CN111883804A - 一种质子交换膜燃料电池系统用空压机加湿装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池系统用空压机加湿装置，包括：燃料电池；高压氢气瓶，连接所述燃料电池的氢气进口；水泵，连接所述燃料电池的尾排纯水出水口；空气压缩机，所述空气压缩机的排气口连接所述燃料电池的空气进口；雾化喷嘴，设置在所述空气压缩机的进气端，并连接所述水泵。本发明利用燃料电池电堆反应完产生的尾排纯水，回收利用，然后利用水泵通过雾化喷嘴喷回空气压缩机的进气端，以此来增加空气的湿度、降低空气的温度。

Description

一种质子交换膜燃料电池系统用空压机加湿装置
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池系统用空压机加湿装置。
背景技术
石油的日益紧张，能源的清洁化、多样化将是未来的主旋律，而以氢气为能源的燃料电池汽车，更是被市场视为汽车的终极形态。
燃料电池采用氢氧质子交换来产生电能，氢气采用高压氢气瓶来供给，而空气中因富含21％的氧气，所以氧气路采用压缩空气来供给。
入电堆的空气需要满足温度、湿度、压力、流量的要求，世界上主流方案，流量和压力是由空压机来控制，温度由空压机排气口的中间冷却器控制，湿度由电堆前端的加湿器控制，该方案结构复杂、成本高昂、占用系统空间极大，并且其中加湿器技术难度高，大部分的总成厂及车企均需要采购韩国的薄膜加湿器，国内并没有可选择的供应商，增加了成本。
发明内容
针对现有技术的问题，本发明提供一种质子交换膜燃料电池系统用空压机加湿装置，利用燃料电池电堆反应完产生的尾排纯水，回收利用，然后利用水泵通过雾化喷嘴喷回空气压缩机的进气端，以此来增加空气的湿度、降低空气的温度。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种质子交换膜燃料电池系统用空压机加湿装置，包括：
燃料电池；
高压氢气瓶，连接所述燃料电池的氢气进口；
水泵，连接所述燃料电池的尾排纯水出水口；
空气压缩机，所述空气压缩机的排气口连接所述燃料电池的空气进口；
雾化喷嘴，设置在所述空气压缩机的进气端，并连接所述水泵。
进入燃料电池的空气必须是绝对无油的气体，否则会污染损坏电堆，因此空气压缩机为高精度间歇式转子叶片的空压机，使得压缩腔内保证绝对的无油洁净，但这样的方式带来的问题是空压机高压比的时候，大量的高压气体会通过间隙会漏，导致空压机的温度急剧上升、温度的上升又会使得转子叶片膨胀，造成转子叶片间的刮擦损坏，所以只能在低压比区间使用；而燃料电池压比越高，能量密度也越高的特性，注定未来的压缩机趋势是高压比。因此空气压缩机只能在低压比区间使用和燃料电池需要高压比一直是矛盾所在。
而采用了本发明的装置，雾化喷水向空气压缩机内喷入水，空气压缩机内有了水的介入，弥补了转子叶片间的间隙，减少了高压气体的回流，并降低了空压机整体的温度，所以空压机的压比可以成倍的提高而空压机不损坏。
优选地，所述空气压缩机的排气口设置湿度传感器和温度传感器。可以实时监测进入燃料电池的空气湿度和温度。
优选地，还包括空气过滤器，空气过滤器连接所述空气压缩机的进气端，空气进入空气压缩机之前经过空气过滤器过滤掉杂质。
优选地，还包括循环水箱，所述燃料电池的尾排纯水出水口连接所述循环水箱的进水口，所述水泵连接所述循环水箱的出水口。
优选地，还包括控制器，所述空气压缩机、高压氢气瓶的阀门、水泵、燃料电池、湿度传感器和温度传感器均与所述控制器信号连接。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
本发明的装置利用回收利用燃料电池电堆反应产生的尾排纯水，采用水泵通过雾化喷嘴向空气压缩机进气端，以此在燃料电池系统运行时就可达到循环，即空气压缩机启动，空气进入燃料电池，电堆反应产生水，水循环回空气压缩机冷却并加湿进入燃料电池的气体。
喷水量通过控制水泵的转速来控制，进而控制空气压缩机排出的空气湿度和温度。可以设置空气压缩机和水泵的对应转速关系，使得空气压缩机的排气达到电堆需要的流量、压力、温度和湿度的要求。
同时由于空气压缩机内部有了水的介入，弥补了转子叶片间的间隙，减少了高压气体的回流，并降低了空气压缩机整体的温度，所以空气压缩机的压比可以成倍的提高而不损坏空气压缩机。
本发明仅采用雾化喷嘴和水泵取代了传统的中间冷却器和加湿器，并大大提高了空气压缩机的压比，极大地降低了成本，使得整体系统变得小型化、结构简单，极大增加了质子交换膜燃料电池车在汽车市场上的竞争力。
附图说明
图1为本发明的实施例的质子交换膜燃料电池系统用空压机加湿装置的示意图；
图2为现有的质子交换膜燃料电池系统；
图3为图1中I的放大图。
附图标记说明：1-燃料电池；2-空气压缩机；3-水泵；4-空气过滤器；5-雾化喷嘴；6-中间冷却器；7-薄膜加湿器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种质子交换膜燃料电池系统用空压机加湿装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
参看图1和图3，在一个实施例中，一种质子交换膜燃料电池系统用空压机加湿装置，包括：燃料电池1、循环水箱、高压氢气瓶、水泵3、空气压缩机2、雾化喷嘴5、空气过滤器4以及控制器；高压氢气瓶连接燃料电池1的氢气进口；循环水箱通过管道连接燃料电池1的尾排纯水出水口，一般循环水箱中设置冷却水的冷却器，使循环水箱的温度保持恒温，水泵3通过管道连接循环水箱的出水口；空气压缩机2的排气口通过管道连接燃料电池1的空气进口；雾化喷嘴5设置在空气压缩机2的进气端，并通过管道连接水泵3；空气过滤器4通过管道连接空气压缩机2的进气端，空气进入空气压缩机2之前经过空气过滤器4过滤掉杂质；
空气压缩机2的排气口设置湿度传感器和温度传感器。可以实时监测测进入燃料电池1的空气湿度和温度；
空气压缩机2、高压氢气瓶的阀门、水泵3、燃料电池1、湿度传感器和温度传感器均与控制器信号连接，控制器可控制空气压缩机2、水泵3、燃料电池1是否开启，控制高压氢气瓶是否向燃料电池1内排入空气，温度传感器和温度传感器将温度和湿度转化为电信号，并向控制器发送电信号，控制器将电信号转化为数据信息，进而调节水泵3转速。
通过观察空气压缩机2排出的空气湿度和温度，调节水泵3的转速，进而调节喷入空气压缩机2的喷水量，使得进入燃料电池1的空气达到温度和湿度的要求。
进入燃料电池1的空气必须是绝对无油的气体，否则会污染损坏电堆，因此空气压缩机2为高精度间歇式转子叶片的空压机，使得压缩腔内保证绝对的无油洁净，但这样的方式带来的问题是空压机高压比的时候，大量的高压气体会通过间隙会漏，导致空压机的温度急剧上升、温度的上升又会使得转子叶片膨胀，造成转子叶片间的刮擦损坏，所以只能在低压比区间使用；而燃料电池1压比越高，能量密度也越高的特性，注定未来的压缩机趋势是高压比。因此空气压缩机2只能在低压比区间使用和燃料电池1需要高压比一直是矛盾所在。
而采用了本发明的装置，雾化喷水向空气压缩机2内喷入水，空气压缩机2内有了水的介入，弥补了转子叶片间的间隙，减少了高压气体的回流，并降低了空压机整体的温度，所以空压机的压比可以成倍的提高而空压机不损坏。
如图2所示，进入燃料电池1的空气需要满足温度、湿度、压力、流量的要求，一般流量和压力由空气压缩机2来控制，温度由空气压缩机2排气口的中间冷却器6控制，湿度由燃料电池1电堆前端的薄膜加湿器7控制，而需要的薄膜加湿器7还需要进口，国内还没有此类的生产厂商，现有的燃料电池1系统结构复杂，成本高昂、占用空间极大。
而本发明的燃料电池1系统仅采用雾化喷嘴5和水泵3取代了传统的中间冷却器和需要进口的薄膜加湿器，并大大提高了空气压缩机2的压比，极大地降低了成本，使得整体系统变得小型化、结构简单，极大增加了质子交换膜燃料电池1车在汽车市场上的竞争力。
利用回收利用燃料电池1电堆反应产生的尾排纯水，采用水泵3通过雾化喷嘴5向空气压缩机2进气端，以此在燃料电池1系统运行时就可达到完美循环，即控制器控制空气压缩机2启动，排气进入燃料电池1，同步控制高压氢气进入燃料电池1，电堆反应产生电与纯水，纯水利用水泵3通过雾化喷嘴5打入空气压缩机2进气端，以降低空压机排气温度、增加湿度、提高空压机的压比。
燃料电池1停止运行时，先停氢气路和水泵3，空气压缩机2设置继续运行大概10s，再行停机，这样就利用空气压缩机2来吹扫管道，防止管路残留水，导致内部低温结冰。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明做出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种质子交换膜燃料电池系统用空压机加湿装置，其特征在于，包括：
燃料电池；
高压氢气瓶，连接所述燃料电池的氢气进口；
水泵，连接所述燃料电池的尾排纯水出水口；
空气压缩机，所述空气压缩机的排气口连接所述燃料电池的空气进口；
雾化喷嘴，设置在所述空气压缩机的进气端，并连接所述水泵。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池系统用空压机加湿装置，其特征在于，所述空气压缩机为高精度间歇式转子叶片的空压机。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池系统用空压机加湿装置，其特征在于，所述空气压缩机的排气口设置湿度传感器和温度传感器。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池系统用空压机加湿装置，其特征在于，还包括空气过滤器，空气过滤器连接所述空气压缩机的进气端。
5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池系统用空压机加湿装置，其特征在于，还包括循环水箱，所述燃料电池的尾排纯水出水口连接所述循环水箱的进水口，所述水泵连接所述循环水箱的出水口。
6.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池系统用空压机加湿装置，其特征在于，还包括控制器，所述空气压缩机、高压氢气瓶的阀门、水泵、燃料电池、湿度传感器和温度传感器均与所述控制器信号连接。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112397744A (zh) * 2020-11-24 2021-02-23 同济大学 一种氢燃料电池空气供应冷却系统
CN112635796A (zh) * 2020-12-18 2021-04-09 北京理工大学 一种用于燃料电池的水循环系统

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