CN112259762A - 一种燃料电池阴极增湿系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池技术领域，公开了一种燃料电池阴极增湿系统，包括燃料电池电堆、气液混合器、气体喷射器、空气压缩机总成和气液分离罐，所述空气压缩机总成的空气出口连接所述燃料电池电堆的进气口，所述气体喷射器设置在所述空气压缩机总成的空气出口与所述燃料电池电堆的进气口之间，所述气液混合器设置在所述气体喷射器与所述燃料电池电堆的进气口之间，所述空气压缩机总成的废气进口连接所述燃料电池电堆的出料口，所述气液分离罐设置在所述空气压缩机总成的废气进口与所述燃料电池电堆的出料口之间，且所述气液分离罐的出液口连接所述气体喷射器的进液口。本发明能提高系统的可靠性，对反应生成水进行收集和分离利用，保护废气涡轮。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池阴极增湿系统。
背景技术
目前，燃料电池系统在交通、备用电源及固定式发电等领域受到越来越多的关注，其在运行过程中需要阴极增湿系统为燃料电池电堆提供合适湿度的空气，从而提高质子交换膜燃料电池电堆的寿命。目前，常用的空气增湿均采用膜增湿器，然而膜增湿器由于加工工艺复杂，不仅导致价格较高，增加了成本，也导致可靠性较差。
另一方面，燃料电池电堆反应会产生废气及纯度较高的反应生成水，其中废气中的能量被回收，用于驱动空气压缩机总成中的废气涡轮，但其不仅没有利用反应生成水，反而反应生成水随废气一起进入废气涡轮，长期作用对废气涡轮造成一定的损害。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种燃料电池阴极增湿系统，降低成本，提高系统的可靠性，对反应生成水进行收集和分离利用，保护废气涡轮。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种燃料电池阴极增湿系统，包括燃料电池电堆、气液混合器、气体喷射器、空气压缩机总成和气液分离罐，所述空气压缩机总成的空气出口连接所述燃料电池电堆的进气口，所述气体喷射器设置在所述空气压缩机总成的空气出口与所述燃料电池电堆的进气口之间，所述气液混合器设置在所述气体喷射器与所述燃料电池电堆的进气口之间，所述空气压缩机总成的废气进口连接所述燃料电池电堆的出料口，所述气液分离罐设置在所述空气压缩机总成的废气进口与所述燃料电池电堆的出料口之间，且所述气液分离罐的出液口连接所述气体喷射器的进液口。
优选地，所述气体喷射器包括贯通的喷射器本体，所述喷射器本体的一端为连接所述空气压缩机总成的高压空气入口，所述喷射器本体的另一端为连接所述气液混合器的气液混合出口，所述进液口设置在所述喷射器本体的侧壁。
优选地，所述喷射器本体由所述高压空气入口至所述气液混合出口的方向依次包括用于提供负压空间的接收室、用于混合空气与水的混合室及扩散段，所述扩散段朝远离所述混合室的方向直接逐渐增大，所述进液口设置在所述接收室的侧壁。
优选地，所述气体喷射器还包括气体喷管，所述气体喷管包括气体喷管本体和工作喷嘴，所述气体喷管本体远离所述工作喷嘴的一端为所述高压空气入口，所述工作喷嘴的直径小于所述气体喷管本体的直径，且所述工作喷嘴位于所述接受室的内部。
优选地，所述空气压缩机总成包括外壳和同轴设置在所述外壳内部的离心压缩机、电机及废气涡轮，且所述电机位于所述离心压缩机及所述废气涡轮之间，所述离心压缩机连接所述气体喷射器，所述废气涡轮连接所述气液分离罐。
优选地，所述燃料电池电堆与所述气液混合器之间设有第一空气复合传感器及水空中冷机，且所述水空中冷机位于所述气液混合器与所述第一空气复合传感器之间。
优选地，所述空气压缩机总成的空气进口连接有空气滤清器及第二空气复合传感器，且所述第二空气复合传感器位于所述空气压缩机总成及所述空气滤清器之间。
优选地，所述气液分离罐的所述出液口设置在所述气液分离罐的下端，所述出液口与所述气体喷射器的所述进液口之间通过进水管连接，所述进水管上设有流量控制阀。
优选地，所述气液分离罐的下端还设有排液口，所述排液口上连接有排水阀，所述气液分离罐的内部设有液位传感器，所述气液分离罐的上部设有废气出口，所述废气出口通过排气管连接所述空气压缩机总成，所述排气管上设有第三空气复合传感器。
优选地，所述空气压缩机总成的排气口设有排气消声器。
本发明优选方案的一种燃料电池阴极增湿系统，其与现有技术相比，有益效果是：通过在空气压缩机总成的废气进口与燃料电池电堆的出料口之间设置气液分离罐，燃料电池电堆反应生成的反应生成水被收集和分离，使得进入废气涡轮的废气中不含有反应生成水，从而保护了废气涡轮。另一方面，通过在空气压缩机总成的空气出口与燃料电池电堆的进气口之间设置气体喷射器，并将气液分离罐的出液口连接气体喷射器的进液口，在气液分离罐中收集的反应生成水被吸入气体喷射器与空气混合，并在气液混合器中得到不含液体的湿空气进入燃料电池电堆，不仅充分利用了燃料电池电堆反应生产的反应生成水，同时采用气体喷射器进行增湿，相较于膜增湿器，由于其结构简单，从而降低了成本，也提高了系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明的燃料电池阴极增湿系统的结构示意图。
图2为本发明的燃料电池阴极增湿系统的气体喷射器的结构示意图。
其中：1-燃料电池电堆，2-气液混合器，3-气体喷射器，31-喷射器本体，311-接收室，312-混合室，313-扩散段，32-气体喷管，321-气体喷管本体，322-工作喷嘴，33-高压空气入口，34-气液混合出口，35-进液口，4-空气压缩机总成，41-离心压缩机，42-电机，43-废气涡轮，5-气液分离罐，6-第一空气复合传感器，7-水空中冷机，8-空气滤清器，9-第二空气复合传感器，a-进水管，b-流量控制阀，c-排水阀，d-液位传感器，e-排气消声器，f-背压阀，g-排气管，h-第三空气复合传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅附图1，本发明实施例优选实施例的一种燃料电池阴极增湿系统，包括燃料电池电堆1、气液混合器2、气体喷射器3、空气压缩机总成4和气液分离罐5，所述燃料电池电堆1采用金属/石墨双极板质子交换膜燃料电池电堆，所述空气压缩机总成4的空气出口连接所述燃料电池电堆1的进气口，所述气体喷射器3设置在所述空气压缩机总成4的空气出口与所述燃料电池电堆1的进气口之间，所述气液混合器2设置在所述气体喷射器3与所述燃料电池电堆1的进气口之间，所述空气压缩机总成4的废气进口连接所述燃料电池电堆1的出料口，所述气液分离罐5设置在所述空气压缩机总成4的废气进口与所述燃料电池电堆1的出料口之间，且所述气液分离罐5的出液口连接所述气体喷射器3的进液口。
基于上述技术特征的燃料电池阴极增湿系统，通过在空气压缩机总成4的废气进口与燃料电池电堆1的出料口之间设置气液分离罐5，燃料电池电堆1反应生成的反应生成水被收集和分离，使得进入废气涡轮43的废气中不含有反应生成水，从而保护了废气涡轮43。另一方面，通过在空气压缩机总成4的空气出口与燃料电池电堆1的进气口之间设置气体喷射器3，并将气液分离罐5的出液口连接气体喷射器3的进液口，在气液分离罐5中收集的反应生成水被吸入气体喷射器3与空气混合，并在气液混合器2中得到不含液体的湿空气进入燃料电池电堆1，不仅充分利用了燃料电池电堆1反应生产的反应生成水，同时采用气体喷射器3进行增湿，相较于膜增湿器，由于其结构简单，从而降低了成本，也提高了系统的稳定性。
请参阅附图2，本实施例中，所述气体喷射器3包括贯通的喷射器本体31，所述喷射器本体31的一端为连接所述空气压缩机总成4的高压空气入口33，所述喷射器本体31的另一端为连接所述气液混合器2的气液混合出口34，所述进液口35设置在所述喷射器本体31的侧壁。具体地，所述喷射器本体31由所述高压空气入口33至所述气液混合出口34的方向依次包括用于提供负压空间的接收室311、用于混合空气与水的混合室312及扩散段313。所述扩散段313朝远离所述混合室312的方向直接逐渐增大，从而可以降低混合汽的流速，提升混合汽压力。所述进液口35设置在所述接收室311的侧壁，同时，所述气体喷射器3还包括气体喷管32，所述气体喷管32包括气体喷管本体321和工作喷嘴322，所述气体喷管本体321远离所述工作喷嘴322的一端为所述高压空气入口33，所述工作喷嘴322的直径小于所述气体喷管本体321的直径，从而可以提升空气流速，降低空气压力，且所述工作喷嘴322位于所述接受室311的内部。因此，空气在经过所述空气压缩机总成4后得到高温高压的压缩空气，压缩空气经过所述气体喷管32，在所述气体喷管32的所述工作喷嘴322中喷出高速负压空气，从而可以将所述气液分离罐5中收集的反应生成水吸入所述接收室311，然后在所述混合室312与空气混合，充分雾化，形成的混合汽在所述扩散段313中增压，得到高压的气液混合汽，高压的混合汽进入所述气液混合器2，在所述气液混合器2内液体完全蒸发，融入空气，得到湿空气。
本实施例中，所述空气压缩机总成4包括外壳和同轴设置在所述外壳内部的离心压缩机41、电机42及废气涡轮43，且所述电机42位于所述离心压缩机41及所述废气涡轮43之间，所述离心压缩机41包括离心压缩叶轮及压缩蜗壳等，由驱动轴驱动，向空气输入动能来压缩空气，连接所述气体喷射器3；所述电机42由定子、转子等组成，用于驱动所述驱动轴旋转；所述废气涡轮43由向心膨胀涡轮机、膨胀机蜗壳等组成，连接所述气液分离罐5，由废气驱动，向所述驱动轴输入部分动能。
本实施例中，所述燃料电池电堆1与所述气液混合器2之间设有第一空气复合传感器6及水空中冷机7，且所述水空中冷机7位于所述气液混合器2与所述第一空气复合传感器6之间。从所述气液混合器2中得到的湿空气不能直接输送给所述燃料电池电堆1，需要通过所述水空中冷器7与燃料电池的冷却系统连接，降低空气的温度；所述第一空气复合传感器6为集成温度、压力和湿度探测功能的空气流量计，用于检测进入所述燃料电池电堆1中的空气的温度、压力和湿度，便于实时进行调整。
本实施例中，所述空气压缩机总成4的空气进口(即所述离心压缩机的进气口)连接有空气滤清器8及第二空气复合传感器9，且所述第二空气复合传感器9位于所述空气压缩机总成4及所述空气滤清器8之间。通过设置所述空气滤清器8，可以将进入所述离心压缩机41的空气中的灰尘和其他对燃料电池电堆1有害杂质过滤掉，保证燃料电池的使用安全及工作效率。
本实施例中，所述气液分离罐5的所述出液口设置在所述气液分离罐5的下端，所述出液口与所述气体喷射器3的所述进液口35之间通过进水管a连接，所述进水管a上设有流量控制阀b。所述第一空气复合传感器6与所述流量控制阀b电连接，所述第一空气复合传感器6通过检测空气的湿度控制所述流量控制阀b，从而调节进入所述气体喷射器3的反应生成水的流量。
另外，所述气液分离罐5的下端还设有排液口，所述排液口上连接有排水阀c，所述气液分离罐5的内部设有液位传感器d，所述排水阀c为电磁阀，与所述液位传感器d电连接，所述液位传感器d实时监测所述气液分离罐5中储存的水位，控制所述排水阀c的工作，从而保证所述气液分离罐5中的储水量，充分保证进入所述气体喷射器3的水量。所述气液分离罐5的上部设有废气出口，所述废气出口通过排气管g连接所述空气压缩机总成4，所述排气管上设有第三空气复合传感器h。
本实施例中，所述空气压缩机总成4的排气口设有排气消声器e。同时，所述燃料电池电堆1与所述气液分离罐5之间设有背压阀f，所述背压阀f用于控制所述燃料电池电堆1阴极的压力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种燃料电池阴极增湿系统，其特征在于：包括燃料电池电堆、气液混合器、气体喷射器、空气压缩机总成和气液分离罐，所述空气压缩机总成的空气出口连接所述燃料电池电堆的进气口，所述气体喷射器设置在所述空气压缩机总成的空气出口与所述燃料电池电堆的进气口之间，所述气液混合器设置在所述气体喷射器与所述燃料电池电堆的进气口之间，所述空气压缩机总成的废气进口连接所述燃料电池电堆的出料口，所述气液分离罐设置在所述空气压缩机总成的废气进口与所述燃料电池电堆的出料口之间，且所述气液分离罐的出液口连接所述气体喷射器的进液口。
2.如权利要求1所述的燃料电池阴极增湿系统，其特征在于：所述气体喷射器包括贯通的喷射器本体，所述喷射器本体的一端为连接所述空气压缩机总成的高压空气入口，所述喷射器本体的另一端为连接所述气液混合器的气液混合出口，所述进液口设置在所述喷射器本体的侧壁。
3.如权利要求2所述的燃料电池阴极增湿系统，其特征在于：所述喷射器本体由所述高压空气入口至所述气液混合出口的方向依次包括用于提供负压空间的接收室、用于混合空气与水的混合室及扩散段，所述扩散段朝远离所述混合室的方向直接逐渐增大，所述进液口设置在所述接收室的侧壁。
4.如权利要求3所述的燃料电池阴极增湿系统，其特征在于：所述气体喷射器还包括气体喷管，所述气体喷管包括气体喷管本体和工作喷嘴，所述气体喷管本体远离所述工作喷嘴的一端为所述高压空气入口，所述工作喷嘴的直径小于所述气体喷管本体的直径，且所述工作喷嘴位于所述接受室的内部。
5.如权利要求1所述的燃料电池阴极增湿系统，其特征在于：所述空气压缩机总成包括外壳和同轴设置在所述外壳内部的离心压缩机、电机及废气涡轮，且所述电机位于所述离心压缩机及所述废气涡轮之间，所述离心压缩机连接所述气体喷射器，所述废气涡轮连接所述气液分离罐。
6.如权利要求1所述的燃料电池阴极增湿系统，其特征在于：所述燃料电池电堆与所述气液混合器之间设有第一空气复合传感器及水空中冷机，且所述水空中冷机位于所述气液混合器与所述第一空气复合传感器之间。
7.如权利要求1所述的燃料电池阴极增湿系统，其特征在于：所述空气压缩机总成的空气进口连接有空气滤清器及第二空气复合传感器，且所述第二空气复合传感器位于所述空气压缩机总成及所述空气滤清器之间。
8.如权利要求1所述的燃料电池阴极增湿系统，其特征在于：所述气液分离罐的所述出液口设置在所述气液分离罐的下端，所述出液口与所述气体喷射器的所述进液口之间通过进水管连接，所述进水管上设有流量控制阀。
9.如权利要求1所述的燃料电池阴极增湿系统，其特征在于：所述气液分离罐的下端还设有排液口，所述排液口上连接有排水阀，所述气液分离罐的内部设有液位传感器，所述气液分离罐的上部设有废气出口，所述废气出口通过排气管连接所述空气压缩机总成，所述排气管上设有第三空气复合传感器。
10.如权利要求1所述的燃料电池阴极增湿系统，其特征在于：所述空气压缩机总成的排气口设有排气消声器。
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