CN210956853U - 一种带压力自平衡功能的燃料电池膜增湿器装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种带压力自平衡功能的燃料电池膜增湿器装置，包括膜增湿器、增湿水罐和连通管，所述增湿水罐为密封结构，所述增湿水罐的靠近底部的一侧为循环水，所述增湿水罐的靠近顶部的一侧为气腔，所述膜增湿器中设有气体流道和循环水流道，所述气体流道通过所述连通管与所述增湿水罐中的气腔相通，所述循环水流道的进口通过循环水管与所述增湿水罐内的循环水相通，所述循环水流道的出口通过循环水管与所述增湿水罐的内部相通，所述循环水管上设有用于给循环水提供动力的循环泵。本实用新型为膜增湿器提供了压力自平衡功能，拓展了膜增湿的适用压力范围和应用领域，延长了膜增湿器的使用寿命。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种燃料电池增湿装置，具体涉及一种带压力自平衡功能的燃料电池膜增湿器装置。
背景技术
燃料电池工作过程中，氢气经催化剂作用在阳极形成的氢离子，通过质子交换膜渗透到阴极，而质子只有与水结合后才能透过膜到达阴极。因此透过膜的质子数量越多，同质子一起从阳极渗透到阴极的水也越多，阳极侧的水会不断减少，而阴极侧得到从阳极侧渗透过来的水加上自身反应生成水，会导致阴极侧的水越来越多。最终导致质子交换膜的阳极侧脱水，膜电导率降低、催化剂活性下降，电池的欧姆压降也会增大，如果质子交换膜脱水严重会造成膜的破裂，致使氢气和氧气直接混合。为了避免膜失水，需要通过增湿对阳极侧补充水，空气中的氧气含量较少，如果阴极反应气为空气，为提高氧气浓度，需提高流速，阴极气体未加湿会使得阳极到阴极的水迁移量更多，因此在燃料电池工作过程中，阴极、阳极都要进行适量增湿。过量增湿会淹没电极，破坏电化学反应，致使燃料电池不能正常工作，因此，增湿系统的控制在燃料电池工作中显现尤为重要，将直接影响燃料电池的工作效率。
目前常用于质子交换膜燃料电池的增湿方法为外增湿法和内增湿法，外增湿法主要有三种：鼓泡增湿、喷淋增湿、膜增湿；内增湿法主要有两种：渗透膜法、多空碳板法。
其中，膜增湿法具有结构简单、增湿快速、高效的优点，适合集成到燃料电池成套系统中，是燃料电池配套增湿系统的主要方式，但膜增湿法也具有耐压能力低，易破裂的明显缺点。尤其是为保证燃料电池高效运行，除需要增湿外，还需进行气体背压以提高燃料电池内部气体浓度，背压系统会使膜增湿器的气相压力升高，若膜增湿器内部气-液两相压差超过膜增湿器承受能力，会使膜增湿器内的膜破裂。因此，设计一种带压力自平衡功能的燃料电池膜增湿器装置显得尤为重要。
专利CN201220730440.9提供了一种燃料电池发动机进气增湿可调装置，其原理是利用增湿器和循环水对气体进行增湿，在其设计中没有对膜增湿器的气-液两相压差进行有效控制和相应保护措施，若出现气-液两相压差超出膜增湿器承受范围的情况，很容易导致增湿膜破裂。
实用新型内容
本实用新型针对以上问题的提出，而研究设计一种带压力自平衡功能的燃料电池膜增湿器装置，来解决使用膜增湿器对燃料电池进行增湿时，由于气-液两相压差过大而导致增湿膜易破裂的问题。本实用新型采用的技术手段如下：
一种带压力自平衡功能的燃料电池膜增湿器装置，包括膜增湿器、增湿水罐和连通管，所述增湿水罐为密封结构，所述增湿水罐的靠近底部的一侧为循环水，所述增湿水罐的靠近顶部的一侧为气腔，所述膜增湿器中设有气体流道和循环水流道，所述气体流道通过所述连通管与所述增湿水罐中的气腔相通，所述循环水流道的进口通过循环水管与所述增湿水罐内的循环水相通，所述循环水流道的出口通过循环水管与所述增湿水罐的内部相通，所述循环水管上设有用于给循环水提供动力的循环泵。
优选地，所述增湿水罐上设有进液管，所述进液管上设有进液控制阀。
优选地，所述增湿水罐上设有液位管，所述液位管的一端与所述增湿水罐的靠近顶部的一侧相通，另一端与所述增湿水罐的靠近底部的一侧相通，所述液位管的靠近增湿水罐顶部的一端上设有第一液位计，所述液位管的靠近增湿水罐底部的一端上设有第二液位计。
优选地，所述增湿水罐上设有液位管，所述液位管的一端与所述增湿水罐的靠近顶部的一侧相通，另一端与所述增湿水罐的靠近底部的一侧相通，所述液位管为透明材质。
优选地，所述增湿水罐的底部设有加热器，所述增湿水罐内设有第一温度传感器。
优选地，所述循环泵的出口管路上设有第一压力传感器，所述气体流道的出口管路上设有第二压力传感器。
优选地，所述气体流道的出口管路上设有第二温度传感器和湿度传感器。
与现有技术比较，本实用新型所述的一种带压力自平衡功能的燃料电池膜增湿器装置，为膜增湿器装置提供了压力自平衡功能，使膜增湿器可以在较高气体压力下工作，拓展了膜增湿器的适用压力范围和应用领域，可以保证膜增湿器在外壳可承受的压力范围内安全、稳定运行，延长了膜增湿器的使用寿命。
附图说明
图1是本实用新型的整体流程示意图；
图中，1、膜增湿器；2、增湿水罐；3、连通管；4、循环泵；5、进液管；6、加热器；7、气体流道；8、循环水管；9、第一压力传感器；10、第二压力传感器；11、第一温度传感器；12、第二温度传感器；13、湿度传感器；14、第一液位计；15、第二液位计；16、进液控制阀；17、液位管。
具体实施方式
如图1所示，一种带压力自平衡功能的燃料电池膜增湿器装置，包括膜增湿器1、增湿水罐2和连通管3，增湿水罐2为密封结构，增湿水罐2的靠近底部的一侧为用于循环增湿的循环水，增湿水罐2的靠近顶部的一侧为充满空气的气腔。膜增湿器1中设有气体流道7和循环水流道，气体流道7由密集透水阻气膜管束构成，气体流道7的出口管路通过连通管3与增湿水罐2上部的空气相通，循环水流道的进口通过循环水管8与增湿水罐2内的循环水相通，循环水流道的出口通过循环水管8与增湿水罐2的内部相通，循环水管8上设有用于给循环增湿水提供动力的循环泵4。
进一步地，循环泵4为低压水泵，最大压力不高于0.35bar，水泵进水口与增湿水罐2的底部连接，水泵出水口与膜增湿器1内循环水流道的进水口连接，膜增湿器1内循环水流道的出水口与增湿水罐2的顶部连接。循环泵4的出口管路上设有第一压力传感器9，用于监测循环水流道内的水压，气体流道7的出口管路上设有第二压力传感器10，用于监测增湿气体的压强。
进一步地，增湿水罐2上设有进液管5，进液管5上设有进液控制阀16，进液控制阀16可由人为或控制系统控制。增湿水罐2上设有液位管17，液位管17的一端与增湿水罐2的靠近顶部的一侧相通，另一端与增湿水罐2的靠近底部的一侧相通，液位管17的靠近增湿水罐2顶部的一端上设有第一液位计14，液位管17的靠近增湿水罐2底部的一端上设有第二液位计15。
当增湿水罐2内的液位低于第二液位计15的监测液位时，打开进液控制阀16，液体从进液管5进入增湿水罐2；当增湿水罐2内的液位达到第二液位计15的监测液位时，关闭进液控制阀16，停止进液，保证增湿水罐2内有足够的用于平衡压力的气体。本实施例中，液位管17也可选用透明材质制作，方便直接观察液位，维持液位稳定，此时不需使用液位计，简化了装置，制作成本也降低。
进一步地，增湿水罐2的底部设有加热器6，加热器6可由温度控制器自动控制，增湿水罐2内设有第一温度传感器11，膜增湿器1在给气体增湿的同时，还对气体进行加热，通过第一温度传感器11监测增湿水罐2内循环水的温度，便于控制加热器6的加热温度。加热器6设在低于第二液位计15的位置，方便对循环水加热，保证加热效率。
进一步地，气体流道7的出口管路上设有第二温度传感器12和湿度传感器13，可以监测增湿和加热后气体的温度和湿度，保证温度和湿度达到燃料电池内气体实际所需标准。
本实用新型的工作原理为：增湿水罐2、循环泵4和膜增湿器1内的循环水流道之间通过循环水管8连通，形成循环闭合流道，为膜增湿器1提供持续不断的增湿水，第一压力传感器9所测得的压强数值即为循环闭合流道内的水压；由于连通管的作用，气体流道内增湿后的湿气体与增湿水罐2的上部气体相通，压强相同，第二压力传感器10所测得的压强数值即为增湿后气体和增湿水罐2上部气体的压强。由上可知，通过第一压力传感器9和第二压力传感器10所测得压强数值的差值可反映出膜增湿器1内气-水压差的大小，则通过调控循环泵4的动力，可限制膜增湿器1内气-水压差在一定范围内，平衡增湿器1内气-水压差，从而避免增湿膜破裂。
本实用新型提供的一种带压力自平衡功能的燃料电池膜增湿器装置，将增湿水罐的气腔与膜增湿器增湿后的气体出口相连，使增湿罐内的气腔压力与膜增湿器增湿后气体的出口压力相同，无论气体压力多大，膜增湿器内透水阻气膜管束所承载的压差恒定为增湿水循环泵提供的压力，膜增湿器的使用不再受气-水压差限制，使膜增湿器可以在较高气体压力下工作，拓展了膜增湿器的适用压力范围和应用领域，同时保证了膜增湿系统安全、稳定运行。
以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种带压力自平衡功能的燃料电池膜增湿器装置，其特征在于：包括膜增湿器、增湿水罐和连通管，所述增湿水罐为密封结构，所述增湿水罐的靠近底部的一侧为循环水，所述增湿水罐的靠近顶部的一侧为气腔，所述膜增湿器中设有气体流道和循环水流道，所述气体流道通过所述连通管与所述增湿水罐中的气腔相通，所述循环水流道的进口通过循环水管与所述增湿水罐内的循环水相通，所述循环水流道的出口通过循环水管与所述增湿水罐的内部相通，所述循环水管上设有用于给循环水提供动力的循环泵。
2.根据权利要求1所述的一种带压力自平衡功能的燃料电池膜增湿器装置，其特征在于：所述增湿水罐上设有进液管，所述进液管上设有进液控制阀。
3.根据权利要求2所述的一种带压力自平衡功能的燃料电池膜增湿器装置，其特征在于：所述增湿水罐上设有液位管，所述液位管的一端与所述增湿水罐的靠近顶部的一侧相通，另一端与所述增湿水罐的靠近底部的一侧相通，所述液位管的靠近增湿水罐顶部的一端上设有第一液位计，所述液位管的靠近增湿水罐底部的一端上设有第二液位计。
4.根据权利要求2所述的一种带压力自平衡功能的燃料电池膜增湿器装置，其特征在于：所述增湿水罐上设有液位管，所述液位管的一端与所述增湿水罐的靠近顶部的一侧相通，另一端与所述增湿水罐的靠近底部的一侧相通，所述液位管为透明材质。
5.根据权利要求2所述的一种带压力自平衡功能的燃料电池膜增湿器装置，其特征在于：所述增湿水罐的底部设有加热器，所述增湿水罐内设有第一温度传感器。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种带压力自平衡功能的燃料电池膜增湿器装置，其特征在于：所述循环泵的出口管路上设有第一压力传感器，所述气体流道的出口管路上设有第二压力传感器。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种带压力自平衡功能的燃料电池膜增湿器装置，其特征在于：所述气体流道的出口管路上设有第二温度传感器和湿度传感器。
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