CN116014179A - 一种质子交换膜燃料电池曝气增湿器及其增湿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池领域，公开了一种质子交换膜燃料电池测试台曝气增湿器及其增湿方法，燃料电池测试过程中反应气进入电堆前需要通过曝气增湿器进行气体增湿，反应气从进气口流入微孔曝气器进入容器内，在容器中进行热交换，气体达到目标值后从出气口排出，通过补水口对容器内进行补水，利用液位传感器的高液位和低液位进行液位控制，当液位过高时，通过排水口排出，当液位较低时，通过补水口提高液位，通过加热器和温度传感器控制增湿水温，利用增湿器出口的压力传感器检测曝气增湿器内反应气压力。本发明可解决小功率燃料电池测试过程中反应气温湿度变化相应慢、湿度低的问题，保证了燃料电池电堆运行。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池测试台曝气增湿器及其增湿方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池由于具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。质子交换膜燃料电池中所用的质子交换膜，在电池运行过程中需要有水分子存在，因为只有水化的质子才可以自由的穿透质子交换膜，因此需要对质子交换膜增湿，如果增湿不足，质子交换膜传输能力差，影响电池性能。
目前实际测试应用时，在小功率燃料电池测试过程中进气增湿的增湿器主要有：膜增湿器，通过水分在膜中的扩散对气体增湿；鼓泡增湿器，反应气通过鼓泡器，以控制鼓泡器内部水温的方式进行增湿控制。
膜增湿器具有结构紧凑、低压降等特点，其典型结构包括湿板、聚合物膜和扩散层、以及干板，其中干板上的流动通道用于干气体的流通和增湿，湿板上有增湿通道。膜材料透水、但不透气，它一侧与湿板接触，另外一侧是由弹性、导电、透气材料制成的扩散层。但是，膜增湿器存在密封和承压问题，因为聚合物膜遇水溶胀，膜在干-湿态之间的反复溶胀-收缩，会导致与密封面脱离，从而发生渗漏；另外，聚合物膜是有机材料，易于变形，且耐压能力差，在使用过程中可能会在气压的作用下发生破裂。
鼓泡增湿器是指将反应气通过水温控制鼓泡器进行增湿；鼓泡器是指装有液态水以及底部放置一些多孔物质，如玻璃珠，用于分散增湿器内的气泡，增大水的蒸发表面积，便于反应气更好的润湿，最后通过液面上的另一个管道排出接近饱和的气体。这种增湿方法由于外置电加热循环水控制增湿水温度导致增湿温度很难精确控制，内部结构当电池快速启动活负载突然大幅度变化时，气体流量瞬时增大，气液交互面积不够，不能及时与之同步响应，导致增湿湿度不够。在燃料电池测试台测试过程中，鼓泡增湿不能完全解决小功率燃料电池增湿问题。
发明内容
针对上述不足，本发明提供一种质子交换膜燃料电池测试台曝气增湿器及其增湿方法，反应气通过进气口进入微孔曝气器内，在容器液位中气体扩散成微小气泡，气液完全交互后从出气口排出。
微孔曝气器是80年代研制的最新型曝气装置，该装置曝气气泡直径小，气液界面直径小，气液界面积大，气泡扩散均匀，不会产生孔眼堵塞，耐腐蚀性强，经上海同济大学环境工程学院和中国市政工程华北设计院进行清水和污水充氧测试，并经50多家用户多年使用效果良好。
本发明增湿器结构气体通过微孔曝气器，在热水中把气体扩散成微小气泡，气泡扩散均匀，最大限度，最短时间的增加气液交互面积，通过加热器对容器内的温度控制达到需要的露点温度，通过对增湿器结构设计，最大限度减少容器年内空间体积，减少测试过程中的背压时间，增湿后的反应气为燃料电池电堆使用。本发明可将反应气快速达到要求的温度和湿度以及压力，增湿后的反应气为质子交换膜燃料电池电堆使用。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
一种质子交换膜燃料电池测试台曝气增湿方法，燃料电池测试过程中反应气进入电堆前需要通过曝气增湿器进行气体增湿，反应气从进气口流入微孔曝气器进入容器内，在容器中进行热交换，气体达到目标值后从出气口排出，通过补水口对容器内进行补水，利用液位传感器的高液位和低液位进行液位控制，当液位过高时，通过排水口排出，当液位较低时，通过补水口提高液位，通过加热器和温度传感器控制增湿水温，利用增湿器出口的压力传感器检测曝气增湿器内反应气压力。
曝气增湿方法D的部分原理为：
增湿的反应气通过进气口进入微孔曝气器内，在容器的热水中把气体扩散成微小气泡，气泡扩散均匀，最大限度，最短时间增加气液交互面积，确保气液交互完全，气体达到目标值后从出气口排出，由于容器上部分变径后空间小，可以使反应气快速排出的同时，减少电堆测试运行过程中的背压速度慢的问题。
上述质子交换膜燃料电池测试台曝气增湿器，包括容器和快装接头卡盘盲板底座，容器和快装接头卡盘盲板底座通过快装接头连接，快装接头卡盘盲板底座与电加热器以及微孔曝气器连接件组合焊接而成，电加热器接线柱为密封不锈钢管套用于快装接头卡盘盲板底座焊接密封，快装接头卡盘盲板底座上设有进气口，微孔曝气器与其连接件螺纹链接，连接件另一端与进气口焊接。
进一步的，所述容器由不锈钢无缝管焊接不锈钢快装接头卡盘，变径以及不锈钢板加工而成。
进一步的，所述容器的顶部设有出气口，上端设有高液位和压力传感器，下端设有低液位和补水口，中部设有温度传感器。
进一步的，所述快装接头卡盘盲板底座上还设有排水口。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1)本发明可解决小功率燃料电池测试过程中反应气温湿度变化相应慢的问题，保证了燃料电池电堆运行。
2)本发明可解决小功率燃料电池测试过程中反应气增湿过程中湿度低的问题，保证了燃料电池电堆运行。
3)本发明设计结构巧妙，减少测试过程中背压速度慢的问题，保证了燃料电池电堆运行。
4)本发明结构设计巧妙，增湿罐各部件材料通用，结构简单，加工工艺难度低，经济性良好。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明质子交换膜燃料电池曝气增湿器结构图；
图2是本发明质子交换膜燃料电池曝气增湿器爆炸图；
图3是容器结构图；
图4是快装接头卡盘盲板底座结构图；
图5是快装接头卡盘盲板底座俯视图。
图中：A-进气口，B1-高液位，B2-低液位，C-出气口，D-压力传感器，E-温度传感器，F-补水口，G-排水口，1-容器，2-快装接头卡盘盲板底座，3-电加热器，4-微孔曝气器。
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
本实施例中的不锈钢管，变径采用ba卫生级不锈钢管，变径。执行标准有ASTMA249、A269、A270、3A等等；对尺寸精度要求高、管壁光洁度高，需要进行脱脂去油处理。
本实施例中快装接头卡盘盲板底座2包括的快装接头卡盘，快装接头卡盘盲板采用ba卫生级不锈钢标准卡箍式管道配件，执行标准有ISO、3A、SMS、DIN、BS等等；对尺寸精度要求高、管壁光洁度高，需要进行脱脂去油处理。
本发明设计的增湿器目的是，燃料电池测试过程中反应气进入电堆前需要进行气体增湿，反应气从进气口A流入微孔曝气器4进入容器1内，在容器中进行热交换，从而达到快速增湿的效果。
增湿的反应气通过进气口A进入微孔曝气器4内，微孔曝气器4在容器1中把气体扩散成微小气泡，气泡扩散均匀，最大限度，最短时间增加气液交互面积，确保气液交互完全，气体达到目标值后从出气口C排出，由于容器上部分变径后空间小，可以使反应气快速排出的同时，减少电堆测试运行过程中的背压时间。从而解决燃料电池电堆测试过程中反应气温湿度变化相应慢，湿度低，背压速度慢的问题。
在燃料电池测试过程中容器1通过补水口F对容器1内进行补水，利用液位传感器通过高液位B1和低液位B2控制液位，当液位过高时，通过排水口G排出，当液位较低时，通过补水口F提高液位，温度控制通过加热器3和温度传感器E控制增湿水温，利用增湿器出口的压力传感器D检测曝气增湿器内反应气压力。
本发明增湿器结构：
包括容器1和快装接头卡盘盲板底座2，容器1和快装接头卡盘盲板底座2通过快装接头连接。
容器1结构：
容器1的本体为BA级不锈钢无缝管，下端焊接焊接快装接头卡盘，上端焊接变径以及变径后的BA级不锈钢无缝管，缩小空间体积，顶部焊接镜面不锈钢板材。
容器1上设有高液位B1，低液位B2，出气口C，压力传感器D，温度传感器E，补水口F。
快装接头卡盘盲板底座2结构：
快装接头卡盘盲板底座2本体为快装接头卡盘盲板，在快装接头卡盘盲板焊接加热器3以及微孔曝气器4，设有排水口G和进气口A的连接件。
以上所述实施方式仅为本发明的具体结构，而并非本发明可行实施的全部实施例。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (5)
1.一种质子交换膜燃料电池测试台曝气增湿方法，其特征是，燃料电池测试过程中反应气进入电堆前需要通过曝气增湿器进行气体增湿，反应气从进气口(A)流入微孔曝气器(4)进入容器(1)内，在容器(1)中进行热交换，气体达到目标值后从出气口(C)排出，通过补水口(F)对容器(1)内进行补水，利用液位传感器的高液位(B1)和低液位(B2)进行液位控制，当液位过高时，通过排水口(G)排出，当液位较低时，通过补水口(F)提高液位，通过加热器(3)和温度传感器(E)控制增湿水温，利用增湿器出口的压力传感器(D)检测曝气增湿器内反应气压力。
2.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池测试台曝气增湿方法，其特征是，所述曝气增湿器的结构包括容器(1)和快装接头卡盘盲板底座(2)，容器(1)和快装接头卡盘盲板底座(2)通过快装接头连接，快装接头卡盘盲板底座(2)与电加热器(3)以及微孔曝气器(4)连接件组合焊接而成，电加热器(3)接线柱为密封不锈钢管套用于快装接头卡盘盲板底座(2)焊接密封，快装接头卡盘盲板底座(2)上设有进气口(A)，微孔曝气器(4)与其连接件螺纹链接，连接件另一端与进气口(A)焊接。
3.如权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池测试台曝气增湿方法，其特征是，所述容器(1)由不锈钢无缝管焊接不锈钢快装接头卡盘，变径以及不锈钢板加工而成。
4.如权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池测试台曝气增湿方法，其特征是，所述容器(1)的顶部设有出气口(C)，上端设有高液位(B1)和压力传感器(D)，下端设有低液位(B2)和补水口(F)，中部设有温度传感器(E)。
5.如权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池测试台曝气增湿方法，其特征是，所述快装接头卡盘盲板底座(2)上还设有排水口(G)。
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