CN116742049A - 基于大功率恒温式燃料电池增湿装置的增湿方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，公开了一种大功率恒温式燃料电池增湿装置及其增湿方法。增湿装置由鼓泡器、增湿器和水套三部分组成，其中增湿器套在鼓泡器上，增湿器上的增湿器进水口与水套上的水套出水口通过连接管道连接。本发明结构简单，加工难度低，有良好的经济性和实用性。

Description

基于大功率恒温式燃料电池增湿装置的增湿方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种基于大功率恒温式燃料电池增湿装置的增湿方法。

背景技术

氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。它发电后的产物只有水，并且噪声大约只有55dB，非常的安静，是一种清洁、高效、长寿命的发电装置。在汽车领域，和电动车相比，氢燃料电池车续航足、加氢快；和传统燃油车比，氢燃料电池车又具有节能减排的属性。所以氢燃料电池是未来完美的技术，应用前景十分广阔。

质子交换膜是最具有代表性的一种氢燃料电池，在电池的运行过程中，反应气体的温度和湿度的控制是最重要的环节之一，膜的质子传导能力与其含水量(润湿状态)关系密切，当膜处于良好的润湿状态时，才具有高的质子传导能力，膜的干枯会导致质子传导能力的下降，膜电阻增加，欧姆损失增加，电池性能下降。相反如果反应气体湿度过高，会造成电池内部积水过多，导致电极中的催化剂被水腌渍，反应活性降低，而温度主要影响的是催化剂的活性，忽高忽低的温度直接影响氢燃料电池的稳定性，所以温度的稳定性显得格外的重要。

在目前实际应用中，为燃料电池进气增湿的增湿器主要有三种：膜增湿器、焓轮增湿器和鼓泡增湿器。

膜增湿器主要是由湿板、聚合物膜、扩散层以及干板组成，由于聚合物膜遇水溶胀，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，所以膜增湿器存在密封和承压问题，而且对反应气的温度和湿度没有办法进行有效的控制。

焓轮增湿器是由电机带动的多孔陶瓷焓轮为燃料电池的进气进行增湿增热，其缺点是陶瓷有磨损问题，噪音大，同时成本也比较高，对反应气的湿度和温度控制比较困难。

鼓泡增湿器是指将反应气通过水温控制鼓泡器进行增湿；如果是小功率的增湿器，由于内部空间比较狭小，温度和温差稳定性还算是可以，而大功率的增湿器所需要反应气的流量比较大，该结构就会出现反应气的温差比较大，稳定性不好的现象。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于大功率恒温式燃料电池增湿装置的增湿方法，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，反应气在增湿装置内达到要求的温度和湿度后，进入氢燃料电池内部。装置结构简单，加工难度低，有良好的经济性和实用性。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：基于大功率恒温式燃料电池增湿装置的增湿方法，所述大功率恒温式燃料电池增湿装置由鼓泡器、增湿器和水套三部分组成，其中增湿器套在鼓泡器上，增湿器上的增湿器进水口与水套上的水套出水口通过连接管道连接。

所述鼓泡器由鼓泡器盲板、螺纹焊接座、曝气器底板、曝气器筒体、微孔曝气器组成，鼓泡器盲板底部设有增湿器泄放口、增湿器补水口、反应气进气口、增湿器出水口，鼓泡器盲板顶部连接螺纹焊接座底端，螺纹焊接座顶端连接曝气器底板，曝气器底板上设有微孔曝气器，微孔曝气器外套设曝气器筒体。

所述增湿器自上而下由增湿器封头、增湿器筒体、增湿器卡盘组成，增湿器封头上设有反应气温度传感器和反应气出口，在增湿器筒体上接有液位四氟管，液位四氟管与增湿器筒体的上连接处为高液位，液位四氟管与增湿器筒体的下连接处为低液位，增湿器筒体上还设有增湿器进水口和去离子水温度传感器。

所述水套自上而下由水套顶板、水套筒体、水套环板组成，水套顶板上设有水套排气孔，水套筒体上方设有水套出水口，水套筒体下方设有水套进水口。

所述增湿方法分气路和水路两部分，对于气路，首先反应气从反应气进气口流入微孔曝气器并进入增湿器内，在增湿器中进行充分的热交换，当反应气体达到所要求的温度和湿度后从反应气出口排出；对于水路，将加热的去离子水通过水套进水口进入水套，并从水套出水口经过连接管道进入到增湿器，然后通过增湿器出水口进入到外部的水泵和加热罐，完成一次循环。

进一步的，所述大功率恒温式燃料电池增湿装置材料为不锈钢SUS316。

为了使反应气的湿度达到标准，必须保证增湿器的液位在允许范围内，所以增湿器设有液位传感器，当液位过高时，通过增湿器泄放口排出，当液位较低时，通过增湿器补水口提高液位；

为了使反应气达到需要的温度，并使温度达到恒定的状态，在增湿器的上方增加了一个水套结构，在增湿器的下方的温度传感器可以控制和调节外部来水的温度，在增湿器上方的温度传感器可以检测反应气的温度。当反应气温度过低时，就提高外部来水的温度，从而提高水套和增湿器内部的整体温度，进而使反应气的温度得到进一步提升，并使之处一个恒定的状态。为了达到更好的保温效果，还需要在整个增湿设备上用陶瓷纤维20mm⁺铝箔胶带进行保温。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明为一个水套结构式的增湿器，反应气在增湿器液面下进行增湿和加热，液面上反应气在水套的作用下进行再次加热及保温，解决了大功率增湿器装置中普遍存在的反应气温度低，湿度低、温度波动大的问题，此装置不仅保持了反应气温度的恒定，而且也更加的节能。

本发明结构简单，加工难度低，有良好的经济性和实用性。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明

图1是恒温式燃料电池增湿装置主视图；

图2是恒温式燃料电池增湿装置剖视图；

图3是恒温式燃料电池增湿装置爆炸视图；

图4是鼓泡器结构图；

图5是增湿器结构图；

图6是水套结构图。

图中1.鼓泡器；2.增湿器；3.水套；4.鼓泡器盲板；5.螺纹焊接座；6.曝气器底板；7.曝气器筒体；8.微孔曝气器；9.增湿器卡盘；10.增湿器筒体；11.增湿器封头；12.液位四氟管；13.水套环板；14.水套筒体；15.水套顶板；16.连接管道；17.增湿器泄放口；18.增湿器补水口；19.反应气进气口；20.增湿器出水口；21.增湿器进水口；22.去离子水温度传感器；23.反应气温度传感器；24.反应气出口；25.高液位；26.低液位；27.水套进水口；28.水套排气孔；29.水套出水口。

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

本实施例中不锈钢管采用Ba卫生级不锈钢管，执行标准有ASTMA249、A269、A270、3A等等；对尺寸精度要求高、管壁光洁度高和需要进行脱脂去油处理。

本实施例中卡盘盲板采用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、管壁光洁度高和需要进行脱脂去油处理。

本发明设计的大功率恒温式增湿装置的原理是：该增湿器2分为气路和水路，对于气路：气体从反应气进气口19流入微孔曝气器8后，反应气体就扩散成为均匀的微小气泡，并进入增湿器2内，并在内部进行充分的热交换，从而达到快速增湿的效果，在达到预定的目标值后从反应气出气口24排出。

对于水路：加热后的去离子水在水泵的的作用下从水套进水口27进入水套，再从水套出水口29流出，经过连接管道16进入增湿器进水口21,然后经增湿器出水口20进入外部的加热罐体，并再次进行加热循环。

该增湿装置通过增湿器补水口18进行补水，通过高液位25和低液位26控制去离子水的液位，当液位过高时，通过增湿器泄放口17排出，当液位较低时，通过增湿器补水口18进行补水，并通过去离子水温度传感器22控制增湿器2内的水温，利用反应气温度传感器23来检测气体排出时的温度，水套3的上端开有水套排气孔28，可以排出水套3内部出现的空气。

本发明大功率恒温式增湿器装置的结构：

该装置由鼓泡1、增湿器2和水套3三部分组成，增湿器结构和水套结构是通过焊接连接在一起的，鼓泡结构和增湿器结构是通过卡箍连接在一起的。

鼓泡器1：

主要由鼓泡器盲板4、螺纹焊接座5、曝气器底板6、曝气器筒体7和微孔曝气器8组成，微孔曝气器8安装在曝气器筒体7内部，并与螺纹焊接座5进行固定。鼓泡器盲板4上开有增湿器泄放口17、增湿器补水口18、反应气进气口19和增湿器出水口20；

增湿器2：

增湿器2的筒体为Ba级不锈钢无缝管，主要由增湿器卡盘9、增湿器筒体10和椭圆形封头11焊接而成。椭圆形封头11上有反应气出口24和反应气温度传感器23，增湿器筒体10上有增湿器进水口21、去离子水温度传感器22、高液位25和低液位26，而高液位25和低液位26通过液位四氟管12连接在一起，可以观察和控制液位的变化。

水套3：

水套3的筒体同样为Ba级不锈钢无缝管，主要由水套环板13，水套筒体14和水套顶板15焊接而成，水套顶板15开有水套排气孔28，水套筒体14开有水套进水口27和水套出水口29。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，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 (2)

1.基于大功率恒温式燃料电池增湿装置的增湿方法，其特征在于，所述大功率恒温式燃料电池增湿装置由鼓泡器(1)、增湿器(2)和水套(3)三部分组成，其中增湿器(2)套在鼓泡器(1)上，增湿器(2)上的增湿器进水口(21)与水套(3)上的水套出水口(29)通过连接管道(16)连接；所述鼓泡器(1)由鼓泡器盲板(4)、螺纹焊接座(5)、曝气器底板(6)、曝气器筒体(7)、微孔曝气器(8)组成，鼓泡器盲板(4)底部设有增湿器泄放口(17)、增湿器补水口(18)、反应气进气口(19)、增湿器出水口(20)，鼓泡器盲板(4)顶部连接螺纹焊接座(5)底端，螺纹焊接座(5)顶端连接曝气器底板(6)，曝气器底板(6)上设有微孔曝气器(8)，微孔曝气器(8)外套设曝气器筒体(7)；所述增湿器(2)自上而下由增湿器封头(11)、增湿器筒体(10)、增湿器卡盘(9)组成，增湿器封头(11)上设有反应气温度传感器(23)和反应气出口(24)，在增湿器筒体(10)上接有液位四氟管(12)，液位四氟管(12)与增湿器筒体(10)的上连接处为高液位(25)，液位四氟管(12)与增湿器筒体(10)的下连接处为低液位(26)，增湿器筒体(10)上还设有增湿器进水口(21)和去离子水温度传感器(22)；所述水套(3)自上而下由水套顶板(15)、水套筒体(14)、水套环板(13)组成，水套顶板(15)上设有水套排气孔(28)，水套筒体(14)上方设有水套出水口(29)，水套筒体(14)下方设有水套进水口(27)；

所述增湿方法具体分气路和水路两部分，对于气路，首先反应气从反应气进气口(19)流入微孔曝气器(8)并进入增湿器(2)内，在增湿器(2)中进行充分的热交换，当反应气体达到所要求的温度和湿度后从反应气出口(24)排出；对于水路，将加热的去离子水通过水套进水口(27)进入水套(3)，并从水套出水口(29)经过连接管道(16)进入到增湿器(2)，然后通过增湿器出水口(20)进入到外部的水泵和加热罐，完成一次循环。

2.根据权利要求1所述的基于大功率恒温式燃料电池增湿装置的增湿方法，其特征在于，所述大功率恒温式燃料电池增湿装置材料为不锈钢SUS316。