专利名称：用于燃料电池测试平台的气体增湿系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池测试平台，尤其涉及一种测试质子交换膜燃料电池测试平台用的气体增湿系统。
背景技术：
当今全球能源紧张，油价高涨，寻找新能源作为化石燃料的替代品是当务之急。燃料电池被认为是继水力、火力和原子能发电后的第四代发电技术，它通过电催化反应将氧化剂和还原剂的化学能直接转换成电能，是一种高效、安全、清洁、灵活的新型发电技术。其中的质子交换膜燃料电池因其具有效率高、能量密度大、反应温度低、无噪音、无污染等显著优点而在地面发电站、电动车和便携式电源等方面具有广泛的应用前景。燃料电池内部主要由质子交换膜、电化学反应催化剂、扩散层和双极板组成。当燃料电池工作时，其内部发生下述反应过程反应气体在扩散层内扩散，当反应气体到达催化层时，在催化层内被催化剂吸附并发生电催化反应；阳极反应生成的质子通过质子交换膜内传递到阴极侧，电子经外电路到达阴极，同氧分子反应结合成水，同时放出热量。电极反应为
阳极(负极)=H2 — 2H+ + 2e 阴极(正极)1/2 + 2H+ + 2e — H2O 电池反应 H2 + 1/2 — H2O
一个典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极放在两块导电的导流极板中间，两块导流板分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这样形成的一个燃料电池称为单电池，为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，需要将多个单电池通过直叠的方式串联成电池组，又叫燃料电池电堆。在燃料电池电堆中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。电堆通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起。燃料电池堆在运行时，对增湿要求比较高，在运行过程中一旦进入电堆的增湿效果过大或过小，则将导致电堆性能上的衰减和无法正常运行，对电堆本身造成极大的影响， 需要为测试平台设计增湿系统。现有的相关专利
中国专利号为 200710047571. 0,200710047571. 0、200710047570. 6 的发明涉及一种集成式的燃料电池增湿系统，该系统包括空气增湿堆、氢气增湿堆、空气侧端板、氢气侧端板，空气增湿堆由多组冷却水导流板、增湿膜片、空气导流板依次叠加组装而成，氢气增湿堆由多组冷却水导流板、增湿膜片、氢气导流板依次叠加组装而成，还包括隔板，空气增湿堆和氢气增湿堆分别设置在隔板两边，形成空气氢气集成式增湿装置，空气、氢气或冷却水分别从空气增湿堆侧或氢气增湿堆侧进入或流出增湿系统。缺点在于不能用于测试平台， 不能精确的检测和控制气体的相对湿度。中国专利号为200510111277. 2的发明提供了一种燃料电池增湿鼓增湿平衡稳定控制装置，包括转盘、速度传感器、单片机、速度控制及功率放大器、增湿转鼓电机以及通讯接口，转盘安装在增湿转鼓电机的主轴上，速度传感器设置在转盘的转速感应区域，单片机的输入端连接速度传感器，输出端分别连接速度控制及功率放大器和通讯接口，速度控制及功率放大器的输出端连接增湿转鼓电机。缺点是通过机械的方式来控制RH，在操作上比较复杂，不能精确的检测和控制气体的相对湿度。中国专利号为20071012^68. 3和200610137930. 7的发明提供的燃料电池增湿系
统包括增湿装置、水气分离器和去离子器，增湿装置包括气体容器，气体容器具有与气体容器内部连通的气体进气口和气体出气口 ；其中，该增湿装置还包括雾化喷嘴、水量调节阀和湿度测量装置；当湿度测量装置检测到的气体的湿度不在预定范围内时，通过水量调节阀调节雾化喷嘴的进水量，直至湿度测量装置检测到的气体的湿度达到预定范围内。该发明提供的燃料电池增湿系统所包含的增湿装置引入了湿度测量装置，根据检测得到的湿度调节雾化喷嘴的进水量，从而可以对气体的湿度进行实时控制。缺点是雾化水能耗较大，在与气体混合过程中容易结露，易产生过量增湿的状态，气体的湿度不容易控制。中国专利号为200410066643. 2的发明涉及一种高效的燃料电池增湿装置，包括燃料电池堆、供氢装置、冷却流体循环装置、空气压缩装置、水汽分离器、去离子器、去离子水水箱、喷水计量泵、喷水计量调节阀、高效空气增湿器，高效空气增湿器设在空气压缩装置与燃料电池堆之间，来自空气压缩装置的高温干燥空气经过高效空气增湿器降温增湿后输入燃料电池堆使用。缺点是增湿水温度需要保温，系统较复杂，气体的湿度不易控制。以上专利的增湿方式都存在缺陷
1.一种集成式的燃料电池增湿器不可用于燃料电池测试平台，不能精确的控制RH ；
2.燃料电池鼓增湿方式通过机械转动的方式来控制气体的湿度，在结构比较复杂，不能精确的控制气体的湿度；
3.喷雾增湿方式是水先经大锅炉气化后去气体结合进入燃料电池；缺点需先雾化水能耗较大，在与气体混合过程中容易结露，易产生过量增湿的状态，湿度不容易控制；
4.喷水增湿方式是喷水通过汽水分离系统给燃料电池增湿；增湿水温度需要保温措施，要用到汽水分离系统，系统较复杂，湿度不易控制。
发明内容
本发明的目的就是为了克服现有技术存在的缺陷而提供一种用于燃料电池测试平台的气体增湿系统，该系统能够实现增湿水温度控制(多级加热系统)，实现增湿水经过全氟磺酸膜管增湿器的流量和水压控制功能，实现在线自动补水功能，以及实时在线耐高温高湿温湿度传感器检测反馈功能，最后通过以上各功能的协同作用实现气体温湿度的精准控制。本发明是通过以下技术方案实现的一种用于燃料电池测试平台的气体增湿系统，由多级加热系统，在线自动补水系统，增湿水流量与压力控制系统和气体温湿度的实时监控系统组成，
多级加热系统包括恒温水浴锅，加温度控制器，加热棒，恒温水浴锅内设有若干根用于加热增湿水的加热棒，且加热棒与温度控制器连接，用于实现20-100°C之间多级温度调节；
在线自动补水系统包括恒温水浴锅，液位传感器，常闭电磁阀恒温水浴锅内设置液位CN 102544553 A传感器，液位传感器与给恒温水浴锅自动添水的常闭电磁阀连接；增湿水流量与压力控制系统包括可调节流量的水泵和背压调节阀，恒温水浴锅与增湿器之间分别连接可调节流量的水泵和背压调节阀，用于控制增湿水的流量和压力；气体温湿度的实时监控系统包括耐高温高湿温湿度传感器，温湿度控制单元，耐高温高湿温湿度传感器设置在增湿器与燃料电池之间的管道上，并与温湿度控制单元连接，温湿度控制单元分别与可调节流量的水泵、背压调节阀和温度控制器连接，用于分别控制可调节流量的水泵、背压调节阀和温度控制器来改变增湿水透过增湿器的速度和增湿水温度。
增湿器由全氟磺酸膜管构成；液位传感器和常闭电磁阀分别连接电源；增湿器设有风机。
本发明的有益效果是 本发明采用1.多级加热系统以一个恒温水浴锅做为增湿水源，水浴锅内有多根加热棒可加热增湿水，并添加温度控制器12能控制加热棒在运行状态使得水浴锅中的增势水源能实现 20-100°C之间多级温度调节功能，使得增湿水温度能精确的控制在一个温度点上。
2.在线自动补水在恒温水浴锅内设置液位传感器，当恒温水浴锅内水位过低时， 则打开常闭电磁阀来实现自动添水功能。
3.增湿水流量与压力控制选用一款可调节流量的水泵和背压调节阀连接在恒温水浴锅与增湿器之间来进行控制。根据湿度传感器的信号反馈和气体流量的大小要求，通过控制增湿水的流量和压力来控制增湿水透过增湿器中全氟磺酸膜管的渗透速度，以精准控制气体需要达到的湿度。
4.气体温湿度的实时监控系统增湿器选用全氟磺酸膜管增湿器，通过耐高温高湿温湿度传感器来检测进入燃料电池的空气温湿度，在运行燃料电池前设定一个空气入口温湿度值，当检测出空气入口温湿度不符合数值时，耐高温高湿温湿度传感器发出信号通过温湿度控制单元来分别控制可调节流量的水泵、背压调节阀和温度控制器来改变增湿水透过全氟磺酸膜管的速度和增湿水温度，以满足不同气体流量下不同湿度要求的准确控制。控制RH的原理有两种，一是通过控制全氟磺酸膜管增湿器的磺酸基团浓度(磺酸基团具有吸水性)来增加空气中吸收的增湿水中水分子来实现浓差迁移；二是通过改变增湿水侧压力和流量使得空气快速的带走水分子来控制湿度来实现压差迁移。
因此，本发明能够实现增湿水温度控制(多级加热系统)，实现增湿水经过全氟磺酸膜管增湿器的流量和水压控制功能，实现在线自动补水功能，以及实时在线耐高温高湿温湿度传感器检测反馈功能，最后通过以上各功能的协同作用实现气体温湿度的精准控制。
图1是本发明的系统原理图； 图2是增湿器结构原理图。
具体实施方式
下面通过结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，用于燃料电池测试平台用多级可变气体增湿系统，其中恒温水浴锅 4加热棒13和温度控制器12可以对进入燃料电池的增湿水源进行多级加热，温度范围为 200C -IOO0C ；可调节水流量的水泵5和背压调节阀10可实现控制水流量和压力，把恒温水浴锅4可调节水流量的水泵5和背压调节阀10与全氟磺酸膜管增湿器9串联接入燃料电池模块6上，通过全氟磺酸膜管增湿器9水分转换就可实现多级加热和增湿流量的控制。
图1中耐高温高湿温湿度传感器8安装在燃料电池模块与全氟磺酸膜管增湿器增湿器9之间检测进入燃料电池的空气温湿度，高温高湿温湿度传感器8、可调节水流量的水泵5、背压调节阀10和温度控制器与温湿度控制单元6连接，设定一个RH值和温度值，若高温高湿温湿度传感器8测得的RH值和温度值超出了设定值则温湿度控制单元6通过电信号的指示来调节可调节水流量的水泵5、背压调节阀10和温度控制器来改变水流量、压力和温度来控制进入燃料电池7模块内的增湿状态。
图1中液位传感器3安装在恒温水浴锅4内并与电源2和常闭电磁阀1连接，当恒温水浴锅4内液位过低时，则通过液位传感器3打开常闭电磁阀1添加增湿用水。
如图2所示，全氟磺酸膜管增湿器9控制RH的原理图，可通过两种方法来实现对增湿效果的控制。方法一是通过控制全氟磺酸膜管14的磺酸基团浓度(磺酸基团具有吸水性)来增加空气15中吸收的增湿水16中水分子17来实现浓差迁移；方法二是通过改变增湿水16侧压力和流量使得空气15快速的带走水分子17来控制湿度来实现压差迁移。
权利要求
1.一种用于燃料电池测试平台的气体增湿系统，由多级加热系统，在线自动补水系统， 增湿水流量与压力控制系统和气体温湿度的实时监控系统组成，其特征在于所述多级加热系统包括恒温水浴锅(4)，加温度控制器(12)，加热棒(13)，恒温水浴锅 (4)内设有若干根用于加热增湿水的加热棒(13)，且加热棒(13)与温度控制器(12)连接， 用于实现20-100°C之间多级温度调节；所述在线自动补水系统包括恒温水浴锅(4)，液位传感器(3)，常闭电磁阀(1)，恒温水浴锅(4)内设置液位传感器(3)，液位传感器(3)与给恒温水浴锅(4)自动添水的常闭电磁阀(1)连接；所述增湿水流量与压力控制系统包括可调节流量的水泵(5)和背压调节阀(10)，恒温水浴锅(4)与增湿器(9)之间分别连接可调节流量的水泵(5)和背压调节阀(10)，用于控制增湿水的流量和压力；所述气体温湿度的实时监控系统包括耐高温高湿温湿度传感器(8)，温湿度控制单元 (6)，耐高温高湿温湿度传感器(8)设置在增湿器(9)与燃料电池(7)之间的管道上，并与温湿度控制单元(6)连接，温湿度控制单元(6)分别与可调节流量的水泵(5)、背压调节阀 (10)和温度控制器(12)连接，用于分别控制可调节流量的水泵(5)、背压调节阀(10)和温度控制器(12)来改变增湿水透过增湿器(9)的速度和增湿水温度。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池测试平台的气体增湿系统，其特征在于所述增湿器(9)由全氟磺酸膜管构成。
3.根据权利要求1所述的用于燃料电池测试平台的气体增湿系统，其特征在于所述液位传感器(3)和常闭电磁阀(1)分别连接电源(2)。
4.根据权利要求1所述的用于燃料电池测试平台的气体增湿系统，其特征在于所述增湿器(9)设有风机(11)。
全文摘要
本发明涉及一种用于燃料电池测试平台的气体增湿系统，由多级加热系统，在线自动补水系统，增湿水流量与压力控制系统和气体温湿度的实时监控系统组成。多级加热系统包括恒温水浴锅，加温度控制器，加热棒，恒温水浴锅内设有若干根用于加热增湿水的加热棒，且加热棒与温度控制器连接，用于实现20-100℃之间多级温度调节。本发明能够实现增湿水温度控制(多级加热系统)，实现增湿水经过全氟磺酸膜管增湿器的流量和水压控制功能，实现在线自动补水功能，以及实时在线耐高温高湿温湿度传感器检测反馈功能，最后通过以上各功能的协同作用实现气体湿度的精准控制。
文档编号H01M8/04GK102544553SQ201210001459
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月5日 优先权日2012年1月5日
发明者张诗伟, 张超, 徐麟, 沈军, 陈凌云, 陶少龙, 顾荣鑫 申请人:昆山弗尔赛能源有限公司