CN209045687U - 一种大功率燃料电池测试台用增湿器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种大功率燃料电池测试台用增湿器，包括鼓泡增湿区、位于鼓泡增湿区上部的喷淋增湿区和位于鼓泡增湿区下部的储水区，所述鼓泡增湿区与喷淋增湿区之间留有空间，所述鼓泡增湿区的下部设有气体进口，所述喷淋增湿区的顶部设有气体出口与去离子水进口，所述储水区的底部设有去离子水出口，去离子水进口与去离子水出口之间通过外部管道连接。本实用新型采用鼓泡增湿和喷淋增湿相结合的方式，可达到良好的增湿效果，喷淋增湿区高比表面积填料，可实现高效增湿，同时防止液态水进入燃料电池；采用喷淋装置代替喷嘴，控制简单，成本低廉；本实用新型内部无转动部件，使用寿命长。
Description
技术领域
本实用新型涉及质子交换膜燃料电池水管理，具体地说是涉及一种燃料电池测试台用反应气体增湿技术。
背景技术
质子交换膜燃料电池具有能量转化效率高、环境友好、结构简单、操作方法等优点，是航空航天、水下潜艇、路面交通、分布式电站、备用电源等的理想候选电源之一。燃料电池技术经过多年的发展，逐渐进入了商业化初级阶段，尤其是近几年，电动汽车对大功率燃料电池的需求日益紧迫。
膜电极是燃料电池的核心部件，其中质子交换膜起到传导子、阻隔阴阳极气体的作用，质子在膜中的传导需要水的参与，因此需要对反应气体进行增湿，使质子交换膜处于良好的水合状态，保证膜具有较高的质子传导率，提高燃料电池的输出性能和使用寿命。燃料电池电堆产品生产下线后的活化以及电堆产品性能的标定需要通过燃料电池测试台架完成，因此，燃料电池测试台架需要具备良好的增湿效果、较宽的增湿范围、快速的增湿响应等特性，满足大功率燃料电池电堆技术的发展需求，目前，测试台架常用的增湿方法主要有鼓泡增湿法、喷淋增湿法、渗透膜增湿法。中国专利CN104716357公开了一种具有防止返水功能的鼓泡增湿器，该方法设备简单、工艺简便、成本低廉，在小功率燃料电池测试台架上较为常见，但是在气体流量较大时会出现液态水进入燃料电池的问题。中国专利CN101577338、CN1753223公开了喷淋增湿器，该方法将液态水直接注入到反应气体中，气液混合不均匀，无法将所有的液态水气化，可能造成燃料电池扩散层水淹问题，并且喷嘴控制较为复杂，中国专利CN105226310公开了一种膜增湿器，渗透膜增湿工艺成熟、易于操作，但成本高、寿命短，并且增湿效率较低，大功率燃料电池电堆所需的膜增湿器体积较大，不利于测试平台体积的减小和成本的下降，为了解决上述问题，本实用新型提供了以下技术方案。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种大功率燃料电池测试台用增湿器。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案实现：
一种大功率燃料电池测试台用增湿器，包括鼓泡增湿区、位于鼓泡增湿区上部的喷淋增湿区和位于鼓泡增湿区下部的储水区，所述鼓泡增湿区与喷淋增湿区之间留有空间，所述鼓泡增湿区的下部设有气体进口，所述喷淋增湿区的顶部设有气体出口与去离子水进口，所述储水区的底部设有去离子水出口，去离子水进口与去离子水出口之间通过外部管道连接；
所述喷淋增湿区包括喷淋装置、第一填料层和第一气体均布板，所述喷淋装置设置在去离子水进口的下方，所述第一填料层设置在喷淋装置与第一气体均布板之间，所述第一填料层由多孔材料填充而成；
所述喷淋装置包括导液管和喷淋管，导液管与去离子水进口连接，用于将去离子水均匀分配给喷淋管，喷淋管与导液管连接，喷淋管下部管壁上均匀分布有小孔，小孔孔径为1.0-5.0mm,通过小孔将去离子水均匀喷淋到第一填料层；
所述鼓泡增湿区包括第二气体均布板和第二填料层，所述所述第二气体均布板设置在靠近储水区的一面，所述第二填料层由多孔材料填充而成；
所述储水区内设置有加热装置，所述加热装置为加热棒或换热器，所述鼓泡增湿区与储水区由导管连通，导管的上端高于第二填料层，导管的下端浸入储水区的液位之下。
作为本实用新型的进一步方案，所述增湿器的加湿方法包括如下步骤：
向所述储水区中注入适量的去离子水，使液位淹没导管的下端，循环水由增湿区上部的循环水进口进入增湿器，经喷淋装置均匀喷洒于第一填料层上，循环水经第一气体均布板后进入鼓泡增湿区，循环水由第二气体均布板或导管返回到储水区，循环水在增湿区内形成循环后维持稳定的流量和温度；
反应气体由所述气体进口进入鼓泡增湿区下部，经第二气体均布板分散均匀进入第二填料层，第二填料层进一步分散气体，增加水的蒸发面积，在气-液界面进行水汽交换，使反应气体得到预增湿，预增湿的反应气通过第一气体均布板后进入第一填料层，气液两相在填料表面进行充分的传热、传质后经气体出口进入燃料电池电堆进行电化学反应。
作为本实用新型的进一步方案，所述第一填料层中的多孔填料为多孔纤维无纺布或不锈钢丝网，多孔填料的比表面积为1000-2500m2/m3。
作为本实用新型的进一步方案，所述第一气体均布板和第二气体均布板上均匀分布有小孔，小孔孔径为0.1-3.0mm，第二气体均布板上的小孔孔径大于第一气体均布板上的小孔孔径。
作为本实用新型的进一步方案，所述第二填料层中的多孔填料为陶瓷鲍尔环或不锈钢网。
作为本实用新型的进一步方案，所述第二气体均布板与气体进口之间的垂直距离大于气体进口管路直径的5倍。
作为本实用新型的进一步方案，所述储水区的直径不小于鼓泡增湿区的直径。
本实用新型的有益效果:
1、本实用新型采用鼓泡增湿和喷淋增湿相结合的方式，可达到良好的增湿效果，喷淋增湿区高比表面积填料，可实现高效增湿，同时防止液态水进入燃料电池；
2、本实用新型采用喷淋装置代替喷嘴，控制简单，成本低廉；
3、本实用新型内部无转动部件，使用寿命长。
附图说明
下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为喷淋装置的结构示意图。
具体实施方式
下面对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
一种大功率燃料电池测试台用增湿器，如图1所示，包括鼓泡增湿区6、位于鼓泡增湿区6上部的喷淋增湿区5和位于鼓泡增湿区6下部的储水区7，所述鼓泡增湿区6与喷淋增湿区5之间留有空间，所述鼓泡增湿区6的下部设有气体进口1，所述喷淋增湿区5的顶部设有气体出口2与去离子水进口3，所述储水区7的底部设有去离子水出口4，去离子水进口3与去离子水出口4之间通过外部管道连接；
所述喷淋增湿区5包括喷淋装置8、第一填料层9和第一气体均布板10，所述喷淋装置8设置在去离子水进口3的下方，所述第一填料层9设置在喷淋装置8与第一气体均布板10之间，所述第一填料层9为比表面积为1000-2500m2/m3的多孔材料填充而成，多孔填料具体为多孔纤维无纺布或不锈钢丝网，所述第一气体均布板10均匀分布有小孔，小孔孔径为0.1-3.0mm，用于分散反应气体，如图2所示，所述喷淋装置8包括导液管81和喷淋管82，导液管81与去离子水进口3连接，用于将去离子水均匀分配给喷淋管82，喷淋管82与导液管81连接，喷淋管82管壁上均匀分布有小孔，小孔孔径为1.0-5.0mm,通过小孔将去离子水均匀喷淋到第一填料层(9)；
所述鼓泡增湿区6包括第二气体均布板12和第二填料层11，所述第二填料层设置在靠近储水区7的一面，所述第二气体均布板12上均匀开有小孔，第二气体均布板12上的小孔孔径大于第一气体均布板10上的小孔孔径，以便气体分散更均匀，达到更好的增湿效果，所述第二填料层11由多孔材料填充而成，多孔材料具体为陶瓷鲍尔环或不锈钢网，用于分散反应气体和预增湿，所述第二气体均布板12与气体进口1之间的垂直距离大于鼓泡增湿区6的直径，防止气流偏流；
所述储水区7的直径不小于鼓泡增湿区6的直径，储水区7内设置有加热装置14，加热装置14为加热棒或换热器，所述鼓泡增湿区6与储水区7由导管13连通，导管的上端高于第二填料层11，用于控制鼓泡增湿区6的液位，防止液位过高将液态水带入到喷淋增湿区5；导管13的下端浸入储水区7的液位之下，防止气流短路不经鼓泡增湿区6直接进入喷淋增湿区5。
本实用新型的工作流程为：
质子交换膜燃料电池运行前首先向储水区7中注入适量的去离子水，使液位淹没导管13的下端，循环水由增湿区5上部的循环水进口3进入增湿器，经喷淋装置8均匀喷洒于第一填料层9上，循环水经第一气体均布板10后进入鼓泡增湿区6，并在第二填料层11形成一定液位高度，循环水由第二气体均布板12或导管13返回到储水区7，循环水在增湿区内形成循环后维持稳定的流量和温度；
反应气体由气体进口1进入鼓泡增湿区6下部，经第二气体均布板12分散均匀进入第二填料层11，第二填料层11进一步分散气体，增加水的蒸发面积，在气-液界面进行水汽交换，使反应气体得到预增湿，预增湿的反应气通过第一气体均布板10后进入第一填料层9，由于高效填料具有高比表面积、高孔隙率的特点，气液两相在填料表面进行充分的传热、传质，达到一定的温度和相对湿度后经气体出口2进入燃料电池电堆进行电化学反应。
以上内容仅仅是对本实用新型结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种大功率燃料电池测试台用增湿器，其特征在于，包括鼓泡增湿区(6)、位于鼓泡增湿区(6)上部的喷淋增湿区(5)和位于鼓泡增湿区(6)下部的储水区(7)，所述鼓泡增湿区(6)与喷淋增湿区(5)之间留有空间，所述鼓泡增湿区(6)的下部设有气体进口(1)，所述喷淋增湿区(5)的顶部设有气体出口(2)与去离子水进口(3)，所述储水区(7)的底部设有去离子水出口(4)，去离子水进口(3)与去离子水出口(4)之间通过外部管道连接；
所述喷淋增湿区(5)包括喷淋装置(8)、第一填料层(9)和第一气体均布板(10)，所述喷淋装置(8)设置在去离子水进口(3)的下方，所述第一填料层(9)设置在喷淋装置(8)与第一气体均布板(10)之间，所述第一填料层(9)由多孔材料填充而成；
所述喷淋装置(8)包括导液管(81)和喷淋管(82)，导液管(81)与去离子水进口(3)连接，喷淋管(82)与导液管(81)连接，喷淋管(82)下部管壁上均匀分布有小孔，小孔孔径为1.0-5.0mm,通过小孔将去离子水均匀喷淋到第一填料层(9)；
所述鼓泡增湿区(6)包括第二气体均布板(12)和第二填料层(11)，所述第二气体均布板(12)设置在靠近储水区(7)的一面，所述第二填料层(11)由多孔材料填充而成；
所述储水区(7)内设置有加热装置(14)，所述加热装置(14)为加热棒或换热器，所述鼓泡增湿区(6)与储水区(7)由导管(13)连通，导管的上端高于第二填料层(11)，导管(13)的下端浸入储水区(7)的液位之下。
2.根据权利要求1所述的一种大功率燃料电池测试台用增湿器，其特征在于，所述第一填料层(9)中的多孔填料为多孔纤维无纺布或不锈钢丝网，多孔填料的比表面积为1000-2500m2/m3。
3.根据权利要求1所述的一种大功率燃料电池测试台用增湿器，其特征在于，所述第一气体均布板(10)和第二气体均布板(12)上均匀分布有小孔，小孔孔径为0.1-3.0mm，第二气体均布板(12)上的小孔孔径大于第一气体均布板(10)上的小孔孔径。
4.根据权利要求1所述的一种大功率燃料电池测试台用增湿器，其特征在于，所述第二填料层(11)中的多孔填料为陶瓷鲍尔环或不锈钢网。
5.根据权利要求1所述的一种大功率燃料电池测试台用增湿器，其特征在于，所述第二气体均布板(12)与气体进口(1)之间的垂直距离大于气体进口(1)直径的5倍。
6.根据权利要求1所述的一种大功率燃料电池测试台用增湿器，其特征在于，所述储水区(7)的直径不小于鼓泡增湿区(6)的直径。
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Cited By (2)
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2018
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