CN113270616B - 一种车用燃料电池增湿器系统及增湿方法 - Google Patents

一种车用燃料电池增湿器系统及增湿方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113270616B
CN113270616B CN202110817005.3A CN202110817005A CN113270616B CN 113270616 B CN113270616 B CN 113270616B CN 202110817005 A CN202110817005 A CN 202110817005A CN 113270616 B CN113270616 B CN 113270616B
Authority
CN
China
Prior art keywords
water tank
fuel cell
air
flow path
bypass valve
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110817005.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113270616A (zh
Inventor
刘志恩
周辉
彭可挥
李永超
任志昂
卢炽华
杜常清
颜伏伍
罗玉兰
裴书卿
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan University of Technology WUT
Foshan Xianhu Laboratory
Original Assignee
Wuhan University of Technology WUT
Foshan Xianhu Laboratory
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan University of Technology WUT, Foshan Xianhu Laboratory filed Critical Wuhan University of Technology WUT
Priority to CN202110817005.3A priority Critical patent/CN113270616B/zh
Publication of CN113270616A publication Critical patent/CN113270616A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113270616B publication Critical patent/CN113270616B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04104—Regulation of differential pressures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04111—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04141—Humidifying by water containing exhaust gases
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04149—Humidifying by diffusion, e.g. making use of membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04335—Temperature; Ambient temperature of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04395—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H01M8/04507—Humidity; Ambient humidity; Water content of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04604—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/04619—Power, energy, capacity or load of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04835—Humidity; Water content of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

本发明公开了一种车用燃料电池增湿器系统及增湿方法，燃料电池增湿器系统包括增湿器体、空气供给机构、燃料电池堆、旁通管路和鼓泡水箱，增湿器体包括增湿器壳体、膜增湿部件，膜增湿部件将增湿器壳体的内部分隔为第二流路通道和第一流路通道；空气供给机构包括空气供给流路，空气供给流路与第二流路进口连接，电堆阴极排气口与第一流路进口连接，电堆阴极入气口与第二流路出口连接；旁通管路连接于空气供给流路与电堆阴极入气口之间，旁通管路安装有第一旁通阀；水箱进气口通过水箱进气管与空气供给流路连接，水箱进气管安装有第二旁通阀，水箱出气口通过水箱出气管与电堆阴极入气口连接。实现多状态工况下对电堆阴极入气口空气的湿度控制。

Description

一种车用燃料电池增湿器系统及增湿方法
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池发动机增湿器技术领域，特别涉及一种车用燃料电池增湿器系统及增湿方法。
背景技术
在质子交换膜燃料电池中，保持电解质膜合适的膜水含量，有助于维持较高的质子传导率，提高电池发电效率，延长膜的使用寿命。合适的膜水含量一般通过增湿器对进入电堆的氧化气体进行增湿来保持。目前主要采用外增湿器对电堆阴极入口的空气进行增湿，膜增湿器又分为气/气增湿和气/液增湿，气/气增湿是利用电堆阴极反应生成的湿热气体对进入电堆阴极的干燥气体进行增湿；气/液增湿为采用液态水对进入电堆阴极的干燥气体进行增湿。目前燃料电池车用增湿器普遍采用气/气增湿。
其中气/气增湿器的原理为电堆阴极反应生成的湿热气体进入湿侧气体通道，干燥气体进入干侧通道增湿后达到电堆阴极入口，干湿侧通道之间采用全氟磺酸膜或磺化聚砜膜隔开。增湿器内部的湿气体中水分子因膜两侧压力差和浓度差的存在，从湿侧扩散到干侧，同时还将热量传输给干侧空气。此种增湿器方式由于气体流动的滞后性，对电堆系统负载突然变化的适应性较弱易导致突然加载时增湿不够，突然减载时增湿过度，不利于电堆性能的发挥且影响电堆使用寿命；在大流量时流经增湿器的气体压降较大导致系统寄生功率增加，且大流量增湿效果不佳；当燃料电池系统刚启动及短暂停车后再次启动时，无湿热空气生成，无法通过膜增湿器对干侧气体进行增湿。因此，目前车用燃料电池系统膜增湿器在变工况下的增湿存在一定的局限性。
发明内容
本发明目的在于提供一种车用燃料电池增湿器系统及增湿方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
为解决上述技术问题所采用的技术方案：
首先本发明提供一种车用燃料电池增湿器系统，其包括：增湿器体、空气供给机构、燃料电池堆、旁通管路和鼓泡水箱，增湿器体包括增湿器壳体、设置于增湿器壳体内的膜增湿部件，所述膜增湿部件将所述增湿器壳体的内部分隔为第二流路通道和第一流路通道，所述增湿器壳体设置有与所述第二流路通道连通的第二流路进口和第二流路出口，所述增湿器壳体设置有与所述第一流路通道连通的第一流路进口和第一流路出口；空气供给机构包括空气供给流路，所述空气供给流路与所述第二流路进口连接；燃料电池堆设置有电堆阴极排气口和电堆阴极入气口，所述电堆阴极排气口与所述第一流路进口连接，所述电堆阴极入气口与所述第二流路出口连接；旁通管路连接于空气供给流路与所述电堆阴极入气口之间，所述旁通管路安装有第一旁通阀；鼓泡水箱设置有水箱进气口和水箱出气口，所述水箱进气口通过水箱进气管与空气供给流路连接，所述水箱进气管安装有第二旁通阀，所述水箱出气口通过水箱出气管与所述电堆阴极入气口连接。
本车用燃料电池增湿器系统通过控制第一旁通阀及第二旁通阀的开闭及开度，使得空气供给流路的空气分为三路，第一路就是进入增湿器体内第二流路通道，并通过膜增湿部件与经过第一流路通道的湿热尾气进湿度和温度的交换；第二路就是经过旁通管路直接进入燃料电池堆；第三路就是经过鼓泡水箱内部的加湿后再进入燃料电池堆，实现多状态工况下对电堆阴极入气口空气的湿度控制。
作为上述技术方案的进一步改进，所述空气供给机构还包括沿所述空气供给流路进气方向依次设置的滤清器、空气压缩机、中冷器。本方案中供给的空气会经过滤清器过滤，空气压缩机压缩增压，中冷器冷却后，再分配至不同的管路，使得供给的空气可满足燃料电池堆的工况。
作为上述技术方案的进一步改进，所述膜增湿部件包括并排设置的至少两个流道板、设置于相邻两个流道板之间的增湿膜，在相邻的两个流道板中，所述增湿膜的其中一侧面与其中一个流道板之间形成所述第二流路通道，所述增湿膜的另一侧面与另外一个流道板之间形成所述第一流路通道。
本方案通过增湿膜的特性，当两股气体经过增湿膜的两侧时，两股气体的湿度可进行交换，两个流道板和设置于两者之间的增湿膜构成一个增湿单元，根据增湿量需求，可确定最佳的流道板尺寸和增湿单元的层数。
作为上述技术方案的进一步改进，在相邻的两个流道板中，所述第二流路通道的流通方向与所述第一流路通道的流通方向相互交错设置。这样可使得流经第一流路通道的尾气和流经第二流路通道的供给空气湿度交换的更换，提高增湿的效率。
作为上述技术方案的进一步改进，所述流道板的横截面呈瓦楞状，相邻两个所述流道板与增湿膜的两侧边紧贴，在相邻的两个流道板中形成并排设置的多个第二流路通道、并排设置的多个第一流路通道。这样可使得每个增湿单元的结构强度更好，可满足更大的气压需求，避免增湿膜变形。其中增湿膜的两侧通过黏胶流道板粘接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述鼓泡水箱连接有鼓泡管，所述鼓泡管的两端分为所述水箱进气口和伸入口，所述伸入口伸至鼓泡水箱的底部内，所述水箱出气管安装有出气单向阀，在所述鼓泡水箱内设置有电加热装置、玻璃珠。
从水箱进气口进入的供给空气，会直接进入到鼓泡管的底部内，即是会进入去离子水内，供给空气经过去离子水实现加湿，之后再从水箱出气管流出，而出气单向阀的设置可避免其他路的供给气体回流进入鼓泡水箱，其中电加热装置可实现水温度控制，玻璃珠用于增加气体与水的接触面积。
本发明还提供一种车用燃料电池增湿方法，其采用上述车用燃料电池增湿器系统，其中第一旁通阀及第二旁通阀均为电控阀门，还包括控制装置，所述控制装置包括处理控制器、与处理控制器连接的存储器、设置于所述电堆阴极入气口的第一传感器组件、设置于电堆阴极排气口的第二传感器组件、设置于空气供给流路的第三传感器组件、设置于鼓泡水箱内的第四传感器组件，所述处理控制器、存储器均连接于第一传感器组件、第二传感器组件、第三传感器组件、第四传感器组件、燃料电池堆、第一旁通阀及第二旁通阀；其中第一传感器组件、第二传感器组件、第三传感器组件均包括温度传感器、压力传感器、湿度传感器，而第四传感器组件包括温度传感器、液位传感器，第三传感器组件还包括流量计。
在系统工作时，处理控制器根据第一传感器组件采集到的进入燃料电池堆的空气压力、温度及第三传感器组件的空气流量信号、燃料电池堆功率信号与存储在存储器中的数据进行对比判断燃料电池堆的功率需求状态是小功率稳态、大功率稳态、中等功率稳态、功率急速增加状态、功率缓慢增加状态、功率急速减小状态或功率缓慢减小状态，并依据当前供给气体湿度、压力、温度、流量信息与存储器中存储信息对比，向所述第一旁通阀及第二旁通阀发出控制指令，实现多状态工况下对电堆阴极入气口空气的湿度控制。
作为上述技术方案的进一步改进，初始状态，所述第一旁通阀及第二旁通阀均关闭；在系统启动时，处理控制器根据各传感器组件、燃料电池堆的状态信号与存储信息对比识别出启动状态，向所述第二旁通阀发出打开指令，此时空气供给流路的空气分为两路，其中一路从第二流路进口进入第二流路通道；另一路经第二旁通阀从所述水箱进气口进入鼓泡水箱，经过鼓泡水箱后从所述水箱出气口排出，并从电堆阴极入气口进入燃料电池堆，燃料电池堆启动；
处理控制器收到燃料电池堆启动的指令后，向第二旁通阀发出关闭指令，流入鼓泡水箱的供给气体被切断，供给气体全部进入第二流路通道，这时从燃料电池堆的电堆阴极排气口的湿热尾气进入第一流路通道，湿热尾气通过膜增湿部件对流经第二流路通道内供给空气进行增湿。
作为上述技术方案的进一步改进，在小功率稳态工况、中等功率稳态工况、功率缓慢增加状态工况、功率缓慢减小状态工况时，燃料电池堆稳定工作阴极生成的湿热尾气通过膜增湿部件对供给的空气进行增湿，处理控制器采集各个旁通阀的位置信号，如未关闭则向第一旁通阀及第二旁通阀发出关闭指令；
在大功率稳态工况时，增湿器控制增湿以膜增湿部件为主，以鼓泡增湿为辅助，控制少量空气进入鼓泡水箱内增湿；
在功率急速增加状态工况时，膜增湿部件和鼓泡水箱对供给空气一起增湿，处理控制器将第一传感器组件、第二传感器组件、第三传感器组件和第四传感器组件的反馈信号及燃料电池堆的功率大小与存储信息对比，控制第二旁通阀的打开角度，控制大量空气进入鼓泡水箱内增湿；
在功率急速减小状态工况时，处理控制器将第一传感器组件、第二传感器组件、第三传感器组件和第四传感器组件的反馈信号及燃料电池堆的功率大小与存储信息对比，向第一旁通阀发出指令打开合适角度，此时部分气体经旁通管路与经第二流路出口出来的膜增湿后气体混合，再进入燃料电池堆。
作为上述技术方案的进一步改进，在所述鼓泡水箱内设置有电加热装置、玻璃珠，所述电加热装置为功率可控，在系统工作时，处理控制器根据鼓泡水箱内的第四传感器组件检测到的温度信息，向电加热装置发送信号，对去离子水进行加热保持在60℃，处理控制器根据第四传感器组件检测到的水位信息，判断如果水位低于预警值，则提醒驾驶人员加注去离子水。
本发明的有益效果是：实现多状态工况下对电堆阴极入气口空气的湿度控制，可有效解决车辆启动阶段、工况急速变化时，供给燃料电池系统的气体增湿量无法及时响应保持合适湿度的问题，在燃料电池汽车维持大功率工作时，改善增湿效果并减小气体经过增湿器体的压力降。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明；
图1是本发明所提供的车用燃料电池增湿器系统，其一实施例的空气流动示意图；
图2是本发明所提供的增湿器体与鼓泡水箱，其一实施例的安装结构示意图；
图3是本发明所提供的膜增湿部件，其一实施例的局部放大图；
图4是本发明所提供的鼓泡水箱，其一实施例的结构示意图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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，而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。
在本发明的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1至图4，本发明的车用燃料电池增湿器系统作出如下实施例：
本实施例的车用燃料电池增湿器系统包括增湿器体100、空气供给机构、燃料电池堆300、旁通管路400和鼓泡水箱500。
其中空气供给机构主要负责空气的供给，具体地：本实施例的空气供给机构包括空气供给流路200、沿所述空气供给流路200进气方向依次设置的滤清器210、空气压缩机220、中冷器230，供给的空气会经过滤清器210过滤，空气压缩机220压缩增压，中冷器230冷却后，再分配至不同的管路，使得供给的空气可满足燃料电池堆300的工况。
而增湿器体100包括增湿器壳体110、设置于增湿器壳体110内的膜增湿部件，所述膜增湿部件将所述增湿器壳体110的内部分隔为第二流路通道120和第一流路通道130，所述增湿器壳体110设置有与所述第二流路通道120连通的第二流路进口121和第二流路出口122，所述增湿器壳体110设置有与所述第一流路通道130连通的第一流路进口131和第一流路出口132，具体地：本实施例的增湿器壳体110包括壳体中部、连接于壳体中部两端的两个壳体端盖，膜增湿部件包括并排设置的至少两个流道板140、设置于相邻两个流道板140之间的增湿膜150，在相邻的两个流道板140中，所述增湿膜150的其中一侧面与其中一个流道板140之间形成所述第二流路通道120，所述增湿膜150的另一侧面与另外一个流道板140之间形成所述第一流路通道130，本实施例通过增湿膜150的特性，当两股气体经过增湿膜150的两侧时，两股气体的湿度可进行交换，两个流道板140和设置于两者之间的增湿膜150构成一个增湿单元，根据增湿量需求，可确定最佳的流道板140尺寸和增湿单元的层数，且在相邻的两个流道板140中，所述第二流路通道120的流通方向与所述第一流路通道130的流通方向相互交错设置。这样可使得流经第一流路通道130的尾气和流经第二流路通道120的供给空气湿度交换的更换，提高增湿的效率。
而所述流道板140的横截面呈瓦楞状，相邻两个所述流道板140与增湿膜150的两侧边紧贴，在相邻的两个流道板140中形成并排设置的多个第二流路通道120、并排设置的多个第一流路通道130。这样可使得每个增湿单元的结构强度更好，可满足更大的气压需求，避免增湿膜150变形。
所述空气供给流路200与所述第二流路进口121连接，燃料电池堆300设置有电堆阴极排气口310和电堆阴极入气口320，所述电堆阴极排气口310与所述第一流路进口131连接，所述电堆阴极入气口320与所述第二流路出口122连接，旁通管路400连接于空气供给流路200与所述电堆阴极入气口320之间，所述旁通管路400安装有第一旁通阀410。
而鼓泡水箱500设置有水箱进气口和水箱出气口，所述水箱进气口通过水箱进气管510与空气供给流路200连接，所述水箱进气管510安装有第二旁通阀511，所述水箱出气口通过水箱出气管520与所述电堆阴极入气口320连接，本实施例的鼓泡水箱500固定于增湿器壳体110的外侧壁上，在其他实施例中，鼓泡水箱500可根据整车空间，从增湿器壳体110拆下，分体安装。
具体地，所述鼓泡水箱500连接有鼓泡管530，所述鼓泡管530的两端分为所述水箱进气口和伸入口，所述伸入口伸至鼓泡水箱500的底部内，所述水箱出气管520安装有出气单向阀521，在所述鼓泡水箱500内设置有电加热装置540、玻璃珠550，鼓泡水箱500还包裹有保温壁，以及设置有去离子水加注口。
在一些实施例中，从水箱进气口进入的供给空气，会直接进入到鼓泡管530的底部内，即是会进入去离子水内，供给空气经过去离子水实现加湿，之后再从水箱出气管520流出，而出气单向阀521的设置可避免其他路的供给气体回流进入鼓泡水箱500，其中电加热装置540可实现水温度控制，玻璃珠550用于增加气体与水的接触面积。
本实施例的其中第一旁通阀410及第二旁通阀511均为电控阀门，还包括控制装置，所述控制装置包括处理控制器600、与处理控制器600连接的存储器、设置于所述电堆阴极入气口320的第一传感器组件、设置于电堆阴极排气口310的第二传感器组件、设置于空气供给流路200的第三传感器组件、设置于鼓泡水箱500内的第四传感器组件，所述处理控制器600、存储器均连接于第一传感器组件、第二传感器组件、第三传感器组件、第四传感器组件、燃料电池堆300、第一旁通阀410及第二旁通阀511；其中第一传感器组件、第二传感器组件、第三传感器组件均包括温度传感器、压力传感器、湿度传感器，而第四传感器组件包括设置于鼓泡水箱500内的温度传感器和液位传感器，第三传感器组件还包括流量传感器。
本实施例还提供一种车用燃料电池增湿方法，其采用上述车用燃料电池增湿器系统，在系统工作时，处理控制器600根据第一传感器组件采集到的进入燃料电池堆300的空气压力、温度及第三传感器组件的空气流量信号、燃料电池堆300功率信号与存储在存储器中的数据进行对比判断燃料电池堆300的功率需求状态是小功率稳态、大功率稳态、中等功率稳态、功率急速增加状态、功率缓慢增加状态、功率急速减小状态或功率缓慢减小状态，并依据当前供给气体湿度、压力、温度、流量信息与存储器中存储信息对比，向所述第一旁通阀410及第二旁通阀511发出控制指令，实现多状态工况下对电堆阴极入气口320空气的湿度控制，具体如下：
初始状态，所述第一旁通阀410及第二旁通阀511均关闭；在系统启动时，处理控制器600根据各传感器组件、燃料电池堆300的状态信号与存储信息对比识别出启动状态，向所述第二旁通阀511发出打开指令，此时空气供给流路200的空气分为两路，其中一路从第二流路进口121进入第二流路通道120；另一路经第二旁通阀511从所述水箱进气口进入鼓泡水箱500，经过鼓泡水箱500后从所述水箱出气口排出，并从电堆阴极入气口320进入燃料电池堆300，燃料电池堆300启动，其中因为第二流路通道120的流道细长阻力大于流经鼓泡水箱500的气体阻力，所以气体经鼓泡水箱500从电堆阴极入气口320进入燃料电池堆300。
处理控制器600收到燃料电池堆300启动的指令后，向第二旁通阀511发出关闭指令，流入鼓泡水箱500的供给气体被切断，供给气体全部进入第二流路通道120，这时从燃料电池堆300的电堆阴极排气口310的湿热尾气进入第一流路通道130，湿热尾气通过膜增湿部件对流经第二流路通道120内供给空气进行增湿。
在小功率稳态工况、中等功率稳态工况、功率缓慢增加状态工况、功率缓慢减小状态工况时，燃料电池堆300稳定工作阴极生成的湿热尾气通过膜增湿部件对供给的空气进行增湿，通常能够满足燃料电池系统增湿需求，增湿全部由膜增湿部件完成，处理控制器600采集各个旁通阀的位置信号，如未关闭则向第一旁通阀410及第二旁通阀511发出关闭指令。
在大功率稳态工况时，增湿器控制增湿以膜增湿部件为主，以鼓泡增湿为辅助，控制少量空气进入鼓泡水箱500内增湿。处理控制器600根据鼓泡水箱500内的液位传感器、温度传感器、燃料电池堆300功率大小及空气供给流路200上的流量传感器、温度传感器、压力传感器的反馈信号与存储信息对比，如果鼓泡水箱500的液位低于下限时，不向第二旁通阀511发出指令，维持第二旁通阀511的关闭；如鼓泡水箱500的液位高于下限，则向第二旁通阀511发出打开角度的指令，将进入燃料电池堆300的空气湿度控制在合适范围，同时降低气体压力损失、保证燃料电池堆300的稳定运行。
在功率急速增加状态工况时，膜增湿部件和鼓泡水箱500对供给空气一起增湿，处理控制器600将第一传感器组件、第二传感器组件、第三传感器组件、第四传感器组件的反馈信号及燃料电池堆300的功率大小与存储信息对比，控制第二旁通阀511的打开角度，控制大量空气进入鼓泡水箱500内增湿。
在功率急速减小状态工况时，处理控制器600将第一传感器组件、第二传感器组件、第三传感器组件和第四传感器组件的反馈信号及燃料电池堆300的功率大小与存储信息对比，向第一旁通阀410发出指令打开合适角度，此时部分气体经旁通管路400与经第二流路出口122出来的膜增湿后气体混合，再进入燃料电池堆300。
在系统工作时，处理控制器600根据鼓泡水箱500内的第四传感器组件检测到的温度信息，向电加热装置540发送信号，对去离子水进行加热保持在60℃，处理控制器600根据第四传感器组件检测到的水位信息，判断如果水位低于预警值，则提醒驾驶人员加注去离子水。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种车用燃料电池增湿器系统，其特征在于：其包括：
增湿器体（100），其包括增湿器壳体（110）、设置于增湿器壳体（110）内的膜增湿部件，所述膜增湿部件将所述增湿器壳体（110）的内部分隔为第二流路通道（120）和第一流路通道（130），所述增湿器壳体（110）设置有与所述第二流路通道（120）连通的第二流路进口（121）和第二流路出口（122），所述增湿器壳体（110）设置有与所述第一流路通道（130）连通的第一流路进口（131）和第一流路出口（132）；
空气供给机构，其包括空气供给流路（200），所述空气供给流路（200）与所述第二流路进口（121）连接；
燃料电池堆（300），其设置有电堆阴极排气口（310）和电堆阴极入气口（320），所述电堆阴极排气口（310）与所述第一流路进口（131）连接，所述电堆阴极入气口（320）与所述第二流路出口（122）连接；
旁通管路（400），其连接于空气供给流路（200）与所述电堆阴极入气口（320）之间，所述旁通管路（400）安装有第一旁通阀（410）；
鼓泡水箱（500），其设置有水箱进气口和水箱出气口，所述水箱进气口通过水箱进气管（510）与空气供给流路（200）连接，所述水箱进气管（510）安装有第二旁通阀（511），所述水箱出气口通过水箱出气管（520）与所述电堆阴极入气口（320）连接；
所述鼓泡水箱（500）连接有鼓泡管（530），所述鼓泡管（530）的两端分为所述水箱进气口和伸入口，所述伸入口伸至鼓泡水箱（500）的底部内，所述水箱出气管（520）安装有出气单向阀（521）；
控制装置，所述控制装置包括处理控制器（600）；
在系统启动时，处理控制器（600）向所述第二旁通阀（511）发出打开指令，此时空气供给流路（200）的空气分为两路，其中一路从第二流路进口（121）进入第二流路通道（120）；另一路经第二旁通阀（511）从所述水箱进气口进入鼓泡水箱（500），经过鼓泡水箱（500）后从所述水箱出气口排出，并从电堆阴极入气口（320）进入燃料电池堆（300），燃料电池堆（300）启动，处理控制器（600）向第二旁通阀（511）发出关闭指令，流入鼓泡水箱（500）的供给气体被切断，供给气体全部进入第二流路通道（120）；
在大功率稳态工况时，增湿器控制增湿以膜增湿部件为主，以鼓泡增湿为辅助，控制第二旁通阀（511）的打开角度，控制少量空气进入鼓泡水箱（500）内增湿；
在功率急速增加状态工况时，膜增湿部件和鼓泡水箱（500）对供给空气一起增湿，控制第二旁通阀（511）的打开角度，控制大量空气进入鼓泡水箱（500）内增湿；
在功率急速减小状态工况时，处理控制器（600）向第一旁通阀（410）发出指令打开合适角度，此时部分气体经旁通管路（400）与经第二流路出口（122）出来的膜增湿后气体混合，再进入燃料电池堆（300）。
2.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池增湿器系统，其特征在于：
所述空气供给机构还包括沿所述空气供给流路（200）进气方向依次设置的滤清器（210）、空气压缩机（220）、中冷器（230）。
3.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池增湿器系统，其特征在于：
所述膜增湿部件包括并排设置的至少两个流道板（140）、设置于相邻两个流道板（140）之间的增湿膜（150），在相邻的两个流道板（140）中，所述增湿膜（150）的其中一侧面与其中一个流道板（140）之间形成所述第二流路通道（120），所述增湿膜（150）的另一侧面与另外一个流道板（140）之间形成所述第一流路通道（130）。
4.根据权利要求3所述的一种车用燃料电池增湿器系统，其特征在于：
在相邻的两个流道板（140）中，所述第二流路通道（120）的流通方向与所述第一流路通道（130）的流通方向相互交错设置。
5.根据权利要求3所述的一种车用燃料电池增湿器系统，其特征在于：
所述流道板（140）的横截面呈瓦楞状，相邻两个所述流道板（140）与增湿膜（150）的两侧边紧贴，在相邻的两个流道板（140）中形成并排设置的多个第二流路通道（120）、并排设置的多个第一流路通道（130）。
6.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池增湿器系统，其特征在于：
在所述鼓泡水箱（500）内设置有电加热装置（540）、玻璃珠（550）。
7.一种车用燃料电池增湿方法，其特征在于：
其采用如权利要求1至6任意一项所述的车用燃料电池增湿器系统，其中第一旁通阀（410）及第二旁通阀（511）均为电控阀门，还包括控制装置，所述控制装置包括处理控制器（600）、与处理控制器（600）连接的存储器、设置于所述电堆阴极入气口（320）的第一传感器组件、设置于电堆阴极排气口（310）的第二传感器组件、设置于空气供给流路（200）的第三传感器组件、设置于鼓泡水箱（500）内的第四传感器组件，所述处理控制器（600）、存储器均连接于第一传感器组件、第二传感器组件、第三传感器组件、第四传感器组件、燃料电池堆（300）、第一旁通阀（410）及第二旁通阀（511）；
在系统工作时，处理控制器（600）根据第一传感器组件采集到的进入燃料电池堆（300）的空气压力、温度及第三传感器组件的空气流量信号、燃料电池堆（300）功率信号与存储在存储器中的数据进行对比判断燃料电池堆（300）的功率需求状态是小功率稳态、大功率稳态、中等功率稳态、功率急速增加状态、功率缓慢增加状态、功率急速减小状态或功率缓慢减小状态，并依据当前供给气体湿度、压力、温度、流量信息与存储器中存储信息对比，向所述第一旁通阀（410）及第二旁通阀（511）发出控制指令，实现多状态工况下电堆阴极入气口（320）空气的湿度控制。
8.根据权利要求7所述的一种车用燃料电池增湿方法，其特征在于：
初始状态，所述第一旁通阀（410）及第二旁通阀（511）均关闭；在系统启动时，处理控制器（600）根据各传感器组件、燃料电池堆（300）的状态信号与存储信息对比识别出启动状态，向所述第二旁通阀（511）发出打开指令，此时空气供给流路（200）的空气分为两路，其中一路从第二流路进口（121）进入第二流路通道（120）；另一路经第二旁通阀（511）从所述水箱进气口进入鼓泡水箱（500），经过鼓泡水箱（500）后从所述水箱出气口排出，并从电堆阴极入气口（320）进入燃料电池堆（300），燃料电池堆（300）启动；
处理控制器（600）收到燃料电池堆（300）启动的指令后，向第二旁通阀（511）发出关闭指令，流入鼓泡水箱（500）的供给气体被切断，供给气体全部进入第二流路通道（120），这时从燃料电池堆（300）的电堆阴极排气口（310）的湿热尾气进入第一流路通道（130），湿热尾气通过膜增湿部件对流经第二流路通道（120）内供给空气进行增湿。
9.根据权利要求8所述的一种车用燃料电池增湿方法，其特征在于：
在小功率稳态工况、中等功率稳态工况、功率缓慢增加状态工况、功率缓慢减小状态工况时，燃料电池堆（300）稳定工作阴极生成的湿热尾气通过膜增湿部件对供给的空气进行增湿，处理控制器（600）采集各个旁通阀的位置信号，如未关闭则向第一旁通阀（410）及第二旁通阀（511）发出关闭指令；
在大功率稳态工况时，增湿器控制增湿以膜增湿部件为主，以鼓泡增湿为辅助，控制少量空气进入鼓泡水箱（500）内增湿；
在功率急速增加状态工况时，膜增湿部件和鼓泡水箱（500）对供给空气一起增湿，处理控制器（600）将第一传感器组件、第二传感器组件、第三传感器组件和第四传感器组件的反馈信号及燃料电池堆（300）的功率大小与存储信息对比，控制第二旁通阀（511）的打开角度，控制大量空气进入鼓泡水箱（500）内增湿；
在功率急速减小状态工况时，处理控制器（600）将第一传感器组件、第二传感器组件、第三传感器组件和第四传感器组件的反馈信号及燃料电池堆（300）的功率大小与存储信息对比，向第一旁通阀（410）发出指令打开合适角度，此时部分气体经旁通管路（400）与经第二流路出口（122）出来的膜增湿后气体混合，再进入燃料电池堆（300）。
10.根据权利要求7所述的一种车用燃料电池增湿方法，其特征在于：
在所述鼓泡水箱（500）内设置有电加热装置（540）、玻璃珠（550），所述电加热装置（540）为功率可控，在系统工作时，处理控制器（600）根据鼓泡水箱（500）内的第四传感器组件检测到的温度信息，向电加热装置（540）发送信号，对去离子水进行加热保持在60℃，处理控制器（600）根据第四传感器组件检测到的水位信息，判断如果水位低于预警值，则提醒驾驶人员加注去离子水。
CN202110817005.3A 2021-07-20 2021-07-20 一种车用燃料电池增湿器系统及增湿方法 Active CN113270616B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110817005.3A CN113270616B (zh) 2021-07-20 2021-07-20 一种车用燃料电池增湿器系统及增湿方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110817005.3A CN113270616B (zh) 2021-07-20 2021-07-20 一种车用燃料电池增湿器系统及增湿方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113270616A CN113270616A (zh) 2021-08-17
CN113270616B true CN113270616B (zh) 2021-11-09

Family

ID=77236783

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110817005.3A Active CN113270616B (zh) 2021-07-20 2021-07-20 一种车用燃料电池增湿器系统及增湿方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113270616B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
CN114899453B (zh) * 2022-05-25 2024-04-12 大连锐格新能源科技有限公司 小流量和工况低限流量的供气增湿装置
DE102022207460A1 (de) * 2022-07-21 2024-02-01 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
CN115882007B (zh) * 2023-01-16 2023-06-20 国家电投集团氢能科技发展有限公司 集成式增湿器、燃料电池空气系统及其工作方法
CN117276587B (zh) * 2023-11-15 2024-01-26 四川轻绿科技有限公司 用于小功率燃料电池的冷凝增湿装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4996005B2 (ja) * 2000-09-01 2012-08-08 本田技研工業株式会社 燃料電池用加湿装置
KR101028030B1 (ko) * 2007-09-06 2011-04-13 현대자동차주식회사 연료전지용 가습장치
KR101113650B1 (ko) * 2009-08-26 2012-02-14 현대자동차주식회사 공급가스의 가습 성능이 향상되는 연료전지 시스템
DE102014006464A1 (de) * 2014-05-06 2015-11-12 Mann + Hummel Gmbh Befeuchtungseinrichtung beispielsweise für eine Brennstoffzelle
CN213071190U (zh) * 2020-06-28 2021-04-27 金华氢途科技有限公司 一种燃料电池系统的阴极回路
CN213093234U (zh) * 2020-08-22 2021-04-30 山东魔方新能源科技有限公司 一种燃料电池用增湿器隔板
CN212810357U (zh) * 2020-09-12 2021-03-26 山东魔方新能源科技有限公司 一种燃料电池用增湿器隔板结构
CN112234231A (zh) * 2020-10-23 2021-01-15 金华氢途科技有限公司 一种燃料电池系统及其控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113270616A (zh) 2021-08-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113270616B (zh) 一种车用燃料电池增湿器系统及增湿方法
CN109904489B (zh) 一种燃料电池及新能源汽车
CN212934680U (zh) 一种燃料电池的增湿系统
JP5055751B2 (ja) 燃料電池システム
CN112216853A (zh) 一种燃料电池系统及其湿度控制方法
CN112952150A (zh) 燃料电池发动机用增湿器系统及增湿方法
WO2020173166A1 (zh) 一种燃料电池冷启动系统及冷启动控制方法
JP3699063B2 (ja) 燃料電池およびその制御方法
CN112635793A (zh) 一种双堆双循环的燃料电池系统
JP4418299B2 (ja) 加湿装置
JP3654871B2 (ja) 燃料電池用アノード流れ再循環システム
CN113224347A (zh) 一种燃料电池系统换热加湿装置及换热加湿方法
CN115939449B (zh) 燃料电池系统及其增湿方法和补水方法
CN113851680A (zh) 一种燃料电池系统的阴极回路及其控制方法
CN102201584A (zh) 用于阀控制的冷却剂旁通路径的诊断原理
CN218783062U (zh) 燃料电池的空气子系统
CN218568901U (zh) 一种车辆、燃料电池发动机及其加湿系统
CN114883600B (zh) 多层燃料电池控制系统及控制方法
CN215731815U (zh) 一种燃料电池温度、湿度控制系统
CN215731798U (zh) 一种中冷器及其应用的燃料电池系统
CN214848712U (zh) 一种燃料电池空气路气量分配模块及燃料电池系统
CN210897483U (zh) 一种燃料电池发动机空气控制系统
CN113090490A (zh) 具有管路分配功能的水泵及燃料电池系统和控制方法
CN114335608A (zh) 用于燃料电池的冷凝增湿器、冷凝增湿组件及控制方法
CN216597652U (zh) 集成增湿部件的燃料电池的电堆

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant