CN207977405U - 一种质子交换膜燃料电池空气加湿装置 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池空气加湿装置 Download PDF

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陈莉
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Abstract

本实用新型涉及一种质子交换膜燃料电池空气加湿装置，属于质子交换膜燃料电池技术领域。包括：质子交换膜电堆，是由多块质子交换膜片层叠而成，质子交换膜电堆的上下两端分别设有上固定板和下固定板；在下固定板上连接有空气进口和氢气进口，分别用于向质子交换膜电堆中供入空气和氢气；还包括加湿装置，加湿装置包括罐体，在罐体的上方设有湿空气出口与空气进口连接；罐体内存储有水；罐体上还连接有第一空气进口和第二空气进口，第一空气进口的高度在水面之上，第二空气进口的高度在水面之下，第一空气进口和第二空气进口都是用于向加湿装置供入空气；在罐体的底部还设有加热装置；第一空气进口上还连接有空气输送泵。

Description

一种质子交换膜燃料电池空气加湿装置
技术领域
本实用新型涉及一种质子交换膜燃料电池空气加湿装置，属于质子交换膜燃料电池技术领域。
背景技术
随着传统能源储量的不断减少及其利用方式所造成的环境污染的不断增加，人类必须尽快寻找开发能替代传统能源的新能源。而被称为第四代发电技术的燃料电池发电，由于其发电效率高、无污染而倍受人们的重视。燃料电池(FC)是一种对氢能进行利用的能量转换装置，它可以连续地将燃料(氢气)和氧化剂(氧气或空气)的化学能通过电化学反应直接转换成电能，同时消耗反应物，排出产物，释放热量。
FC按所用电解质的不同，可分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、固体氧化物燃料电池( SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和质子交换膜燃料电池( PEMFC)五类。其中PEMFC除了具有FC所共有的能量转换效率高、环境友好、噪声低、可靠性好和燃料多样性等特点外，还由于其工作温度低，启动快，最佳工作温度为80℃左右，甚至在室温也能正常工作，适宜于较频繁启动的场合，可用空气做氧化剂，因此被认为是取代目前汽车动力的最具可选性、最有竞争力的动力源之一。同时，以多片PEMFC组PEMFC中的水包括气态和液态两种，来源于由电化学反应生成的水（在阴极）和由加湿的反应气体带人的水。水在PEMFC内的迁移主要表现为如下两种形式：一是电渗作用，即在电渗力的作用下被水化的质子携带，由阳极向阴极运动。而且越过膜的质子数愈多（电流密度愈大），每个质子携带的水分子也愈多（电渗系数愈大），则随同质子从阳极迁移至阴极的水也愈多；另一种形式是扩散作用，即水在浓度梯度下的扩散，扩散速度正比于浓度梯度。电渗作用和扩散作用分别使水向相反的方向运动，如果两者的速率相等，膜中的水仍处于平衡状态。而在实际运行中，随着放电电流的增加，反向扩散水量愈来愈低于正向电渗迁移的水量，形成所谓的水净迁移，即总结果是水从膜的阳极侧迁移至阴极侧，导致膜的阳极侧脱水，为了建立新的水平衡，必须设法补充水，而且要求其补充量是可调的。同时，PEM的导电性随其含水量的增加而增加。若进入电池的反应气不加湿，则由于在阴极生成的水向阳极扩散的不足，会造成阳极侧(特别是人口处)PEM失水变干，在大气量通过时，阴极人口处的PEM也会被吹干，造成电池的内阻大幅度上升，PEMFC性能下降，甚至难以工作。因此在排放阴极生成水的同时，必须对进入电堆的反应气体加湿。当采用空气为氧化剂时，对空气的加湿显得尤为重要。这主要有以下两种原因：①空气中的氧分压较低；②为了获得同样的氧需要较大的空气流速，这种高速的干燥气体，使阴极气室保持很低的水分压，增大了水的净迁移，从而使膜在阳极侧失水更为严重。由于外增湿具有增湿稳定、可控性强、增湿量大等优点，增湿系统大多采用外增湿。
然而，外加湿方式存在的一个问题是外加湿的空气湿度不能根据质子交换膜表面的实际空气湿度的变化而进行调整，往往无法通过反馈方式对加湿进行实时调节，导致了外加湿的空气温度并不能使PEMFC工作在稳定状态下，影响到了运行性能。
发明内容
本实用新型的目的是：提供一种具有自反馈调节模式的质子交换膜燃料电池的加湿装置，能够有效地根据质子交换膜燃料电池的电堆上的湿度对进入的空气湿度进行实时调节。
技术方案是：
一种质子交换膜燃料电池空气加湿装置，包括：质子交换膜电堆，是由多块质子交换膜片层叠而成，质子交换膜电堆的上下两端分别设有上固定板和下固定板；在下固定板上连接有空气进口和氢气进口，分别用于向质子交换膜电堆中供入空气和氢气；还包括加湿装置，加湿装置包括罐体，在罐体的上方设有湿空气出口与空气进口连接；罐体内存储有水；罐体上还连接有第一空气进口和第二空气进口，第一空气进口的高度在水面之上，第二空气进口的高度在水面之下，第一空气进口和第二空气进口都是用于向加湿装置供入空气；在罐体的底部还设有加热装置；第一空气进口上还连接有空气输送泵。
在一个实施方式中，还包括空气流量分配阀，空气流量分配阀同时与第一空气进口和第二空气进口连通，用于对第一空气进口和第二空气进口进入罐体中的流量进行重新分配。
在一个实施方式中，所述的加热装置采用的是电阻丝。
在一个实施方式中，在质子交换膜电堆内部还设有湿敏电阻；所述湿敏电阻通过晶体管第四晶体管与放大器相连接，放大器通过第一晶体管、第三晶体管与加热装置相连接，放大器通过第一晶体管、第二晶体管与空气输送泵相连接。
有益效果
本实用新型提供的质子交换膜燃料电池加湿系统，能够根据电堆内部的湿度情况对加湿装置进行实时反馈控制，有效地使电堆上的湿度控制在较好的范围内，使燃料电池的工作稳定性得到提高。
附图说明
图1是本发明提供的质子交换膜燃料电池加湿装置的结构示意图；
图2是加湿装置中控制电路的结构示意图；
其中，1、质子交换膜电堆；2、下固定板；3、上固定板；4、空气进口；5、氢气进口；6、湿敏电阻；7、加湿装置；8、湿空气出口；9、罐体；10、第一空气进口；11、第二空气进口；12、加热装置；13、第一晶体管；14、第二晶体管；15、第三晶体管；16、第四晶体管；17、空气输送泵；18、放大器。
具体实施方式
实施例1
如图1和图2所示，质子交换膜燃料电池加湿装置包括：质子交换膜电堆1，是由多块质子交换膜片层叠而成，质子交换膜电堆1的上下两端分别设有上固定板3和下固定板2；在下固定板2上连接有空气进口4和氢气进口5，分别用于向质子交换膜电堆1中供入空气和氢气；在质子交换膜电堆1内部还设有湿敏电阻6；
还包括加湿装置7，加湿装置7包括罐体9，在罐体9的上方设有湿空气出口8与空气进口4连接；罐体9内存储有水；罐体9上还连接有第一空气进口10和第二空气进口11，第一空气进口10的高度在水面之上，第二空气进口11的高度在水面之下，第一空气进口10和第二空气进口11都是用于向加湿装置7供入空气；在罐体9的底部还设有加热装置；第一空气进口10上还连接有空气输送泵17；
控制电路的连接方式如图2所示，
所述湿敏电阻6通过晶体管第四晶体管16与放大器18相连接，放大器18通过第一晶体管13、第三晶体管15与加热装置12相连接，放大器18通过第一晶体管13、第二晶体管14与空气输送泵17相连接。
以下结合具体的操作方式对本实用新型作进一步的说明：
在质子交换膜燃料电池工作时，通过第一空气进口10和第二空气进口11同时向罐体9的内部输送空气，由于罐体9的上方有较多的水汽，因此第一空气进口10位于水位上方时，也可以带走一部分水汽对空气增湿，而第二空气进口11在液面的下方，因此可以带出较多的水汽，通过调节第一空气进口10和第二空气进口11之间的气体分配比例，就可以对湿空气出口8中的湿度进行调节。
为了实现自反馈，由于湿敏电阻6可以实时对电堆上的湿度进行检测，若出现电堆上的空气湿度较大时，会导致湿敏电阻6的阻值下降，因此电阻上的电压就会发生下降，导致了电流减小，因此第四晶体管16就导通，其输出电流经过放大器18的放大输出之后，第一晶体管13截止而第二晶体管14导通，由于第二晶体管14与空气输送泵17连接，会使空气输送泵17进行工作，增大了第一空气进口10的空气供入量，由于第一空气进口10中的空气为湿度较低，因此经过置换之后，就可以明显地减小在电堆表面的湿度。
与之相反，若出现电堆上的空气湿度较小时，会导致湿敏电阻6的阻值下降，因此电阻上的电压就升高，电流增加，使得第三晶体管15导通，而第二晶体管14截止，使得空气输送泵17停止工作，与此同时，由于第一晶体管13发生了导通，会使得加热装置12开始工作，由于加热装置12是位于液面以下，会使得水的蒸发量开始提高，第二空气进口11就能够从水面下带出更多的湿空气进入电堆内部，使得电堆内部的湿度提高。
在一个实施例中，还包括空气流量分配阀，空气流量分配阀同时与第一空气进口10和第二空气进口11连通，用于对第一空气进口10和第二空气进口11进入罐体9中的流量进行重新分配。
在一个实施例中，所述的加热装置12采用的是电阻丝。

Claims (4)

1.一种质子交换膜燃料电池空气加湿装置，其特征在于，包括：质子交换膜电堆（1），是由多块质子交换膜片层叠而成，质子交换膜电堆（1）的上下两端分别设有上固定板（3）和下固定板（2）；在下固定板（2）上连接有空气进口（4）和氢气进口（5），分别用于向质子交换膜电堆（1）中供入空气和氢气；还包括加湿装置（7），加湿装置（7）包括罐体（9），在罐体（9）的上方设有湿空气出口（8）与空气进口（4）连接；罐体（9）内存储有水；罐体（9）上还连接有第一空气进口（10）和第二空气进口（11），第一空气进口（10）的高度在水面之上，第二空气进口（11）的高度在水面之下，第一空气进口（10）和第二空气进口（11）都是用于向加湿装置（7）供入空气；在罐体（9）的底部还设有加热装置。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池空气加湿装置，其特征在于，还包括空气流量分配阀，空气流量分配阀同时与第一空气进口（10）和第二空气进口（11）连通，用于对第一空气进口（10）和第二空气进口（11）进入罐体（9）中的流量进行重新分配。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池空气加湿装置，其特征在于，所述的加热装置（12）采用的是电阻丝。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池空气加湿装置，其特征在于，在质子交换膜电堆（1）内部还设有湿敏电阻（6）；第一空气进口（10）上还连接有空气输送泵（17）；所述湿敏电阻（6）通过晶体管第四晶体管（16）与放大器（18）相连接，放大器（18）通过第一晶体管（13）、第三晶体管（15）与加热装置（12）相连接，放大器（18）通过第一晶体管（13）、第二晶体管（14）与空气输送泵（17）相连接。
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