CN113363531A - 一种氢燃料电池氢气加湿系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种氢燃料电池氢气加湿系统。本发明的氢燃料电池氢气加湿系统，包括：储氢罐、气化罐、氢气喷射器、燃料电池组、冷凝装置、气水分离装置、回流泵和排水尾管；所述储氢罐的出口与所述气化罐的进口相导通；所述气化罐的出口与所述氢气喷射器的进口相导通；所述氢气喷射器的出口与所述燃料电池组的进气口相导通；所述燃料电池组的出气口与所述冷凝装置的进气口相导通；所述冷凝装置的出口与所述气水分离装置的进口相导通；所述气水分离装置的气态出口与所述回流泵的进口相导通。本发明的氢燃料电池氢气加湿系统一方面提高整体的能源利用率，另一方面实现对质子交换膜的有效补水。

Description

一种氢燃料电池氢气加湿系统
技术领域
本发明实施例涉及氢燃料电池技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池氢气加湿系统。
背景技术
氢燃料电池是一种新型的能量转换装置，它将氢气等的化学能通过一系列的化学反应，以电能的形式输出。在氢燃料电池内部，最核心的部件有质子交换膜，它不仅具有阻隔作用，还具有传导质子的作用，是直接影响电池性能和发电成本的核心因素。
质子交换膜在反应过程中，需要保持良好的质子电导性能和电化学稳定性能，为此，在反应过程中，一般需要对质子交换膜进行加湿，以保证质子交换膜的正常工作。然而，目前的氢燃料电池在使用过程中，多是利用氢燃料电池自身反应后生成的水作为补充水，这种情况下质子交换膜并不能获得充分的水分，且补水的效率很低，补水不充分，影响质子交换膜的工作效率和使用寿命。
发明内容
本发明实施例提供一种氢燃料电池氢气加湿系统，针对上述问题，通过外循坏带出氢燃料电池产生的水，并利用这部分水对氢气进行加水蒸气和加热，再通过氢气代入水蒸气，对质子交换膜进行补水，从而一方面提高整体的能源利用率，另一方面实现对质子交换膜的有效补水。
本发明实施例提供一种氢燃料电池氢气加湿系统，包括：储氢罐、气化罐、氢气喷射器、燃料电池组、冷凝装置、气水分离装置、回流泵和排水尾管；
所述储氢罐的出口与所述气化罐的进口相导通；
所述气化罐的出口与所述氢气喷射器的进口相导通；
所述氢气喷射器的出口与所述燃料电池组的进气口相导通；
所述燃料电池组的出气口与所述冷凝装置的进气口相导通；
所述冷凝装置的出口与所述气水分离装置的进口相导通；
所述气水分离装置的气态出口与所述回流泵的进口相导通，所述气水分离装置的液态出口与所述排水尾管相导通；
所述回流泵的出口设置在所述氢气喷射器的进口和所述气化罐的出口之间。
采用该技术方案，一方面可以利用控制好湿度的分离气体对未反应的氢气进行加湿，另一方面利用从冷凝装置中排出的废气将冷凝水带走，既实现了对氢气的加湿，也提高了对未利用氢气的二次利用，同时也避免了单纯冷凝过程所导致的液态水无法排出，实现一举多得。
在一种可行的方案中，还包括：加热装置；
所述加热装置串联在所述气化罐的出口和所述氢气喷射器的进口之间。
采用该技术方案，是为了对待喷入氢燃料电池内的氢气进行加热，以提高气化的效果和气化后的温度。
在一种可行的方案中，还包括：控制器、第一温度感应器和第一三通电磁阀；
所述第一温度感应器设置在所述气水分离装置上；
所述第一三通电磁阀的进口设置在所述回流泵的出口处，所述第一三通电磁阀的第一出口与所述氢气喷射器的进口相导通，所述第一三通电磁阀的第二出口与所述加热装置的进口相导通；
所述第一温度感应器、所述第一三通电磁阀分别与所述控制器电性连接。
采用该技术方案，可以实现对加氢速度和加湿速度的协同调节，从而利用含有水蒸气的混合气体对质子交换膜进行高效率的加湿，保证加湿的质量，提高氢燃料电池系统运行的平稳性。
在一种可行的方案中，还包括：循环泵；
所述循环泵设置在所述排水尾管的出口处。
采用该技术方案，通过增设循环泵，提高产生的废水的排出效率。
在一种可行的方案中，还包括：液位计；
所述液位计设置在所述气水分离装置上，所述液位计和所述循环泵分别与所述控制器电性连接。
采用该技术方案，是为了对气水分离装置中的液位进行监控，从而实现对气水分离装置工作效率的检测。
在一种可行的方案中，还包括：第二温度感应器；
所述第二温度感应器设置在所述氢气喷射器的出口，且与所述控制器电性连接。
采用该技术方案，是为了对氢气喷射器喷出的氢气温度进行监控，以保证进入氢燃料电池内的氢气温度符合要求。
在一种可行的方案中，还包括：湿度计；
所述湿度计设置在所述燃料电池组的进气口处，且与所述控制器电性连接。
采用该技术方案，是为了对进入燃料电池组的氢气的湿度进行检测，以保证带入质子交换膜的湿度符合要求。
在一种可行的方案中，还包括：蒸汽补充装置；
所述蒸汽补充装置包括：“K”形腔体和热风机；
所述“K”形腔体的第一进口为进水口，第一出口为出水口，第二进口为进气口，第二出口为出气口；
所述热风机设置在所述第二进口处，所述第二出口与所述回流泵的出口相导通；
所述热风器与所述控制器电性连接。
采用该技术方案，是提供了一种蒸汽补充方案，当氢气的湿度不符合要求时，采用该蒸汽补充装置，一方面可以高效率地产生水蒸气、提高湿度，另一方面可以使水蒸气的产生装置实现小型化，降低占用空间。
在一种可行的方案中，所述气水分离装置包括：内部分离腔、外部容纳腔、螺旋导流片和冷凝介质；
所述内部分离腔设置在所述外部容纳腔内部，所述冷凝介质位于所述内部分离腔设置在所述外部容纳腔之间；
所述外部容纳腔上设有冷凝介质出入口，所述冷凝介质出入口用于调节所述外部容纳腔内的冷凝介质的量；
所述螺旋导流片呈螺旋形，所述螺旋导流片上设有弧形的导流槽，且贴设在所述内部分离腔的内壁上；
所述内部分离腔设有气液混合物进管，且所述气液混合物进管的中心线方向与所述导流槽的中心线方向相切；
所述内部分离腔的顶部设有向下内陷的锥形顶，所述内部分离腔的底部设有向下内陷的锥形底，且所述锥形顶的中心位置设有气态出口，所述锥形底的中心位置设有液态出口。
采用该技术方案，能够很好的实现气液分离过程，与此同时，换热效率更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一中氢燃料电池氢气加湿系统的整体结构示意图；
图2为本发明实施例二中氢燃料电池氢气加湿系统的整体结构示意图；
图3为本发明实施例二中氢燃料电池氢气加湿系统的蒸汽补充装置的立体图；
图4为本发明实施例二中氢燃料电池氢气加湿系统的蒸汽补充装置的剖视图；
图5为本发明实施例三中氢燃料电池氢气加湿系统的气水分离装置的内部结构图。
图中标号：
1、储氢罐；2、气化罐；3、氢气喷射器；4、燃料电池组；5、冷凝装置； 6、气水分离装置；601、内部分离腔；602、外部容纳腔；603、螺旋导流片； 7、回流泵；8、排水尾管；9、循环泵；10、加热装置；11、“K”形腔体； 1101、第一进口；1102、第一出口；1103、第二进口；1104、第二出口；12、热风机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，也可以是成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，也可以是通讯连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介的间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
申请人发现，现有的氢燃料电池在给质子交换膜补水时，都是采用利用氢燃料电池反应后的水，在氢燃料电池内部进行补水，也就是通过氢燃料电池内循环进行补水。然而这种补水方式效率和效果都很低，质子交换膜的工作状况难以获得保证，使得质子交换膜的工作效率低下，维护和更换都很频繁，使氢燃料电池的运行成本较高。
基于此，申请人设想利用外循环对质子交换膜进行补水，以提高质子交换膜的补水效果，来提高质子交换膜的工作效率和稳定性，从而延长维护周期，降低运行成本。
图2为本发明实施例二中氢燃料电池氢气加湿系统的整体结构示意图，图3为本发明实施例二中氢燃料电池氢气加湿系统的蒸汽补充装置的立体图，图4为本发明实施例二中氢燃料电池氢气加湿系统的蒸汽补充装置的剖视图。
实施例一
图1为本发明实施例一中氢燃料电池氢气加湿系统的整体结构示意图。
如图1所示，本发明实施例提供的氢燃料电池氢气加湿系统，包括：储氢罐1、气化罐2、氢气喷射器3、燃料电池组4、冷凝装置5、气水分离装置6、回流泵7和排水尾管8。
该储氢罐1的出口与该气化罐2的进口相导通，储氢罐1用于储存用于氢燃料电池进行反应的液态氢气，气化罐2用于对液态氢气进行气化，以生成符合氢燃料电池反应要求的气态氢气。该气化罐2的出口与该氢气喷射器 3的进口相导通，该氢气喷射器3的出口与该燃料电池组4的进气口相导通，氢气喷射器3的作用是将氢气以预设的状态输入到氢燃料电池内部进行反应。
该燃料电池组4的出气口与该冷凝装置5的进气口相导通。
这是为了使氢燃料电池产生的水蒸气尽可能地凝结为液态水进行排出，以避免过多的液态水存储在氢燃料电池内，影响氢燃料电池内部的电化学反应。
该冷凝装置5的出口与该气水分离装置6的进口相导通。应用于氢燃料电池中水蒸气的冷凝装置5有很多，一般都通过管道在冷凝装置5出口和气水分离装置6之间进行连接。
该气水分离装置6的气态出口与该回流泵7的进口相导通，该气水分离装置6的液态出口与该排水尾管8相导通，该回流泵7的出口设置在该氢气喷射器3的进口和该气化罐2的出口之间。气水分离装置6的作用是将液态水和气态混合物进行分离。其中，气态混合物的成分包括水蒸气、未反应完全的氢气和氮气等杂质气体。
需要说明的是，为了提高水蒸气经回流泵7对气化后的未反应氢气的加湿功能，需要对水蒸气的含量进行控制，也即需要将气水分离装置6中水蒸气的含量保持在与未反应氢气混合后使氢气的含水量恰好能为质子交换膜提供所需要的水分。
与此同时，在冷凝装置5内的混合气体排出时，需要控制混合气体的排出速度，以便将液态水从冷凝装置5中充分地排出，避免液态水在冷凝装置 5中集聚，影响后续的冷凝过程。
采用该技术方案，一方面可以利用控制好湿度的分离气体对未反应的氢气进行加湿，另一方面利用从冷凝装置5中排出的废气将冷凝水带走，既实现了对氢气的加湿，也提高了对未利用氢气的二次利用，同时也避免了单纯冷凝过程所导致的液态水无法排出，实现一举多得。
实施例二
图2为本发明实施例二中氢燃料电池氢气加湿系统的整体结构示意图，图3为本发明实施例二中氢燃料电池氢气加湿系统的蒸汽补充装置的立体图，图4为本发明实施例二中氢燃料电池氢气加湿系统的蒸汽补充装置的剖视图
如图2至4所示，在实施例一的基础上，本发明实施例提供的氢燃料电池氢气加湿系统，还包括：加热装置10。
该加热装置10串联在该气化罐2的出口和该氢气喷射器3的进口之间。
一种可能的加热装置10为电加热装置10，如空调或电加热丝。
采用该技术方案，是为了对待喷入氢燃料电池内的氢气进行加热，以提高气化的效果和气化后的温度。
可选地，本发明实施例提供的氢燃料电池氢气加湿系统，还包括：控制器、第一温度感应器和第一三通电磁阀。
该第一温度感应器设置在该气水分离装置6上。需要说明的是，第一温度传感器是为了对汽水分离装置内的温度进行监控，以实现对气态混合物中的水蒸气湿度的监控，使气态混合物中的水分含量符合质子交换膜加湿的要求。
该第一三通电磁阀的进口设置在该回流泵7的出口处，该第一三通电磁阀的第一出口1102与该氢气喷射器3的进口相导通，该第一三通电磁阀的第二出口1104与该加热装置10的进口相导通。
该第一温度感应器、第一三通电磁阀分别与该控制器电性连接。
该控制器的作用是根据第一温度感应器的信号来控制第一三通阀的开度，从而对未反应的氢气和反应后的混合气体进行分配，以实现进入氢燃料电池内的混合气体的湿度满足质子交换膜加湿的要求。
采用该技术方案，可以实现对加氢速度和加湿速度的协同调节，从而利用含有水蒸气的混合气体对质子交换膜进行高效率的加湿，保证加湿的质量，提高氢燃料电池系统运行的平稳性。
可选地，本发明实施例提供的氢燃料电池氢气加湿系统，还包括：循环泵9。
该循环泵9设置在该排水尾管8的出口处。
采用该技术方案，通过增设循环泵9，提高产生的废水的排出效率。
可选地，本发明实施例提供的氢燃料电池氢气加湿系统，还包括：液位计。
该液位计设置在该气水分离装置6上，该液位计和该循环泵9分别与该控制器电性连接。
采用该技术方案，是为了对气水分离装置6中的液位进行监控，从而实现对气水分离装置6工作效率的检测。
可选地，本发明实施例提供的氢燃料电池氢气加湿系统，还包括：第二温度感应器。
该第二温度感应器设置在该氢气喷射器3的出口，且与该控制器电性连接。
采用该技术方案，是为了对氢气喷射器3喷出的氢气温度进行监控，以保证进入氢燃料电池内的氢气温度符合要求。
可选地，本发明实施例提供的氢燃料电池氢气加湿系统，还包括：湿度计。
该湿度计设置在该燃料电池组4的进气口处，且与该控制器电性连接。
采用该技术方案，是为了对进入燃料电池组4的氢气的湿度进行检测，以保证带入质子交换膜的湿度符合要求。
可选地，本发明实施例提供的氢燃料电池氢气加湿系统，还包括：蒸汽补充装置。
如图3和图4所示，该蒸汽补充装置包括：”K”形腔体11和热风机12。
该”K”形腔体11的第一进口1101为进水口，第一出口1102为出水口，第二进口1103为进气口，第二出口1104为出气口。
该热风机12设置在该第二进口1103处，该第二出口1104与该回流泵7 的出口相导通。
该热风器与该控制器电性连接。
采用该技术方案，是提供了一种蒸汽补充方案，当氢气的湿度不符合要求时，采用该蒸汽补充装置，一方面可以高效率地产生水蒸气、提高湿度，另一方面可以使水蒸气的产生装置实现小型化，降低占用空间。
实施例三
图5为本发明实施例三中氢燃料电池氢气加湿系统的气水分离装置的内部结构图。
本实施例三中提供的氢燃料电池氢气加湿系统是上述实施例中的替换方案，其中所使用的气水分离装置与上述实施例不同，如图5所示，包括：内部分离腔601、外部容纳腔602、螺旋导流片603和冷凝介质。
内部分离腔601设置在外部容纳腔602内部，冷凝介质位于内部分离腔设置在所述外部容纳腔之间。冷凝介质目前属于现有技术，市面上有很多种选择，因此不再赘述。
外部容纳腔602上设有冷凝介质出入口，冷凝介质出入口用于调节外部容纳腔602内的冷凝介质的量。冷凝介质密度的多少，直接影响着热交换的量。
需要说明的是，内部分离腔601的外部应该是导热的，由导热材料制成。
螺旋导流片603呈螺旋形，螺旋导流片603上设有弧形的导流槽，且贴设在内部分离腔601的内壁上。一种可能的导流槽为：在螺旋导流片603的上下两侧设置弧形槽。通过设置弧形的导流槽，使气液混合物在内部分离腔内的紊乱程度大大提高，从而可以提高气液混合物在内部分离腔内热交换的效率。
内部分离腔601设有气液混合物进管，且气液混合物进管的中心线方向与导流槽的中心线方向相切。一种可能的内部分离腔的内部横截面为圆形，那么气液混合物进管的中心线方向也与内部分离腔的内表面相切，以使气液混合物进入内部分离腔601后沿相切方向高速流动，从而使整个内部分离腔 601内的热交换更充分。
内部分离腔601的顶部设有向下内陷的锥形顶，内部分离腔的底部设有向下内陷的锥形底，且锥形顶的中心位置设有气态出口，锥形底的中心位置设有液态出口。
在内部分离腔601的顶部设置向下内陷的锥形顶，并在中心位置设置气态出口，那么氢气从气态出口排出时，不会带走冷凝水等液态物质，使氢气的湿度获得较好的控制，气液分离效果更好。
同样，在锥形底的中心位置设置液态出口，冷凝水沿内部分离腔的内壁往下流，汇集到锥形底位置，之后，冷凝水等可以在重力或负压作用下及时排出，避免从氢气的气态出口排出。
采用该技术方案，能够很好的实现气液分离过程，与此同时，换热效率更高。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一特征和第二特征直接接触，或第一特征和第二特征通过中间媒介间接接触。
而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任意一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种氢燃料电池氢气加湿系统，其特征在于，包括：储氢罐、气化罐、氢气喷射器、燃料电池组、冷凝装置、气水分离装置、回流泵和排水尾管；
所述储氢罐的出口与所述气化罐的进口相导通；
所述气化罐的出口与所述氢气喷射器的进口相导通；
所述氢气喷射器的出口与所述燃料电池组的进气口相导通；
所述燃料电池组的出气口与所述冷凝装置的进气口相导通；
所述冷凝装置的出口与所述气水分离装置的进口相导通；
所述气水分离装置的气态出口与所述回流泵的进口相导通，所述气水分离装置的液态出口与所述排水尾管相导通；
所述回流泵的出口设置在所述氢气喷射器的进口和所述气化罐的出口之间。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池氢气加湿系统，其特征在于，还包括：加热装置；
所述加热装置串联在所述气化罐的出口和所述氢气喷射器的进口之间。
3.根据权利要求2所述的氢燃料电池氢气加湿系统，其特征在于，还包括：控制器、第一温度感应器和第一三通电磁阀；
所述第一温度感应器设置在所述气水分离装置上；
所述第一三通电磁阀的进口设置在所述回流泵的出口处，所述第一三通电磁阀的第一出口与所述氢气喷射器的进口相导通，所述第一三通电磁阀的第二出口与所述加热装置的进口相导通；
所述第一温度感应器、所述第一三通阀与所述控制器电性连接。
4.根据权利要求3所述的氢燃料电池氢气加湿系统，其特征在于，还包括：循环泵；
所述循环泵设置在所述排水尾管的出口处。
5.根据权利要求4所述的氢燃料电池氢气加湿系统，其特征在于，还包括：液位计；
所述液位计设置在所述气水分离装置上，所述液位计和所述循环泵分别与所述控制器电性连接。
6.根据权利要求5所述的氢燃料电池氢气加湿系统，其特征在于，还包括：第二温度感应器；
所述第二温度感应器设置在所述氢气喷射器的出口，且与所述控制器电性连接。
7.根据权利要求6所述的氢燃料电池氢气加湿系统，其特征在于，还包括：湿度计；
所述湿度计设置在所述燃料电池组的进气口处，且与所述控制器电性连接。
8.根据权利要求7所述的氢燃料电池氢气加湿系统，其特征在于，还包括：蒸汽补充装置；
所述蒸汽补充装置包括：“K”形腔体和热风机；
所述“K”形腔体的第一进口为进水口，第一出口为出水口，第二进口为进气口，第二出口为出气口；
所述热风机设置在所述第二进口处，所述第二出口与所述回流泵的出口相导通；
所述热风器与所述控制器电性连接。
9.根据权利要求8所述的氢燃料电池氢气加湿系统，其特征在于，所述气水分离装置包括：内部分离腔、外部容纳腔、螺旋导流片和冷凝介质；
所述内部分离腔设置在所述外部容纳腔内部，所述冷凝介质位于所述内部分离腔设置在所述外部容纳腔之间；
所述外部容纳腔上设有冷凝介质出入口，所述冷凝介质出入口用于调节所述外部容纳腔内的冷凝介质的量；
所述螺旋导流片呈螺旋形，所述螺旋导流片上设有弧形的导流槽，且贴设在所述内部分离腔的内壁上；
所述内部分离腔设有气液混合物进管，且所述气液混合物进管的中心线方向与所述导流槽的中心线方向相切；
所述内部分离腔的顶部设有向下内陷的锥形顶，所述内部分离腔的底部设有向下内陷的锥形底，且所述锥形顶的中心位置设有气态出口，所述锥形底的中心位置设有液态出口。
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