一种大功率燃料电池的加湿系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种大功率燃料电池的加湿系统，包括：流量控制模块，包括依次连接的手动阀(1)，减压阀(2)和流量控制器a(3);湿度控制模块，包括进气预热子模块，干湿气体混合子模块，恒温水箱子模块和露点控制子模块；温度控制模块，包括依次连接的气体加热器(19)和温度传感器e(20)；压力控制模块，包括背压阀(21)，连接在温度传感器e(20)后；气体顺次通过流量控制模块，湿度控制模块，温度控制模块和压力控制模块；流量控制模块的一段接干燥洁净的压缩气体，压力控制模块的末端出口接燃料电池供气进口。与现有技术相比，本实用新型具有适用于大流量加湿，加湿响应速度快，准确等优点。
【专利说明】一种大功率燃料电池的加湿系统
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及燃料电池，尤其是涉及一种大功率燃料电池的加湿系统。
【背景技术】
[0002] 随着汽车环境能源等问题的日益突出，在私人交通领域，正在进行汽车能源的变 革。其中燃料电池电动汽车也越来越引起人们的重视。是一种主要通过氧或其他氧化剂进 行氧化还原反应，把燃料中的化学能转换成电能的电池。而质子交换膜燃料电池因其电流 密度高，可以在较低的温度运行，且具有很好的稳定性，成为目前燃料电池发动机的首选。 除此之外，还可广泛应用于通信，移动设备，家庭发电等领域，具有广阔的市场应用前景。
[0003] 当分别向燃料电池阳极和阴极供给氢气与氧气时，反应气体经扩散层扩散，进入 多孔阳极的氢原子被催化剂吸附并离化为氢离子和电子，氢离子经由质子交换膜转移到阴 极，电子在电极内传递至负极集流板经外电路负载流向阴极，在阴极催化层上和氢离子，氧 原子结合成水分子。而电子通过外电路通过产生电能。但是，质子交换膜只有在合适的湿 度范围内，才能保证良好的质子传导能力。如果湿度过低，传导阻力增加，电压下降；如果湿 度太高，会发生水淹现象，阻碍了气体的扩散，也会引起电压下降。所以控制燃料电池质子 交换膜的湿度至关重要。
[0004] 目前燃料电池所用的加湿器多种多样，有鼓泡法加湿，焓轮加湿，液态水喷射加 湿，蒸汽加湿，膜加湿等。但是这些方法各有利弊：例如，鼓泡加湿，通过控制鼓泡水箱的温 度，可以提供各种湿度的加湿空气，但是动态响应速度太慢；焓轮加湿，结构简单，响应速度 也比较快，但是湿度控制范围较窄，且不能够适用于大功率的燃料电池系统；液态水喷射 加湿，虽然响应速度快，但是气体中会有大量小水滴而不是水蒸气，加湿效果不太理想。
[0005] 因此，本实用新型提供一种适用于实验室的大功率的燃料电池加湿系统，能够实 现不同的温度，不同的流量下的湿度全范围准确控制，而且具有较快的响应速度。
【发明内容】
[0006] 本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种大功率燃 料电池的加湿系统。
[0007] 本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种大功率燃料电池的加湿系 统，其特征在于，包括：
[0008] 流量控制模块，主要目的是控制满足所需的加湿气体的流量，包括依次连接的手 动阀，减压阀和流量控制器a;
[0009] 湿度控制模块，主要目的是控制气体达到所需的加湿湿度，也是本系统的核心模 块。湿度控制模块主要包括一个进气预热子模块，干湿气体混合子模块，恒温水箱子模块， 露点控制子模块。该发明中的湿度控制主要原理是先利用干湿气体混合对气体湿度进行 快速粗略的控制，一路气体通过恒定温度的热水箱中进行加湿，另一路气体不加湿，通过混 合，使气体露点温度高于目标气体露点温度。然后再进行精确的露点控制，达到所需的露点 温度，也就是某一温度下的湿度要求。
[0010] 温度控制模块，主要目的是为了加热湿空气到目标气体温度，包括依次连接的气 体加热器和温度传感器e ; toon] 压力控制模块，主要目的控制最终的气体的压力，包括背压阀，连接在温度传感器 e后；
[0012] 气体顺次通过流量控制模块，湿度控制模块，温度控制模块和压力控制模块；流量 控制模块的一段接干燥洁净的压缩气体，压力控制模块的末端出口接燃料电池供气进口。
[0013] 所述的进气预热子模块主要目的是对加湿前或者干湿气体混合前的气体进行预 热，保证恒定的温度。包括换热器a，热水流量控制阀，温度传感器a和温度传感器b，所述 的温度传感器a和温度传感器b分别设置在换热器a前后，所述的热水流量控制阀分别连 接换热器a和恒温水箱子模块。
[0014] 所述的干湿气体混合子模块主要是为了实现气体湿度的调节的快速响应。例如， 如果加湿气体要从100%快速降低到50%，可以首先调节干湿气体的混合比例，使其快速 接近目标湿度。所述的干湿气体混合子模块包括两个支路，其中一条支路气体不加湿，另一 条支路气体加湿。
[0015] 所述的干湿气体混合子模块包括流量控制器b，单向阀a，温度传感器c，混合室， 从进气预热子模块流出的气体经压力传感器后分成两路，其中一路依次流经流量控制器b， 单向阀a后进入混合室，另一路流过恒温水箱子模块后经温度传感器c进入混合室。其中 流量控制器b的目的是控制干气体的流量，保证一定量的干气体和湿气体在混合室混合。
[0016] 所述的恒温水箱子模块，主要是为了提供恒定温度的热水供气体加湿用，包括保 温水箱、过滤器，热水循环泵，加热器，可调节流阀，单向阀b，温度传感器f，单向阀c，常闭 电磁阀，单向阀d，电磁比例阀b ;所述的保温水箱底部通过常闭电磁阀连通排水管，进水管 依次通过电磁比例阀b和单向阀d连接保温水箱靠近底部的侧壁；所述的保温水箱底部依 次连接过滤器，热水循环泵，加热器，温度传感器f，然后分成两路，一路经过可调节流阀和 单向阀b，最终通过保温水箱的顶部侧壁流回保温水箱，另一路经过单向阀c、热水流量控 制阀和换热器a，最终流回保温水箱。单向阀d为补水控制阀，根据液位传感器的设定要求， 自动调节补水控制阀的开闭，保证水箱中的液位在一定范围。水箱加热器的目的是根据所 设定的水箱热水温度值，加热循环热水至该温度并保持恒定。加热所产生的热水一部分作 为进气预热模块中的热水，多余的通过旁路流回水箱。为了方便水箱排水，设置了作为排水 阀的常闭电磁阀。
[0017] 所述的保温水箱装有液位传感器和温度传感器g。
[0018] 所述的保温水箱一侧连接压力传感器，另一侧通过温度传感器c连接混合室。
[0019] 所述的露点控制子模块，主要是为了实现气体露点的精确控制，包括露点温度传 感器a，温度传感器d，换热器b，气液分离器，露点温度传感器b，电磁比例阀a;从混合室出 来的气体顺次经过露点温度传感器a，温度传感器d，换热器b，气液分离器，露点温度传感 器b然后进入温度控制模块；所述的电磁比例阀a调节流入换热器b中的冷冻水的流量。 因为通过干湿气体混合的气体的露点温度稍高于最终目标露点温度，此时温差比较小，所 需的热交换量较少，可以实现对气体湿度的快速精确。通过调节冷冻水的流量调节阀的开 度来对湿空气进行降温，降到目标露点温度。
[0020] 与现有技术相比，本实用新型提供的大功率的燃料电池加湿器包括流量控制模 ±夬，湿度控制模块，温度控制模块，压力控制模块，实现了对气体的流量，湿度，温度，压力的 独立控制。既保证了加湿系统的快速响应性，又能保证湿度控制的准确性。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1为本实用新型的示意图。
[0022] 图中：
[0023] 1手动阀，2减压阀，3流量控制器a，4温度传感器a，5换热器a，6温度传感器b，7 压力传感器，8流量控制器b，9单向阀a，10恒温水箱，11温度传感器c，12混合室，13露点 温度传感器a, 14温度传感器d，15换热器b，16气液分离器，17露点温度传感器b，19气体 加热器，20 :温度传感器e，21气体背压阀，22电磁比例阀a，23过滤器，24热水泵，25水加 热器，26可调节流阀，27单向阀b，28温度传感器f，29单向阀c，30热水流量控制阀，31常 闭电磁阀,40单向阀d，41电磁比例阀b，42液位传感器，43温度传感器g。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。
[0025] 实施例
[0026] 如图1所示，一种大功率燃料电池的加湿系统，包括流量控制模块，水箱控制模 块，湿度控制模块，温度控制模块：气体顺次通过流量控制模块，湿度控制模块，温度控制模 块和压力控制模块；流量控制模块的一段接干燥洁净的压缩气体，压力控制模块的末端出 口接燃料电池供气进口。
[0027] 其中：
[0028] 流量控制模块，主要目的是控制满足所需的加湿气体的流量，包括依次连接的手 动阀1，减压阀2和流量控制器a3 ;
[0029] 湿度控制模块，主要目的是控制气体达到所需的加湿湿度，也是本系统的核心模 块。湿度控制模块主要包括一个进气预热子模块，干湿气体混合子模块，恒温水箱子模块， 露点控制子模块。该发明中的湿度控制主要原理是先利用干湿气体混合对气体湿度进行 快速粗略的控制，一路气体通过恒定温度的热水箱中进行加湿，另一路气体不加湿，通过混 合，使气体露点温度高于目标气体露点温度。然后再进行精确的露点控制，达到所需的露点 温度，也就是某一温度下的湿度要求。
[0030] 所述的进气预热子模块主要目的是对加湿前或者干湿气体混合前的气体进行预 热，保证恒定的温度。包括换热器a5,热水流量控制阀30,温度传感器a4和温度传感器b6， 所述的温度传感器a4和温度传感器b6分别设置在换热器a5前后，所述的热水流量控制阀 30分别连接换热器a5和恒温水箱子模块。
[0031] 所述的干湿气体混合子模块主要是为了实现气体湿度的调节的快速响应。例如， 如果加湿气体要从100%快速降低到50%，可以首先调节干湿气体的混合比例，使其快速 接近目标湿度。所述的干湿气体混合子模块包括两个支路，其中一条支路气体不加湿，另一 条支路气体加湿。
[0032] 所述的干湿气体混合子模块包括流量控制器b8,单向阀a9,温度传感器cll，混合 室12,从进气预热子模块流出的气体经压力传感器7后分成两路，其中一路依次流经流量 控制器b8,单向阀a9后进入混合室12,另一路流过恒温水箱子模块后经温度传感器ell进 入混合室12。其中流量控制器b的目的是控制干气体的流量，保证一定量的干气体和湿气 体在混合室混合。
[0033] 所述的恒温水箱子模块，主要是为了提供恒定温度的热水供气体加湿用，包括保 温水箱10、过滤器23,热水循环泵24,加热器25,可调节流阀26,单向阀b27,温度传感器 f28,单向阀c29,常闭电磁阀31，单向阀d40,电磁比例阀b41;所述的保温水箱10底部通过 常闭电磁阀31连通排水管，进水管依次通过电磁比例阀b41和单向阀d40连接保温水箱10 靠近底部的侧壁；所述的保温水箱10底部依次连接过滤器23,热水循环泵24,加热器25， 温度传感器f28,然后分成两路，一路经过可调节流阀26和单向阀b27,最终通过保温水箱 10的顶部侧壁流回保温水箱10,另一路经过单向阀c29、热水流量控制阀30和换热器a5， 最终流回保温水箱10。单向阀d40为补水控制阀，根据液位传感器的设定要求，自动调节补 水控制阀的开闭，保证水箱中的液位在一定范围。水箱加热器的目的是根据所设定的水箱 热水温度值，加热循环热水至该温度并保持恒定。加热所产生的热水一部分作为进气预热 模块中的热水，多余的通过旁路流回水箱。为了方便水箱排水，设置了作为排水阀的常闭电 磁阀31。
[0034] 所述的保温水箱10装有液位传感器42和温度传感器g43。
[0035] 所述的保温水箱10 -侧连接压力传感器7,另一侧通过温度传感器ell连接混合 室12。
[0036] 所述的露点控制子模块，主要是为了实现气体露点的精确控制，包括露点温度传 感器al3,温度传感器dl4,换热器bl5,气液分离器16,露点温度传感器bl7,电磁比例阀 a22 ;从混合室12出来的气体顺次经过露点温度传感器al3,温度传感器dl4,换热器bl5， 气液分离器16,露点温度传感器bl7然后进入温度控制模块；所述的电磁比例阀a22调节 流入换热器bl5中的冷冻水的流量。因为通过干湿气体混合的气体的露点温度稍高于最终 目标露点温度，此时温差比较小，所需的热交换量较少，可以实现对气体湿度的快速精确。 通过调节冷冻水的流量调节阀的开度来对湿空气进行降温，降到目标露点温度。
[0037] 温度控制模块，主要目的是为了加热湿空气到目标气体温度，包括依次连接的气 体加热器19和温度传感器e20;
[0038] 压力控制模块，主要目的控制最终的气体的压力，包括背压阀21，连接在温度传感 器e20后。
[0039] 工作时，首需要对系统预热，即保温水箱10内的水经过过滤器23,热水泵24,在加 热器25内进行加热。预热的时候热水流量控制阀30关闭，因此热水循环经过可调节流阀 26,单向阀b27流回保温水箱10。直到所设定的恒定温度。然后开始实验，打开手动阀1， 干燥洁净的高压压缩气体经过减压阀2进行降压稳压控制。然后再经过流量控制器a3来 控制所需的总气体流量。
[0040] 控制气体的相对湿度。首先根据温度传感器a4所测量的进气温度来调节热水流 量控制阀30,控制流经换热器a5的热水流量，使预热后的气体温度不得低于水箱热水温度 5°。之所以对进气预热是为了防止经过热水的高温湿气体和温度较低的干气体在混合室 12中混合的时候产生冷凝水。温度传感器b6和压力传感器测量加湿器进口的气体温度和 压力。
[0041] 假设水箱中的热水温度恒定设置为90°，即温度传感器43测量的温度，加热器根 据温度传感器g43调节水加热器25的功率，保证水箱温度恒定。同时利用温度传感器f28 的监测管道中热水的温度，防止管道温度太高。随着水箱内的水不断蒸发被气体带走，连续 液位传感器42检测液位变化，并且控制电磁比例阀b41的开度大小，一定流量的室温水经 过电磁比例阀b41，单向阀d40进入水箱，保证了水箱10中的液面恒定。打开电磁阀31，可 以排空水箱10内的水。
[0042] 根据气体目标温度和相对湿度的要求，计算出目标露点温度，调节流量控制器8 控制总气体流量中的不加湿的气体的流量，使得干湿气体混合后的露点温度略大于目标露 点温度。干燥气体经过单向阀9进入混合室12。需要加湿的气体经过从高温恒温水箱10 的底部通入，然后从顶部出口排出，并利用温度传感器ell测量出口湿空气的温度，然后进 去混合室12。这时，气体的温度和水箱温度相当，露点温度略高于目标露点温度。露点温度 传感器al3测量混合后气体露点温度，温度传感器dl4测量混合后气体的温度。根据目标 露点温度和混合后气体的温度和露点温度，控制电磁比例阀a22的开度大小来调节通过换 热器bl5中的冷冻水的流量。因为经过干湿气体分流混合后的气体的露点温度和目标露点 温度相差比较小，换热量小，所以可以快速精确地控制最终的气体的露点温度。经过换热器 bl5的湿空气会有液态水冷凝析出，经过气液分离器16分离排出。露点温度传感器bl7测 量最终气体的露点温度。
[0043] 这时气体相对湿度为100%的饱和湿空气，气体加热器19对气体进行加热，目标 气体温度。温度传感器e20测量最终气体温度。
[0044] 气体背压阀21控制目标气体的压力。
【权利要求】
1. 一种大功率燃料电池的加湿系统，其特征在于，包括： 流量控制模块，包括依次连接的手动阀（1)，减压阀（2)和流量控制器a(3); 湿度控制模块，包括进气预热子模块，干湿气体混合子模块，恒温水箱子模块和露点控 制子1吴块； 温度控制模块，包括依次连接的气体加热器（19)和温度传感器e (20); 压力控制模块，包括背压阀（21)，连接在温度传感器e (20)后； 气体顺次通过流量控制模块，湿度控制模块，温度控制模块和压力控制模块；流量控制 模块的一段接干燥洁净的压缩气体，压力控制模块的末端出口接燃料电池供气进口。
2. 根据权利要求1所述的一种大功率燃料电池的加湿系统，其特征在于，所述的进气 预热子模块包括换热器a (5)，热水流量控制阀（30)，温度传感器a (4)和温度传感器b (6)， 所述的温度传感器a(4)和温度传感器b(6)分别设置在换热器a(5)前后，所述的热水流量 控制阀（30)分别连接换热器a(5)和恒温水箱子模块。
3. 根据权利要求1所述的一种大功率燃料电池的加湿系统，其特征在于，所述的干湿 气体混合子模块包括两个支路，其中一条支路气体不加湿，另一条支路气体加湿。
4. 根据权利要求3所述的一种大功率燃料电池的加湿系统，其特征在于，所述的干湿 气体混合子模块包括流量控制器b (8)，单向阀a (9)，温度传感器c (11)，混合室（12)，从进 气预热子模块流出的气体经压力传感器（7)后分成两路，其中一路依次流经流量控制器 b(8)，单向阀a(9)后进入混合室（12)，另一路流过恒温水箱子模块后经温度传感器c(ll) 进入混合室（12)。
5. 根据权利要求2或4所述的一种大功率燃料电池的加湿系统，其特征在于，所述的 恒温水箱子模块包括保温水箱（10)、过滤器（23)，热水循环泵（24)，加热器（25)，可调节流 阀（26)，单向阀b (27)，温度传感器f (28)，单向阀c (29)，常闭电磁阀（31)，单向阀d (40)， 电磁比例阀b(41);所述的保温水箱（10)底部通过常闭电磁阀（31)连通排水管，进水管依 次通过电磁比例阀b(41)和单向阀d(40)连接保温水箱（10)靠近底部的侧壁；所述的保温 水箱（10)底部依次连接过滤器（23)，热水循环泵（24)，加热器（25)，温度传感器f (28)，然 后分成两路，一路经过可调节流阀（26)和单向阀b(27)，最终通过保温水箱（10)的顶部侧 壁流回保温水箱（10)，另一路经过单向阀c (29)、热水流量控制阀（30)和换热器a (5)，最终 流回保温水箱（10)。
6. 根据权利要求5所述的一种大功率燃料电池的加湿系统，其特征在于，所述的保温 水箱（10)装有液位传感器（42)和温度传感器g (43)。
7. 根据权利要求5所述的一种大功率燃料电池的加湿系统，其特征在于，所述的保温 水箱（10) -侧连接压力传感器（7)，另一侧通过温度传感器c (11)连接混合室（12)。
8. 根据权利要求1所述的一种大功率燃料电池的加湿系统，其特征在于，所述的露 点控制子模块包括露点温度传感器a (13)，温度传感器d (14)，换热器b (15)，气液分离器 (16)，露点温度传感器b(17)，电磁比例阀a(22);从混合室（12)出来的气体顺次经过露 点温度传感器a (13)，温度传感器d (14)，换热器b (15)，气液分离器（16)，露点温度传感器 b(17)然后进入温度控制模块；所述的电磁比例阀a(22)调节流入换热器b(15)中的冷冻 水的流量。
【文档编号】H01M8/04GK203895548SQ201320816569
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】孙泽昌, 袁昆, 姚汛, 马天才, 顾荣鑫, 章桐 申请人:同济大学