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Application note

燃料电池加湿

汽车引擎内汽油与空气中的氧气直接反应发生燃烧产生能量驱动汽车行驶,这是传统的方法。化学能转化为有用的机械能。另一种更清洁、更有前途的方法是使用燃料电池间接燃烧。氧气和燃料,如氢,送入燃料电池,在电池内部发生电化学反应,形成水。

电子流过外部电路为电动机供电。燃料中的化学能转化为电能。

燃料电池基本上由电堆组成,电极之间有一层电解质膜。电解液允许离子传导和发电。在聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)中电解质需处于水合状态,以保持高离子(质子)电导率,因此,性能最佳。燃料电池的加湿是必不可少的。这是汽车应用的典型工艺。

针对汽车工业中的试验台,一家德国研究机构通过Bronkhorst分销商Wagner Mess- und Regeltechnik寻求使反应物氢气和氧气具有一定相对湿度的解决方案。

燃料电池加湿

应用要求

用户需要一套解决方案来设置精确的气体流量,并以受控的方式将气体流量加湿到燃料电池的每一侧。由于需研究气体流量、水蒸汽含量和燃料电池类型等许多输入参数的作用,因此必须测量大范围的气体流量(包含小流量),并且需要快速更改工作值。

重要议题

  • 快速更改工作值
  • 持续加湿,即使在小流量下
  • 精确控制和测量介质
  • 所有参数的质量管控

工艺方案

Bronkhorst方案基本上由温度受控的液体源汽化器(CEM系统)组成,用于产生受控的水蒸汽流,并将其供应给燃料电池。氢和氧(或空气)作为水蒸汽流动的载气。在CEM系统中,EL-FLOW Select 或 EL-FLOW Prestige热式质量流量控制器控制氢气、氧气或空气的气体流量,mini CORI-FLOW 或 LIQUI-FLOW液体流量控制器提供水流量。流量通过这些仪表进入产生蒸汽/气体混合物的CEM装置。

燃料电池试验台的研究旨在优化燃料电池的单个组件(电解质膜、电堆的数量)和工艺条件。氢、氧、空气和水的流量及其比率是输入参数,燃料电池的性能以电池电压和电流的形式作为输出参数进行测量。
需要解答的问题有:如果过量添加氢气或空气,会发生什么情况?湿度有什么影响?不同类型的膜的作用是什么?

EL-FLOW Select 或 EL-FLOW Prestige仪表的测控特性可满足这一特定用途需求。高精度和最低可能的压差是必需的,此类热式气体流量计适合该应用。针对水蒸汽供应,依托CEM中的混合阀,装置可提供非常高水平的控制稳定性。

该应用中针对单电堆研究,燃料电池输入的典型水流量范围为100到1000g/h,匹配相应氧气和氢气载气量,相对湿度在5至95%范围内。此外,从技术上讲,控制水流量可达1g/h。

一些燃料电池最终会在高压下运行,并且膜上的压差可能极低,甚至电极两侧的压力相当。目前单电堆研究的压力测量范围可达100 bar,对于特种类型膜更高压力下性能更佳。绝压和压差受控于Bronkhorst IN-PRESS仪表。Bronkhorst CEM系统通常用于单电堆所用的精确小流量,水流量高达1000g/h。

在自动化和通信方面,对于质量流量控制器和汽化系统,在测量装置中有多种控制总线可选系统集成:模拟量信号、Profibus、Flowbus 以及Profinet 或 EtherCat等系统。LabVIEW 通常用于研究环境中。通过这种方式,所有工艺参数都能立即得到,使其值可控,并能进行良好的监控和质量管控。

基于其工作原理,CEM汽化系统的工作值可快速更改。较传统的吹泡器,这是很大的优势,特别是在较大的气体流量下。

Bronkhorst在燃料电池领域有20多年的经验。如您有燃料电池加湿蒸发系统相关需求,请联系我们。

燃料电池加湿工艺流程

燃料电池加湿应用案例