專利名稱：一種用于小型pem燃料電池測(cè)試臺(tái)的濕化系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)，尤其涉及一種用于小型PEM燃料電池測(cè)試臺(tái)的濕化系統(tǒng)。
技術(shù)背景質(zhì)子交換膜燃料電池是一種能夠?qū)⒏簧啡剂霞把趸瘎┻B續(xù)髙效地轉(zhuǎn)化成電能的裝置。質(zhì)子交換膜燃料 電池由在質(zhì)子膜兩側(cè)分別涂有催化層而組裝成的三合一膜電極(Membrane Electrode Assembly, MEA)、 反應(yīng)氣體燃料側(cè)的流場(chǎng)板、空氣側(cè)流場(chǎng)板組成。其核心鈽件是三合一膜電極，其結(jié)構(gòu)為中間為質(zhì)子交換 膜，兩惻分別涂有陰極催化層和陽(yáng)極催化層，最外側(cè)有氣體擴(kuò)散層。質(zhì)子交換膜燃料電池工作時(shí)，燃料通過(guò)陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層，在陽(yáng)極催化層表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電 子，形成質(zhì)子(H+)， H+可通過(guò)質(zhì)子交換膜，到達(dá)膜電極的陰極一側(cè)。與此同時(shí),含有氧化劑的氣體通過(guò) 陰極擴(kuò)散層，在陰極催化層表面與透過(guò)質(zhì)子膜的質(zhì)子發(fā)生反應(yīng)，生成水。在采用氫氣、空氣作為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽(yáng)極反應(yīng)與陰極反應(yīng)的方程式為 陽(yáng)極反應(yīng)H2 -卡2H++2e 陰極反應(yīng)02+4H++4e — 2H20目前質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極中所用的質(zhì)子交換膜，在電池運(yùn)行過(guò)程中需要有水分子存在，對(duì)其進(jìn) 行保濕。因?yàn)橹挥兴馁|(zhì)子才可以自由地穿過(guò)質(zhì)子交換膜，從電極陽(yáng)端到達(dá)電極陰端參加電化學(xué)反應(yīng)。 否則，當(dāng)大量干燥的空氣向燃料電池供應(yīng)，它們離開(kāi)時(shí)容易將質(zhì)子交換膜中的水分子帶走，導(dǎo)致質(zhì)子無(wú)法 穿過(guò)質(zhì)子交換膜，電極內(nèi)阻急劇增加，電池性能急劇下降。所以，燃料電池中質(zhì)子交換膜增濕的目的就是 使質(zhì)子交換膜保持傳輸質(zhì)子的能力，增濕不足，質(zhì)子交換膜傳輸能力差，影響電池性能增濕過(guò)分，會(huì)淹 沒(méi)電極，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致電池性能的下降。因此，增濕是質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)。目前應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池增濕的方式主要有兩類1、 外增濕濕化裝置與燃料電池組分開(kāi)，并在燃料電池組外部獨(dú)立存在的濕化裝置。主要通過(guò)氫氣 氣體或空氣氣體直接在這種外增濕裝置中與水分子通過(guò)充分混合碰撞促使氣體吸收汽化的水分子來(lái)達(dá)到 濕化氣體的目的。2、 內(nèi)增濕內(nèi)增濕裝置是燃料電池組組成的一部分。燃料電池組分為兩個(gè)部分， 一個(gè)部分叫內(nèi)增濕段，另一個(gè)部分叫電池活性工作段。內(nèi)增濕段由增濕導(dǎo)流板與增濕電極構(gòu)成，而電池活性工作段由導(dǎo)流板 與膜電極構(gòu)成。增濕電極往往由一種可以進(jìn)行水分子自由交換的膜組成，這種膜可以讓去離子水在膜的一 邊流動(dòng)，而讓燃料氣體或氧化劑氣體，如空氣在膜的另一邊流動(dòng)，膜可以將燃料氣體或空氣與液態(tài)水分子 分隔開(kāi)，但水分子又可以自由穿過(guò)膜進(jìn)入燃料氣體或空氣中去，而達(dá)到濕化目的。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種適用于小型PEM燃料電池測(cè)試臺(tái)的氣體加熱和濕化系統(tǒng)。為了提髙小型濕化系統(tǒng)的濕化控制精度，采用了預(yù)熱氣相和液相至預(yù)定溫度的方法，這樣大大降低了濕化器的加熱負(fù)荷。進(jìn)入濕化 系統(tǒng)的去離子水和反應(yīng)劑氣體可以根據(jù)被濕化反應(yīng)劑氣體的流量由控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)到略髙于飽和溫度，這樣 進(jìn)入濕化器的氣體反應(yīng)劑在接近飽和溫度下通過(guò)傳質(zhì)吸收水分，盡可能減少濕化器的軸向碌差。使飽和溫
度的控制更為精確可靠。


圖1為小型測(cè)試臺(tái)濕化系統(tǒng)示意2為小型測(cè)試臺(tái)濕化系統(tǒng)改進(jìn)后的實(shí)施方案具體實(shí)施方式
來(lái)自去離子水管道的去離子水經(jīng)補(bǔ)液泵1進(jìn)入液相加熱器2，加熱到預(yù)定溫度T1后送入平衡鐮6。來(lái) 自于反應(yīng)劑氣源的反應(yīng)劑氣體經(jīng)氣體流量控制器3按規(guī)定的流量計(jì)量后進(jìn)入氣體預(yù)熱器4，加熱到預(yù)定溫 度T2后進(jìn)入濕化器5。平衡罐中的去離子水通過(guò)平衡管進(jìn)入濕化器5參與氣液交換，將熱量和水分交換 給反應(yīng)劑直至達(dá)到飽和。高氣液交換面積的濕化器中裝有比表面積達(dá)到700~2000M2/M3的高校填料，每 米填料的理論搭板數(shù)可以達(dá)到8^0。這樣大大強(qiáng)化了反應(yīng)劑和熱去離子水的氣液交換，保證了被濕化氣 體在濕化飽和溫度點(diǎn)T3處達(dá)到完^U&和。除沫器7用于捕集飽和反應(yīng)劑氣體中可能夾帶的水霧，確保進(jìn) 入過(guò)熱器的反應(yīng)劑氣體處于完全飽和狀態(tài)。由反應(yīng)劑進(jìn)堆溫度傳感器T4所反餓的溫度信號(hào)，經(jīng)控制系統(tǒng) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的反應(yīng)劑相對(duì)濕度和溫度設(shè)置值，通過(guò)PID控制方式控制過(guò)熱器8的溫度，以保證進(jìn)入燃 料電池電堆的反應(yīng)劑滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)定的溫度及相對(duì)濕度條件。濕化器5的液位由裝在平衡罐6上的液位計(jì)L 通過(guò)電磁閥和控制開(kāi)關(guān)和補(bǔ)液泵1進(jìn)行控制。
權(quán)利要求
1、一種用于小型PEM燃料電池測(cè)試臺(tái)的濕化系統(tǒng)，包括補(bǔ)液泵1，液位監(jiān)測(cè)和郁熱罐(2+6)，氣體流量控制器3，氣體預(yù)熱器5，高氣液交換面積濕化器5，除沫器7，過(guò)熱器8。
2、 權(quán)利耍求1所述的補(bǔ)液泵，控制其轉(zhuǎn)速，使其連續(xù)供水，確保濕化器中的液位穩(wěn)定。這樣濕化器 中的氣液交換及壓力降變得更為穩(wěn)定。
3、 權(quán)利要求1所述的液位監(jiān)測(cè)和預(yù)熱罐，將原來(lái)分離的加熱器和平衡雜合并為一個(gè)容器，并在預(yù)熱 罐底部增設(shè)一個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)。由于擴(kuò)大了液位監(jiān)測(cè)和預(yù)熱鐮的直徑，可以將電加熱器較大的功率配置在液 位監(jiān)測(cè)和預(yù)熱罐上，較小的加熱功率配置在濕化器5上，這樣由于起筆溫度傳遞所造成的溫度失調(diào)或超調(diào) 會(huì)減少。
4、 測(cè)試臺(tái)濕化系統(tǒng)液相預(yù)熱溫度"H和氣相預(yù)熱溫度T2的設(shè)置值與反應(yīng)劑流量關(guān)聯(lián)，通過(guò)熱量平衡 和實(shí)驗(yàn)計(jì)算建立一個(gè)關(guān)聯(lián)式，進(jìn)一步提高控制精度。
5、 權(quán)利要求1所述的高氣液交換面積濕化器5，將原先用于去離子水和氣體加熱的填料部分移出濕 化器，這樣濕化器中用于傳質(zhì)的有效搭板數(shù)會(huì)增加。
6、 權(quán)利要求1所述的液位監(jiān)測(cè)和預(yù)熱罐(2+6)與濕化器5之間形成三根連接管道的系統(tǒng)。
7、 權(quán)利要求6所述的三根連接管道，控制液位高于接管b時(shí)，溫度較低的液體從接管a返回液位監(jiān) 測(cè)和預(yù)熱權(quán)。加熱后的液體從接管b進(jìn)入濕化器5，形成一個(gè)和蒸餾塔塔底再沸騰一樣的自然對(duì)流循環(huán)。 接管c用作氣相連通管。
全文摘要
本發(fā)明提供一種適用于小型PEM燃料電池測(cè)試臺(tái)的氣體加熱和濕化系統(tǒng)。為了提高小型濕化系統(tǒng)的濕化控制精度，采用了預(yù)熱氣相和液相至預(yù)定溫度的方法，這樣大大降低了濕化器的加熱負(fù)荷。進(jìn)入濕化系統(tǒng)的去離子水和反應(yīng)劑氣體可以根據(jù)被濕化反應(yīng)劑氣體的流量由控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)到略高于飽和溫度，這樣進(jìn)入濕化器的氣體反應(yīng)劑在接近飽和溫度下通過(guò)傳質(zhì)吸收水分，盡可能減少濕化器的軸向溫差。使飽和溫度的控制更為精確可靠。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101165953SQ20061011720
公開(kāi)日2008年4月23日 申請(qǐng)日期2006年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月17日
發(fā)明者劉振泰, 壎 曾 申請(qǐng)人:上海博能同科燃料電池系統(tǒng)有限公司