CN215496806U - 一种燃料电池雾化增湿系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于燃料电池领域，公开了一种燃料电池雾化增湿系统。增湿后的反应气可达到某一设定露点温度，该系统用高压泵将热水通过雾化喷嘴形成细小液滴，与需要增湿的的气体混合，混合后的气体经过换热器升温后达到需要的露点温度，增湿后的反应气为燃料电池电堆使用。本实用新型可解决很难为较大气量反应气提供增湿问题，巧妙的利用常规器件构造可以为大气量反应气增湿，经济性良好，解决了大功率燃料电池电堆反应气增湿问题，保证大功率燃料电池电堆运行。

Description

一种燃料电池雾化增湿系统

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池雾化增湿系统。

背景技术

燃料电池是一种清洁、高效、长寿命的发电装置。燃料电池与常规的发电技术相比，在效率、安全性、可靠性、灵活性、清洁性、操作性能等方面有很大的优势，应用前景十分广阔。作为燃料电池中的一种，质子交换膜燃料电池还具有操作温度低、比能量高、使用寿命长、响应速度快以及无电解质泄漏等优点，在国防、能源、交通、环保、通讯等方面都有很好的应用前景。在质子交换膜燃料电池运行过程中，阴极进气(空气)的湿度控制是最重要的环节之一。一方面，如果空气湿度过低，会造成质子交换膜脱水或者干枯，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；同时机械强度降低，严重时将会导致膜破裂，使氢气和氧气混合，发生爆炸。另一方面，如果空气湿度过高，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，并且还会在流道和扩散层中形成气、液两相流，造成局部阻塞，使气体传质过程受阻，反应气体供应不足，造成燃料电池的输出性能下降，影响电池运行。因此，燃料电池反应气体的湿度控制，特别是空气湿度控制在质子交换膜燃料电池运行中至关重要，是重要的控制环节之一。

在目前实际应用中，为燃料电池进气增湿的增湿器主要有：膜增湿器，通过水分在膜中的扩散对气体增湿；焓轮增湿器，通过焓轮增湿；升温增湿，反应气通过鼓泡器，用控制鼓泡器水温进行增湿控制、又称鼓泡增湿。

膜增湿器具有结构紧凑、低压降等特点，其典型结构包括湿板、聚合物膜和扩散层、以及干板，其中干板上的流动通道用于干气体的流通和增湿，湿板上有增湿通道。膜材料透水、但不透气，它一侧与湿板接触，另外一侧是由弹性、导电、透气材料制成的扩散层。但是，膜增湿器存在密封和承压问题，因为聚合物膜遇水溶胀，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；另外，聚合物膜是有机材料，易于变形，且耐压能力差，在使用过程中可能会在气压的作用下发生破裂。

焓轮增湿通过转轮上的吸水材料从一侧吸水增温，另一侧放湿放热达到增湿反应气的效果；缺点需要电机驱动，消耗电能，不易密封等。

升温增湿是指将反应气通过水温控制鼓泡器进行增湿，又称鼓泡增湿；鼓泡器是指装有液态水以及底部放有玻璃珠的容器，进气通过直管直接通到容器的底部，与可增大蒸发面积的小球接触，最后通过液面上的另一个管道排出接近饱和的气体。这种增湿方法的优点是设备结构简单，工艺过程简便，在小流量时能到得到很高的湿度；缺点是温度和湿度很难精确控制，当电池快速启动活负载突然大幅度变化时，增湿不能及时与之同步响应，另外，大流量时，气体经过盛水容器鼓泡后带出过多的液态水，造成盛水容器出口液态水的聚集。

发明内容

针对上述不足，本实用新型提供一种燃料电池雾化增湿系统，增湿后的反应气可达到某一设定露点温度，该系统用高压泵将热水通过雾化喷嘴形成细小液滴，与需要增湿的的气体混合，混合后的气体经过换热器升温后达到需要的露点温度，增湿后的反应气为燃料电池电堆使用。

本实用新型的上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种燃料电池雾化增湿方法，需要增湿的反应气通过反应气入口进入雾化增湿器与雾化喷嘴，雾化热水与反应气混合后经过换热器加热蒸发达到设定的露点温度，由湿度传感器和压力传感器监测后进入燃料电池电堆使用；所述的雾化热水，由去离子水源经过开关阀B通过增压泵增压达到雾化喷嘴的使用压力后，经过加热器B加热到设定温度；由温度传感器B监测，经过止回阀后进入雾化喷嘴雾化，然后与反应气混合；混合后剩余部分热水经过换热器二次蒸发；剩余的水可通过排水罐进入增压泵再次进入雾化喷嘴。

进一步的，为雾化增湿器内换热器提供反应气增湿的蒸发热量来源于一套循环水管路提供的热水，由去离子水源经过开关阀A给循环水泵补水，循环水泵提供循环水的动力，循环水经过加热器A，加热到设定温度经过温度传感器A监测后进入雾化增湿器内部的换热器，为反应气增湿提供气化潜热，然后回到循环泵完成一个循环过程；其中膨胀水箱是为了排除循环水管路内空气，保证管路内充满水。

一种燃料电池雾化增湿系统，反应气入口连接雾化增湿器，雾化喷嘴在雾化增湿器上部，换热器在雾化增湿器的内部，湿度传感器和压力传感器在雾化增湿器的出口处，雾化增湿器通过管道与燃料电池电堆相连；

进一步的，增压泵通过管道连接加热器B、止回阀,与雾化喷嘴相连接,管道上安装有温度传感器B，然后与雾化增湿器内部的换热器、雾化增湿器下部排水罐及增压泵用管道连接组成一个封闭循环，在增压泵前通过开关阀B和去离子水源相连；

进一步的，雾化增湿器内部的换热器与循环水泵、加热器A通过管道连接组成一个封闭循环，管道上安装温度传感器A和膨胀水箱，在循环水泵前通过开关阀A和去离子水源相连接。

本实用新型与现有技术相比的有益效果是：

1)本实用新型可解决很难为较大气量反应气提供增湿问题；

2)本实用新型实用巧妙的利用常规器件构造可以为大气量反应气增湿，经济性良好。

3)本实用新型解决了大功率燃料电池电堆反应气增湿问题，保证大功率燃料电池电堆运行。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是燃料电池雾化增湿系统装置图；

图2是100kw燃料电池电堆反应气露点曲线图。

图中：1.反应气入口，2.雾化增湿器，3.雾化喷嘴，4.压力传感器，5.湿度传感器，6.燃料电池电堆，7.换热器，8.去离子水源，9.开关阀A，10.开关阀B，11.循环泵，12.膨胀水箱，13.加热器A，14.温度传感器A，15.排水罐，16.增压泵，17.加热器B，18.止回阀，19.温度传感器B。

具体实施方式

下面通过具体实施例详述本实用新型，但不限制本实用新型的保护范围。如无特殊说明，本实用新型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

反应气入口1连接雾化增湿器2，雾化喷嘴3在雾化增湿器2上部，换热器7在雾化增湿器2的内部，湿度传感器5和压力传感器4在雾化增湿器2的出口处，雾化增湿器2通过管道与燃料电池电堆6相连；

增压泵16连接加热器B17，管道依次安装有温度传感器B19、止回阀18后与雾化喷嘴3相连接，然后进入雾化增湿器2内部的换热器7，再通过排水罐15与增压泵16用管道连接组成一个封闭循环，在增压泵16前通过开关阀B10和去离子水源8相连；

雾化增湿器2内部的换热器7与循环水泵11、加热器A13通过管道连接组成一个封闭循环，管道上安装温度传感器A14和膨胀水箱12，在循环水泵11前通过开关阀A9和去离子水源8相连接。

实施例2

以100kW燃料电池电堆为例，需要增湿的反应气(如空气)通过反应气入口1进入雾化增湿器2与雾化喷嘴3，雾化喷嘴3在雾化增湿器2上部，雾化的热水与反应气混合后经过换热器7加热蒸发达到设定的露点温度，例如8000slpm的空气达到露点温度85℃，此时工作压力为0.5barg，由湿度传感器5和压力传感器4监测后进入燃料电池电堆6使用；为反应气雾化增湿提供的雾化热水，由去离子水源8经过开关阀B10通过增压泵16增压达到雾化喷嘴3的使用压力后，经过加热器B17加热到某一设定温度；由温度传感器B19监测，经过止回阀18后进入雾化喷嘴3雾化，然后与反应气混合；混合后剩余部分热水经过换热器7二次蒸发；剩余的水可通过排水罐15进入增压泵16再次进入雾化喷嘴3。

为雾化增湿器2内换热器7提供反应气增湿的蒸发热量来源于一套循环水管路提供的热水，由去离子水源8经过开关阀A9给循环水泵11补水，循环水泵11提供循环水的动力，循环水经过加热器A13，加热到某一设定温度经过温度传感器A14监测后进入雾化增湿器2内部的换热器7，为反应气增湿提供气化潜热，然后回到循环泵11完成一个循环过程；其中膨胀水箱12是为了排除循环水管路内空气，保证管路内充满水。

以上所述实施方式仅为本实用新型的优选实施例，而并非本实用新型可行实施的全部实施例。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本实用新型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实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种燃料电池雾化增湿系统，其特征是，反应气入口(1)连接雾化增湿器(2)，雾化喷嘴(3)在雾化增湿器(2)上部，换热器(7)在雾化增湿器(2)的内部，湿度传感器(5)和压力传感器(4)在雾化增湿器(2)的出口处，雾化增湿器(2)通过管道与燃料电池电堆(6)相连。

2.如权利要求1所述的一种燃料电池雾化增湿系统，其特征是，增压泵(16)连接加热器B(17)，管道依次安装有温度传感器B(19)、止回阀(18)后与雾化喷嘴(3)相连接，然后进入雾化增湿器(2)内部的换热器(7)，再通过排水罐(15)与增压泵(16)用管道连接组成一个封闭循环，在增压泵(16)前通过开关阀B(10)和去离子水源(8)相连。

3.如权利要求1所述的一种燃料电池雾化增湿系统，其特征是，雾化增湿器(2)内部的换热器(7)与循环水泵(11)、加热器A(13)通过管道连接组成一个封闭循环，管道上安装温度传感器A(14)和膨胀水箱(12)，在循环水泵(11)前通过开关阀A(9)和去离子水源(8)相连接。

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