CN101345318A - 燃料电池增湿系统 - Google Patents
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Abstract
本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。本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。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域,尤其涉及一种燃料电池增湿系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种产生氢离子的燃料与氧气或空气等含氧化性气体发生电化学反应而产生电能的装置。在质子交换膜燃料电池工作时,电池中的质子都是要通过质子交换膜传导。具体的说是以一种水合质子的方式进行质子传递,从而形成电流。因此,为了保证质子交换膜燃料电池能持续不断的工作,必须要使燃料电池中的质子交换膜保持湿润。在燃料电池运行过程中,尤其是燃料电池堆的运行过程,会产生大量的热量,很容易将阴极区域产生的产物水汽化,而反应气体的快速流动,会迅速带走这些水分,使得燃料电池中的膜失去水分,导致燃料电池的内阻迅速增加,从而电池的性能急剧下降。因此,在反应气体参与反应前,需要对反应气体进行增湿。
目前,对燃料电池的反应气体进行增湿的方法主要有内增湿和外增湿两类。
内增湿就是将增湿系统和燃料电池制作成一个整体,无需外加增湿装置,增湿可以被看作是在电池的内部进行。这种增湿的方法可以减少燃料电池系统所占的重量和体积,但是,这种增湿的方式难以对反应气体进入反应区域的湿度进行控制,如果增湿过分容易导致电极被水淹没,电池的性能也下降。
外增湿就是另外配置一个增湿系统,在反应气体进入燃料电池前进行增湿。目前,采用外增湿的方法也有很多,比如超声波雾化增湿,中空纤维增湿法等。上海神力科技有限公司专利(公开号:CN2751449)公开了一种高效的燃料电池增湿装置,即向为燃料电池输送空气的空气压缩装置中喷入一定量的去离子水,喷入的水量与该装置向燃料电池输送的空气量成一定的比例,并经过一高效增湿器,使进入燃料电池的压缩空气达到增湿的目的。但这类增湿方法对于输出功率变化很大的燃料电池仍存在一定的缺陷,如不能及时调节气体的湿度,加湿时消耗能量太大。
发明内容
本发明的目的是针对现有燃料电池增湿系统难以对进入燃料电池的反应气体的湿度进行及时调节的缺点,提供一种可以对反应气体的湿度进行实时控制的燃料电池增湿系统。
本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,所述水气分离器与去离子器连接;其中,所述增湿装置包括气体容器、雾化喷嘴、水量调节阀和湿度测量装置;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,气体进气口用于向气体容器引入待增湿的气体,气体出气口用于将增湿后的气体引入燃料电池的膜电极;雾化喷嘴包括雾化部件和水雾出口,雾化部件用于将水雾化,水雾出口位于所述气体容器的内部,用于将经过雾化后的水雾喷入气体容器中;水量调节阀用于调节雾化喷嘴的进水量;水气分离器用于将燃料电池反应生成的气体和水分离,去离子器用于将水气分离器分离出的水去离子化;湿度测量装置位于气体容器的气体出气口处,用于检测流经气体出气口的气体的湿度,当湿度测量装置检测到的气体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湿度达到预定范围内。
本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,用于检测进入燃料电池的反应气体的湿度,根据检测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,克服了现有技术中燃料电池增湿装置不能及时调节进入燃料电池反应气体湿度的缺点。
附图说明
图1为本发明提供的燃料电池增湿系统的结构图。
图2为本发明提供的燃料增湿系统中燃料电池增湿装置的雾化喷嘴的结构图。
图3为本发明提供的燃料增湿系统的一种优选的具体实施方式的结构图。
图4为本发明提供的燃料增湿系统的一种优选的具体实施方式的结构图。
图5a、图5b和图5c为本发明提供的燃料电池增湿系统的一种优选的具体实施方式的结构图。
图6为本发明提供的燃料电池增湿系统的第一种具体实施方式和第三种具体实施方式的结构图。
图6a、图6b、图6c及图6d为本发明提供的燃料电池增湿系统的湿度控制单元以及湿度信号传递的结构框图。
图7为本发明提供的燃料电池增湿系统的第二种具体实施方式和第四种具体实施方式的结构图。
图8为本发明提供的燃料电池增湿系统的第五种具体实施方式和第七种具体实施方式的结构图;
图9为本发明提供的燃料电池增湿系统的第六种具体实施方式和第八种具体实施方式的结构图;
图10a、图10b、图10c及图10d为本发明提供的燃料电池增湿系统的液位控制单元以及液位信号传递的结构框图。
图11a、图11b为本发明提供的燃料电池增湿系统的一种优选的具体实施方式的结构图。
图12为本发明提供的燃料电池增湿系统的第九种具体实施方式和第十种具体实施方式的结构图。
图12a为本发明提供的燃料电池增湿系统的一种优选的具体实施方式的结构图。
图13a、图13b为本发明提供的燃料电池增湿系统的水箱液位控制单元以及水箱液位信号传递的结构框图。
图14为本发明提供的燃料电池增湿系统的第一种具体实施方式的程序流程图。
图15为本发明提供的燃料电池增湿系统的第二种具体实施方式的程序流程图。
图16为本发明提供的燃料电池增湿系统的第三种具体实施方式的程序流程图。
图17为本发明提供的燃料电池增湿系统的第四种具体实施方式的程序流程图。
图18为本发明提供的燃料电池增湿系统的第五种具体实施方式的程序流程图。
图19为本发明提供的燃料电池增湿系统的第六种具体实施方式的程序流程图。
图20为本发明提供的燃料电池增湿系统的第七种具体实施方式的程序流程图。
图21为本发明提供的燃料电池增湿系统的第八种具体实施方式的程序流程图。
图22为本发明提供的燃料电池增湿系统的第九种具体实施方式的程序流程图。
图23为本发明提供的燃料电池增湿系统的第十种具体实施方式的程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示,本发明提供的燃料电池增湿系统包括增湿装置、水气分离器34、去离子器35;所述水气分离器34与去离子器35连接;其中,所述增湿装置包括气体容器1、雾化喷嘴2、水量调节阀17和湿度测量装置5;气体容器1具有与气体容器1内部连通的气体进气口11和气体出气口12,气体进气口11用于向气体容器1引入待增湿的气体,气体出气口12用于将增湿后的气体引入燃料电池的膜电极;雾化喷嘴2包括雾化部件22和水雾出口23,如图2所示;雾化部件22用于将水雾化,水雾出口23位于所述气体容器1的内部,用于将经过雾化后的水雾喷入气体容器1中;水量调节阀17用于调节雾化喷嘴2的进水量;湿度测量装置5位于气体容器1的气体出气口12处,用于检测流经气体出气口12的气体湿度;当湿度测量装置5检测到的气体湿度不在预定范围内时,通过水量调节阀17调节雾化喷嘴2的进水量,直至湿度测量装置5检测到的气体湿度达到预定范围内;水气分离器34用于将燃料电池反应生成的气体和水分离;去离子器35用于将水气分离器34分离出的水去离子化。
本发明根据下面的描述可以具备多种调节功能,除了最基本的湿度调节之外还有液位调节等等,下面进行详细描述。
湿度调节
所述雾化喷嘴2为任意可以将水雾化的喷嘴,例如,空气雾化喷嘴。雾化喷嘴2包括雾化部件22和水雾出口23,雾化部件22通过压缩空气和液体的混合物产生极细的雾化颗粒以将水雾化,之后在水雾出口23产生水雾向气体容器1内部喷射。雾化喷嘴2在不需要消耗大量能量的情况下就可以将水雾化,减少了增湿装置的能量消耗。
优选情况下,雾化喷嘴2安装在气体容器1的顶部,水雾出口23从上往下喷出水雾;从下往上流动的反应气体与从上往下喷出的水雾产生逆流接触,水雾与反应气体的混合更加均匀。
所述增湿装置还包括管道16,如图3所示,雾化喷嘴2通过管道16与去离子器35连通,经去离子器35进行去离子处理后的去离子水通过管道16供给雾化喷嘴2;所述管道16与雾化部件22的连接方式可以为螺纹固定或焊接。管道16为任意可以将水引入雾化部件22的管路。
所述水量调节阀17安装在雾化部件22上或管道16上,用于调节雾化喷嘴2的进水量。水量调节阀17为任意可以调节雾化喷嘴2进水量的阀门,例如可以为手动或机械驱动调节阀,或者为电驱动调节阀;机械驱动调节阀可以由驱动装置(例如电机)来调节阀门的开闭;电驱动调节阀例如为电磁阀,可以直接通过电信号来调节阀门的开闭。
该系统还包括燃料电池33,如图4所示,燃料电池33的氧化剂气体进口与气体容器1的气体出气口12连接,用于将增湿后的空气引入到燃料电池33中,燃料电池33的气体及生成水出口与水气分离器34的进口连接,用于将反应生成的水进行水气分离。
所述湿度测量装置5为任意可以检测气体湿度的装置。例如可以为湿度表,当湿度表显示的气体湿度不在理想湿度范围(即进入燃料电池的反应气体的理想湿度范围,该范围为本领域技术人员所公知,例如可以在10%至90%之间)内时必须由工作人员手动调节水量调节阀17直至气体湿度达到理想范围内;也可以为能发出表示湿度大小的电信号的湿度传感器,这时需要增加设定有理想湿度范围的湿度比较单元来判断所检测到的湿度是否合适,进而自动调节水量调节阀17,这种方式将在后文中具体描述;还可以为可设定预定湿度范围(即理想湿度范围)的超声波湿度计,能够将所测得的湿度与该预定湿度范围进行比对,根据比对的结果发出指示湿度偏高、偏低或正常的电信号,这种方式也将在后文中具体描述。优选情况下,湿度测量装置5为可设定预定湿度范围的超声波湿度计或能发出表示湿度大小的电信号的湿度传感器。
所述的水气分离器34将燃料电池33反应生成的气、液态水中的水和气体分离开来,为任意可以将水气进行分离的装置,如水气分离瓶。优选情况下,水气分离器34中填充有蜂窝结构的材料,有助于提高水气分离的效果。
所述的去离子器35用于将水气分离器34分离出的水去离子以净化水质,形成去离子水;所述的去离子器35为任意可以将水去离子化的装置,如去离子柱。优选情况下,去离子器35为填充有阳离子交换树脂结构的去离子柱。
下面将描述本发明提供的第一至第四种具体实施方式,这四种实施方式都增加了湿度控制单元27;湿度控制单元27接收来自湿度测量装置5的电信号并根据电信号的指示调节水量调节阀17的进水量;根据湿度测量装置5的类型不同,增湿装置可以只包括湿度控制单元27或者同时包括湿度比较单元9和湿度控制单元27;采用湿度控制单元27使得本发明提供的燃料电池增湿系统可以自动调节进入燃料电池的反应气体的湿度。
按照本发明的第一种具体实施方式,如图6所示,水量调节阀17为由驱动装置控制的机械调节阀;所述湿度测量装置5为可设定预定湿度范围的超声波湿度计,所述的增湿装置还包括驱动装置3和湿度控制单元27;
湿度测量装置5用于检测气体出气口12的气体的湿度以及判断气体的湿度是否在预定的范围内,并将检测结果发送给湿度控制单元27;湿度控制单元27用于根据湿度测量装置5的检测结果,控制驱动装置3进而调节水量调节阀17;
驱动装置3一端与水量调节阀17连接,用于控制水量调节阀17从而调节雾化喷嘴2的进水量,另一端与湿度控制单元27的输出端连接,用于接收来自湿度控制单元27的电信号,湿度测量装置5与湿度控制单元27连接,如图6a所示;
预先对湿度测量装置5设定一个湿度范围,如图14所示;
当湿度测量装置5检测到的气体湿度大于或等于预先设定的理想湿度范围的上限时,湿度测量装置5发出指示湿度偏大的电信号至湿度控制单元27,湿度控制单元27接收该信号,发出控制驱动装置3向关小水量调节阀17的方向运动的电信号到驱动装置3,使通过管道16进入雾化喷嘴2的水量减少;
当湿度测量装置5检测到的气体湿度小于或等于预先设定的理想湿度范围的下限时,湿度测量装置5发出指示湿度偏小的电信号至湿度控制单元27,湿度控制单元27接收该信号,发出控制驱动装置3向开大水量调节阀17的方向运动的电信号到驱动装置3,使通过管道16进入雾化喷嘴2的水量增加;
当气体湿度在预先设定的理想湿度范围中时,湿度测量装置5发出表示湿度正常的电信号至湿度控制单元27,湿度控制单元27接收到该电信号,发出控制驱动装置3停止运动的电信号到驱动装置3。
按照本发明的第二种具体实施方式,如图7所示,水量调节阀17为具有控制端的电磁阀(电磁阀可以通过电信号直接控制,所以不需要上一实施方式中的驱动装置3);所述湿度测量装置5为可设定预定湿度范围的超声波湿度计,所述增湿装置还包括湿度控制单元27;
湿度测量装置5用于检测气体出气口12的气体的湿度以及判断气体的湿度是否在预定的范围内,并将检测结果发送给湿度控制单元27;湿度控制单元27用于根据湿度测量装置5的检测结果调节水量调节阀17;
水量调节阀17与湿度控制单元27连接,用于接收来自湿度控制单元27的电信号,湿度测量装置5与湿度控制单元27连接,如图6b所示;
预先对湿度测量装置5设定一个湿度范围,如图15所示;
当湿度测量装置5检测到的气体湿度大于或等于预先设定的理想湿度范围的上限时,湿度测量装置5发出表示湿度偏大的电信号至湿度控制单元27,湿度控制单元27接收到该电信号,调节水量调节阀17,使通过管道16进入雾化喷嘴2的水量减少;
当湿度测量装置5检测到的气体湿度小于或等于预先设定的理想湿度范围的下限时,湿度测量装置5发出表示湿度偏小的电信号至湿度控制单元27,湿度控制单元27接收到该电信号,调节水量调节阀17,使通过管道16进入雾化喷嘴2的水量增加;
当湿度测量装置5检测到的气体湿度在预先设定的理想湿度范围的上限和下限之间时,湿度测量装置5发出表示湿度正常的电信号至湿度控制单元27,湿度控制单元27接收到该电信号,指示水量调节阀17处于当前状态。
根据本发明提供的第三种具体实施方式,如图6所示,水量调节阀17为由驱动装置控制的机械调节阀;所述湿度测量装置5为能发出表示湿度大小的电信号的湿度传感器,所述增湿装置还包括驱动装置3、湿度比较单元9和湿度控制单元27;
湿度测量装置5用于检测气体出气口12的气体的湿度,并将检测结果发送给湿度比较单元9;
湿度比较单元9用于接收来自湿度测量装置5的电信号,将该电信号与存储的表示湿度范围的电信号进行比对,将比对结果发送给湿度控制单元27;
湿度控制单元27用于接收来自湿度比较单元9的比对结果,根据比对结果,控制驱动装置3以调节水量调节阀17;
驱动装置3一端与水量调节阀17连接,用于控制水量调节阀17从而调节雾化喷嘴2的进水量,另一端与湿度控制单元27的输出端连接,用于接收来自湿度控制单元27的电信号,湿度测量装置5与湿度比较单元9连接,再连接到湿度控制单元27,如图6c所示;
湿度比较单元9预先设定有一个表示湿度范围的电信号范围,湿度比较单元9接收湿度测量装置5检测到的表示气体湿度大小的电信号,将该电信号与预先存储的表示湿度范围的电信号范围进行比对,如图16所示;
当该电信号大于或等于预先存储的表示湿度范围的电信号范围的上限时,湿度比较单元9向湿度控制单元27发出湿度偏大的指令,湿度控制单元27接收该指令,发出控制驱动装置3向关小水量调节阀17的方向运动的电信号到驱动装置3,使通过管道16进入雾化喷嘴2的水量减少;
当该电信号小于或等于预先存储的表示湿度范围的电信号范围的下限时,湿度比较单元9向湿度控制单元27发出湿度偏小的指令,湿度控制单元27接收该指令,发出控制驱动装置3向开大水量调节阀17的方向运动的电信号到驱动装置3,使通过管道16进入雾化喷嘴2的水量增加;
当该电信号在预先存储的表示湿度范围的电信号范围的上限和下限之间时,湿度比较单元9向湿度控制单元27发出湿度正常的指令,湿度控制单元27接收该指令,发出控制驱动装置3停止运动的电信号到驱动装置3。
根据本发明提供的第四种具体实施方式,如图7所示,水量调节阀17为具有控制端的电磁阀;所述湿度测量装置5为能发出表示湿度大小的电信号的湿度传感器,所述增湿装置还包括湿度比较单元9和湿度控制单元27;
湿度测量装置5用于检测气体出气口12的气体的湿度,并将检测结果发送给湿度比较单元9;
湿度比较单元9用于接收来自湿度测量装置5的电信号,将该电信号与存储的表示湿度范围的电信号进行比对,将比对结果发送给湿度控制单元27;
湿度控制单元27用于接收来自湿度比较单元9的比对结果,根据比对结果,调节水量调节阀17;
水量调节阀17与湿度控制单元27连接,用于接收来自湿度控制单元27的电信号,湿度测量装置5与湿度比较单元9连接,再连接到湿度控制单元27,如图6d所示;
对湿度比较单元9预先设定一个表示湿度范围的电信号范围,湿度比较单元9接收湿度测量装置5检测到的表示气体湿度的电信号,并将该电信号与预先存储的表示湿度范围的电信号范围进行比对,如图17所示;
当该电信号大于或等于预先存储的表示湿度范围的电信号范围的上限时,湿度比较单元9向湿度控制单元27发出湿度偏大的电信号,湿度控制单元27接收该指令,调节水量调节阀17,使通过管道16进入雾化喷嘴2的水量减少;
当该电信号小于或等于预先存储的表示湿度范围的电信号范围的下限时,湿度比较单元9向湿度控制单元27发出湿度偏小的电信号,湿度控制单元27接收该指令,调节水量调节阀17,使通过管道16进入雾化喷嘴2的水量增加;
当该电信号在预先存储的表示湿度范围的电信号范围的上限和下限之间时,湿度比较单元9向湿度控制单元27发出保持进水量的指令,湿度控制单元27接收该指令,保持水量调节阀17处于当前状态。
在湿度调节中,所述驱动装置3为任意可以调节水量调节阀17的驱动装置,例如,可以为电动机,利用按正反方向转动带动水量调节阀17向开大或关小的方向运动。
液位调节
所述气体容器1为具有与气体容器1内部连通的气体进气口11和气体出气口12的容器,干燥的反应气体从气体进气口11进入,与水雾出口23喷出的水雾结合而增湿,增湿后的反应气体从气体出气口12流出;气体容器1用于提供反应气体与水雾结合的场所。优选情况下,气体容器1的气体进气口11在气体容器1的下部,气体容器1的气体出气口12在气体容器1的上部,反应气体从气体进气口11进入,从气体出气口12流出,气体容器1中的反应气体从下往上流动。
由于水雾中有许多液态水,增湿过程中会在气体容器1中留下液态水,如图5a所示,气体容器1还可以具与气体容器1内部连通、位于气体容器1底部的出水口13,出水口13用于将气体容器1中多余的水排出;气体容器还可以具有阀门7,如图5b所示,阀门7安装在气体容器1底部的出水口13上,为任意可以打开或者关闭的阀门,例如可以为手动或机械驱动阀门,或者具有控制端的电磁阀门;机械驱动阀门必须由阀门驱动装置(如电机)来机械地控制阀门的开启和关闭;电磁阀门可以直接通过电信号来控制阀门的开启和关闭。
该系统还包括液位测量装置6,如图5c所示,液位测量装置6设置在气体容器1上,用于测量气体容器1内部的液态水的液位。优选情况下,液位测量装置6设置在气体容器1的内部。
所述液位测量装置6为任意可以测量气体容器1中液位的装置,如液位计。如果液位测量装置6为普通液位计,如连通器式液位计,当液位计显示的气体容器1内的液位不在理想液位范围(所述液位范围上限的高度比所述气体容器1的气体进气口11低1-3厘米,所述液位范围下限的高度比所述气体容器1的出水口13高1-3厘米)内时必须由工作人员手动调节阀门7直至气体容器1内的液位达到理想范围内;如果液位测量装置6为能发出表示液位高低的电信号的液位计,如浮球液位计,这时需要由设定有理想液位范围的液位比较单元来判断检测到的液位是否合适,进而控制阀门7的开闭;如果液位测量装置6为可设定预定液位范围(即理想液位范围)的超声波液位计,则可预先对液位测量装置6设定一个理想液位范围,液位测量装置6能够将所测得的液位与该预定液位范围进行比对,根据比对的结果发出指示液位偏高、偏低或正常的电信号。优选情况下,液位测量装置6为可设定预定液位范围的超声波液位计或能发出表示液位高低的电信号的浮球液位计。
下面将描述本发明提供的第五至第八种具体实施方式,这几种实施方式采用了液位控制单元28,根据液位测量装置6的类型不同,该系统可以只包括液位控制单元28或者包括液位比较单元15和液位控制单元28;采用液位控制单元28使得本发明提供的燃料电池增湿系统中气体容器1的液位可以保持在设定的理想液位范围之内,既不会因为气体容器1中的液位过高而使气体入口11堵塞,又不会因为气体容器1中的液位过低而使反应气体从出水口13泄露。
根据本发明提供的第五种具体实施方式,如图8所示,阀门7为由驱动装置控制的机械驱动阀门;所述液位测量装置6为可设定预定液位范围的超声波液位计,该系统还包括阀门驱动装置25和液位控制单元28;
液位测量装置6用于检测气体容器1中的液位以及判断液位是否在预定的范围内,并将检测结果发送给液位控制单元28;液位控制单元28用于根据液位测量装置6的检测结果,控制阀门驱动装置25进而调节阀门7;
液位测量装置6与气体容器1连接,阀门驱动装置25与阀门7连接,用于驱动阀门7,使阀门7打开或关闭;如图10a所示,液位控制单元28分别与液位测量装置6和阀门驱动装置25连接;
预先对液位测量装置6设定一个液位范围,如图18所示;
当液位测量装置6所测得的气体容器1的液位大于或等于预先存储的液位范围的上限时,液位测量装置6发出表示液位偏高的电信号至液位控制单元28,液位控制单元28接收该电信号,发出控制阀门驱动装置25向开大阀门7的方向运动的电信号到阀门驱动装置25,使得气体容器1中的水从出水口13排出;
当液位测量装置6所测得的液位小于或等于预先存储的液位范围下限时,液位测量装置6发出表示液位偏低的信号至液位控制单元28,液位控制单元28接收该指令,发出控制阀门驱动装置25向关小阀门7的方向运动的电信号到阀门驱动装置25,防止气体容器1中的水泄露;
当液位测量装置6所测得的液位在预先存储的液位范围之间时,液位测量装置6发出表示液位正常的电信号至液位控制单元28,液位控制单元28接收该指令,发出控制阀门驱动装置25停止运动的电信号到阀门驱动装置25。
根据本发明提供的第六种具体实施方式,如图9所示,阀门7为具有控制端的电磁阀门(电磁阀可以通过电信号直接控制,所以不需要上一实施方式中的阀门驱动装置25);所述液位测量装置6为可设定预定液位范围的超声波液位计,该系统还包括液位控制单元28;
液位测量装置6用于检测气体容器1中的液位以及判断液位是否在预定的范围内,并将检测结果发送给液位控制单元28,液位控制单元28用于根据液位测量装置6的检测结果调节阀门7;
液位测量装置6与气体容器1连接,液位控制单元28分别与液位测量装置6和阀门7连接,如图10b所示;
预先对液位测量装置6设定一个液位范围,如图19所示;
当液位测量装置6所测得的气体容器1的液位大于或等于预先存储的液位范围上限时,液位测量装置6发出表示液位偏高的电信号至液位控制单元28,液位控制单元28接收该电信号,打开阀门7,使得气体容器1中的水从出水口13排出;
当液位测量装置6所测得的气体容器1的液位小于或等于预先存储的液位范围下限时,液位测量装置6发出表示液位偏低的信号至液位控制单元28,液位控制单元28接收该指令,关闭阀门7,防止气体容器1中的水泄露;
当液位测量装置6所测得的液位在预先存储的液位范围之间时,液位测量装置6发出表示液位正常的电信号至液位控制单元28,液位控制单元28接收该指令,保持阀门7处于当前状态。
根据本发明提供的第七种具体实施方式,如图8所示,阀门7为由驱动装置控制的机械驱动阀门;所述液位测量装置6为能发出表示液位高低的电信号的浮球液位计,该系统还包括阀门驱动装置25、液位比较单元15和液位控制单元28;
液位测量装置6用于检测气体容器1中的液位,并将检测结果发送给液位比较单元15;
液位比较单元15接收来自液位测量装置6的电信号,将该电信号与存储的表示液位范围的电信号进行比对,将比对结果发送给液位控制单元28;
液位控制单元28用于接收来自液位比较单元15的比对结果,根据比对结果,控制阀门驱动装置25以调节阀门7;
液位控制单元28与阀门驱动装置25连接,阀门驱动装置25与阀门7连接,用于驱动阀门7,使阀门7打开或关闭;液位测量装置6与液位比较单元15连接,再连接到液位控制单元28,如图10c所示;
液位比较单元15预先存储有一个表示液位范围的电信号范围,液位比较单元15接收液位测量装置6所测得的表示气体容器1中的液位的电信号,并将该电信号与预先存储的表示液位范围的电信号范围进行比对,如图20所示;
当该电信号大于或等于预先存储的表示液位范围的电信号范围的上限时,液位比较单元15向液位控制单元28发出液位偏高的指令,液位控制单元28接收该指令,发出控制阀门驱动装置25向开大阀门7的方向运动的电信号到阀门驱动装置25,使得气体容器1中的水从出水口13排出;
当该电信号小于或等于预先存储的表示液位范围的电信号范围的下限时,液位比较单元15向液位控制单元28发出液位偏低的指令,液位控制单元28接收该指令,发出控制阀门驱动装置25向关小阀门7的方向运动的电信号到阀门驱动装置25,防止气体容易1中的水泄露;
当该电信号在预先存储的表示液位范围的电信号范围之间时,液位比较单元15向液位控制单元28发出液位正常的指令,液位控制单元28接收该指令,发出控制阀门驱动装置25停止运动的电信号到阀门驱动装置25。
根据本发明的第八种具体实施方式,如图9所示,阀门7为具有控制端的电磁阀门;所述液位测量装置6为能发出表示液位高低的电信号的浮球液位计,该系统还包括液位比较单元15和液位控制单元28;
液位测量装置6用于检测气体容器1中的液位,并将检测结果发送给液位比较单元15;
液位比较单元15用于接收来自液位测量装置6的电信号,将该电信号与存储的表示液位范围的电信号进行比对,将比对结果发送给液位控制单元28;
液位控制单元28用于接收来自液位比较单元15的比对结果,根据比对结果,调节阀门7。
阀门7与液位控制单元28连接,液位测量装置6与液位比较单元15连接,再连接到液位控制单元28,如图10d所示;
液位比较单元15预先存储有一个表示液位范围的电信号范围,液位比较单元15接收液位测量装置6所测得的表示气体容器1中的液位的电信号,并将该电信号与预先存储的表示液位范围的电信号范围进行比对,如图21所示;
当该电信号大于或等于预先存储的表示液位范围的电信号范围的上限时,液位比较单元15向液位控制单元28发出液位偏高的指令,液位控制单元28接收该指令,打开阀门7,使得气体容器1中的水从出水口13排出;
当该电信号小于或等于预先存储的表示液位范围的电信号范围的下限时,液位比较单元15向液位控制单元28发出液位偏低的指令,液位控制单元28接收该指令,关闭阀门7,防止气体容器1中的水泄露;
当该电信号在存储的表示液位范围的电信号范围的上限和下限之间时,液位比较单元15向液位控制单元28发出液位正常的指令,液位控制单元28接收该指令,保持阀门7的当前状态。
在液位调节中,所述阀门驱动装置25为任意可以调节阀门7的驱动装置,例如,可以为电动机,利用按正反方向转动带动阀门7向开大或关小的方向运动。
水箱液位调节
由于需要为增湿装置供水以供增湿使用,该系统还可包括加水装置32和水箱36,加水装置32用于向水箱36加水,所述管道16将雾化喷嘴2与去离子器35和水箱36连通,用于将水箱36中的水引入雾化部件22,如图11a所示;
所述加水装置32为任意可以向水箱供应去离子水的装置,例如去离子水水管;所述水箱为任意可以储存水的容器,例如水槽。
该系统还可包括水箱液位测量装置20,如图11b所示,水箱液位测量装置20设置在水箱36上,用于测量水箱36内部的液位。优选情况下,水箱液位测量装置20设置在水箱36的内部。
所述水箱液位测量装置20为任意可以测量水箱36中水的液位的仪器,例如液位计;如果水箱液位测量装置20为能发出表示液位高低的电信号的浮球液位计,这时需要由设定有理想液位范围(所述液位范围上限的高度比所述水箱36的边缘低1-3厘米,所述液位范围下限的高度比所述水箱36的底部高1-3厘米)的液位辨别单元来判断检测到的液位是否合适,进而控制加水装置32向水箱36加水;如果水箱液位测量装置20为可设定预定液位范围(即理想液位范围)的超声波液位计,则可预先对水箱液位测量装置20设定一个理想液位范围,水箱液位测量装置20能够将所测得的液位与该预定液位范围进行比对,根据比对的结果发出指示液位偏高、偏低或正常的电信号。
下面将描述本发明提供的第九和第十个具体实施方式,这两种实施方式采用了水箱36的水箱液位控制单元31,根据水箱液位测量装置20的类型不同,该系统可只包括水箱液位控制单元31或同时包括水箱液位比较单元30和水箱液位控制单元31;所述的燃料电池增湿系统采用水箱液位控制单元31使得水箱36中的液位维持在设定范围内,实现了水箱液位的自动控制。
根据本发明的第九种具体实施方式,如图12所示,所述水箱液位测量装置20为可设定预定液位范围的超声波液位计,该系统还包括水箱液位控制单元31;
水箱液位测量装置20用于检测水箱36中的液位以及判断液位是否在预定的范围内,并将检测结果发送给水箱液位控制单元31;水箱液位控制单元31用于根据水箱液位测量装置20的检测结果,控制加水装置32;
水箱液位测量装置20一端与水箱36连接,另一端与水箱液位控制单元31连接,加水装置32与水箱液位控制单元31连接,如图13a所示;
预先对水箱液位测量装置20设定一个液位范围,如图22所示;
当水箱液位测量装置20测得的液位大于或等于预先存储的液位范围的上限时,水箱液位测量装置20发出表示液位偏高的电信号至水箱液位控制单元31,水箱液位控制单元31接收到该电信号,停止加水装置32向水箱36加水;
当水箱液位测量装置20测得的液位小于或等于预先存储的液位范围的下限时,水箱液位测量装置20发出表示液位偏低的电信号至水箱液位控制单元31,水箱液位控制单元31接收到该电信号,启动加水装置32向水箱36加水。
根据本发明的第十种具体实施方式,所述水箱液位测量装置20为能发出表示液位高低的电信号的浮球液位计,该系统还包括水箱液位比较单元30和水箱液位控制单元31;
水箱液位测量装置20用于检测水箱36中的液位,并将检测结果发送到水箱液位比较单元30;
水箱液位比较单元3接收来自水箱液位测量装置20的电信号,将该电信号与存储的表示液位范围的电信号进行比对,将比对结果发送给水箱液位控制单元31;
水箱液位控制单元31用于接收来自水箱液位比较单元30的比对结果,根据比对结果,控制加水装置32;
水箱液位测量装置20一端与水箱36连接,另一端与水箱液位比较单元30连接,再连接到水箱液位控制单元31,加水装置32与水箱液位控制单元31连接,如图13b所示;
水箱液位比较单元30预先存储有一个表示液位范围的电信号范围,水箱液位比较单元30接收水箱液位测量装置20所测得的表示水箱中液位的电信号,并将该电信号与预先存储的表示液位范围的电信号范围进行比对,如图23所示;
当该电信号大于或等于预先存储的表示液位范围的电信号范围的上限时,水箱液位比较单元30向水箱液位控制单元31发送保持液位的指令,水箱液位控制单元31接收该指令,停止加水装置32向水箱36加水;
当该电信号小于或等于所述表示液位范围的电信号范围的下限时,水箱液位比较单元30向水箱液位控制单元31发出液位偏低的指令,水箱液位控制单元31接收该指令,启动加水装置32向水箱36加水。
为了减少加入水箱36的供增湿使用的水的次数,去离子器35的出口可以与水箱36连通,进口可以与位于气体容器1底部的出水口13连通,如图12a所示;气体容器1中多余的液态水经出水口13排出,进入去离子器35进行去离子处理,然后进入水箱36中以供增湿使用。
在湿度调节、液位调节和水箱液位调节中,所述湿度控制单元27为任意可以根据指示控制驱动装置3或水量调节阀17的控制器,所述液位控制单元28为任意可以根据指示控制阀门驱动装置25或阀门7的控制器,所述水箱液位控制单元31为任意可以根据指示控制加水装置32的控制器,例如可以为PLC或单片机。
Claims (14)
1、一种燃料电池增湿系统,该系统包括增湿装置、水气分离器(34)、去离子器(35),所述水气分离器(34)与去离子器(35)连接,其特征在于,所述增湿装置包括气体容器(1)、雾化喷嘴(2)、水量调节阀(17)和湿度测量装置(5);
气体容器(1)具有与气体容器(1)内部连通的气体进气口(11)和气体出气口(12),气体进气口(11)用于向气体容器(1)引入待增湿的气体,气体出气口(12)用于将增湿后的气体引入燃料电池的膜电极;
雾化喷嘴(2)包括雾化部件(22)和水雾出口(23),雾化部件(22)用于将水雾化,水雾出口(23)位于所述气体容器(1)的内部,用于将经过雾化后的水雾喷入气体容器(1)中;
水量调节阀(17)用于调节雾化喷嘴(2)的进水量;
湿度测量装置(5)位于气体容器(1)的气体出气口(12)处,用于检测流经气体出气口(12)的气体的湿度;
水气分离器(34)用于将燃料电池反应生成的气体和水分离;
去离子器(35)用于将水气分离器(34)分离出的水去离子化。
2、根据权利要求1所述的燃料电池增湿系统,其特征在于,所述增湿装置还包括管道(16),雾化喷嘴(2)通过管道(16)与去离子器(35)相连,所述的水量调节阀(17)安装在雾化部件(22)上或管道(16)上。
3、根据权利要求1或2所述的燃料电池增湿系统,其特征在于,水量调节阀(17)为具有控制端的电磁阀;所述湿度测量装置(5)为可设定预定湿度范围的超声波湿度计,所述的增湿装置还包括湿度控制单元(27);
湿度测量装置(5)用于检测气体出气口(12)的气体的湿度以及判断气体的湿度是否在预定的范围内,并将检测结果发送给湿度控制单元(27);湿度控制单元(27)用于根据湿度测量装置(5)的检测结果调节水量调节阀(17)。
4、根据权利要求1或2所述的燃料电池增湿系统,其特征在于,水量调节阀(17)为具有控制端的电磁阀;所述湿度测量装置(5)为能发出表示湿度大小的电信号的湿度传感器,所述增湿装置还包括湿度比较单元(9)和湿度控制单元(27);
湿度测量装置(5)用于检测气体出气口(12)的气体的湿度,并将检测结果发送给湿度比较单元(9);
湿度比较单元(9)用于接收来自湿度测量装置(5)的电信号,将该电信号与存储的表示湿度范围的电信号进行比对,将比对结果发送给湿度控制单元(27);
湿度控制单元(27)用于接收来自湿度比较单元(9)的比对结果,根据比对结果,调节水量调节阀(17)。
5、根据权利要求1或2所述的燃料电池增湿系统,其特征在于,气体容器(1)具有与气体容器(1)内部连通、位于气体容器(1)底部的出水口(13)和安装在出水口(13)上的阀门(7),出水口(13)用于将气体容器(1)中多余的水排出,阀门(7)用于控制出水口(13)的出水量。
6、根据权利要求5所述的燃料电池增湿系统,其特征在于,该系统还包括液位测量装置(6),液位测量装置(6)设置在气体容器(1)上,用于测量气体容器(1)内部的液态水的液位。
7、根据权利要求6所述的燃料电池增湿系统,其特征在于,阀门(7)为具有控制端的电磁阀门;所述液位测量装置(6)为可设定预定液位范围的超声波液位计,该系统还包括液位控制单元(28);
液位测量装置(6)用于检测气体容器(1)中的液位以及判断液位是否在预定的范围内,并将检测结果发送给液位控制单元(28),液位控制单元(28)用于根据液位测量装置(6)的检测结果调节阀门(7)。
8、根据权利要求6所述的燃料电池增湿系统,其特征在于,阀门(7)为具有控制端的电磁阀门;所述液位测量装置(6)为能发出表示液位高低的电信号的浮球液位计,该系统还包括液位比较单元(15)和液位控制单元(28);
液位测量装置(6)用于检测气体容器(1)中的液位,并将检测结果发送给液位比较单元(15);
液位比较单元(15)用于接收来自液位测量装置(6)的电信号,将该电信号与存储的表示液位范围的电信号进行比对,将比对结果发送给液位控制单元(28);
液位控制单元(28)用于接收来自液位比较单元(15)的比对结果,根据比对结果,调节阀门(7)。
9、根据权利要求2或6所述的燃料电池增湿系统,其特征在于,该系统还包括加水装置(32)和水箱(36),加水装置(32)用于向水箱(36)加水,所述管道(16)将雾化喷嘴(2)与去离子器(35)和水箱(36)连通,用于将水箱(36)中的水引入雾化部件(22)。
10、根据权利要求9所述的燃料电池增湿系统,其特征在于,该系统还包括水箱液位测量装置(20),水箱液位测量装置(20)设置在水箱(36)上,用于测量水箱(36)内部的液位。
11、根据权利要求10所述的燃料电池增湿系统,其特征在于,所述水箱液位测量装置(20)为可设定预定液位范围的超声波液位计,该系统还包括水箱液位控制单元(31);
水箱液位测量装置(20)用于检测水箱(36)中的液位以及判断液位是否在预定的范围内,并将检测结果发送给水箱液位控制单元(31);水箱液位控制单元(31)用于根据水箱液位测量装置(20)的检测结果,控制加水装置(32)。
12、根据权利要求10所述的燃料电池增湿系统,其特征在于,所述水箱液位测量装置(20)为能发出表示液位高低的电信号的浮球液位计,该系统还包括水箱液位比较单元(30)和水箱液位控制单元(31);
水箱液位测量装置(20)用于检测水箱(36)中的液位,并将检测结果发送到水箱液位比较单元(30);
水箱液位比较单元(30)接收来自水箱液位测量装置(20)的电信号,将该电信号与存储的表示液位范围的电信号进行比对,将比对结果发送给水箱液位控制单元(31);
水箱液位控制单元(31)用于接收来自水箱液位比较单元(30)的比对结果,根据比对结果,控制加水装置(32)。
13、根据权利要求9所述的燃料电池增湿系统,其特征在于,去离子器(35)的出口与水箱(36)相通。
14、根据权利要求1或2所述的燃料电池增湿系统,其特征在于,去离子器(35)的进口与气体容器(1)相通。
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