CN112952150A - 燃料电池发动机用增湿器系统及增湿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种燃料电池发动机用增湿器系统及增湿方法，增湿器（7）中设置高压喷头（13）、高压喷头（13）下方为干侧气体流道（14）和湿侧气体流道（15）、单向阀（10）设置于湿侧气体流道（15）中；在增湿器（7）入口方向顺次连接设置滤清器（1）、空压机（2）、中冷器（3），增湿器（7）出口方向设置电堆（8），增湿器（7）回流方向设置冷凝器（9）；还包括控制模块和调节模块。能够实现多工况下燃料电池汽车增湿需求，对动态工况下的电堆湿度调节，有效解决电堆发生水淹、过干这两种极端情况下的问题，对中冷器出口液态水中的热量进行回收利用，减少了布置额外液态水存储体积，实现电堆出口空气的再次利用。

Description

燃料电池发动机用增湿器系统及增湿方法
技术领域
本发明属于质子交换膜燃料电池发动机增湿器技术领域，尤其涉及一种燃料电池发动机用增湿器系统及增湿方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池汽车是一种新能源汽车，在工作过程中将化学能转换为电能，从而为汽车提供动力。
燃料电池发动机工作需要合适的湿度，燃料电池电堆内部的质子交换膜需要水来维持质子传导率，因而进入电堆的气体需要增湿。当质子交换膜处在合适的湿度条件下，其将会有较高的离子传导率、较低的电池内阻、燃料电池输出电压较高从而会有较高的负载能力。若电堆内部过干，电堆内阻变大，欧姆损耗变大，输出电压降低，负载能力同时也会降低，严重时质子交换膜将发生破裂，对电堆造成损害。若电堆内部发生水淹，则催化剂将降低甚至失去反应活性，质子交换膜发生局部阻塞，从而阻碍化学反应的发生。因而需要采取一定的措施保持电堆入口空气的湿度以保证电堆内部的稳定运行。
目前主要措施是对燃料电池电堆入口的空气采用增湿器进行增湿，膜增湿技术为燃料电池电堆阴极入口空气增湿采用较多的技术，膜增湿又分为气/气增湿和气/液增湿，气/气增湿是采用电堆出口湿空气入口空气进行增湿；气/液增湿为采用液态水对另一侧空气加湿。其中气/气增湿为目前大多数增湿器使用方式。
气/气增湿器将燃料电池电堆出口的湿空气进行回收利用，湿空气进入增湿器的湿侧通道，电堆入口空气则进入增湿器干侧通道，因膜两侧存在压力差和浓度差，水分子在化学梯度的作用下从湿侧扩散到干侧，同时还可将电堆出口空气带有的热量传输给干侧空气。然而采用这种增湿方式的前提是需要电堆发生化学反应输出湿润空气，当燃料电池汽车刚启动时、短暂停车后再次启动时的情况下，电堆还未发生反应，因而无法通过膜增湿器对电堆入口空气进行增湿，当燃料电池汽车功率需求突然增大时电堆产湿不够，从而电堆入口空气湿度无法达到要求、以及汽车功率突然减小可能造成电堆湿度过大发生水淹，上述工况下，膜增湿器无法对入口空气进行增湿或者进行调节，从而电堆将处在干燥或者水淹的环境下，对电堆的寿命将造成一定的影响。因此目前膜增湿器在燃料电池汽车部分工况下的增湿存在一定的局限性。
综合以上分析，现有的膜增湿器增湿燃料电池电堆入口空气具有一定的局限性，无法在电堆启动阶段、短暂停车后再启动阶段进行增湿，以及功率需求突然增大或突然减小时使入口空气湿度达到要求。因此，燃料电池发动机膜增湿器及增湿方法有待于进一步的改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种燃料电池发动机用增湿器系统及增湿方法，解决采用膜增湿器的燃料电池发动机在启动阶段、短暂停车后再启动时无法对入口空气进行增湿的问题，以及汽车功率需求突然增大时电堆阴极生成水量无法满足入口空气增湿需求或功率需求突然减小时电堆可能发生水淹的问题，从而能够避免燃料电池电堆过干，且能够缓解电堆发生水淹状况。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种燃料电池发动机用增湿器系统，其特征在于包括：
增湿器（7），包括顶部的高压喷头（13）、以及高压喷头（13）下方喷头喷射范围内由增湿膜（12）间隔设置的干侧气体流道（14）和湿侧气体流道（15）、单向阀（10）设置于湿侧气体流道（15）中；在增湿器（7）入口方向顺次连接设置滤清器（1）、空压机（2）、中冷器（3），增湿器（7）出口方向设置电堆（8），增湿器（7）回流方向设置冷凝器（9）；
控制模块，包括上位机（18）、上位机连接的控制器（19）、电堆（8）入口处和出口处分别设置的温度传感器、湿度传感器和流量传感器、中冷器（3）出口气体流道（16）通往增湿器（7）入口处设置流量传感器；中冷器（3）出口液态水流道（17）通往增湿器（7）入口处设置温度传感器、流量传感器；中冷器（3）出口气体流道（16）的旁路（20）上设置流量传感器；上位机（18）和控制器（19）连接各流量传感器、湿度传感器和温度传感器。
调节模块，包括设置在液态水流道（17）上的电磁阀（4）、水泵（5）、水泵（5）出口管道上设置的可变功率电加热丝（6），以及中冷器（3）出口气体流道（16）上设置的三通电磁阀（11），三通电磁阀（11）从气体流道（16）旁路连通旁路（20），所述（20）与电堆（8）的空气进口连通。
进一步的，多层增湿膜（12）间隔设置形成若干个干侧气体流道（14）和湿侧气体流道（15），每一个干侧气体流道（14）和相邻的湿侧气体流道（15）之间用增湿膜（12）隔开。
进一步的，单向阀（10）设置于湿侧气体流道（15）顶部入口处。
进一步的，高压喷头（13）在增湿器顶部纵向布置，并设置为将具有温度的液态水喷射雾化到增湿器上部区域。
进一步的，增湿器（7）出气口与电堆（8）的空气进口连通，增湿器（7）进气口与电堆（8）的空气出口连通。
一种燃料电池发动机增湿方法，其特征在于采用上述的燃料电池发动机用增湿器系统，上位机（18）接收各湿度传感器和温度传感器信号并使控制器（19）产生控制器命令；电磁阀（4）根据控制器命令而开闭控制液态水的通断，实现多工况下电堆入口空气的湿度控制。
进一步的，根据控制器命令调节水泵（5）转速，从而控制液态水进入增湿器（7）中的流量,和/或根据控制器命令进行调节三通电磁阀（11）旁路开度大小，从而控制经过增湿器空气的比例来调节电堆（8）入口空气湿度，使电堆湿度在动态工况下也能保持稳定。
进一步的，在燃料电池汽车启动阶段、短暂停车后启动阶段对燃料电池电堆入口空气进行加湿，在燃料电池汽车功率突然增大时额外增加湿侧空气湿度，使入口空气增湿达到湿度要求。
进一步的，在燃料电池汽车功率突然减小时，气体流道（16）保持开启，液态水流道（17）此时不开启，旁路（20）开启，入口空气部分或全部经过旁路（20）直接进入电堆（8），上位机（18）不断调整三通电磁阀（11）开度控制信号，以调节电堆（8）湿度，避免电堆发生水淹。
进一步的，所述燃料电池电堆出口湿空气先经过增湿器进行加湿，多余湿空气进入冷凝器，所述冷凝器将湿空气中的水进行冷凝收集，在喷雾增湿开启时将水输送至增湿器用于增湿，实现对电堆出口空气中水蒸气的再次使用。
本发明所述增湿器内设有一个单向阀位于湿侧流道，用于喷雾增湿方式的水蒸气通过单向阀进入湿侧通道，增加湿空气中水蒸气质量分数，同时避免来自电堆出口湿空气进入增湿器上部区域。
所述电加热丝对管道中的液态水进行加热，以便在增湿器内通过高压喷头喷出时充分雾化，且电加热丝的功率大小能够调整，从而控制进入增湿器中液态水的温度。
所述中冷器出口的具有一定温度的液态水用于电堆入口空气增湿，可对热量进行回收利用，且减少了布置额外液态水存储体积。
综上，本发明相对于现有技术，克服了采用膜增湿器的燃料电池发动机在启动阶段、短暂停车后再启动时无法对入口空气进行增湿的问题，以及汽车功率需求突然增大时电堆阴极生成水量无法满足入口空气增湿需求或功率需求突然减小时电堆可能发生水淹的问题，从而能够避免燃料电池电堆过干，且能够缓解电堆发生水淹状况。
本发明通过提出一种增湿器及增湿方法，能够实现对上述工况下入口空气湿度进行补偿与调节。与现有燃料电池发动机采用的膜增湿器相比，本发明提出增湿器方案，能够实现在多工况下燃料电池汽车增湿需求，对动态工况下的电堆湿度进行调节，可有效解决电堆发生水淹、过干这两种极端情况下的问题，对中冷器出口液态水中的热量进行回收利用，减少了布置额外液态水存储体积，实现电堆出口空气的再次利用，为燃料电池增湿优化提供参考依据。
能够在燃料电池汽车启动阶段、短暂停车后启动阶段对燃料电池电堆入口空气进行加湿，在燃料电池汽车功率突然增大时额外增加湿侧空气湿度，使入口空气增湿达到湿度要求，在燃料电池汽车功率突然减小时，缓解电堆可能发生的水淹状况，实现了使得燃料电池汽车在多工况下运行时入口空气湿度达到要求的目标。
同时，本发明还能对动态工况下的电堆湿度进行调节，回收中冷器出口液态水中的换热能量，对湿空气中的水蒸气再次使用。
附图说明
图1为根据本发明实施的燃料电池发动机用增湿器系统及流动示意图。
图2为本发明通过三通电磁阀调节电堆湿度的流动示意图。
图3为本发明增湿器单向阀细节图。
图4为本发明控制电堆入口空气湿度流程图。
图1-3中，1-滤清器；2-空压机；3-中冷器；4-电磁阀；5-水泵；6-电加热丝；7-增湿器；8-燃料电池电堆；9-冷凝器；10-单向阀；11-三向电磁阀；12-增湿膜；13-高压喷头；14-干侧气体流道；15-湿侧气体流道；16-气体流道；17-液态水流道； 18-上位机； 19-控制器；20-旁路。
具体实施方式
显然，此处所述实施例仅为本发明的一部分实施例，仅仅用于说明本发明，并不仅限于本发明。结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行详细的说明。
如图1所示，本发明为一种燃料电池发动机用增湿器系统，主体为增湿器7，增湿器7包括顶部的高压喷头13、以及高压喷头13下方喷头喷射范围内间隔设置的干侧气体流道14和湿侧气体流道15，多层增湿膜12间隔设置形成若干个干侧气体流道14和湿侧气体流道15，每一个干侧气体流道14和相邻的湿侧气体流道15之间用增湿膜12隔开；单向阀10设置于湿侧气体流道15顶部入口处。
在增湿器7入口方向顺次连接设置滤清器1、空压机2、中冷器3，增湿器7出口方向设置电堆8，增湿器7回流方向设置冷凝器9。
还包括控制模块和调节模块。
控制模块包括上位机18、上位机连接的控制器19、电堆8入口处温度传感器T1、湿度传感器R1、流量传感器m1，电堆8出口处温度传感器T2、湿度传感器R2、流量传感器m2，中冷器3出口气体流道16通往增湿器7入口处设置流量传感器m3；中冷器3出口液态水流道17通往增湿器7入口处设置温度传感器T4、流量传感器m4；中冷器3出口气体流道16的旁路20上设置流量传感器m5。上位机18和控制器19连接各流量传感器、湿度传感器和温度传感器。
调节模块包括设置在液态水流道17上的电磁阀4、水泵5、水泵出口管上设置的可变功率电加热丝6，以及中冷器3出口气体流道16上设置的三通电磁阀11。
如图1所示，在一般工况下上位机18监测到电堆8出口湿度传感器R2、温度传感器T2、流量传感器m2数据进行判断，可完全依赖于电堆8出口湿空气对电堆8的入口空气进行增湿，控制器19发出命令，电磁阀4关闭液态水流道17而保证气体流道16开启，三通电磁阀11保持旁路20不开启，入口空气经过气体流道16进入增湿器7，经增湿器7增湿，通过湿度传感器R1、R2数据以及电堆8内部状态判断电堆8湿度。
如图1所示，当汽车刚启动或者短暂停车再启动时，上位机18监测到电堆8出口湿度传感器R2、温度传感器T2、流量传感器m2数据，电堆出口空气无法对电堆入口空气进行增湿，因此对控制器19发出命令，电磁阀4开启一定角度，保持气体流道16和液态水流道17开启，三通电磁阀11关闭旁路20，通过流量传感器m4反馈的数据控制水泵5转速，根据温度传感器T4反馈的数据控制电加热丝6功率，通过高压喷头13喷射出水蒸气进入湿侧流道15对电堆8的入口空气进行增湿，直到电堆8湿度合适。可实现燃料电池汽车多工况下的增湿需求。
如图1所示，当燃料电池汽车功率需求突然增大时，湿度传感器R1、R2,温度传感器T1、T2，流量传感器m1、m3，将数据输送给上位机18，上位机18进行计算判断并发送命令给对控制器19，液态水流道17开启，三通电磁阀11关闭旁路20，通过温度传感器T4和流量传感器m4监测数据来调整电磁阀4开启一定角度，给定水泵5转速以及电加热丝6功率，湿度传感器数据R1、R2作为反馈信号，上位机18不断调节控制信号，直到电堆8湿度处于合适范围。可实现燃料电池汽车动态工况下的增湿需求。
如图2所示， 当燃料电池汽车功率突然减小时，流量传感器m2、湿度传感器R2、流量传感器m2、m3将数据传输给上位机18，上位机18作出判断给控制器19，气体流道16保持开启，液态水流道17此时不开启，控制三通电磁阀11旁路20开启，此时开启入口空气部分或全部经过旁路20直接进入电堆8，湿度传感器R1、R2、流量传感器m5作为反馈信号，上位机18不断调整三通电磁阀11开度控制信号，以调节电堆8湿度，避免电堆发生水淹。
本发明实施例中电加热丝6对增湿器7外液态流道17管道中的液态水进行加热，以便在增湿器7内通过高压喷头13喷出时充分雾化，且电加热丝6的功率大小可调，从而控制进入增湿器7中水蒸气的温度。
所述实施例中的高压喷头13将加热过后的液态水以水蒸气的形式喷射到增湿器7上部。如图3所示，单向阀10的入口置于增湿器7的上部进口处，水蒸气经单向阀10进入湿侧气体流道15，同时避免了来自电堆8出口湿空气反向进入增湿器7上部。
如图1所示，燃料电池汽车一般工况下，电堆8出口空气经增湿器7对入口空气加湿之后，出口空气中仍有富余水蒸气，此时可利用冷凝器9对空气进行冷凝，冷凝器9具有一定存储体积将水存储以便用于燃料电池电堆8入口空气的额外增湿，水存储回收之后经过电磁阀4、水泵5、电加热丝6进入增湿器7，可对电堆8出口空气实现再次利用。
如图1所示，一部分中冷器3出口具有一定温度的液态水经过液态水流道17进入增湿器7的湿侧气体流道15用于电堆8入口空气增湿，可对热量进行回收利用，且减少了布置额外液态水存储体积。中冷器3出口气体的路径是滤清器1、空压机2、中冷器3、气体流道16、三通电磁阀11、经过增湿器7的干侧流道14进入电堆8或者是经过三通电磁阀11到旁路20然后进入电堆8。
如图4所示，为一种燃料电池发动机用增湿器及增湿方法整个控制流程图，当电堆8湿度处于不同状态时分别执行不同的控制策略，同时电堆8湿度及出口空气湿度作为反馈信号，当湿度过高或过低时上位机18采取相应措施控制湿度，直到湿度处于合适范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池发动机用增湿器系统，其特征在于包括：
增湿器（7），包括顶部的高压喷头（13）、以及高压喷头（13）下方喷头喷射范围内由增湿膜（12）间隔设置的干侧气体流道（14）和湿侧气体流道（15）、单向阀（10）设置于湿侧气体流道（15）中；在增湿器（7）入口方向顺次连接设置滤清器（1）、空压机（2）、中冷器（3），增湿器（7）出口方向设置电堆（8），增湿器（7）回流方向设置冷凝器（9）；
控制模块，包括上位机（18）、上位机连接的控制器（19）、电堆（8）入口处和出口处分别设置的温度传感器、湿度传感器和流量传感器、中冷器（3）出口气体流道（16）通往增湿器（7）入口处设置流量传感器；中冷器（3）出口液态水流道（17）通往增湿器（7）入口处设置温度传感器、流量传感器；中冷器（3）出口气体流道（16）的旁路（20）上设置流量传感器；上位机（18）和控制器（19）连接各流量传感器、湿度传感器和温度传感器；
调节模块，包括设置在液态水流道（17）上的电磁阀（4）、水泵（5）、水泵（5）出口管道上设置的可变功率电加热丝（6），以及中冷器（3）出口气体流道（16）上设置的三通电磁阀（11），三通电磁阀（11）从气体流道（16）旁路连通旁路（20），所述（20）与电堆（8）的空气进口连通。
2.根据权利要求1所述的燃料电池发动机用增湿器系统，其特征在于多层增湿膜（12）间隔设置形成若干个干侧气体流道（14）和湿侧气体流道（15），每一个干侧气体流道（14）和相邻的湿侧气体流道（15）之间用增湿膜（12）隔开。
3.根据权利要求1所述的燃料电池发动机用增湿器系统，其特征在于单向阀（10）设置于湿侧气体流道（15）顶部入口处。
4.根据权利要求1所述的燃料电池发动机用增湿器系统，其特征在于多个高压喷头（13）在增湿器顶部纵向布置，并设置为将具有温度的液态水喷射雾化到增湿器上部区域。
5.根据权利要求1所述的燃料电池发动机用增湿器系统，其特征在于增湿器（7）出气口与电堆（8）的空气进口连通，增湿器（7）进气口与电堆（8）的空气出口连通。
6.一种燃料电池发动机增湿方法，其特征在于采用上述权利要求1-5任一项所述的燃料电池发动机用增湿器系统，上位机（18）接收各湿度传感器和温度传感器信号并使控制器（19）产生控制器命令；电磁阀（4）根据控制器命令而开闭控制液态水的通断，实现多工况下电堆入口空气的湿度控制。
7.根据权利要求6所述的燃料电池发动机增湿方法，其特征在于根据控制器命令调节水泵（5）转速，从而控制液态水进入增湿器（7）中的流量,和/或根据控制器命令进行调节三通电磁阀（11）旁路开度大小，从而控制经过增湿器空气的比例来调节电堆（8）入口空气湿度，使电堆湿度在动态工况下也能保持稳定。
8.根据权利要求6所述的燃料电池发动机增湿方法，其特征在于在燃料电池汽车启动阶段、短暂停车后启动阶段对燃料电池电堆入口空气进行加湿，在燃料电池汽车功率突然增大时额外增加湿侧空气湿度，使入口空气增湿达到湿度要求。
9.根据权利要求6所述的燃料电池发动机增湿方法，其特征在于在燃料电池汽车功率突然减小时，气体流道（16）保持开启，液态水流道（17）此时不开启，旁路（20）开启，入口空气部分或全部经过旁路（20）直接进入电堆（8），上位机（18）不断调整三通电磁阀（11）开度，以调节电堆（8）湿度，避免电堆发生水淹。
10.根据权利要求6所述的燃料电池发动机增湿方法，其特征在于所述燃料电池电堆出口湿空气先经过增湿器进行加湿，多余湿空气进入冷凝器，所述冷凝器将湿空气中的水进行冷凝收集，在喷雾增湿开启时将水输送至增湿器用于增湿，实现对电堆出口空气中水蒸气的再次使用。
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113258101A (zh) * 2021-06-25 2021-08-13 北京亿华通科技股份有限公司 一种燃料电池系统及其运行控制方法
CN113471487A (zh) * 2021-06-30 2021-10-01 潍柴动力股份有限公司 一种氢燃料电池增湿系统和增湿方法
CN113964348A (zh) * 2021-10-19 2022-01-21 上海恒劲动力科技有限公司 一种加湿特性实时响应的加湿装置、燃料电池及控制方法
CN114142062A (zh) * 2021-11-24 2022-03-04 中汽创智科技有限公司 一种燃料电池的空气调节系统及控制方法
CN114361526A (zh) * 2021-12-31 2022-04-15 上海捷氢科技股份有限公司 测试台及其进水系统
CN114361525A (zh) * 2021-12-15 2022-04-15 武汉理工大学 燃料电池增湿系统及控制方法
CN115863707A (zh) * 2022-12-30 2023-03-28 苏州市华昌能源科技有限公司 一种燃料电池温湿度调节系统及其控制方法
CN116914200A (zh) * 2023-07-11 2023-10-20 武汉理工大学 一种燃料电池发动机分离引射器性能测试系统及测试方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003206104A (ja) * 2002-01-11 2003-07-22 Nissan Motor Co Ltd 膜反応器システム
JP2003234114A (ja) * 2002-02-08 2003-08-22 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2004055534A (ja) * 2002-05-31 2004-02-19 Ube Ind Ltd 燃料電池用加湿装置
JP2007172971A (ja) * 2005-12-21 2007-07-05 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2008190742A (ja) * 2007-02-01 2008-08-21 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 加湿器及び燃料電池システム
CN108448136A (zh) * 2018-02-08 2018-08-24 清华大学 一种用于质子交换膜燃料电池的空气供气增湿中冷系统
CN110416578A (zh) * 2019-02-01 2019-11-05 清华大学 燃料电池的增湿方法、计算机设备和存储介质
CN111640968A (zh) * 2020-06-19 2020-09-08 电子科技大学 一种鼓泡喷雾组合加湿器及其用于的燃料电池加湿系统
CN112186223A (zh) * 2020-09-27 2021-01-05 重庆长安新能源汽车科技有限公司 一种汽车燃料电池系统及其空气湿度控制方法
CN112290052A (zh) * 2020-11-20 2021-01-29 上海羿沣氢能科技有限公司 一种燃料电池的冷却加湿集成系统

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003206104A (ja) * 2002-01-11 2003-07-22 Nissan Motor Co Ltd 膜反応器システム
JP2003234114A (ja) * 2002-02-08 2003-08-22 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2004055534A (ja) * 2002-05-31 2004-02-19 Ube Ind Ltd 燃料電池用加湿装置
JP2007172971A (ja) * 2005-12-21 2007-07-05 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2008190742A (ja) * 2007-02-01 2008-08-21 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 加湿器及び燃料電池システム
CN108448136A (zh) * 2018-02-08 2018-08-24 清华大学 一种用于质子交换膜燃料电池的空气供气增湿中冷系统
CN110416578A (zh) * 2019-02-01 2019-11-05 清华大学 燃料电池的增湿方法、计算机设备和存储介质
CN111640968A (zh) * 2020-06-19 2020-09-08 电子科技大学 一种鼓泡喷雾组合加湿器及其用于的燃料电池加湿系统
CN112186223A (zh) * 2020-09-27 2021-01-05 重庆长安新能源汽车科技有限公司 一种汽车燃料电池系统及其空气湿度控制方法
CN112290052A (zh) * 2020-11-20 2021-01-29 上海羿沣氢能科技有限公司 一种燃料电池的冷却加湿集成系统

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113258101B (zh) * 2021-06-25 2021-09-28 北京亿华通科技股份有限公司 一种燃料电池系统及其运行控制方法
CN113258101A (zh) * 2021-06-25 2021-08-13 北京亿华通科技股份有限公司 一种燃料电池系统及其运行控制方法
CN113471487B (zh) * 2021-06-30 2022-07-15 潍柴动力股份有限公司 一种氢燃料电池增湿系统和增湿方法
CN113471487A (zh) * 2021-06-30 2021-10-01 潍柴动力股份有限公司 一种氢燃料电池增湿系统和增湿方法
CN113964348B (zh) * 2021-10-19 2023-08-01 上海恒劲动力科技有限公司 一种加湿特性实时响应的加湿装置、燃料电池及控制方法
CN113964348A (zh) * 2021-10-19 2022-01-21 上海恒劲动力科技有限公司 一种加湿特性实时响应的加湿装置、燃料电池及控制方法
CN114142062A (zh) * 2021-11-24 2022-03-04 中汽创智科技有限公司 一种燃料电池的空气调节系统及控制方法
CN114361525A (zh) * 2021-12-15 2022-04-15 武汉理工大学 燃料电池增湿系统及控制方法
CN114361525B (zh) * 2021-12-15 2024-06-11 武汉理工大学 燃料电池增湿系统及控制方法
CN114361526A (zh) * 2021-12-31 2022-04-15 上海捷氢科技股份有限公司 测试台及其进水系统
CN114361526B (zh) * 2021-12-31 2024-03-26 上海捷氢科技股份有限公司 测试台及其进水系统
CN115863707A (zh) * 2022-12-30 2023-03-28 苏州市华昌能源科技有限公司 一种燃料电池温湿度调节系统及其控制方法
CN115863707B (zh) * 2022-12-30 2024-03-08 苏州市华昌能源科技有限公司 一种燃料电池温湿度调节系统及其控制方法
CN116914200A (zh) * 2023-07-11 2023-10-20 武汉理工大学 一种燃料电池发动机分离引射器性能测试系统及测试方法

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