CN113224352A - 一种车载氢燃料电池用加湿器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种应用于氢燃料电池技术领域的车载氢燃料电池用加湿器，所述的车载氢燃料电池用加湿器的压缩机(1)和水微粒发生模块(3)分别通过管路与混合器(2)连通，混合器(2)与加热器(4)连通，前端湿度传感器(6)、前端温度传感器(7)、后端湿度传感器(8)、后端温度传感器(9)分别与加湿器控制部件(10)连接，所述的水微粒发生模块(3)包括超声波发生器(11)、储水罐(12)，本发明所述的车载氢燃料电池用加湿器，结构简单，能够实现水微粒与压缩空气充分混合后对燃料电池进气进行加湿，充分发挥超声波加湿效率高、能耗低的优势，对不同功率的燃料电池均可按照控制器要求精确加湿。

Description

一种车载氢燃料电池用加湿器
技术领域
本发明属于氢燃料电池技术领域，更具体地说，是涉及一种车载氢燃料电池用加湿器。
背景技术
氢燃料电池作为一种新型燃料电池，除具备燃料电池比能量高、发电效率高、噪音低、污染小等优点外，还具有常温运行、燃料来源广、零排放、固体质子交换膜无腐蚀性等特有优势，在交通、便携式电源以及分布式发电等领域得到了广泛应用，适合作为交通车辆的移动电源并取代内燃机作为动力源。氢燃料电池中质子交换膜传输质子需要其以水合离子的形式存在，干燥的膜不具备传导质子的能力。进气湿度过低会造成质子交换膜缺水，内阻显著增加，造成燃料电池输出电流密度减小、输出电压下降。因此反应气体加湿对于质子交换膜燃料电池的性能输出尤为重要。氢燃料电池加湿器种类众多，主要有鼓泡加湿器、喷水加湿器、膜加湿器、焓轮加湿器等。鼓泡加湿器在进气前端直接设置盛满水的容器，进气由容器底部通入进行加湿处理，适用于单电池或小功率燃料电池；喷水加湿器在进气前端设置喷雾腔与蒸发室，借助雾化喷嘴喷淋进气，并在蒸发室升温气化雾状水滴达到增湿目的；膜加湿器有平板膜和中空纤维膜等多种形式，均利用湿膜材料的渗水特性，回收燃料电池排气中的水分和热量对进气进行加湿处理；焓轮加湿器在进气前端设置由电机驱动的陶瓷转轮，同样回收燃料电池排气中的水分和热量对进气进行加湿处理。
鼓泡加湿器仅适用于单电池或小功率燃料电池，大流量时气体会带出过多液态水并在容器出口聚集，造成燃料电池内部发生“堵水”现象，不适用于车用燃料电池系统。喷水加湿器适用于实验条件下的大型燃料电池系统，其需要加压泵、喷射部件以及控制器，成本与能耗较高。因喷射的液态水直径较大(几百微米)无法充分、及时蒸发，容易引起“堵水”现象，对于车用燃料电池系统动态响应慢。膜加湿器的加湿效率受到水在膜中扩散系数的限制，车用燃料电池膜加湿器的体积都较大。其加湿量主要受废气中的含水量以及膜尺寸的影响，无法根据燃料电池控制器的需求动态调节。另外加湿器用膜的生产技术主要掌握在国外企业手中，进口膜的成本较高。焓轮加湿器的系统质量较大，在焓轮转动过程中，少量尾气会进入压缩空气中，造成进气中的氧气含量下降。另外焓轮的尺寸公差要求严格，加工成本较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种结构简单，能够实现水微粒与压缩空气充分混合后对燃料电池进气进行加湿，同时充分发挥超声波加湿效率高、能耗低的优势，对不同功率的燃料电池均可按照控制器要求精确加湿，并且不易发生“堵水”现象，实现进气湿度精确可控，另外可以回收利用燃料电池排气中的冷凝水，完全满足加湿用水的用量要求的车载氢燃料电池用加湿器。
要解决以上所述的技术问题，本发明采取的技术方案为：
本发明为一种车载氢燃料电池用加湿器，所述的车载氢燃料电池用加湿器包括压缩机、混合器、水微粒发生模块，压缩机和水微粒发生模块分别通过管路与混合器连通，混合器与加热器连通，加热器通过管路与燃料电池电极连通，压缩机和混合器之间的管路上设置前端湿度传感器和前端温度传感器，加热器和燃料电池电极之间的管路上设置后端湿度传感器和后端温度传感器，前端湿度传感器、前端温度传感器、后端湿度传感器、后端温度传感器分别与加湿器控制部件连接，所述的水微粒发生模块包括超声波发生器、储水罐。
所述的水微粒发生模块的超声波发生器通过管路与储水罐连接，储水罐通过管路与混合器连通。
所述的前端湿度传感器和前端温度传感器设置为能够向加湿器控制部件反馈前端湿度和温度实时数值的结构。
所述的后端温度传感器和后端湿度传感器设置为能够监测加热器4输出进气的进气湿度和进气温度参数，反馈给加湿器控制部件10，从而对进气温度和相对湿度形成闭环控制的结构。
所述的燃料电池电极通过电控三通阀与尾排管连通，尾排管与冷凝器连通，冷凝器与水气分离器连通，水气分离器与水微粒发生模块的储水罐连通，储水罐上设置液位传感器。
所述的车载氢燃料电池用加湿器的电控三通阀13和液位传感器17分别与加湿器控制部件10连接，储水罐12的实际水位到达下限水位时，加湿器控制部件10设置为能够控制电控三通阀13连通尾排管14的管口或连通冷凝器15的管口开闭的结构。加湿器控制部件10控制电控三通阀13连通尾排管14的管口打开时，通过电控三通阀13的尾气进入尾排管排出。加湿器控制部件10控制电控三通阀13连通冷凝器15的管口打开时，通过电控三通阀13的尾气进入冷凝器15实现冷却。
所述的水气分离器与水微粒发生模块的储水罐之间设置水泵，水泵与加湿器控制部件连接。
所述的水泵和储水罐之间设置单向阀。
所述的水微粒发生模块还包括辅助加热器，辅助加热器与加湿器控制部件连接，储水罐内的温度传感器与加湿器控制部件连接。
所述的超声波发生器集成设置多个超声波发生片。
采用本发明的技术方案，能得到以下的有益效果：
本发明所述的车载氢燃料电池用加湿器，针对加湿器在氢燃料电池上应用的现有问题，提出全新的加湿器结构。原理为利用超声波发生器将水转变为雾状水微粒。进行加湿过程中，压缩机将外部新鲜空气增压处理，通过管路输送到混合器内。前端温度传感器和前端湿度传感器监测压缩机输送的压缩空气的温度与湿度参数，反馈给加湿器控制部件(加湿器控制器)。加湿器控制器驱动水微粒发生模块(包括集成有多个超声波发生片的超声波发生器、储水罐和辅助加热器)开始工作，根据压缩空气的温度、湿度参数，匹配超声波发生片的工作数量、工作电压来适应不同的加湿量需求。雾状水滴在压差作用下进入混合器后与压缩空气充分混合。充分混合后的气体流经加热器，加热器对气体升温处理，使雾状水滴进一步气化，提高相对湿度。后端温度传感器和湿度传感器用于监测经过加湿后的进气参数，反馈给加湿器控制器形成温度与相对湿度的闭环控制，进一步调整加湿器的工作状态，以满足燃料电池对进气的需求。这样，有效满足氢燃料汽车电池的使用需求。本发明的创新点在于，采用水微粒发生模块对燃料电池进气加湿处理。混合器内部布置有混合流道，可使压缩空气与雾状水滴在其中充分混合。设有不同的温度传感器、湿度传感器，可以根据空气温湿度参数匹配超声波发生片的工作数量、工作电压来适应不同的加湿量需求。设有多个温度传感器、湿度传感器，将加湿后的温度和湿度反馈到燃料电池系统控制器中，形成温湿度闭环控制，进一步调整超声波发生器和加热器的工作状态。本发明所述的车载氢燃料电池用加湿器，结构简单，能够实现水微粒与压缩空气充分混合后对燃料电池进气进行加湿，同时充分发挥超声波加湿效率高、能耗低的优势，对不同功率的燃料电池均可按照控制器要求精确加湿，并且不易发生“堵水”现象，实现进气湿度精确可控，另外可以回收利用燃料电池排气中的冷凝水，完全满足加湿用水的用量要求。
附图说明
下面对本说明书各附图所表达的内容及图中的标记作出简要的说明：
图1为本发明所述的车载氢燃料电池用加湿器的结构示意图；
附图中标记分别为：1、压缩机；2、混合器；3、水微粒发生模块；4、加热器；5、燃料电池电极；6、前端湿度传感器；7、前端温度传感器；8、后端湿度传感器；9、后端温度传感器；10、加湿器控制部件(加湿器控制器)；11、超声波发生器；12、储水罐；13、电控三通阀；14、尾排管；15、冷凝器；16、水气分离器；17、液位传感器；18、水泵；19、单向阀；20、辅助加热器。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明：
如附图1所示，本发明为一种车载氢燃料电池用加湿器，所述的车载氢燃料电池用加湿器包括压缩机1、混合器2、水微粒发生模块3，压缩机1和水微粒发生模块3分别通过管路与混合器2连通，混合器2与加热器4连通，加热器4通过管路与燃料电池电极5连通，压缩机1和混合器2之间的管路上设置前端湿度传感器6和前端温度传感器7，加热器4和燃料电池电极5之间的管路上设置后端湿度传感器8和后端温度传感器9，前端湿度传感器6、前端温度传感器7、后端湿度传感器8、后端温度传感器9分别与加湿器控制部件10连接，所述的水微粒发生模块3包括超声波发生器11、储水罐12。上述结构，针对加湿器在氢燃料电池上应用的现有问题，提出全新的加湿器结构。原理为利用超声波发生器将水转变为雾状水微粒(直径约为5微米)。进行加湿过程中，压缩机1将外部新鲜空气增压处理，通过管路输送到混合器2内。前端温度传感器7和前端湿度传感器6监测压缩机输送的压缩空气的温度与湿度参数，反馈给加湿器控制部件10(加湿器控制器)。加湿器控制器驱动水微粒发生模块(包括集成有多个超声波发生片的超声波发生器、储水罐和辅助加热器)开始工作，根据压缩空气的温度、湿度参数，匹配超声波发生片的工作数量、工作电压来适应不同的加湿量需求。雾状水滴在压差作用下进入混合器后与压缩空气充分混合。充分混合后的气体流经加热器4，加热器4对气体升温处理，使雾状水滴进一步气化，提高相对湿度。后端温度传感器9和湿度传感器8用于监测经过加湿后的进气参数，反馈给加湿器控制器形成温度与相对湿度的闭环控制，进一步调整加湿器的工作状态，以满足燃料电池对进气的需求。这样，有效满足氢燃料汽车电池的使用需求。本发明的创新点在于，采用水微粒发生模块对燃料电池进气加湿处理。混合器内部布置有混合流道，可使压缩空气与雾状水滴在其中充分混合。设有不同的温度传感器、湿度传感器，可以根据空气温湿度参数匹配超声波发生片的工作数量、工作电压来适应不同的加湿量需求。设有多个温度传感器、湿度传感器，将加湿后的温度和湿度反馈到燃料电池系统控制器中，形成温湿度闭环控制，进一步调整超声波发生器和加热器的工作状态。本发明所述的车载氢燃料电池用加湿器，结构简单，能够实现水微粒与压缩空气充分混合后对燃料电池进气进行加湿，同时充分发挥超声波加湿效率高、能耗低的优势，对不同功率的燃料电池均可按照控制器要求精确加湿，并且不易发生“堵水”现象，实现进气湿度精确可控，另外可以回收利用燃料电池排气中的冷凝水，完全满足加湿用水的用量要求。
所述的水微粒发生模块3的超声波发生器11通过管路与储水罐12连接，储水罐12通过管路与混合器2连通。上述结构，超声波发生器工作时，将储水罐内的水转变为雾状水微粒。水微粒进入混合器与压缩机输送的压缩空气充分混合，用于对燃料电池进气进行加湿。
所述的前端湿度传感器5和前端温度传感器6设置为能够向加湿器控制部件10反馈前端湿度和温度实时数值的结构。所述的后端温度传感器8和后端湿度传感器9设置为能够监测加热器4输出进气的进气湿度和进气温度参数，反馈给加湿器控制部件10，从而对进气温度和相对湿度形成闭环控制的结构。上述结构，通过后端温度传感器8和后端湿度传感器9的数值监控，向加湿器控制部件反馈信号，然后根据监控获取的数值，加湿器控制部件会调控压缩机及水微粒发生模块3的工作，从而调整参数，使得形成的气体满足工作要求。
所述的燃料电池电极5通过电控三通阀13与尾排管14连通，尾排管14与冷凝器15连通，冷凝器15与水气分离器16连通，水气分离器16与水微粒发生模块3的储水罐12连通，储水罐12上设置液位传感器17。所述的车载氢燃料电池用加湿器的电控三通阀13和液位传感器17分别与加湿器控制部件10连接，储水罐12的实际水位到达下限水位时，加湿器控制部件10设置为能够控制电控三通阀13连通尾排管14的管口或连通冷凝器15的管口开闭的结构。加湿器控制部件10控制电控三通阀13连通尾排管14的管口打开时，通过电控三通阀13的尾气进入尾排管排出。加湿器控制部件10控制电控三通阀13连通冷凝器15的管口打开时，通过电控三通阀13的尾气进入冷凝器15实现冷却。所述的水气分离器16与水微粒发生模块3的储水罐12之间设置水泵18，水泵18与加湿器控制部件10连接。所述的水泵18和储水罐12之间设置单向阀19。上述结构，液位传感器用于监测储水罐中的水量。储水罐中的实际水位到达下限水位时，加湿器控制部件10获得低位水位信号，加湿器控制部件10控制电控三通阀连通冷凝器的管口打开，连通尾排管14的管口关闭，此时燃料电池排气经电控三通阀进入冷凝器与气水分离器，排放废气并收集排气中的水分，由水泵将液体水输送到储水罐，实现水资源的循环利用；储水罐中的实际水位到达上限水位时，加湿器控制部件10控制电控三通阀连通尾排管的管口打开，连通冷凝器的管口关闭，燃料电池排气经电控三通阀由尾排管直接排放，不经过汽水分离器。
所述的水微粒发生模块3还包括辅助加热器20，辅助加热器20与加湿器控制部件10连接，储水罐12内的温度传感器与加湿器控制部件10连接。上述结构，辅助加热器与储水罐通过管道相连，在结冰情况下，可以加热解冻水，适应车用燃料电池低温下的使用需求。
所述的超声波发生器11集成设置多个超声波发生片。上述结构，根据不同的氢燃料电池的需求，设定包括不同超声波发生片数量的超声波发生器，从而满足不同氢燃料电池的使用要求，确保电池性能。
本发明所述的车载氢燃料电池用加湿器，针对加湿器在氢燃料电池上应用的现有问题，提出全新的加湿器结构。原理为利用超声波发生器将水转变为雾状水微粒。进行加湿过程中，压缩机将外部新鲜空气增压处理，通过管路输送到混合器内。前端温度传感器和前端湿度传感器监测压缩机输送的压缩空气的温度与湿度参数，反馈给加湿器控制部件(加湿器控制器)。加湿器控制器驱动水微粒发生模块(包括集成有多个超声波发生片的超声波发生器、储水罐和辅助加热器)开始工作，根据压缩空气的温度、湿度参数，匹配超声波发生片的工作数量、工作电压来适应不同的加湿量需求。雾状水滴在压差作用下进入混合器后与压缩空气充分混合。充分混合后的气体流经加热器，加热器对气体升温处理，使雾状水滴进一步气化，提高相对湿度。后端温度传感器和湿度传感器用于监测经过加湿后的进气参数，反馈给加湿器控制器形成温度与相对湿度的闭环控制，进一步调整加湿器的工作状态，以满足燃料电池对进气的需求。这样，有效满足氢燃料汽车电池的使用需求。本发明的创新点在于，采用水微粒发生模块对燃料电池进气加湿处理。混合器内部布置有混合流道，可使压缩空气与雾状水滴在其中充分混合。设有不同的温度传感器、湿度传感器，可以根据空气温湿度参数匹配超声波发生片的工作数量、工作电压来适应不同的加湿量需求。设有多个温度传感器、湿度传感器，将加湿后的温度和湿度反馈到燃料电池系统控制器中，形成温湿度闭环控制，进一步调整超声波发生器和加热器的工作状态。本发明所述的车载氢燃料电池用加湿器，结构简单，能够实现水微粒与压缩空气充分混合后对燃料电池进气进行加湿，同时充分发挥超声波加湿效率高、能耗低的优势，对不同功率的燃料电池均可按照控制器要求精确加湿，并且不易发生“堵水”现象，实现进气湿度精确可控，另外可以回收利用燃料电池排气中的冷凝水，完全满足加湿用水的用量要求。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明具体的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种车载氢燃料电池用加湿器，其特征在于：所述的车载氢燃料电池用加湿器包括压缩机(1)、混合器(2)、水微粒发生模块(3)，压缩机(1)和水微粒发生模块(3)分别通过管路与混合器(2)连通，混合器(2)与加热器(4)连通，加热器(4)通过管路与燃料电池电极(5)连通，压缩机(1)和混合器(2)之间的管路上设置前端湿度传感器(6)和前端温度传感器(7)，加热器(4)和燃料电池电极(5)之间的管路上设置后端湿度传感器(8)和后端温度传感器(9)，前端湿度传感器(6)、前端温度传感器(7)、后端湿度传感器(8)、后端温度传感器(9)分别与加湿器控制部件(10)连接，所述的水微粒发生模块(3)包括超声波发生器(11)、储水罐(12)。
2.根据权利要求1所述的车载氢燃料电池用加湿器，其特征在于：所述的水微粒发生模块(3)的超声波发生器(11)通过管路与储水罐(12)连接，储水罐(12)通过管路与混合器(2)连通。
3.根据权利要求1或2所述的车载氢燃料电池用加湿器，其特征在于：所述的前端湿度传感器(5)和前端温度传感器(6)设置为能够向加湿器控制部件(10)反馈前端湿度和温度实时数值的结构。
4.根据权利要求3所述的车载氢燃料电池用加湿器，其特征在于：所述的后端温度传感器(8)和后端湿度传感器(9)设置为能够监测加热器(4)输出进气的进气湿度和进气温度参数，反馈给加湿器控制部件(10)，从而对进气温度和相对湿度形成闭环控制的结构。
5.根据权利要求1或2所述的车载氢燃料电池用加湿器，其特征在于：所述的燃料电池电极(5)通过电控三通阀(13)与尾排管(14)连通，尾排管(14)与冷凝器(15)连通，冷凝器(15)与水气分离器(16)连通，水气分离器(16)与水微粒发生模块(3)的储水罐(12)连通，储水罐(12)上设置液位传感器(17)。
6.根据权利要求5所述的车载氢燃料电池用加湿器，其特征在于：所述的车载氢燃料电池用加湿器的电控三通阀(13)和液位传感器(17)分别与加湿器控制部件(10)连接，储水罐(12)的实际水位到达下限水位时，加湿器控制部件(10)设置为能够控制电控三通阀(13)连通尾排管(14)的管口或连通冷凝器(15)的管口开闭的结构。
7.根据权利要求5所述的车载氢燃料电池用加湿器，其特征在于：所述的水气分离器(16)与水微粒发生模块(3)的储水罐(12)之间设置水泵(18)，水泵(18)与加湿器控制部件(10)连接。
8.根据权利要求7所述的车载氢燃料电池用加湿器，其特征在于：所述的水泵(18)和储水罐(12)之间设置单向阀(19)。
9.根据权利要求1或2所述的车载氢燃料电池用加湿器，其特征在于：所述的水微粒发生模块(3)还包括辅助加热器(20)，辅助加热器(20)与加湿器控制部件(10)连接，储水罐(12)内的温度传感器与加湿器控制部件(10)连接。
10.根据权利要求1或2所述的车载氢燃料电池用加湿器，其特征在于：所述的超声波发生器(11)集成设置多个超声波发生片。
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