专利名称：一种用于大功率pem燃料电池测试台的湿化技术和湿化系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池技术，尤其涉及一种用于大功率PEM燃料电池测试台的湿化技术和湿化系统。
技术背景质子交换膜燃料电池是一种能够将富氢燃料及氧化剂连续髙效地转化成屯能的装置。质子交换膜燃料 电池由在质子膜两側分别涂有催化层而组装成的三合一膜电极(Membrane曰ectrodeAssembly, MEA)、 反应气体燃料側的流场板、空气侧流场板组成。其核心部件是三合一膜屯极，其结构为中间为质于交换 膜，两側分别涂有阴极催化层和阳极催化层，最外側有气体扩散层。质子交换膜燃料电池工作时，燃料通过阳极气体扩散层，在阳极催化层表面发生电化学反应，失去电子，形成质子(H+), H +可通过质子交换膜，到达膜电极的阴极一侧。与此同时，含有氧化剂的气体通过阴极扩散层，在阴极催化层表面与透过质子膜的质子发生反应，生成水。在采用氢气、空气作为燃料的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应的方程式为 阳极反应H2 — 2H++2e 阴极反应02+4H++4e — 2H20目前质子交换膜燃料电池膜电极中所用的质子交换膜，在电池运行过程中霜要有水分子存在，对其进 行保湿。因为只有水化的质子才可以自由地穿过质子交换膜，从电极阳端到达电极阴端参加电化学反应， 否则，当大量干燥的空气向燃料电池供应，它们离开时容易将质子交换膜中的水分子带走，导致质子无法 穿过质子交换膜，电极内阻急剧增加，电池性能急剧下降。所以，燃料电池中质子交换膜增湿的目的就是 使质子交换膜保持传输质子的能力，增湿不足，质子交换膜传输能力差，影响电池性能；增湿过分，会淹 没电极，同时也会导致电池性能的下降。因此，增湿是质子交换膜燃料电池的关键技术。目前应用于质子交换膜燃料电池增湿的方式主耍有两类1、 外增湿湿化装置与燃料电池组分开，并在燃料电池组外部独立存在的湿化装置。主耍通过塞气 气体或空气气体直接在这种外增湿装置中与水分子通过充分混合碰撞促使气体吸收汽化的水分子来达到 湿化气体的目的。2、 内增湿内增湿装置是燃料电池组组成的一部分。燃料电池组分为两个部分，一个部分叫内增湿 段，另一个部分叫电池活性工作段。内增湿段由增湿导流板与增湿电极构成，而电池活性工作段由导流板 与膜屯极构成。增湿电极往往由一种可以进行水分子自由交换的膜组成，这种膜可以让去离子水在膜的一 边流动，而让燃料气体或氧化剂气体，如空气在膜的另一边流动，膜可以将燃料气体或空气与液态水分子 分隔开，但水分子乂可以自由穿过膜进入燃料气体或空气中去，而达到湿化目的。发明内容本发明提出一种用于大功率燃料电池测试台的湿化技术以及湿化系统的设计方案。为了降低大型测试 台的功率需求，合理利用燃料电池所生成的热量，降低冷却介质的消耗量以及对测试台周边环境的热扩散, 本专利提出了采用两级或多级换热系统将燃料电池生成的热量传递给进入燃料电池的反应剂气体。为了提 高湿化系统的气液传质能力，本专利提出了采用装有髙效填料的逆向流动喷淋塔作为主耍的湿化设备。精 确控制喷淋介质的温度(去离子水的温度)可以确保湿化的温度承l水蒸气的饱和度。为了避免液滴进入后 系统，本专利提出了配有精确温度控制的除沫系统，确保进入过热器的湿化气体中不带冇任何液滴。为了 控制进入燃料电池电堆的反应剂气体的相对湿度，本专利提山了带有外加热器和髙效传热填料组件的过热 器，通过对过热器温度的精确控制，可以将进入燃料电池电堆反应剂气体的相对湿度控制在±2%以内，温 度控制在士0.11C以内，为燃料电池的測试提供了良好的实验条件。
图为大功率PEM燃料电池测试台湿化系统示意图具体实施方式
来自于去离子水管道的去离子水通过常压去离子水槽1的液位计控制电磁阆，进入去离子水槽1。用 补水泵2将去离子水槽中的去离子水流经换热器3提高温度后按规定的流量送入带液位控制的补水加热槽 4。根据測试台的系统压力，该补水泵2可以是瞎动泵、隔膜泵或离心泵。可以采用步进电机或交流变频 调速电机根据补水加热槽4的液位调节电机的转速，从而控制去离子水的补水流量，将补水加热槽4的去 离子水维持在一个恒定的液位上。补水加热槽4上配有温度传感器，通过精密的温度控制器将喷淋用的热 去离子水的温度保持在由控制系统给定的设定温度下，控温精度可以达到±0.210。补水加热槽4上还配有 高低液位报警和连锁，确保喷淋水系统在正确的操作条件下运行。来自于气源的反应剂气体经过反应剂气体流量测定和控制模块6,测量和控制氧反应剂气体的流量， 同时还能测量其压力和温度。然后进入换热器7，用来自于换热器3的排放气加热。换热后的排放气排出 换热器进入大气；如果是仍然为可燃性气体，可以通过后燃烧器燃烧后排入大气。在换热器3和换热器7 中经冷凝生成的冷凝水流入凝结水槽12,经液位计和电磁阀控制排出系统。将经过加热后的反应剂气体送 入高效填料喷淋塔8进行湿化。用泵将补水加热槽4中的热去离子水按规定的流量送入髙效填料喷淋塔8,经热质交换的去离子水从 高效填料喷淋塔8塔底管口流出，与来自于换热器3的补充水一起流入补水加热器4。经加热到规定温度 后，通过循环泵5循环回高效填料喷淋塔8。在髙效填料喷淋塔8内，上升的反应剂气体，与下降的热去 离子水进行热质交换，使反应剂气体达到设定的饱和温度和100%RH.由于使用了比表面积为700 2000!^/Ma的高效填料，使喷淋塔内气液相分布均匀，有很大的气液交换面积极大地提髙了气液交换地 效率，降低了对喷淋塔塔髙的要求。从喷淋塔流出的饱和的反应剂气体进入配有加热单元的除沫器。除去反应剂气体中可能夹带的水雾， 用加热器补偿热损失，使反应剂气体的温度维持在饱和温度下。设在除沫器出口的温度传感器检测出口的 气相温度，通过温度控制器控制补水加热槽4、除沫器9和高效填料喷淋塔8的加热器功率，使该点温度 保持在设定的饱和温度下。合理分配设备4、 8和9的加热器功率配置，使温度的超调和失调达到最小， 适应燃料电池测试台在很宽的流量范围下运行的复杂条件。循环泵5采用交流变频调速电机调节和控制流 量，确保喷淋塔内的气液比在规定的范围内。除沫器9出口经水饱和的反应剂气体被送入过热器10。过热器中装有强化传热的高效填料，提髙传 热面积，减少因为过热器壁面温度不恰当而造成的温度过调和温度失调。根据试验条件预定的相对湿度大 小确定饱和温度和过热温度之间的温差，并从而确定反应剂气体的入堆温度，用电堆入口传感器接口上的 温度传感器信号为检测信号，通过精密温度控制器调节和控制过热器1的加热时间和功率，将进入电堆的 反应剂气体温度维持在规定的设定温度上。
权利要求
1、一种用于大功率PEM燃料电池测试台的湿化系统，包括去离子水槽1，泵水泵2，换热器3，带液位控制的补水加热器4，喷淋水循环泵5，反应剂气体流量测定及控制6，换热器7，高效填料喷淋塔8，除沫器9，过热器10，电堆入口传感器接口11，凝结水槽12。
2、 权利耍求1所述的去离子水槽，其特征在于由液位计控制电磁闳对其进行补水。
3、 权利耍求1所述的补水泵，其特征在于根据测试台的系统压力，该补水泵可以是蛾动泵、隔膜 泵或者离心泵。
4、 权利要求1所述的补水加热槽，其特征在于在该补水加热梢上配有温度传感器，通过精密的温 度控制器将喷淋用的热去离子水的温度保持在由控制系统给定的设定温度下，控制精度可以达到±0.210。
5、 权利耍求1所述的补水加热槽，其特征在于该补水加热槽上还配有高低液位报警和连锁，确保喷淋水系统在正确的操作条件下运行。
6、 权利耍求1所述的喷淋水循环泵，其特征在于采用交流变频调速电机调节和控制循环泵的流量，确保喷淋塔内的气液比在规定的范围内。
7、 权利耍求1所述的反应剂气体流量测定和控制模块，其特征在于该反应剂气体流量测定和控制模块，能测量和控制氧反应剂气体的流量，同时还能測量其压力和温度。
8、 权利要求1所述的凝结水槽，其特征在于该凝结水槽接收换热器3和换热器7冷凝生成的凝结水，经液位计和电磁阀控制排出系统。
9、 权利耍求1所述的髙效填料喷淋塔，其特征在于该喷淋塔为主要的湿化设备，利用循环泵的流量和循环水的水温来控制反应剂气体的湿化饱和温度，
10、 权利要求9所述的喷淋塔中的高效填料,其特征在于:该髙效填料的比表面积为700~2000M2/M3, 增大了气液交换面积，使喷淋塔内气液相分布均匀，极大地提高了气液交换的效率；使被加湿气体在尽可能小的塔髙内达到充分饱和，降低了对喷淋塔塔髙的耍求。
11、 权利要求1所述的除沫器，其特征在于该除沫器带有电加热保温，并精确控制温度，除去饱和 饱和的反应剂气体中有可能夹带的雾滴。
12、 权利要求1所述的过热器，其特征在于过热器中装有强化传热的高效填料，提高传热面积，减 少因为过热器壁面温度不恰当而造成的温度过调和温度失调。
13、 权利耍求12所述的过热器的加热功率，其特征在于采用反应剂气体进堆温度和喷淋塔出口温 度之间的温差来控制过热器的加热功率，进而调节进入燃料电池电堆反应剂气体的相对湿度。
14、 湿化系统采用两级或三级热交换器使电堆出口气体与新鲜反应剂气体、补充的去离子水换热，充 分利用燃料电池电堆出口气体的潜热、降低测试台的加热功率，达到节能与减少对周边环境造成污染的目 的。
全文摘要
本发明提出一种用于大功率燃料电池测试台的湿化技术以及湿化系统的设计方案。为了降低大型测试台的功率需求，合理利用燃料电池所生成的热量，降低冷却介质的消耗量以及对测试台周边环境的热扩散，本发明提出了采用两级或多级换热系统将燃料电池生成的热量传递给进入燃料电池的反应剂气体。为了提高湿化系统的气液传质能力，采用装有高效填料的逆向流动喷淋塔作为主要的湿化设备，精确控制喷淋介质的温度可以确保湿化的温度和水蒸气的饱和度。通过对带有外加热器和高效传热填料组件的过热器温度的精确控制可以将进入燃料电池电堆反应剂气体的相对湿度控制在±2％以内，温度控制在±0.1℃以内。同时配有精确温度控制的除沫系统，避免液滴进入后系统。
文档编号H01M8/04GK101165952SQ20061011720
公开日2008年4月23日 申请日期2006年10月17日 优先权日2006年10月17日
发明者刘振泰, 壎 曾 申请人:上海博能同科燃料电池系统有限公司