CN1953260A - 质子交换膜燃料电池专用加热增湿装置 - Google Patents

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刘震泰
翁颐庆
曾壎
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Abstract

本发明提供一种质子交换膜燃料电池专用加热增湿装置，集加热增湿与一体，通过对气体的温度调节精确控制增湿后气体的相对湿度，保证输送至燃料电池的气体处于预设的温度及相对湿度状态。包括增湿部1，温度调节部2，工业控制***3。气体进入增湿部进行增湿，达到相对饱和湿度且具有一定温度，然后进入温度调节部，温度调节部对气体的温度进行调节，从而改变气体相对湿度至预设值。所述预设温度高于气体于增湿部获得的温度。

Description

质子交换膜燃料电池专用加热增湿装置
技术领域：
本发明设计一种气体增湿器，具体涉及一种燃料电池用气体增湿装置。
背景技术：
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高效转化成电能的装置。质子交换膜燃料电池由在质子膜两侧分别涂有催化层而组装成的三合一膜电极(MEA)、反应气体燃料侧的流场板、空气侧流场板组成。其核心部件是三合一膜电极(Membrane Electrode Assembly，MEA)。膜电极(MEA)结构为：中间为质子交换膜，两侧分别涂有阴极催化层和阳极催化层，最外侧有气体扩散层。
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，阴极反应与阳极反应的方程式为：
阳极反应H2→2H++2e
阴极反应O2+4H++4e→2H2O
质子交换膜燃料电池具有易于小型化、轻型化的特点，可以用于汽车发动***、户外通讯***、军用设施等。
膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部分。交换膜把燃料极生成的氢离子输送至空气极的同时，还起到防止氢气与氧气直接接触的屏蔽作用，以及防止燃料极和空气极直接接触从而造成的短路的作用，是一种电的绝缘体。但是，这种膜在缺水的情况下，氢离子的传导性能显著下降，直接影响到燃料电池***的稳定性。所以，保持膜的适度湿润性是很重要的。
目前的研究结果证明，质子交换膜的氢离子传送速度与交换膜的含水率成正比，氢气在阳极解离成氢离子，并在经过质子交换膜通往阴极的同时，会将阳极侧的水分待王阴极侧，造成阳极侧水分降低导致电极特性与输出功率效率逐渐降低。与此同时，由于氧化剂一般以空气为燃料，反应所需氧气在空气中的含量仅为21％，为了保证氢气充分反应，氧气过剩系数一般保持在2左右，因此阴极空气的流量非常大，一般为氢气的5倍。高流量的空气会迅速带走阴极反应所产生的水分，如果不对阴极侧氧化剂进行加湿，会造成质子交换膜的脱水，大大降低质子传输速率，燃料电池性能急剧下降。因此，需要对燃料和氧化剂进行加湿，以保证燃料电池的正常运行。但是，如果增湿的水量过多，电极的细孔就会被水堵塞，给气体扩散带来障碍。质子交换膜燃料电池的上述特点对氧化剂及燃料的增湿控制极为严格，这需要精确控制气体的湿度。
目前的研究结果证明，质子交换膜的反应随着温度的增高而加速，温度过低，反应较慢，导致燃料电池能量转换效率低下，因此需要对反应气体进行预热。但是，燃料电池反应本身是一个放热反应，如果不及时带走反应产生的热量，温度过高，质子交换膜会失水，丧失质子传导能力，从而使燃料电池失效。所以需要精确反应气体的温度在合适的范围内，使燃料电池达到最佳的运行状态。
目前燃料电池的增湿方式有：外增湿法(鼓泡增湿法、加入水蒸气法)和内增湿法(膜增湿法、自增湿法、直接内增湿法等)，但是都没有保证增湿的效果，也不能精确控制增湿后气体的相对湿度。
目前的燃料电池用气体增湿装置有很多，但都侧重气体的增湿，而忽略了对气体的温度进行调控，难以精确控制反应气体的温度与湿度。
发明内容：
本发明的目的就是提供一种可以精确控制气体的温度与湿度的、集加热增湿于一体的燃料电池用气体加热增湿装置。
本发明的目的可以通过下列技术方案实现：一种可以精确控制气体的温度与湿度的、集加热增湿于一体的燃料电池用气体加热增湿装置。包括增湿部，温度调节部，工业控制***。所述增湿部，包括：增湿部容器，增湿部电加热器，增湿部温度控制器，增湿部液位控制器。所述温度调节部，包括：温度调节部容器，温度调节部电加热器，温度调节部温度控制器。所述增湿部温度控制器，温度调节部温度控制器均和工业控制***相连。
所述增湿部增湿容器内部填充高效丝网填料，部分浸入增湿部容器内部的纯水中，增大气水接触面积，从而加大气体增湿效果，达到100％相对饱和湿度。所述工业控制***实时检测加热增湿效果，并反馈给增湿部温度控制器，控制增湿部加热线圈，调节增湿部输出的气体温度，形成闭环控制。所述工业控制***可以改编增湿部温度控制器的控制参数。
所述增湿部容器内部装有纯水，通过增湿部液位控制器控制纯水的液位高低及供给。
气体进入内部填充有纯水及高效丝网填料，外部配有加热线圈的增湿部容器，获得一定的温度及相对饱和湿度，然后进入温度调节部，通过对温度控制器预设温度，由温度控制器控制加热线圈，对气体温度进行调整，达到预设温度。在所述温度调节过程中，由于在同等压力下，气体的温度与相对湿度存在的对应关系，通过对气体的温度的调节，达到对相对湿度的精确控制。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图
图2为本发明的内部结构示意图
图3优选实施方式的结构示意图
图4为优选实施方式的控制示意图
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明
一种用于燃料电池的气体加热增湿装置，可将燃料电池所需气体的温度及湿度精确控制在预设值。包括气体入口301，加热增湿部容器302，加热器303，温度控制器304，温湿度调节部容器305，加热器306，温度控制器307，气体出口308，水槽入口310，补水水槽311，水泵312，液位计水槽313，液位控制器314，湿度传感器318。
温度控制器307的温度探头置于燃料电池进气处，控制端和电加热器306相连。温度控制器304的温度探头置于容器301的气体出口处，控制端和电加热器303相连。液位控制器314液位探头置于液位计水槽内，控制端与水泵312相连。水槽311的入水口与燃料电池电堆的出水口相连，出水口与水泵312相连。加热增湿部容器302内部填充特种丝网填料303，温湿度调节部容器305内部填充特种丝网填料306。
本实施方式的具体控制过程如下：工业计算机319通过湿度传感器318，测量燃料电池电堆入口的湿度，温度控制器307测量燃料电池电堆309入口的温度并传送温度信号至工业计算机，同时将检测到的温度与加热增湿器所要达到的预设温度对比，发现检测到的温度与预设温度不符时，实时调节电加热器306，以达到调节温度的目的。同时，工业计算机根据收到的燃料电池入口处气体的温度及湿度信号，计算出加热增湿部容器302气体出口处315的气体温度，将所得数据反馈给温度控制器304，由温度控制器304控制电加热器303，调节气体出口处315的气体温度。通过两段式控制，达到精确的加热增湿效果。
整个***基于温度与湿度间的线性关系建立，全部通过调节气体的温度进而改变气体的相对湿度。***检测实际温度及湿度，与预设的温度及湿度对比，通过工业计算机的运算，计算出加热增湿部容器302气体出口处应达到的温度，并调节电加热器303和电加热器306，保证燃料电池气体入口处达到预设的温度及湿度。

Claims (4)

1、一种可以精确控制气体的温度与湿度的、集加热增湿于一体的燃料电池用气体加热增湿装置。包括增湿部1，温度调节部2，工业控制***3。
所述增湿部，包括：增湿部容器21，增湿部温度控制器22，增湿部液位控制器23。
所述温度调节部，包括：温度调节部容器24，温度调节部温度控制器25。
所述增湿部温度控制器22，温度调节部温度控制器25均和工业控制***3相连。
2、权利要求1所述加热增湿装置，其特征是：
所述增湿部容器21，内部填充特种丝网填料，使所述增湿部输出气体达到相对饱和湿度。
3、权利要求1所述加热增湿装置，其特征是：
所述温度调节部容器24，内部填充特种丝网填料，过滤气体中过饱和水分。
4、一种燃料电池用气体加热增湿方法，其特征为：
将气体通入增湿部，得到具有一定温度的且达到相对饱和湿度的气体，然后进入温度调节部，通过调节气体的温度，达到调节气体湿度的目的，使输入燃料电池的气体稳定在预设湿度及温度。所述预设温度大于气体在所述增湿部获得的温度。
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PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20070425