CN111864236A - 一种燃料电池加湿系统及加湿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池加湿系统及加湿方法，所述加湿系统包括空气过滤机构、空气流量计、空气压缩机构、电堆、换热器和雾化机构，空气过滤机构的出气口与空气流量计的进气口通过管道连通，空气流量计的出气口与空气压缩机构的进气口通过管道连通，空气压缩机构的出气口与电堆的空气入口通过管道连通，电堆的空气出口与换热器的水气入口通过管道连通，换热器的排水口与雾化机构的水路入口通过管道连通，雾化机构的水雾出口与电堆的空气入口通过管道连通，且连接二者的管道上设有引射器。本针对现有空气路加湿装置结构复杂，体积偏大，稳定性或成本过高的问题，提供一种燃料电池加湿系统及加湿方法。

Description

一种燃料电池加湿系统及加湿方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域。更具体地说，本发明涉及一种燃料电池加湿系统及加湿方法。
背景技术
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，它由多片双极板及MEA膜电极组成。
燃料电池电堆运行过程，MEA膜湿度需适中，过低则膜以及立体化试剂的电导率都太低，电池内阻增加，性能下降，过高则会造成水淹，气体进入电极阻力增加，性能也不好。
燃料电池电堆在运行过程，空气路都需要适度加湿，以保证MEA处于最佳状态。加湿方式主要有喷淋法、鼓泡式以及膜加湿器的方式。喷淋及鼓泡方式对设备及场地要求较高，除加湿外还要要求有除湿设备，加湿效果波动较大，时效性较差，稳定性不好；膜加湿器采用干湿气体对流的形式加湿，加湿效果不可控，且市面上膜加湿器成本昂贵，难以满足电堆性能差异化的加湿需求；
专利CN201721766270.9揭露了一种燃料电池测试设备气体加湿装置，利用水雾化后喷洒在加热板上加热，气化后注入空气管道混合，该装置结构复杂，体积较大，仅能用于测试台设备中；专利200710030353.6揭露了一种氢燃料电池全自动加湿和水管理系统，其包括超声波雾化箱，冷凝器，电堆空气路，冷却器及控制组件等部件，部件繁多，体积较大，成本也较高。
发明内容
本发明的目的是针对现有空气路加湿装置结构复杂，体积偏大，稳定性或成本过高的问题，提供一种燃料电池加湿系统及加湿方法。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种燃料电池加湿系统，包括空气过滤机构、空气流量计、空气压缩机构、电堆、换热器和雾化机构，所述空气过滤机构的出气口与所述空气流量计的进气口通过管道连通，所述空气流量计的出气口与所述空气压缩机构的进气口通过管道连通，所述空气压缩机构的出气口与所述电堆的空气入口通过管道连通，所述电堆的空气出口与所述换热器的水气入口通过管道连通，所述换热器的排水口与所述雾化机构的水路入口通过管道连通，所述雾化机构的水雾出口与所述电堆的空气入口通过管道连通，且连接二者的管道上设有引射器。
优选的是，所述的一种燃料电池加湿系统中，所述换热器包括第一壳体、进气管、出气管、冷却管道和排水管，所述进气管和出气管分别设置在所述第一壳体两侧，且所述进气管的一端和所述出气管的一端均与所述第一壳体内部连通，所述进气管的另一端分别与所述电堆的空气出口通过管道连通，所述冷却管道设置在所述第一壳体内，其进液口和出液口分别贯穿所述第一壳体的内壁并延伸至所述第一壳体外，所述第一壳体的下端设有出液口，所述排水管竖直设置在所述设置在所述第一壳体下端，且其上端开口与所述第一壳体的出液口连通，其下端通过管道与所述雾化机构的水路入口连通，所述排水管上还设有单向阀。
优选的是，所述的一种燃料电池加湿系统中，所述冷却管道包括多根间隔设置的第一圆管，位于两侧的两根所述第一圆管均一端开口另一端封闭，二者的开口端穿出所述第一壳体并构成所述冷却管道的进液口和出液口，其他所述第一圆管的两端封闭并均与所述第一壳体的内壁连接，任意相邻的两根第一圆管之间通过第二圆管连通，所述第一圆管上均可转动的套设有一圆筒，所述圆筒上沿周向均布有多个均沿其径向设置的冷却片。
优选的是，所述的一种燃料电池加湿系统中，所述圆筒的两端分别通过轴承与对应的所述圆管转动连接。
优选的是，所述的一种燃料电池加湿系统中，还包括第一控制器，所述第一壳体的出液口处设有第一压力传感器，所述第一压力传感器和所述单向阀分别与所述第一控制器电连接。
优选的是，所述的一种燃料电池加湿系统中，所述雾化机构包括第二壳体、入水管和至少一个超声波雾化片，所述入水管竖直设置在所述第二壳体上端，所述入水管的上端与所述换热器的排水口过管道连通，其下端与所述第二壳体内部连通，所述第二壳体的侧壁上设有所述水雾出口，所述引射器的进水口通过管道与所述水雾出口连通，所述超声波雾化片水平设置在所述第二壳体中，所述超声波雾化片下端均设有加湿棉棒，所述加湿棉棒的上端向上延伸至对应的所述超声波雾化片下端，其下端向下延伸至第二壳体内的液体中。
优选的是，所述的一种燃料电池加湿系统中，还包括出水管，所述出水管竖直设置在所述第二壳体下端，且其上端开口与所述第二壳体内部连通。
优选的是，所述的一种燃料电池加湿系统中，还包括第二控制器、第二压力传感器和电磁阀，所述第二压力传感器设置在所述第二壳体的底壁上，所述电磁阀设置在所述出水管上，所述第二压力传感器和电磁阀分别与所述第二控制器电连接。
优选的是，所述的一种燃料电池加湿系统中，所述超声波雾化片设置为多个，多个所述超声波雾化片间隔设置在所述第二壳体内。
本发明还提供一种燃料电池加湿方法，采用上述燃料电池加湿系统，包括以下步骤：
S1、将所述空气过滤机构过滤后的空气通入所述空气压缩机构中；
S2、通过所述引射器将所述雾化机构排出的水雾同所述S1中所述空气压缩机构排出的空气一起送到所述电堆内进行加湿；
S3、将所述电堆排出的空气排入所述换热器内，并将所述换热器排出的水排入所述雾化机构中，对所述雾化机构进行补水。
本发明针对现有空气路加湿装置结构复杂，体积偏大，稳定性或成本过高的问题，提供一种利用电堆空气出口气体冷凝后再次雾化及引射原理的燃料电池加湿系统，将电堆空气出口水汽冷凝后，经过雾化腔雾化，再次引射入电堆空气入口进行加湿的加湿方案；
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述的燃料电池加湿系统的结构示意图；
图2为本发明所述的换热器的结构示意图；
图3为本发明所述的换热器的剖视图；
图4为本发明所述的雾化机构的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明的实施例提供一种提供了一种燃料电池加湿系统，包括空气过滤机构、空气流量计、空气压缩机构、电堆、换热器和雾化机构，所述空气过滤机构的出气口与所述空气流量计的进气口通过管道连通，所述空气流量计的出气口与所述空气压缩机构的进气口通过管道连通，所述空气压缩机构的出气口与所述电堆的空气入口通过管道连通，所述电堆的空气出口与所述换热器的水气入口通过管道连通，所述换热器的排水口与所述雾化机构的水路入口通过管道连通，所述雾化机构的水雾出口与所述电堆的空气入口通过管道连通，且连接二者的管道上设有引射器。
上述实施例中，空气过滤机构采用化学空滤，通过空气过滤机构可以滤除空气中粉尘及杂质颗粒，还可滤除空气中残留的一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等对电堆有损伤的有害气体，将空气过滤机构过滤后的空气通过空气流量计后通入空气压缩机构送到燃料电池的电堆内，其中，空气流量计入口出压力需与大气压力保持一致，才能保证空气流量计所测质量流量的准确性；然后通过引射器将雾化机构排出的水雾和空气过滤机构排出的高压空气一起送到电堆对电堆进行加湿；在将换热器内产生的水流排到雾化机构中作为雾化机构中水雾的来源，实现雾化水的循环利用。
优选地，作为本发明另外一个实施例，如图2-图3所示，所述换热器包括第一壳体1、进气管2、出气管3、冷却管道和排水管4，所述进气管2和出气管3分别设置在所述第一壳体1两侧，且所述进气管2的一端和所述出气管3的一端均与所述第一壳体1内部连通，所述进气管2的另一端分别与所述电堆的空气出口通过管道连通，所述冷却管道设置在所述第一壳体1内，其进液口和出液口分别贯穿所述第一壳体1的内壁并延伸至所述第一壳体1外，所述第一壳体1的下端设有出液口，所述排水管4竖直设置在所述设置在所述第一壳体1下端，且其上端开口与所述第一壳体1的出液口连通，其下端通过管道与所述雾化机构的水路入口连通，所述排水管4上还设有单向阀。
上述实施例中，冷却管道的进液口和出液口连入外接的冷却液循环系统，将冷却液引入冷却管道内进行循环，从而对通过进气管2进入第一壳体1内的空气进行冷却，空气冷却后，其中的水分会液化从而落到第一壳体1内，并通过排水管4排到雾化机构。
优选地，作为本发明另外一个实施例，所述冷却管道包括多根间隔设置的第一圆管5，位于两侧的两根所述第一圆管5均一端开口另一端封闭，二者的开口端穿出所述第一壳体1并构成所述冷却管道的进液口和出液口，其他所述第一圆管5的两端封闭并均与所述第一壳体1的内壁连接，任意相邻的两根第一圆管5之间通过第二圆管6连通，所述第一圆管5上均可转动的套设有一圆筒7，所述圆筒7上沿周向均布有多个均沿其径向设置的冷却片8。
上述实施例中，多根第一圆管5和多根第二圆管6组成冷却管道，为了增强冷却管道的冷却效果，在每根第一圆管5上套设圆筒7，圆筒7上沿周向均布有多个均沿其径向设置的冷却片8，扩大第一圆管5和第一壳体1内空气的接触面积，第一壳体1内空气中的水分在冷却片8上冷凝成水珠后，同时通过进入第一壳体1内的气流带动圆筒7在对应的第一圆管5上转动，从而更容易的将圆筒7以及冷却片8上的水珠洒到第一壳体1中。
优选地，作为本发明另外一个实施例，所述圆筒7的两端分别通过轴承9与对应的所述圆管转动连接。
上述实施例中，圆筒7的两端分别通过轴承9与对应的第一圆管5转动连接，轴承9的内圈与对应的第一圆管5同轴连接，外圈与圆筒7的端部连接，使得圆筒7和对应的第一圆管5之间的转动更加容易。
优选地，作为本发明另外一个实施例，还包括第一控制器，所述第一壳体1的出液口处设有第一压力传感器，所述第一压力传感器和所述单向阀分别与所述第一控制器电连接。
上述实施例中，通过在第一壳体1的出液口处设有第一压力传感器，获取第一壳体1的出液口处的水压，单向阀采用电磁阀，当水压过大时，即第一壳体1内累计的水过多时，第一控制器控制单向阀打开，及时将第一壳体1内多余的水排出。
优选地，作为本发明另外一个实施例，如图4所示，所述雾化机构包括第二壳体10、入水管11和至少一个超声波雾化片12，所述入水管11竖直设置在所述第二壳体10上端，所述入水管11的上端与所述换热器的排水口过管道连通，其下端与所述第二壳体10内部连通，所述第二壳体10的侧壁上设有所述水雾出口，所述引射器的进水口通过管道与所述水雾出口连通，所述超声波雾化片12水平设置在所述第二壳体10中，所述超声波雾化片12下端均设有加湿棉棒13，所述加湿棉棒13的上端向上延伸至对应的所述超声波雾化片12下端，其下端向下延伸至第二壳体10内的液体中。
上述实施例中，将雾化机构接入燃料电池加湿系统中，换热器内排出的水通过入水管11进入第二壳体10内，并在第二壳体10内形成积水，通过在第二壳体10内间隔设置有多个超声波雾化片12，并在每个超声波雾化片12下端设置加湿棉棒13，加湿棉棒13下端浸入第二壳体10内的积水中，以通过加湿棉棒13向对应的超声波雾化片12提供液态水，超声波雾化片12利用电子高频震荡，通过陶瓷雾化片的高频谐振，将液态水分子结构打散而产生自然飘逸的水雾，再通过将燃料电池加湿系统的引射器的进水口通过管道与水雾出口连通，将第二壳体10内产生的水雾通过引射器送到电堆中。
优选地，作为本发明另外一个实施例，还包括出水管14，所述出水管14竖直设置在所述第二壳体10下端，且其上端开口与所述第二壳体10内部连通；还包括第二控制器、第二压力传感器和电磁阀，所述第二压力传感器设置在所述第二壳体10的底壁上，所述电磁阀设置在所述出水管14上，所述第二压力传感器和电磁阀分别与所述第二控制器电连接。
上述实施例中，通过在出水管14上设置第二压力传感器，通过第二压力传感器获取第二壳体10的底壁处的水压，提前在第二控制器内设置压力阈值，当第二压力传感器获取的水压超过压力阈值时，控制器控制电磁阀打开排水，从而降低第二壳体10内积水的水位，避免超声波雾化片12浸入第二壳体10内的积水中。
本发明还提供一种燃料电池加湿系统加湿方法，采用上述燃料电池加湿系统，包括以下步骤：
S1、将所述空气过滤机构过滤后的空气通入所述空气压缩机构中；
S2、通过所述引射器将所述雾化机构排出的水雾同所述S1中所述空气压缩机构排出的空气一起送到所述电堆内进行加湿；
S3、将所述电堆排出的空气排入所述换热器内，并将所述换热器排出的水排入所述雾化机构中，对所述雾化机构进行补水。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (10)

1.一种燃料电池加湿系统，其特征在于，包括空气过滤机构、空气流量计、空气压缩机构、电堆、换热器和雾化机构，所述空气过滤机构的出气口与所述空气流量计的进气口通过管道连通，所述空气流量计的出气口与所述空气压缩机构的进气口通过管道连通，所述空气压缩机构的出气口与所述电堆的空气入口通过管道连通，所述电堆的空气出口与所述换热器的水气入口通过管道连通，所述换热器的排水口与所述雾化机构的水路入口通过管道连通，所述雾化机构的水雾出口与所述电堆的空气入口通过管道连通，且连接二者的管道上设有引射器。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池加湿系统，其特征在于，所述换热器包括第一壳体(1)、进气管(2)、出气管(3)、冷却管道和排水管(4)，所述进气管(2)和出气管(3)分别设置在所述第一壳体(1)两侧，且所述进气管(2)的一端和所述出气管(3)的一端均与所述第一壳体(1)内部连通，所述进气管(2)的另一端分别与所述电堆的空气出口通过管道连通，所述冷却管道设置在所述第一壳体(1)内，其进液口和出液口分别贯穿所述第一壳体(1)的内壁并延伸至所述第一壳体(1)外，所述第一壳体(1)的下端设有出液口，所述排水管(4)竖直设置在所述设置在所述第一壳体(1)下端，且其上端开口与所述第一壳体(1)的出液口连通，其下端通过管道与所述雾化机构的水路入口连通，所述排水管(4)上还设有单向阀。
3.如权利要求2所述的一种燃料电池加湿系统，其特征在于，所述冷却管道包括多根间隔设置的第一圆管(5)，位于两侧的两根所述第一圆管(5)均一端开口另一端封闭，二者的开口端穿出所述第一壳体(1)并构成所述冷却管道的进液口和出液口，其他所述第一圆管(5)的两端封闭并均与所述第一壳体(1)的内壁连接，任意相邻的两根第一圆管(5)之间通过第二圆管(6)连通，所述第一圆管(5)上均可转动的套设有一圆筒(7)，所述圆筒(7)上沿周向均布有多个均沿其径向设置的冷却片(8)。
4.如权利要求3所述的一种燃料电池加湿系统，其特征在于，所述圆筒(7)的两端分别通过轴承(9)与对应的所述圆管转动连接。
5.如权利要求2所述的一种燃料电池加湿系统，其特征在于，还包括第一控制器，所述第一壳体(1)的出液口处设有第一压力传感器，所述第一压力传感器和所述单向阀分别与所述第一控制器电连接。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种燃料电池加湿系统，其特征在于，所述雾化机构包括第二壳体(10)、入水管(11)和至少一个超声波雾化片(12)，所述入水管(11)竖直设置在所述第二壳体(10)上端，所述入水管(11)的上端与所述换热器的排水口过管道连通，其下端与所述第二壳体(10)内部连通，所述第二壳体(10)的侧壁上设有所述水雾出口，所述引射器的进水口通过管道与所述水雾出口连通，所述超声波雾化片(12)水平设置在所述第二壳体(10)中，所述超声波雾化片(12)下端均设有加湿棉棒(13)，所述加湿棉棒(13)的上端向上延伸至对应的所述超声波雾化片(12)下端，其下端向下延伸至第二壳体(10)内的液体中。
7.如权利要求6所述的一种燃料电池加湿系统，其特征在于，还包括出水管(14)，所述出水管(14)竖直设置在所述第二壳体(10)下端，且其上端开口与所述第二壳体(10)内部连通。
8.如权利要求7所述的一种燃料电池加湿系统，其特征在于，还包括第二控制器、第二压力传感器和电磁阀，所述第二压力传感器设置在所述第二壳体(10)的底壁上，所述电磁阀设置在所述出水管(14)上，所述第二压力传感器和电磁阀分别与所述第二控制器电连接。
9.如权利要求6所述的一种燃料电池加湿系统，其特征在于，所述超声波雾化片(12)设置为多个，多个所述超声波雾化片(12)间隔设置在所述第二壳体(10)内。
10.一种燃料电池加湿系统加湿方法，采用权利要求1-9任一项所述的燃料电池加湿系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将所述空气过滤机构过滤后的空气通入所述空气压缩机构中；
S2、通过所述引射器将所述雾化机构排出的水雾同所述S1中所述空气压缩机构排出的空气一起送到所述电堆内进行加湿；
S3、将所述电堆排出的空气排入所述换热器内，并将所述换热器排出的水排入所述雾化机构中，对所述雾化机构进行补水。
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