CN209357839U - 一种利用燃料电池电堆废热辅助增湿的鼓泡式增湿器及燃料电池电堆系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种利用燃料电池电堆废热辅助增湿的鼓泡式增湿器及燃料电池电堆系统，所述增湿器包括增湿器壳体；沿增湿器壳体轴线由下至上依次设有进气管、填充有波纹填料的气升管以及除雾器；气升管与增湿器壳体内壁之间设有加热棒；增湿器壳体内壁设有具有内腔的夹套。本实用新型解决大气量鼓泡增湿难的问题；干空气进入增湿器后，在波纹填料和除雾器的作用下干空气会得到很好的增湿，湿度能够达到100％@设定温度，波纹填料中溢出的去离子水能回流到增湿器底部的加热区进行加热，保证增湿器内水温上下保持一致，同时管路增加保温作用可以使进入燃料电池电堆湿度不低于100％@设定温度。
Description
技术领域
本实用新型为关于一种燃料电池电堆，特别是关于一种配置有反应气体温度和湿度调节装置的燃料电池电堆系统。用于对施加到燃料电池电堆阴极侧的充入空气进行加湿的增湿系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种通过电催化反应将燃料与氧化剂中的化学能直接高效地转化为电能的发电装置。该种电池是由双极板、MEA、集流板、端板等组件构成。然而在燃料电池运行过程中，质子在电解质膜中实质上是以水合质子的形式从阳极迁移至阴极，在持续通入干燥的阳极燃料的情况下，很容易造成阳极端电解质膜的干枯现象。在阴极端也同样存在电解质膜干枯现象，尤其是使用空气作为氧化剂时，需要通入过量空气，当大量干空气吹入时，未反应的高温气体容易将阴极区域产生的产物水汽化，随着反应气体的快速流动一起被带出燃料电池电堆，致使阴极端缺水。电解质膜的水分缺失将使燃料电池电堆的内阻迅速增加，从而使电池性能急剧下降。因此，在反应气体参与反应前，需对其进行增湿以补充电解质膜上缺失的水分，保证良好的质子传递性能。
质子交换膜燃料电池增湿方法大致可以分为两种：一种内增湿，一种外增湿。内增湿主要包括湿膜加湿器、渗透膜增湿、自增湿等。外增湿包括假电池增湿、直接液态水注射增湿、升温增湿、液态水喷射增湿、焓轮增湿、鼓泡增湿等。实验室中最常见的增湿方法就是鼓泡法增湿，传统的鼓泡式增湿，效果差，浪费能源，达不到所需要的增湿能力，会使膜的湿度不够，达不到膜的最佳性能，当大气量通过增湿器中时，很容易携带液态水进入到电堆，这样会造成燃料电池电堆被水淹，使其性能和均匀性瞬间变差，长时间运行整个燃料电池电堆会造成不可逆的损坏。为了解决传统鼓泡式增湿方法的各种弊端，特研究出本专利提到的鼓泡增湿方法，即提高鼓泡增湿法的增湿能力、克服了液态水问题，同时大大节省能源。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种增湿效率高，不携带液态水，同时可利用燃料电池电堆产生的尾气中的废热给增湿器进行辅助加热的鼓泡式增湿器及燃料电池电堆系统。本实用新型采用的技术手段如下：
一种利用燃料电池电堆废热辅助增湿的鼓泡式增湿器，包括增湿器壳体；
所述增湿器壳体上设有用于向所述增湿器壳体注入去离子水的多个加水口；
沿所述增湿器壳体轴线由下至上依次设有用于引入干空气的进气管、填充有波纹填料的气升管以及除雾器；
所述进气管下端从所述增湿器壳体穿出且与干空气进气口连通，上端从所述气升管下端伸入至所述波纹填料下方；
所述波纹填料，被配置为用于分散空气和使空气充分与去离子水接触；
所述除雾器，被配置为用于将从所述波纹填料溢出的气体中多余的液态去离子水滤掉；
所述气升管与所述增湿器壳体内壁之间设有多个以所述增湿器壳体轴线为轴分布的用于加热所述增湿器壳体内去离子水的加热棒；
所述增湿器壳体内壁设有具有内腔的夹套，所述夹套上设有用于燃料电池电堆空气出口尾排热空气进出的尾气进口和尾气出口；
位于所述除雾器上方的所述增湿器壳体上设有增湿气出口。
所述波纹填料为多孔波纹填料。
所述除雾器由金属网按照一定方式排列制成，透气性极好。
所述金属网由耐腐蚀且在去离子水中不会溶解出离子的材料制成。
所述夹套呈与所述增湿器壳体同轴的环状，且外壁与所述增湿器壳体内壁中部连接，位于所述夹套上方和下方的所述增湿器壳体具有与所述增湿器壳体连通的液位管。
所述加热棒轴线与所述增湿器壳体轴线平行，且一端位于所述增湿器壳体底部的加热棒插口上。
所述增湿器还包括用于测量所述增湿器壳体内去离子水温度并控制所述加热棒加热功率的第一热电偶。
本发明还公开了一种具有上述所述的增湿器的燃料电池电堆系统，包括燃料电池电堆和所述增湿器；
所述增湿气出口通过增湿气管路与所述燃料电池电堆上的增湿气入口连通，所述增湿气管路上设有用于加热所述增湿气管路内气体的加热带和用于测量所述增湿气管路内气体温度并控制所述加热带温度的第二热电偶；
所述燃料电池电堆空气出口分别通过第一阀门和第二阀门与所述尾气进口和尾气排管连通，且所述尾气排管还与所述尾气出口连通。
所述第一阀门和所述第二阀门为电磁阀或其他电控阀门。
运行时，先通过所述加水口向所述增湿器中加入去离子水至所述波纹填料之上的运行液位，然后加热去离子水到设定温度：先利用所述加热棒对所述增湿器中的去离子水进行加热，当温度达到设定的温度T(T为设定的去离子水的加热温度)时，开始运行燃料电池电堆，干空气由所述干空气进气口进入，经过所述进气管的导引，喷入所述升气管和所述波纹填料的底部，空气气泡裹携着去离子水向上进入所述升气管中的所述波纹填料，在所述波纹填料的作用下，空气得到很好地分散，并与热的去离子水充分混合，增加了相互间的接触面积，气液向上提升引起液体形成有规则的循环流动，强化了所述增湿器传质增湿效果，它具有径向气液流动速度均匀、轴向弥散系数较低，传热、传质系数较大；所述加热棒的立式放置有利于循环的去离子水的加热，增湿后的湿空气会带有部分的液态去离子水，其经过所述除雾器将从所述波纹填料溢出的气体(增湿后的湿空气)中多余的液态去离子水滤掉，防止液态去离子水随湿空气进入燃料电池电堆中，之后，增湿后的湿空气从所述增湿气出口排出所述增湿器，排出的增湿后的湿空气温度可达到T，湿度达到100％@T，从所述波纹填料中溢出的液态去离子水循环回流到所述增湿器的底部，在回流的过程中被所述加热棒或者所述夹套加热，使得所述增湿器壳体内上端与下端水温的温度基本一致，这样使得增湿后的湿空气露点温度Td与所述增湿器壳体中的去离子水的温度T 相等，所述增湿器壳体内去离子水流向是由下而上，然后由上而下成一回流，且去离子水在经过所述增湿器壳体中间位置是要得到热量补偿的；
其中，所述夹套加热的实现方式如下：
当燃料电池电堆运行起来后，将燃料电池电堆空气出口尾排热空气通过所述尾气进口进入到所述夹套中，通过热交换给所述增湿器壳体中的去离子水进行加热或保温，燃料电池电堆空气出口尾排热空气通过所述尾气出口排出，当去离子水的温度达到设定点温度T时，所述加热棒自动调节加热功率，达到节省能源的效果。
当所述加热棒自动关闭，燃料电池电堆空气出口尾排热空气的热量仍超出所述增湿器壳体内去离子水的加热需求时，可通过外设阀门调节通入所述夹套的燃料电池电堆空气出口尾排热空气的流量，使去离子水的温度保持与设定温度T一致。
本实用新型解决大气量鼓泡增湿难的问题；干空气进入增湿器后，在波纹填料和除雾器的作用下干空气会得到很好的增湿，湿度能够达到100％@设定温度，波纹填料中溢出的去离子水能回流到增湿器底部的加热区进行加热，保证增湿器内水温上下保持一致，同时管路增加保温作用(加热带)可以使进入燃料电池电堆湿度不低于100％@设定温度；去离子水加热的过程中利用了燃料电池电堆产生的尾气中的废热，大大提高了能源的利用率，变废为宝。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型的实施例1中一种利用燃料电池电堆废热辅助增湿的鼓泡式增湿器的机构示意图。
图2是本实用新型的实施例2中一种具有实施例1所述的增湿器的燃料电池电堆系统的结构示意图。
图1中，1、加热棒，2、夹套，3、除雾器，4、波纹填料，5、气升管，6、进气管，a、干空气进气口，b1-b6、加热棒插口，c1-c2、液位管，d1、加水口， e、增湿气出口，g、第一热电偶，h1、尾气进口，h2、尾气出口。
图2中，101、燃料电池电堆，102、加热带，103、增湿器，1、加热棒， 105、第一阀门，106、第二阀门。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例1
如图1所示，一种利用燃料电池电堆废热辅助增湿的鼓泡式增湿器，包括增湿器壳体；
所述增湿器壳体上设有用于向所述增湿器壳体注入去离子水的多个加水口 d1；
沿所述增湿器壳体轴线由下至上依次设有用于引入干空气的进气管6、填充有波纹填料4的气升管5以及除雾器3；
所述进气管6下端从所述增湿器壳体穿出且与干空气进气口a连通，上端从所述气升管5下端伸入至所述波纹填料4下方；
所述波纹填料4，被配置为用于分散空气和使空气充分与去离子水接触；
所述除雾器3，被配置为用于将从所述波纹填料4溢出的气体中多余的液态去离子水滤掉；
所述气升管5与所述增湿器壳体内壁之间设有6个以所述增湿器壳体轴线为轴分布的用于加热所述增湿器壳体内去离子水的加热棒1；
所述增湿器壳体内壁设有具有内腔的夹套2，所述夹套2上设有用于燃料电池电堆空气出口尾排热空气进出的尾气进口h1和尾气出口h2；
位于所述除雾器3上方的所述增湿器壳体上设有增湿气出口e。
所述波纹填料4为多孔波纹填料。
所述除雾器3由金属网按照一定方式排列制成。
所述金属网由耐腐蚀且在去离子水中不会溶解出离子的材料制成。
所述夹套2呈与所述增湿器壳体同轴的环状，且外壁与所述增湿器壳体内壁中部连接，位于所述夹套2上方和下方的所述增湿器壳体具有与所述增湿器壳体连通的液位管c1-c2。
所述加热棒1轴线与所述增湿器壳体轴线平行，且一端位于所述增湿器壳体底部的加热棒插口b1-b6上。
所述增湿器还包括用于测量所述增湿器壳体内去离子水温度并控制所述加热棒1加热功率的第一热电偶g。
实施例2
如图2所示，一种具有实施例1所述的增湿器的燃料电池电堆系统，包括燃料电池电堆101和所述增湿器103；
所述增湿气出口e通过增湿气管路与所述燃料电池电堆101上的增湿气入口连通，所述增湿气管路上设有用于加热所述增湿气管路内气体的加热带102 和用于测量所述增湿气管路内气体温度并控制所述加热带102温度的第二热电偶；
所述燃料电池电堆101空气出口分别通过第一阀门105和第二阀门106与所述尾气进口h1和尾气排管连通，且所述尾气排管还与所述尾气出口h2连通。
所述第一阀门105和所述第二阀门106为电磁阀或其他电控阀门。
所述燃料电池电堆101为110节燃料电池电堆，对其进行测试，测试条件为：湿空气进燃料电池电堆101的温度为70℃，湿空气的温度为Td＝60℃，空气计量比为2.5，空气背压压力为70kPa。
针对上述情况，进行如下步骤：
A、向所述增湿器103中加去离子水，液面达到波纹填料4以上的运行液面；
B、先利用所述加热棒1对增湿器103中的去离子水进行预热，当去离子水的温度达到设定的温度T1＝Td＝60℃(Td设定的湿空气露点温度)时，开始运行燃料电池电堆101；
C、根据化学剂量比设定的干空气从干空气进气口a处进入到所述增湿器 103内部，通过所述进气管6引入到所述波纹填料4中，所述波纹填料4将进入的空气分散并与去离子水充分接触，将干空气增湿到温度为T＝T1＝60℃，可以得到湿度为100％@60℃的湿空气；
D、增湿后的湿空气从所述波纹填料4出来后，会带有部分的液态水，通过所述除雾器3可以将多余的液态去离子水滤掉，不带液态去离子水的湿空气从所述增湿器103导出；
E、从所述波纹填料4中溢出的去离子水回流到所述增湿器103的底部，在回流的过程中，去离子水被所述加热棒1或者夹套2加热，使得所述增湿器103 内水温上端与下端的温差约为0℃；
F、从所述增湿器103导出的湿空气被管路上的所述加热带102加热，湿空气被加热到70℃，这样就保证了进入所述燃料电池电堆101的湿空气达到设定的测试条件，达到所需的露点温度Td。
G、所述燃料电池电堆101运行起来后，当所述燃料电池电堆101空气出口尾排热空气温度大于70℃以上时，开所述第一阀门105关闭所述第二阀门106，将所述燃料电池电堆101空气出口尾排热空气通入到所述夹套2中，对所述增湿器中的去离子水进行加热或保温，换热后的所述燃料电池电堆101空气出口尾排热空气从所述夹套2排出，此时，所述加热棒1自动调节加热功率，达到节省能源的效果。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种利用燃料电池电堆废热辅助增湿的鼓泡式增湿器，其特征在于，包括增湿器壳体；
所述增湿器壳体上设有用于向所述增湿器壳体注入去离子水的多个加水口；
沿所述增湿器壳体轴线由下至上依次设有用于引入干空气的进气管、填充有波纹填料的气升管以及除雾器；
所述进气管下端从所述增湿器壳体穿出且与干空气进气口连通，上端从所述气升管下端伸入至所述波纹填料下方；
所述波纹填料，被配置为用于分散空气和使空气充分与去离子水接触；
所述除雾器，被配置为用于将从所述波纹填料溢出的气体中多余的液态去离子水滤掉；
所述气升管与所述增湿器壳体内壁之间设有多个以所述增湿器壳体轴线为轴分布的用于加热所述增湿器壳体内去离子水的加热棒；
所述增湿器壳体内壁设有具有内腔的夹套，所述夹套上设有用于燃料电池电堆空气出口尾排热空气进出的尾气进口和尾气出口；
位于所述除雾器上方的所述增湿器壳体上设有增湿气出口。
2.根据权利要求1所述的增湿器，其特征在于：所述波纹填料为多孔波纹填料。
3.根据权利要求1所述的增湿器，其特征在于：所述除雾器由金属网按照一定方式排列制成。
4.根据权利要求3所述的增湿器，其特征在于，所述金属网由耐腐蚀且在去离子水中不会溶解出离子的材料制成。
5.根据权利要求1所述的增湿器，其特征在于，所述夹套呈与所述增湿器壳体同轴的环状，且外壁与所述增湿器壳体内壁中部连接，位于所述夹套上方和下方的所述增湿器壳体具有与所述增湿器壳体连通的液位管。
6.根据权利要求1所述的增湿器，其特征在于，所述加热棒轴线与所述增湿器壳体轴线平行，且一端位于所述增湿器壳体底部的加热棒插口上。
7.根据权利要求1所述的增湿器，其特征在于，所述增湿器还包括用于测量所述增湿器壳体内去离子水温度并控制所述加热棒加热功率的第一热电偶。
8.一种具有权利要求1-7任一权利要求所述的增湿器的燃料电池电堆系统，其特征在于，包括燃料电池电堆和所述增湿器；
所述增湿气出口通过增湿气管路与所述燃料电池电堆上的增湿气入口连通，所述增湿气管路上设有用于加热所述增湿气管路内气体的加热带和用于测量所述增湿气管路内气体温度并控制所述加热带温度的第二热电偶；
所述燃料电池电堆空气出口分别通过第一阀门和第二阀门与所述尾气进口和尾气排管连通，且所述尾气排管还与所述尾气出口连通。
9.根据权利要求8所述的燃料电池电堆系统，其特征在于，所述第一阀门和所述第二阀门为电磁阀或电控阀门。
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