CN114447363B - 燃料电池电堆测试系统用气体加湿温控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种燃料电池电堆测试系统用气体加湿温控系统，包括加湿罐、控制单元，加湿罐下部设置气体分布器、液体测温元件；加湿罐上部内侧设置挡板，加湿罐上部外侧设置外罩，外罩与加湿罐上部外壁之间形成流通空腔；还包括外回水管，外回水管上设置水泵、冷却装置、外回水管加热器；加湿罐中设置内回水管；加湿罐出气口处设置露点温度检测元件，出气口处设置出气管，出气管上缠绕伴热带，出气管上设置出气管加热器，出气管加热器出口处设置加热器测温元件，出气管端部设置入堆口测温元件。本发明的优点在于：结构简单，无需先调节加湿罐上筒体和除沫器部分的温度，不影响露点温度的调节速率，加湿罐出口气体不会出现冷凝或过热状态。

Description

燃料电池电堆测试系统用气体加湿温控系统
技术领域
本发明涉及燃料电池电堆测试技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆测试系统用气体加湿温控系统。
背景技术
为了便于研究燃料电池在各种工况下的性能以及耐久性，需要开发对应的测试台架模拟燃料电池的真实工作状态。其中测试台架需要实现的工作之一是对燃料电池的进气温度以及湿度进行精确控制。燃料电池测试台架常用的气体加湿方法为鼓泡加湿或喷淋加湿。
现有技术中，例如公开号为CN106935886A的中国发明专利申请，公开了一种气体加湿设备，该设备包括储液装置和从下到上依次设置的鼓泡部分、喷雾部分以及升温除水部分，以对气体进行分层加湿。鼓泡部分包括鼓泡装置和加湿液，加湿液盛于储液装置中，以由鼓泡装置将气体送入加湿液中。喷雾部分包括喷雾装置，以对从加湿液中散出的气体进行喷雾加湿。升温除水部分包括升温除水装置，以对经过喷雾加湿的气体进行升温和除水。
再如公开号为CN112713288A的中国发明专利申请，公开了一种燃料电池鼓泡加湿器控制系统及控制方法，包括控制器和鼓泡加湿器，控制器包括参考轨迹模型单元、优化算法单元、预测模型单元、温度控制单元和液位控制单元，鼓泡加湿器包括加热单元、散热单元、水循环单元、补水单元、鼓泡塔、温度变送单元、液位变送单元和气体湿度变送单元；参考轨迹模型单元根据采样露点温度更新参考轨迹；预测模型单元根据采样露点温度和去离子水温度的待优化控制律预测湿度响应曲线；优化算法单元根据参考轨迹和湿度响应曲线计算性能指标，获得最优控制律；温度控制单元根据最优控制律的控制量控制去离子水温度，进而实现气体的湿度控制。
不论采用鼓泡加湿还是喷淋加湿方案，为防止出现液滴夹带的情况，现有技术都是在加湿罐出口布置填料丝网或鲍尔环等形式的除沫器。这就使得加湿罐筒体内部的设计较为复杂，并且在气体露点温度上升或下降的过程中要先把加湿罐上筒体和除沫器部分升温或降温，会影响露点温度的升温或降温速率。一般的，还会在加湿罐上筒体包裹伴热带以及保温棉来防止被充分加湿的气体在筒体壁面发生冷凝。而在加湿罐上筒体表面缠绕伴热带以及保温棉的保温方式，容易使加湿罐出口气体出现冷凝或过热的状态。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：
现有技术中加湿罐上设置除沫器，致使加湿罐结构复杂，气体露点温度调节时需先调节加湿罐上筒体和除沫器部分的温度，影响露点温度的调节速率，以及现有技术中加湿罐出口气体出现冷凝或过热状态的技术问题。
本发明是通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
一种燃料电池电堆测试系统用气体加湿温控系统，包括盛有液体的加湿罐，加湿罐的下部设置有通向其内部的气体分布器，所述加湿罐中设置有液体测温元件；
所述加湿罐上部内侧设置有若干个挡板，气体能够流经挡板，且气体中的液滴能够被挡板截留；
所述加湿罐上部外侧设置有外罩，外罩与加湿罐上部外壁之间形成流通空腔；
还包括两端分别连通加湿罐下部及流通空腔的外回水管，所述外回水管位于加湿罐外侧，外回水管上设置有水泵、冷却装置、外回水管加热器；
所述加湿罐中还设置有两端分别连通加湿罐内部及流通空腔的内回水管；
所述加湿罐顶部的出气口处设置有露点温度检测元件，加湿罐顶部的出气口处设置有出气管，出气管上缠绕伴热带，所述出气管上设置有出气管加热器，出气管加热器的出口处设置加热器测温元件，所述出气管的端部为入堆口，所述入堆口处设置有入堆口测温元件；
还包括控制单元，所述液体测温元件、露点温度检测元件、加热器测温元件、入堆口测温元件均连接至控制单元，所述水泵、冷却装置、外回水管加热器、伴热带、出气管加热器均由控制单元控制。
本发明中的燃料电池电堆测试系统用气体加湿温控系统在实际应用时，气体经气体分布器通入加湿罐中液位以下，并在气体分布器作用下均匀分散。气体在逸出水面过程中被加热的同时也被充分加湿。气体在流经挡板时所夹带的液滴被挡板截留，所流出气体是完全加湿的气体，气体的温度等于加湿罐内液体测温元件检测的水温。气体流出加湿罐，露点温度检测元件检测温度，该温度就是气体的露点温度，非常接近液体测温元件检测的水温。气体流出加湿罐后，进入出气管加热器，出气管加热器出口布置加热器测温元件，根据加热器测温元件的设定值与实测值来调节出气管加热器的输出功率。加湿罐出口至入堆口管道缠绕伴热带，入堆口布置入堆口测温元件，并根据入堆口测温元件的设定值与实测值来调节伴热带的输出功率。最终入堆口的气体温度是入堆口测温元件的测值，露点温度是露点温度检测元件的测值。加湿罐的水流经外回水管上的水泵、冷却装置、外回水管加热器进入流通空腔，最后从加湿罐上的内回水管流到加湿罐内部。由于水的比热容比较大，流通空腔的水能够保证加湿罐上部内壁的温度接近气体温度，进而起到为加湿罐上部保温的作用，防止加湿后的气体流经加湿罐上部时出现冷凝的现象。冷却装置能够起到为加湿罐的水降温的作用。根据加湿罐水温可调节外回水管加热器的输出功率。本发明中的燃料电池电堆测试系统用气体加湿温控系统能够快速提升或降低气体的露点温度，不需要采用复杂的伴热带控温方式来提升加湿罐上筒体壁温，并能使露点温度更接近于水温，不影响露点温度的调节速率。加湿罐上未设置除沫器，整体结构较为简单，且加湿罐出口气体不会出现冷凝或过热状态的缺陷。
优化的，所述加湿罐上设置有液位检测元件，液位检测元件连接至控制单元；
还包括与加湿罐连通的补水管，补水管上设置有第一电动阀、止回阀、第一手阀，所述第一电动阀由控制单元控制。
优化的，所述液位检测元件设置三个，自上而下依次为高液位检测元件、中液位检测元件、低液位检测元件；
当液位低于中液位检测元件时，控制单元控制第一电动阀开启，水经过止回阀、第一手阀进入加湿罐，所述第一手阀能够调节补水速度。
优化的，所述加湿罐包括下筒体以及安装在下筒体上的上筒体；
下筒体的顶部以及上筒体的底部均设置法兰，二者之间通过法兰连接。
优化的，所述冷却装置采用板式换热器，所述板式换热器上设置有外冷进水管、外冷出水管；
所述外冷进水管上设置有第二电动阀，所述外冷出水管上设置有第三手阀，所述第二电动阀由控制单元控制。
优化的，所述水泵能够将加湿罐中的水抽出，并依次经冷却装置、外回水管加热器流至流通空腔中；
所述水泵上游设置有过滤器，所述外回水管加热器的下游设置有第二手阀。
优化的，所述内回水管竖直设置在加湿罐的中间，内回水管上端连接至加湿罐的顶端中间并通向流通空腔；
所述内回水管的下端插入液面以下。
优化的，所述气体分布器包括若干个气管，所有气管的内端连通，且所有气管沿圆周方向均匀分布；
所述气管上设置有若干个气孔，所述气体分布器位于加湿罐内侧下部中间位置。
优化的，所述挡板连接至加湿罐的内壁，相邻两个挡板相反方向的端部与加湿罐内壁之间留有缺口，且相邻两个挡板在竖直方向的投影有重叠。
优化的，所述外罩的外部包裹有保温棉。
本发明的优点在于：
本发明中的燃料电池电堆测试系统用气体加湿温控系统在实际应用时，气体经气体分布器通入加湿罐中液位以下，并在气体分布器作用下均匀分散。气体在逸出水面过程中被加热的同时也被充分加湿。气体在流经挡板时所夹带的液滴被挡板截留，所流出气体是完全加湿的气体，气体的温度等于加湿罐内液体测温元件检测的水温。气体流出加湿罐，露点温度检测元件检测温度，该温度就是气体的露点温度，非常接近液体测温元件检测的水温。气体流出加湿罐后，进入出气管加热器，出气管加热器出口布置加热器测温元件，根据加热器测温元件的设定值与实测值来调节出气管加热器的输出功率。加湿罐出口至入堆口管道缠绕伴热带，入堆口布置入堆口测温元件，并根据入堆口测温元件的设定值与实测值来调节伴热带的输出功率。最终入堆口的气体温度是入堆口测温元件的测值，露点温度是露点温度检测元件的测值。加湿罐的水流经外回水管上的水泵、冷却装置、外回水管加热器进入流通空腔，最后从加湿罐上的内回水管流到加湿罐内部。由于水的比热容比较大，流通空腔的水能够保证加湿罐上部内壁的温度接近气体温度，进而起到为加湿罐上部保温的作用，防止加湿后的气体流经加湿罐上部时出现冷凝的现象。冷却装置能够起到为加湿罐的水降温的作用。根据加湿罐水温可调节外回水管加热器的输出功率。本发明中的燃料电池电堆测试系统用气体加湿温控系统能够快速提升或降低气体的露点温度，不需要采用复杂的伴热带控温方式来提升加湿罐上筒体壁温，并能使露点温度更接近于水温，不影响露点温度的调节速率。加湿罐上未设置除沫器，整体结构较为简单，且加湿罐出口气体不会出现冷凝或过热状态的缺陷。
附图说明
图1为本发明实施例中燃料电池电堆测试系统用气体加湿温控系统的示意图；
图2为本发明实施例中气体分布器的俯视图；
图3为本发明实施例中上方的挡板的示意图；
图4为本发明实施例中下方的挡板的示意图；
其中，
加湿罐-1；外罩-11；流通空腔-12；外回水管-13；冷却装置-14；外回水管加热器-15；内回水管-16；出气管-17；下筒体-18；上筒体-19；外冷进水管-141；外冷出水管-142；
气体分布器-2；气管-21；气孔-22；
挡板-3；
伴热带-4；
出气管加热器-5；
液位检测元件-6；
补水管-7；
液体测温元件-TS01；露点温度检测元件-TS02；加热器测温元件-TS03；入堆口测温元件-TS04；
第一电动阀-AV01；第二电动阀-AV02；
止回阀-NR01；
第一手阀-V01；第二手阀-V02；第三手阀-V03；
水泵-PUMP01；
过滤器-FT01。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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。
如图1所示，一种燃料电池电堆测试系统用气体加湿温控系统，包括加湿罐1、气体分布器2、挡板3、伴热带4、出气管加热器5、液位检测元件6、补水管7、液体测温元件TS01、露点温度检测元件TS02、加热器测温元件TS03、入堆口测温元件TS04、第一电动阀AV01、第二电动阀AV02、止回阀NR01、第一手阀V01、第二手阀V02、第三手阀V03、水泵PUMP01、过滤器FT01。
所述加湿罐1中盛有液体，液体优选为纯水。本实施例中，所述加湿罐1包括下筒体18以及安装在下筒体18上的上筒体19，二者均为圆筒；下筒体18的顶部以及上筒体19的底部均设置法兰，二者之间通过法兰连接。
加湿罐1的下部设置有通向其内部的气体分布器2，具体的，如图2所示，所述气体分布器2包括若干个气管21，所有气管21的内端连通，且所有气管21沿圆周方向均匀分布；所述气管21上设置有若干个气孔22，所述气体分布器2位于加湿罐1内侧下部中间位置。本实施例中，所述气管21设置四个，即，所述气体分布器2整体呈十字形结构，该十字形结构的中心位于下筒体18的内部中心，其中一个气管21的外端为进气口，进气口与外设气源连通。
如图1所示，所述加湿罐1中设置有液体测温元件TS01，本实施例中，所述液体测温元件TS01、露点温度检测元件TS02、加热器测温元件TS03、入堆口测温元件TS04可采用铂电阻温度传感器或者热电偶温度传感器；具体的，所述液体测温元件TS01位于下筒体18中液面以下。
如图1所示，所述加湿罐1上部内侧设置有若干个挡板3，本实施例中挡板3设置两个，一上一下，气体能够流经挡板3，且气体中的液滴能够被挡板3截留。具体的，所述挡板3连接至加湿罐1的内壁，相邻两个挡板3相反方向的端部与加湿罐1内壁之间留有缺口，且相邻两个挡板3在竖直方向的投影有重叠。本实施例中，如图3、4所示，本实施例中的两个挡板3形状相同，区别在于上下两个挡板3的姿态为对称的，所述挡板3的轮廓包括一段与上筒体19内壁配合的优弧以及弦边，优弧轮廓与上筒体19内壁连接，弦边与上筒体19内壁之间的缺口用以气体通过。
如图1所示，所述加湿罐1上部外侧设置有外罩11，外罩11形状与上筒体19形状相似，且外罩11与上筒体19之间密封连接，外罩11与加湿罐1上部外壁之间形成流通空腔12，所述外罩11的外部包裹有保温棉。
如图1所示，还包括两端分别连通加湿罐1下部及流通空腔12的外回水管13，外回水管13的下端连接至下筒体18底部，所述外回水管13位于加湿罐1外侧，外回水管13上设置有水泵PUMP01、冷却装置14、外回水管加热器15。具体的，所述水泵PUMP01能够将加湿罐1中的水抽出，并依次经冷却装置14、外回水管加热器15流至流通空腔12中；所述水泵PUMP01上游设置有过滤器FT01，所述外回水管加热器15的下游设置有第二手阀V02。
本实施例中，所述冷却装置14采用板式换热器，所述板式换热器上设置有外冷进水管141、外冷出水管142，外冷进水管141、外冷出水管142与外界冷却水源连通；所述外冷进水管141上设置有第二电动阀AV02，所述外冷出水管142上设置有第三手阀V03，所述第二电动阀AV02由控制单元控制。
如图1所示，所述加湿罐1中还设置有两端分别连通加湿罐1内部及流通空腔12的内回水管16。具体的，所述内回水管16竖直设置在加湿罐1的中间，内回水管16上端连接至加湿罐1的顶端中间并通向流通空腔12；所述内回水管16的下端插入液面以下。内回水管16与挡板3干涉处，在挡板3上开孔，所述内回水管16穿过挡板3上的孔。
如图1所示，所述加湿罐1顶部的出气口处设置有露点温度检测元件TS02，加湿罐1顶部的出气口处设置有出气管17，出气管17上缠绕伴热带4，所述出气管17上设置有出气管加热器5，出气管加热器5的出口处设置加热器测温元件TS03，所述出气管17的端部为入堆口，所述入堆口处设置有入堆口测温元件TS04。
还包括控制单元，本实施例中的控制单元采用PLC，PLC为现有技术，本领域技术人员根据实际需求对其进行编程，即可实现本实施例中所述的控制功能。所述液体测温元件TS01、露点温度检测元件TS02、加热器测温元件TS03、入堆口测温元件TS04均连接至控制单元，所述水泵PUMP01、冷却装置14、外回水管加热器15、伴热带4、出气管加热器5均由控制单元控制。
进一步的，如图1所示，所述加湿罐1上设置有液位检测元件6，液位检测元件6采用液位传感器，液位检测元件6连接至控制单元；还包括与加湿罐1连通的补水管7，补水管7连接至下筒体18的底部，补水管7上设置有第一电动阀AV01、止回阀NR01、第一手阀V01，所述第一电动阀AV01由控制单元控制。进一步的，所述液位检测元件6设置三个，自上而下依次为高液位检测元件、中液位检测元件、低液位检测元件；当液位低于中液位检测元件时，控制单元控制第一电动阀AV01开启，水经过止回阀NR01、第一手阀V01进入加湿罐1，所述第一手阀V01能够调节补水速度。
工作原理：
如图1所示，本发明中的燃料电池电堆测试系统用气体加湿温控系统在实际应用时，气体经气体分布器通入加湿罐中液位以下，并在气体分布器作用下均匀分散，气体被打散成小气泡。气体在逸出水面过程中被加热的同时也被充分加湿。气体在流经挡板时所夹带的液滴被挡板截留，所流出气体是完全加湿的气体，气体的温度等于加湿罐内液体测温元件TS01检测的水温。气体流出加湿罐，露点温度检测元件TS02检测温度，该温度就是气体的露点温度，非常接近液体测温元件TS01检测的水温。气体流出加湿罐后，进入出气管加热器5，出气管加热器5出口布置加热器测温元件TS03，根据加热器测温元件TS03的设定值与实测值来调节出气管加热器5的输出功率。加湿罐出口至入堆口管道缠绕伴热带，入堆口布置入堆口测温元件TS04，并根据入堆口测温元件TS04的设定值与实测值来调节伴热带的输出功率。最终入堆口的气体温度是入堆口测温元件TS04的测值，露点温度是露点温度检测元件TS02的测值。加湿罐的水流经外回水管13上的水泵PUMP01、冷却装置14、外回水管加热器15进入流通空腔12，最后从加湿罐上的内回水管16流到加湿罐内部。由于水的比热容比较大，流通空腔12的水能够保证加湿罐上部内壁的温度接近气体温度，进而起到为加湿罐上部保温的作用，防止加湿后的气体流经加湿罐上部时出现冷凝的现象。冷却装置14能够起到为加湿罐的水降温的作用。根据加湿罐水温可调节外回水管加热器15的输出功率。本发明中的燃料电池电堆测试系统用气体加湿温控系统能够快速提升或降低气体的露点温度，不需要采用复杂的伴热带控温方式来提升加湿罐上筒体壁温，并能使露点温度更接近于水温，不影响露点温度的调节速率。加湿罐上未设置除沫器，整体结构较为简单，且加湿罐出口气体不会出现冷凝或过热状态的缺陷。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种燃料电池电堆测试系统用气体加湿温控系统，其特征在于：包括盛有液体的加湿罐（1），加湿罐（1）的下部设置有通向其内部的气体分布器（2），所述加湿罐（1）中设置有液体测温元件（TS01）；
所述加湿罐（1）上部内侧设置有若干个挡板（3），气体能够流经挡板（3），且气体中的液滴能够被挡板（3）截留；
所述挡板（3）连接至加湿罐（1）的内壁，相邻两个挡板（3）相反方向的端部与加湿罐（1）内壁之间留有缺口，且相邻两个挡板（3）在竖直方向的投影有重叠；
所述加湿罐（1）上部外侧设置有外罩（11），外罩（11）与加湿罐（1）上部外壁之间形成流通空腔（12）；
还包括两端分别连通加湿罐（1）下部及流通空腔（12）的外回水管（13），所述外回水管（13）位于加湿罐（1）外侧，外回水管（13）上设置有水泵（PUMP01）、冷却装置（14）、外回水管加热器（15）；
所述加湿罐（1）中还设置有两端分别连通加湿罐（1）内部及流通空腔（12）的内回水管（16）；
所述加湿罐（1）顶部的出气口处设置有露点温度检测元件（TS02），加湿罐（1）顶部的出气口处设置有出气管（17），出气管（17）上缠绕伴热带（4），所述出气管（17）上设置有出气管加热器（5），出气管加热器（5）的出口处设置加热器测温元件（TS03），所述出气管（17）的端部为入堆口，所述入堆口处设置有入堆口测温元件（TS04）；
还包括控制单元，所述液体测温元件（TS01）、露点温度检测元件（TS02）、加热器测温元件（TS03）、入堆口测温元件（TS04）均连接至控制单元，所述水泵（PUMP01）、冷却装置（14）、外回水管加热器（15）、伴热带（4）、出气管加热器（5）均由控制单元控制；
所述水泵（PUMP01）能够将加湿罐（1）中的水抽出，并依次经冷却装置（14）、外回水管加热器（15）流至流通空腔（12）中；
所述水泵（PUMP01）上游设置有过滤器（FT01），所述外回水管加热器（15）的下游设置有第二手阀（V02）；
所述内回水管（16）竖直设置在加湿罐（1）的中间，内回水管（16）上端连接至加湿罐（1）的顶端中间并通向流通空腔（12）；
所述内回水管（16）的下端插入液面以下。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆测试系统用气体加湿温控系统，其特征在于：所述加湿罐（1）上设置有液位检测元件（6），液位检测元件（6）连接至控制单元；
还包括与加湿罐（1）连通的补水管（7），补水管（7）上设置有第一电动阀（AV01）、止回阀（NR01）、第一手阀（V01），所述第一电动阀（AV01）由控制单元控制。
3.根据权利要求2所述的燃料电池电堆测试系统用气体加湿温控系统，其特征在于：所述液位检测元件（6）设置三个，自上而下依次为高液位检测元件、中液位检测元件、低液位检测元件；
当液位低于中液位检测元件时，控制单元控制第一电动阀（AV01）开启，水经过止回阀（NR01）、第一手阀（V01）进入加湿罐（1），所述第一手阀（V01）能够调节补水速度。
4.根据权利要求1所述的燃料电池电堆测试系统用气体加湿温控系统，其特征在于：所述加湿罐（1）包括下筒体（18）以及安装在下筒体（18）上的上筒体（19）；
下筒体（18）的顶部以及上筒体（19）的底部均设置法兰，二者之间通过法兰连接。
5.根据权利要求1所述的燃料电池电堆测试系统用气体加湿温控系统，其特征在于：所述冷却装置（14）采用板式换热器，所述板式换热器上设置有外冷进水管（141）、外冷出水管（142）；
所述外冷进水管（141）上设置有第二电动阀（AV02），所述外冷出水管（142）上设置有第三手阀（V03），所述第二电动阀（AV02）由控制单元控制。
6.根据权利要求1所述的燃料电池电堆测试系统用气体加湿温控系统，其特征在于：所述气体分布器（2）包括若干个气管（21），所有气管（21）的内端连通，且所有气管（21）沿圆周方向均匀分布；
所述气管（21）上设置有若干个气孔（22），所述气体分布器（2）位于加湿罐（1）内侧下部中间位置。
7.根据权利要求1所述的燃料电池电堆测试系统用气体加湿温控系统，其特征在于：所述外罩（11）的外部包裹有保温棉。
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