一种小功率燃料电池测试台用增湿系统的制作方法

1.本实用新型属于燃料电池领域，具体涉及一种小功率燃料电池测试台用增湿系统。


背景技术：

2.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。
3.目前小型增湿系统主要为鼓泡增湿；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，当电池快速启动或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；小流量时，系统散热快，露点温度不好控制，背压响应时间过长；外部循环采用离心泵时，机械密封不可靠，容易泄露，离心泵的吸程较大，容易将鼓泡头的气体吸入外循环中，造成离心泵气蚀，影响燃料电池整体性能。


技术实现要素：

4.针对上述不足，本实用新型提供一种燃料电池增湿系统，增湿后的反应气可达到某一设定露点温度。反应气体通过鼓泡头被分散成小气泡，与增湿罐内的纯水充分接触，增湿罐内的去离子水温度通过外部水循环控制，增湿罐内去离子水通过磁力泵通过加热器，冷却器循环至增湿器，为了更好的保证增湿罐的温度，在增湿罐的上部和下部用两根伴热带缠绕；增湿罐采用下部直径大，上部直径小的“酒瓶”形状；增湿罐进燃料电池的管线采用专用伴热波纹管，保证进堆反应气不结露，循环泵采用磁力泵，吸程小，安全可靠。
5.本实用新型的上述目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种小功率燃料电池测试台用增湿系统，增湿罐分别与反应气口与去离子补水口通过管道连接，增湿罐与去离子补水口之间的管道设有补水电磁阀，增湿罐内部设有鼓泡头，增湿罐顶部通过管道与燃料电池连接，靠近燃料电池的普通管道设有压力传感器和燃料电池；靠近增湿罐的管道内设有加热短管，加热短管与伴热带集成一体，加热短管分别设有加热管管内温度计，加热管管壁温度计；
7.增湿罐底部与磁力泵、冷却器、加热器通过管道连接组成一个封闭循环，管道底部连通排放阀，冷却器一端连接冷却水进水，另一端连接冷却水回水，冷却水回水的管道上设有针阀。
8.进一步的，所述增湿罐采用“酒瓶”形状，上部细下部粗。
9.进一步的，所述增湿罐上部和下部分别设有增湿罐顶部伴热带和罐底伴热带，对罐体加热保温。
10.进一步的，所述增湿罐设有液位计a、液位计b、液位计c和增湿罐水温温度计。
11.本实用新型与现有技术相比的有益效果是：
12.1)本实用新型采用“酒瓶”形状的增湿罐，上细下粗；下部有底盘加热器，管壁缠有保温，上部缠有伴热带，管壁缠有更厚的保温，最终外部为圆柱形，保证系统处于绝热状态，精确控制水温即可以保证露点精确控制，而且增湿罐使整个系统体积合理，在小流量时，提高了背压的响应时间，增加燃料电池性能。
13.2)本实用新型回流口保证在液面之下，一方面可以增加搅拌作用，让气液交换更充分，另一方面在大流量时可以防止液态水夹带至电堆。
14.3)小型增湿系统需要小流量小量程循环泵，国产小型离心泵机械密封不可靠，容易泄露，现有技术一般采用国外进口的机械密封时离心泵，价格较贵，工期很长，本实用新型选择吸程小的磁力泵，防止反应气体吸入循环泵中，导致小流量情况下，进入电池反应气体缺失，影响电池性能。
15.4)本实用新型节省材料，经济效益良好。
16.5)本实用新型增湿罐有液位开关，当液位低时，启动补水泵，打开补水电磁阀，自动补水，当液位高高后，自动停止补水泵，关闭补水电磁阀，可实现全自动补水，减少操作。
17.6)本实用新型进堆温度可以可靠控制。
18.7)本实用新型进堆湿度较有依据。
19.8)本实用新型进堆加热管采用波纹管与伴热带集成控制，管内温度可以通过比例微分积分控制pid控制。
附图说明
20.下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
21.图1是本实用新型小功率燃料电池测试台用增湿系统装置图。
22.图中：1.反应气口，2.去离子补水口，3.补水电磁阀，4.鼓泡头，5.增湿罐，6.液位计a，7.增湿罐顶部伴热带，8.气相温度计，9.罐底伴热带，10.增湿罐水温温度计，11.磁力泵，12.排放阀，13.冷却水进水，14.冷却水回水，15.冷却器，16.加热器，17.加热短管，18.压力传感器，19.燃料电池，20.湿度计，21.针阀，22.加热管管内温度计，23.加热管管壁温
度计，24.伴热带，25.液位计b，26.液位计c。
具体实施方式
23.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。
24.本实用新型增湿罐5采用“酒瓶”形状，一方面减少设备体积，另一方面增加了小气量下背压的响应时间，提高电池性能。同时，气相空间需要更好的保温，上细下粗的酒瓶形状可以保证，上部较下部可以有更多的保温，使系统处于绝热状态。
25.磁力泵用于循环升温系统，本系统磁力泵流量小，吸程小，可以保证反应气在小气量下的稳定反应，避免吸入循环之中。
26.加热短管17与伴热带24集成一体，现有技术进堆管路一般采用软管缠伴热带的方法，这种方法如果伴热带缠的不均匀，会影响加热效果；本实用新型采用的恒温加热管，可以保证整个管路的加热温度稳定均匀。
27.实施例1
28.增湿罐5分别与反应气口1与去离子补水口2通过管道连接，增湿罐5与去离子补水口2之间的管道设有补水电磁阀3，增湿罐5内部设有鼓泡头4，增湿罐5顶部通过管道与燃料电池19连接，靠近燃料电池19的普通管道设有压力传感器18和燃料电池19；靠近增湿罐5的管道内设有加热短管17，加热短管17与伴热带24集成一体，加热短管17分别设有加热管管内温度计22，加热管管壁温度计23；
29.增湿罐5底部与磁力泵11、冷却器15、加热器16通过管道连接组成一个封闭循环，管道底部连通排放阀12，冷却器15一端连接冷却水进水13，另一端连接冷却水回水14，冷却水回水14的管道上设有针阀21。
30.进一步的，所述增湿罐5采用“酒瓶”形状，上部细下部粗，上部和下部分别设有增湿罐顶部伴热带7和罐底伴热带9，对罐体加热保温，增湿罐5设有液位计a6、液位计b25、液位计c26和增湿罐水温温度计10。
31.实施例2
32.由反应气1通过鼓泡头4进入增湿罐5，增湿罐5中的去离子水通过磁力泵11经过冷却器15、加热器16循环回增湿罐5，增湿罐5的气相温度计8的温度通过冷却器15和加热器16共同控制，保证温度稳定；增湿罐5采用“酒瓶”形状，上部细下部粗，上部和下部就有增湿罐顶部伴热带7和罐底伴热带9对罐体加热保温，增湿罐5的液位通过液位开关a6、液位开关b25和液位开关c26控制补水电磁阀3开关，保证增湿罐5液位正常，增湿罐5的气相通过加热短管17进入燃料电池19，加热短管17与伴热带24集成一体，可以通过比例微分积分控制pid控制管内温度22，同时检测管壁温度23，增湿罐5的液体可以通过排放阀12排净，冷却水进水13和冷却水回水14可以通过针阀21调节流量，可以通过进堆压力传感器18监测进堆压力，防止超压，通过湿度计20确认进堆湿度。
33.实施例3
34.本实用新型进行了实际应用，具体数据如下：
35.空气罐露点＜70℃：空气流量0.5-5slpm，水温+1℃伴热+4℃；露点＞70℃：水温+2
℃伴热+4℃。
36.氢气罐氢气流量流量＜0.5slpm，水温+4℃伴热+6℃；氢气流量≥0.5slpm，水+2℃伴热+4℃。
37.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。