CN114899453B - 小流量和工况低限流量的供气增湿装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池检测技术领域，公开了小流量和工况低限流量的供气增湿装置，气源通过新气进气管与增湿器的一端连通，增湿器的另一端与送气主管连通，送气主管连接有去电堆接口，增加了夹套式增湿回流结构，送气主管外套有夹套外管，在接近去电堆接口处，送气主管和夹套外管之间的送气主管向夹套外管开有回流开口。在送气主管与增湿器的近处有泵前回流管，泵前回流管与回流进气管之间管道连通，此管道设有回流泵，回流进气管与增湿器连通。本发明有利于连续供应时的压力和温度、湿度稳定，在输送流量在上下限大比例快速变化中，保持增湿平衡的快速稳定，也特别有利于于小流量型的研发测试设备的精准供气。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池检测技术领域，涉及小流量和工况低限流量的供气增湿装置，具体地说，是燃料电池反应气体的增湿供应装置，用于测试所需要的气体增湿控制，特别是检测设备的气体流量下限和小功率测试使用的小流量气体增湿。
背景技术
燃料电池测试，尤其是氢质子交换膜燃料电池(PEMFC)的测试，通常需要对燃料氢气和氧化剂空气或氧气进行预增湿。
由于增湿后的气体输送与目标电堆之间具有一定的流动距离，该距离中通常具有阀门、三通、温度压力湿度的检测装置等，对气流造成一定的散热作用。常规技术采用伴热方式以维持器壁温度，并以电加热带为基本形式。实践中发现，器壁各处的温度是不同的，加热分布与散热分布不能一致，选择的测温点也不能代表所有各处的实际温度状况，至于加热通断等波动也是难以避免。特别是在要求严格的小型研究测试中，其气体流量小，供气的热容小，更容易受到器壁、电磁阀、三通等影响，而这些很难被加热均匀。
如1kw及以下的测试，尤其是研发测试所用的100w以下测试更为明显，即使加入伴热带，其三通、测温测压点、阀门点，流向上的温度不均和伴热波动等现象经常出现，对于其产生局部的冷凝又不便于使用分水器分离，这是一个技术困难。解决的办法为可以将伴热温度提高几度，但是该方法一方面进堆温度有变化，包括上述的伴热波动加剧偏差，另一方面在大小流量的增湿管理中具有差别，如增湿器出口时的稳定性，仍有待技术上的提高。
这里所述大小流量增湿中的差异还在于，为减小装置体积，其设计和加工在气体流量上限和下限的差异之间折衷，增湿装置输出气体的变化比例常达1：10以上，甚至1：20以上，很明显，高低流量的输送性能必然出现差异，流量差异幅度越大输出性能差异也就越大，控制上也就更加困难。
由于散热影响，气体到达电堆入口处容易容易出现冷凝水，但是电堆要防止液态水进入，尤其是小型电堆或单电池，因此需要在电堆入口处分水，但是分水器散热造成湿度变化，气流阻力容易造成温度流量控制的困难，结果是设定的供气条件与实际供气条件存在明确的、并且是实际上可能比较大的差异。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了小流量和工况低限流量的供气增湿装置，用于小流量和设备控制量程下限的气体增湿管理。本发明目的在于解决检测设备在小流量、或量程下限的气体增湿稳定性，在电堆入口避免冷凝水滴，本发明有利于连续供应时的压力和温度、湿度稳定，在输送流量上下限大比例快速变化中，保持增湿平衡的快速稳定。本发明也特别有利于小流量型的研发测试设备的精准供气。
本发明采用了如下的技术方案：
小流量和工况低限流量的供气增湿装置，气源口通过新气进气管与增湿器的一端连通，增湿器的另一端与送气主管连通，送气主管连接有去电堆接口，增加了夹套式增湿回流结构，送气主管外套有夹套外管，在与去电堆接口相邻处，送气主管和夹套外管之间的送气主管向夹套外管开有夹套式回流开口，在送气主管与增湿器的近处有泵前回流管，泵前回流管一端与回流进气管之间管道连通，此管道设有回流泵，泵前回流管另一端与夹套外管连通，回流进气管与增湿器连通。
进一步的，所述的送气主管在夹套外管内穿过三通快接和两通快接，送气主管在进堆前穿过两通快接，在两通快接内，该送气主管上开有内管壁上开口，三通快接的第三快接口与泵前回流管连接。
进一步的，所述的夹套外管可以为硬性夹套外管，也可以为柔性夹套外管，柔性夹套外管可以选外加电热线的波纹管或钢丝增强胶管或网纹增强的PVC等。
进一步的，所述的柔性夹套外管外套设有伴热。
进一步的，所述的夹套外管套设的送气主管上有连接件时，跨接管跨过连接件的同时，两端分别与夹套外管连通，跨接管与夹套外管连通的两个端口分别为跨接管流出口和跨接管流入口。
小流量和工况低限流量的供气增湿装置，气源口通过新气进气管与增湿器的一端连通，增湿器的另一端与送气主管连通，送气主管连接有去电堆接口，增加了旁路式增湿回流结构，与送气主管并联处设有旁路回流管，旁路回流口与去电堆接口相邻且与送气主管连通，旁路回流管一端与旁路回流口连通，另一端与回流进气管连通，回流进气管与新进气管连通，旁路回流管设有回流泵。
进一步的，在小流量的供气装置中，所述的增湿器优选为鼓泡式增湿器，鼓泡式增湿器的顶部与送气主管连通，底部设有的罐底回流进气口与旁路回流管连通，旁路回流管上设有回流泵，鼓泡式增湿器的底部另与罐底新气进气管连通。所述的回流泵高度位于鼓泡式增湿器的液面以上。
进一步的，所述的回流泵优选为低增压、大流量类型的离心式鼓风机或轴流式风机。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)解决测试中增湿的入口冷凝水滴问题，特别是小型测试，并且安装方便灵活，造价低；
(2)解决设备在流量低限时的供应稳定性问题，包括大流量；
(3)连续供应时的压力和温度、湿度稳定；
(4)在输送流量上下限大比例快速变化中，保持增湿平衡的快速稳定。
附图说明
图1是夹套管式增湿回流示意图；
图2是柔性夹套外管与伴热示意图；
图3是柔性夹套外管断面的内外管和内衬物示意图；
图4是跨接插入件的一种方式示意图；
图5是旁路管式增湿回流示意图；
图6是用于小型鼓泡式增湿器时的管路连接示意图；
图7是使用快接头解决夹套连接示意图。
附图标记如下：
1.增湿器；2.气源口；3.新气进气管；4.回流进气管；5.回流泵；6.泵前回流管；7.送气主管；8.夹套外管；9.夹套式回流开口；10.去电堆接口；11.旁路回流管；12.旁路回流口；13.伴热；14.夹套内衬物；15.连接件；16.跨接管流出口；17.跨接管；18.跨接管流入口；19.鼓泡式增湿器；20.液面；21.罐底新气进气管；22.罐底回流进气口；23.胶套；24.三通快接；25.两通快接；26.内管壁上开口；27.流体部分返回；28.回流离开外夹套。
具体实施方式
下面通过具体实施例详述本发明，但不限制本发明的保护范围。如无特殊说明，本发明所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从商业途径获得。
实施例1
参见图1至图4，夹套式增湿回流装置。
夹套式增湿回流装置，顺序连接有气源口2、新进气管3、增湿器1、送气主管7、去电堆接口10，该去电堆接口10可以是燃料氢气接口，可以是氧化剂空气接口。送气主管7外套有夹套外管8，在接近去电堆接口10处，送气主管7和夹套外管8之间的送气主管7向夹套外管8开有夹套式回流开口9。在送气主管7与增湿器1的近处有泵前回流管6的进气口，夹套内的气体经过泵前回流管6进入回流泵5，在回流泵5推动下经过回流进气管4返回增湿器1，回流气体与经新气进气管3的新气一同在增湿器1中混合、增湿。
相对于常规装置，本发明增加一个套管作为旁路回路，输出增湿器的气体输出，然后在电堆入口前返回增加的气量。
对于流量变化幅度在1:10范围，按照回流量设置为最大流量的50％，该混合增湿将流体总量变化幅度从1:10，变化到6:16，即变化幅度变为1：2.67，使流量变化得到大幅度减小。通过最小流量增加，使流经送气管路的气体热损失的相对影响降低，有利于送气的湿度和温度稳定。
增湿特性变化是在增湿器1出口小于50％至100％流量，因此增湿器1的气流通过工况的变化幅度大比例降低，有利于操作稳定。
套管外管8有效流道截面面积以送气主管7有效截面的50％至200％为宜。
对于小流量测试，如100w及其以下，回流量与电堆最大使用量的比例为100～200％为优选，采用回流流通有效面积为送气管路有效截面的100％为优选，送气主管7为流向电堆，夹套外管8为回流到增湿器1。
参见图2、图3，使用柔性夹套外管时，测试一般使用低压软管，如0.3MPa以下，夹套外管8使用直管、波纹管，送气主管7使用直管，送气主管7与夹套外管8之间设有夹套内衬物14，即使用弹簧状螺旋支撑物做内衬，可以连续、可以多个短节填充，其呈现螺旋伸展，在径向，即与轴心的距离周期性地变化，该距离较小值为小径，较大值为大径，小径大于送气主管7外径，大径小于夹套外管8内径，轴向视图为制造简单、易于弹性变形的多角形、波纹形，如六角形、星型。
对于小流量，可附加伴热13，增加热稳定性。
实施例2
如图4所示，对于夹套外管8遇到管道上的连接件15时，如两通、三通、阀门，以及检测温度、流量、压力的插入件等，连接件15完成内管送气主管7的连通，夹套外管8内的流体采用跨接方式以保持流动的连续，跨接管17的两端分别连接在连接件15两端的夹套外管8。
实施例3
参见图5、图6，对于1kw以上的用气增湿，回流量与电堆最大使用量的比例为20～50％为优选，采用旁路回流管11独立于送气主管7，旁路回流管11有效面积为送气主管7的50％为优选。旁路回流口12靠近去电堆接口10。
回流泵5将回流气体通过回流气体进气管4返回部分气体，在进入增湿器1前，气体先与新气进气管3的气源口2新气混合，然后进入鼓泡式增湿器19。
其中，鼓泡式增湿器19为立式筒状容器，内部有水，新气通过罐底新气进气管21、回流气通过罐底回流进气口22从底部或侧部进入鼓泡式增湿器19，其开口在水面以下，气体鼓泡通过液态水，得到增湿，通过送气主管7送往去电堆接口10。在去电堆接口10之前，具有旁路回流口12连接旁路回流管11至罐底回流进气口22，旁路回流管11至罐底回流进气口22之间串接有回流泵5，回流泵5优选为低增压、大流量类型的离心式鼓风机或轴流式风机。循环量由回流泵5决定，鼓泡式增湿器19出口流量是罐底新气进气管21来的新气体流量和罐底新气进气管21来的循环量之和，维持送气主管7中的流量具有比系统设定的去电堆接口10处的流量大，从而送气主管7在低限流量下因为提供更大的流量从而分摊管路线上的热损失影响。回流风机5高度位于鼓泡式增湿器19液面20以上。
对于大流量气体应用，除流程中的对外散热，设置的回流并不增加其它增湿热量消耗，因此有利于增加其供气的稳定性，包括气压、湿度、温度、流量。
实施例4
参见图7，特别是针对小流量增湿气的使用场合，接头使用快插式三通快接24和两通快接25完成连接送气，管路系统的搭建方便灵活，造价低。
夹套管按照夹套外管8外径选择三通快接24和两通快接25规格，送气主管7在夹套外管8内穿过上述快接。送气主管7在进堆前使用两通快接25，在两通快接25内，该送气主管7管壁开有通孔，部分气体可以从此处内管壁开口26进入夹套外管8，然后返回，经过三通快接24的第三快接口，回流离开外夹套28至泵前回流管6。
以上所述仅为本发明的较佳具体实施方式而已，并不代表本发明以此为限制，凡是熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.小流量和工况低限流量的供气增湿装置，所述装置的气源口(2)通过新气进气管(3)与增湿器(1)的一端连通，增湿器(1)的另一端与送气主管(7)连通，送气主管(7)连接有去电堆接口(10)，其特征是，增加了夹套式增湿回流结构，送气主管(7)外套有夹套外管(8)，在与去电堆接口(10)相邻处，送气主管(7)和夹套外管(8)之间的送气主管(7)向夹套外管(8)开有夹套式回流开口(9)，在送气主管(7)与增湿器(1)的近处有泵前回流管(6)，泵前回流管(6)一端与回流进气管(4)之间管道连通，此管道设有回流泵(5)，泵前回流管(6)另一端与夹套外管(8)连通，回流进气管(4)与增湿器(1)连通。
2.如权利要求1所述的小流量和工况低限流量的供气增湿装置，其特征是，所述的送气主管(7)在夹套外管(8)内穿过三通快接(24)和两通快接(25)，送气主管(7)在进堆前穿过两通快接(25)，在两通快接(25)内，该送气主管(7)上开有内管壁上开口(26)，三通快接(24)的第三快接口与泵前回流管(6)连接。
3.如权利要求1所述的小流量和工况低限流量的供气增湿装置，其特征是，所述的夹套外管(8)为硬性夹套外管或柔性夹套外管。
4.如权利要求3所述的小流量和工况低限流量的供气增湿装置，其特征是，所述的柔性夹套外管外套设有伴热(13)。
5.如权利要求1所述的小流量和工况低限流量的供气增湿装置，其特征是，所述的夹套外管(8)套设的送气主管(7)上有连接件(15)时，跨接管(17)跨过连接件(15)的同时，两端分别与夹套外管(8)连通，跨接管(17)与夹套外管(8)连通的两个端口分别为跨接管流出口(16)和跨接管流入口(18)。
6.小流量和工况低限流量的供气增湿装置，所述装置的气源口(2)通过新气进气管(3)与增湿器(1)的一端连通，增湿器(1)的另一端与送气主管(7)连通，送气主管(7)连接有去电堆接口(10)，其特征是，增加了旁路式增湿回流结构，与送气主管(7)并联处设有旁路回流管(11)，旁路回流口(12)与去电堆接口(10)相邻且与送气主管(7)连通，旁路回流管(11)一端与旁路回流口(12)连通，另一端与回流进气管(4)连通，回流进气管(4)与新气进气管(3)连通，旁路回流管设有回流泵(5)。
7.如权利要求6所述的小流量和工况低限流量的供气增湿装置，其特征是，所述的增湿器(1)为鼓泡式增湿器(19)，鼓泡式增湿器(19)的顶部与送气主管(7)连通，底部设有的罐底回流进气口(22)与旁路回流管(11)连通，旁路回流管(11)上设有回流泵(5)，鼓泡式增湿器(19)的底部另与罐底新气进气管(21)连通。
8.如权利要求7所述的小流量和工况低限流量的供气增湿装置，其特征是，所述的回流泵(5)高度位于鼓泡式增湿器(19)的液面(20)以上。
9.如权利要求7所述的小流量和工况低限流量的供气增湿装置，其特征是，所述的回流泵(5)为低增压、大流量类型的离心式鼓风机或轴流式风机。
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2022
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