4上带有两个法兰盘，一个用于与下段罐体3密封连接，一个用于固定气体预热加湿装置。

如图1所示，传感器单元包括温度传感器5和压力传感器6，温度传感器5和压力传感器6布置在湿气体出口Q2处。本申请没有设置湿度传感器，在实际进行燃料电池测试时，可以在被测件前端设置湿度传感器，这样可以保证进入被测件的气体湿度最准确。

罐体上还设有多个视镜7，分别设于罐体上的不同位置，用于观察喷淋组件13和曝气头147生成的气泡。本实施例中，在上段罐体2上设置了一个视镜7，观察喷淋组件13的喷淋情况，在下段罐体3的不同位置处设置了两个视镜7，观察气泡的生成情况。

罐体上设有液位管9，用于反映罐体内的液位情况，本实施例中，液位管9为透明或半透明液位管，便于肉眼观察液位情况。传感器单元还包括布置在液位管9上的液位传感器8，罐体上还设有补水口H3，补水口H3设于干气体入口Q1下方，靠近底盖总成4，补水口H3的高度应尽可能的低，本实施例中补水口H3设置在下段罐体3的底部，液位传感器8的位置处于干气体入口Q1与补水口H3之间。若液位传感器9检测到液位偏低，则通过补水口H3进行补水，直至到达预定高度。设置液位传感器9为了检测罐体内部水的容量(体现为液位高度)，为液位传感器9设定最大阈值和最小阈值，当液位传感器9检测到液位超过最大阈值或低于最小阈值时会发出提示。本实施例中，补水时超过液位最高点，就会触发液位传感器9，则停止补水；当水量低于曝气头147最高处时，气体的温度和湿度得不到保证，就会触发液位传感器9，从而及时对罐体进行补水。

底盖总成4上设有排水阀10，可以在停止使用后，将气体预热加湿装置的罐体内的水彻底排出。

本装置未含湿度传感器，湿度传感器应放置在被测件前端，这样进入被测件的气体湿度才更准确。

如图3所示，除湿结构包括滤水网11、除雾器12和挡板21，挡板21为设置在罐体内壁上的凸块，除雾器12固定安装在挡板21上方，滤水网11布置在除雾器12的上方；采用滤水网11与除雾器12组合，既可以有效过滤湿气体中携带的水分，又降低因过滤增加的阻力；新增挡板21既能固定除雾器12，又有效防止湿气体中的液态水从除雾器12与滤水网11的边缘缝隙进入到湿气体出口Q2。

预热器14的结构如图4所示，预热器14包括中心主管142、活动限位盘143、底座连接盘149、多个预热盘管145、多个盘管侧支撑杆146、多个支路弯管148和多个曝气头147；其中，活动限位盘143设于预热器14的顶端，用于将预热器14固定在罐体的侧壁上，底座连接盘149设于预热器14的底端，用于将预热器14固定在底盖总成4上。

中心主管142包括两段，分别为上主管和下主管，上主管和下主管上分别固定安装有盘管固定盘144，盘管侧支撑杆146与预热盘管145一一对应，两端分别与盘管固定盘144连接，用于支撑预热盘管145，预热盘管145固定在两个盘管固定盘144之间；

如图5所示，上主管的进气口接通干气体入口Q1，上主管的出气口接入各个预热盘管145的进气口；预热盘管145为螺旋柱状结构，能最大可能的增大换热面积，保证流经预热盘管145的气体充分加热，各个预热盘管145的出气口均接入下主管的进气口，下主管的出气口通过支路弯管148接入各个曝气头147；支路弯管148的出气口的位置高于支路弯管148的进气口的位置。

本申请中，如图5所示，中心主管142是一个整体，上段作为上主管，下段作为下主管，中间部分通过隔板阻断，上主管的多个开孔作为出气口与预热盘管145接通，下主管的多个开孔作为进气口与预热盘管145接通。预热器14的各个零部件之间的连接方式可以采用焊接，也可以在保证密封的前提下可拆卸连接。

本实施例中，曝气头147为金属烧结制成，孔隙率高、孔径分布均匀，使用寿命长。

本申请的预热器14一方面通过预热盘管145增加换热面积，能使气体充分加热，另一方面气体通过曝气头147生成细密均匀的气泡，曝气头147在罐体底部，得益于曝气头147的结构和水下的压力，气体与水能够充分接触，生成细密均匀的气泡，气体预热加湿效果更好。

本实施例中，预热器14与干气体入口Q1连接的位置设有快换卡盘141。湿气体出口Q2设有快换卡盘，水路进口H1和水路出口H2均设有快换卡盘，干气体入口Q1设有卡套管，便于与外部测试台等设备连接。

罐体外部包覆有保温层15，包覆整个罐体的保温层15既减少热量损失，又防止人被烫伤。

本申请的工作原理如下：

作为气体预热加湿装置，本申请本身不加热、不发热，需要通过外界加热的水，外界加热的水通过水路进口H1由喷淋组件13进行喷淋，从水路出口H2流出，流出的水进入循环水路，经外界加热后再次进行水路入口H1进行循环。

气体通过干气体入口Q1进入到预热器14，工作状态下预热盘管145浸没在热水中，气体经过预热盘管145充分进行热量交换，得以加热，最后通过曝气头147在水中形成小水泡，流经喷淋组件13的喷淋区域131时再次加湿处理，然后通过除雾器12和滤水网11除去携带的水分，最后由湿气体出口Q2流入到测试台上的待测件中。

在工作过程中，通过视镜7观察喷淋情况和气泡情况，通过调节喷淋组件13水量的流速可以调节罐体内部气体的湿度，通过温度传感器5和压力传感器6可以检测气体的温度和压力，通过液位管9或液位传感器8观察液位情况，如果液位较低，可以通过补水口H3补水。

本申请的优点如下：

湿气体的湿度更准确：采用滤水网11与除雾器12组合，既可以有效过滤湿气体中携带的水分，又降低因过滤增加的阻力，新增挡板21，既能固定除雾器12，又有效防止湿气体中的液态水从除雾器12与滤水网13的边缘缝隙进入到湿气体出口Q2。

安全可靠：本装置本身不具有加热、升温部件，通入外界的热水对其他进行加热，热量完全来自于外界热水，因此在罐体内部对氢气等活泼气体的加热不存在风险，不会出现爆炸等危险，因此更适合应用于对活泼气体的预热加湿。

气体能够充分加热加湿：通过创新设计预热器14，一方面通过预热盘管145增加气体的换热面积，能使气体充分加热，另一方面气体通过曝气头147，得益于曝气头147的结构和水压，生成细密均匀的气泡，使得气体与水能够充分接触，之后气体再次经过喷淋区域131加湿，气体加湿效果更好。

批量生产：本装置的通用性高，适用于绝大部分气体的预热加湿，气体预热加湿效果明显，结构简单，可进行批量生产降低成本。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池测试台的气体预热加湿装置，其特征在于，包括顶盖总成(1)、罐体、底盖总成(4)和传感器单元；

所述顶盖总成(1)上设有湿气体出口(Q2)，所述罐体自上而下依次设有水路进口(H1)和干气体入口(Q1)，所述底盖总成(4)上设有水路出口(H2)，所述水路进口(H1)用于通入热水；

所述罐体内部自上而下依次设有除湿结构、喷淋组件(13)和预热器(14)，所述喷淋组件(13)接通水路进口(H1)，热水通过所述喷淋组件(13)进行喷淋，所述预热器(14)的进气口接通干气体入口(Q1)，在所述预热器(14)内气体与罐体内的热水进行热交换，所述预热器(14)的出气口包括多个曝气头(147)，所述曝气头(147)设置在罐体的底部，用于生成气泡。

2.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池测试台的气体预热加湿装置，其特征在于，所述除湿结构包括滤水网(11)、除雾器(12)和挡板(21)，所述挡板(21)为设置在罐体内壁上的凸块，除雾器(12)固定安装在挡板(21)上方，滤水网(11)布置在除雾器(12)的上方。

3.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池测试台的气体预热加湿装置，其特征在于，所述预热器(14)包括中心主管(142)、多个预热盘管(145)、多个盘管侧支撑杆(146)、多个支路弯管(148)和多个曝气头(147)；

所述中心主管(142)包括两段，分别为上主管和下主管，上主管和下主管上分别固定安装有盘管固定盘(144)，所述盘管侧支撑杆(146)与预热盘管(145)一一对应，两端分别与盘管固定盘(144)连接，用于支撑预热盘管(145)，所述预热盘管(145)固定在两个盘管固定盘(144)之间；

上主管的进气口接通干气体入口(Q1)，上主管的出气口接入各个预热盘管(145)的进气口；所述预热盘管(145)为螺旋柱状结构，各个预热盘管(145)的出气口均接入下主管的进气口，下主管的出气口通过支路弯管(148)接入各个曝气头(147)；所述支路弯管(148)的出气口的位置高于支路弯管(148)的进气口的位置。

4.根据权利要求3所述的一种用于燃料电池测试台的气体预热加湿装置，其特征在于，所述预热器(14)还包括活动限位盘(143)和底座连接盘(149)，所述活动限位盘(143)设于预热器(14)的顶端，用于将预热器(14)固定在罐体的侧壁上，所述底座连接盘(149)设于预热器(14)的底端，用于将预热器(14)固定在底盖总成(4)上。

5.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池测试台的气体预热加湿装置，其特征在于，所述罐体包括上段罐体(2)和下段罐体(3)，顶盖总成(1)上带有法兰盘，上段罐体(2)的上下两端带有法兰盘，下段罐体(3)的上下两端带有法兰盘，底盖总成(4)上带有法兰盘，所述上段罐体(2)分别与顶盖总成(1)和下段罐体(3)密封连接，所述下段罐体(3)分别与上段罐体(2)和底盖总成(4)密封连接；所述除湿结构、喷淋组件(13)和水路进口(H1)布置在上段罐体(2)，所述干气体入口(Q1)和预热器(14)布置在下段罐体(3)。

6.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池测试台的气体预热加湿装置，其特征在于，所述罐体上还设有多个视镜(7)，分别设于罐体上的不同位置，用于观察喷淋组件(13)和曝气头(147)生成的气泡。

7.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池测试台的气体预热加湿装置，其特征在于，所述罐体外部包覆有保温层(15)。

8.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池测试台的气体预热加湿装置，其特征在于，所述底盖总成(4)上设有排水阀(10)。

9.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池测试台的气体预热加湿装置，其特征在于，所述传感器单元包括温度传感器(5)和压力传感器(6)，所述温度传感器(5)和压力传感器(6)布置在湿气体出口(Q2)处。

10.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池测试台的气体预热加湿装置，其特征在于，所述罐体上设有液位管(9)，所述传感器单元包括布置在所述液位管(9)上的液位传感器(8)，所述罐体上还设有补水口(H3)，所述补水口(H3)设于干气体入口(Q1)下方，且靠近底盖总成(4)，液位传感器(8)的位置处于干气体入口(Q1)与曝气头(147)的最高点之间。

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