Bronkhorst
Application note

燃料電池加濕

汽車引擎內汽油與空氣中的氧氣直接反應發生燃燒,用產生能量來驅動汽車行駛,這是傳統的方法。化學能轉化為有用的機械能。另一種更清潔、更有前途的方法是使用燃料電池間接燃燒。氧氣和燃料,如氫,送入燃料電池,在電池內部發生電化學反應,形成水。

電子流過外部電路為電動機供電。燃料中的化學能轉化為電能。

燃料電池基本上由電堆組成,電極之間有一層電解質膜。電解液允許離子傳導和發電。在聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)中電解質需處於水合狀態,以保持高離子(質子)電導率,因此,性能優化。燃料電池的加濕是必不可少的。這是汽車應用的典型工藝。

對於汽車行業的測試台,一家德國研究機構向 Bronkhorst 的經銷商 Wagner Mess- und Regeltechnik 尋求解決方案,為反應物氫氣和氧氣提供一定的相對濕度。

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Fuel cell for automotive industry

應用要求

用戶需要一套解決方案來設置精確的氣體流量,並以受控的方式將氣體流量加濕到燃料電池的每一側。由於需研究氣體流量、水蒸汽含量和燃料電池類型等許多輸入參數的作用,因此必須測量大範圍的氣體流量(包含低流量),並且需要快速更改工作值。

重要話題

  • 快速更改工作值
  • 持續加濕,即使在低流量下
  • 精確控制和測量介質
  • 所有參數的質量管控


製程解決方案

Bronkhorst 解決方案主要由溫控混合和蒸發裝置(CEM 系統)組成,該裝置用於產生可控的水蒸氣流,然後供應給燃料電池。 氫氣和氧氣(或空氣)充當水蒸氣流的載氣。 在這個 CEM 系統中,EL-FLOW SelectEL-FLOW Prestige 熱質量流量控制器控制氫氣、氧氣/空氣的氣流,而mini CORI-FLOW LIQUI-FLOW 液體流量控制器提供水流。 這些儀器的氣流進入產生蒸汽/氣體混合物的 CEM 裝置。

在燃料電池試驗台上進行研發的目的是優化燃料電池的各個組件(電解質膜、電池組數量)和工藝條件。 氫氣、氧氣、空氣和水的流量及其比率是輸入參數,以電池電壓和電流的形式測量的燃料電池性能作為輸出參數。
需要回答的問題例如:如果氫氣或空氣加入過量會發生什麼? 水分含量有什麼影響? 不同膜類型的作用是什麼?

Flow scheme Humidification of fuel cells
流程圖
Flow control fo PEM fuel cell

EL-FLOW Select EL-FLOW Prestige 設備的氣流適合特定用途。 需要高精度和盡可能低的壓差,這些熱式氣體流量計非常適合這項工作。 關於水蒸氣供應,我們可以產生非常高水平的控制穩定性,這主要依賴於 CEM 中的混合閥。
在此應用中,對於單堆研究,典型的水流量範圍是每小時 100 到 1000 克,供應給燃料電池,氧氣和氫氣載氣量相匹配,使相對濕度在 5% 到 95% 的範圍內。 除此之外,控制每小時 1 克的水流量在技術上也是可行的。

一些燃料電池最終會在高壓下運行,並且膜上的壓差可能極低,甚至電極兩側的壓力相當。目前單電堆研究的壓力測量範圍可達100 bar,對於特種類型膜更高壓力下性能更佳。絕壓和壓差受控於Bronkhorst IN-PRESS儀器。 Bronkhorst CEM系統通常用於單電堆所用的精確低流量,水流量高達1000g/h。

在自動化和通信方面,對於質量流量控制器和汽化系統,在測量裝置中有多種控制總線可選系統集成:模擬量信號、Profibus、Flowbus 以及Profinet 或 EtherCat等系統。 LabVIEW 通常用於研究環境中。通過這種方式,所有製程參數都能立即得到,使其值可控,並能進行良好的監控和質量管控。

基於其工作原理,CEM汽化系統的工作值可快速更改。較傳統的吹泡器,這是很大的優勢,特別是在較高的氣體流量下。

我們在燃料電池領域擁有超過 20 年的經驗。 如果您需要有關燃料電池加濕蒸發系統的建議,請聯係我們。

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