CN113809362A - 用于燃料电池的加湿系统及燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于燃料电池的加湿系统，所述加湿系统设置成能够给供给至燃料电池的气体流加湿，所述加湿系统包括：喷射单元(1)，所述喷射单元(1)构造成能够喷射液态的水；以及连接至喷射单元(1)的混合单元(2)，所述混合单元(2)构造成能够使由喷射单元(1)喷射的水与流过混合单元(2)的气体流混合，其中，混合单元(2)包括混合室(21)和布置在混合室(21)中的导流元件(22)，所述导流元件(22)构造成能够使使流过混合室(21)的气体流形成旋流。本发明还提出了一种燃料电池系统。借助于本发明，能够使用于燃料电池的加湿系统具有较小的体积。

Description

用于燃料电池的加湿系统及燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的加湿系统以及一种燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的电化学发电装置，由于其不消耗化石燃料并且几乎零排放，因此作为下一代能源得到的广泛关注与发展。在各种类型的燃料电池中，质子交换膜燃料电池是一种广泛应用的类型，其具有低运行温度、快速启动等重要优点，因此交换膜燃料电池特别适用于机动车辆。

在质子交换膜燃料电池中，可采用氢气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，其中，聚合物膜作为电解质，将阳极区产生的质子(氢正离子)传导到阴极区。质子交换膜必须保持较高水平的湿度，以确保良好的质子传导性。这是因为离子导电率尤其与水合作用水平有关，更大的水合能力会形成更高的导电率从而实现更高效的电池。

目前已知用于提高供给至燃料电池的空气的湿度的加湿器。由此，通过在将空气供给至燃料电池堆之前提高空气的含水量，来提高质子交换膜的湿度。通常，利用多孔材料对空气进行加湿。

然而，现有的用于燃料电池的加湿器具有体积较大的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的用于燃料电池的加湿系统以及一种改进的燃料电池系统，其中，用于燃料电池的加湿系统加湿系统具有较小的体积。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于燃料电池的加湿系统，所述加湿系统设置成能够给供给至燃料电池的气体流加湿，所述加湿系统包括：喷射单元，所述喷射单元构造成能够喷射水；以及连接至喷射单元的混合单元，所述混合单元构造成能够使由喷射单元喷射的水与流过混合单元的气体流混合，其中，混合单元包括混合室和布置在混合室中的导流元件，所述导流元件构造成能够使流过混合室的气体流形成旋流。

根据一个示例性实施例，导流元件包括绕导流元件轴线沿周向方向分布的多个翼片，所述翼片从径向外侧朝向导流元件轴线延伸，所述翼片相对于导流元件轴线倾斜。

根据一个示例性实施例，导流元件包括圆筒壁，所述翼片分别从圆筒壁的至少一个轴向边缘向径向内侧延伸。

根据一个示例性实施例，导流元件构造成至少大致平行于导流元件轴线并且绕导流元件轴线周向地延伸。

根据一个示例性实施例，混合单元包括多个导流元件，所述导流元件彼此间隔开地绕导流元件轴线分布。

根据一个示例性实施例，混合单元包括碰撞元件，所述碰撞元件布置在混合室中，使得喷射单元的喷射方向朝向碰撞元件，碰撞元件具有横向于喷射方向的碰撞面。

根据一个示例性实施例，碰撞元件布置在导流元件上或与导流元件一体地形成。

根据一个示例性实施例，喷射单元布置成使得喷射方向朝向导流元件。

根据一个示例性实施例，加湿系统包括回流单元，所述回流单元构造成能够从喷射单元抽吸水。

根据本发明的第二方面，提供了一种燃料电池系统，其包括根据本发明的用于燃料电池的加湿系统。

根据本发明，通过能够使气体流形成旋流的混合单元，水雾与气体流的混合物借助于旋流充分混合。这有助于水雾中的液滴气化，并均匀地分布在气体流中。由此，利用小体积的加湿系统，可高效地实现水与气体流充分混合，并促进水的气化。

附图说明

下面，通过参看附图更详细地描述本发明，可以更好地理解本发明的原理、特点和优点。附图中：

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于燃料电池的加湿系统的示意图；

图2示意性地示出了根据本发明的一个示例性实施例的加湿系统中的混合单元的剖视图；

图3示意性地示出了根据本发明的一个示例性实施例的导流元件的透视图；

图4示意性地示出了根据本发明的一个示例性实施例的加湿系统中的混合单元的透视图；

图5示意性地示出了根据本发明的与图4所示的实施例类似的一个示例性实施例的混合单元的透视图；以及

图6示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于燃料电池的加湿系统的示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个示例性实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不是用于限定本发明的保护范围。

在本文中，“至少大致平行”应理解为相对于实质上平行偏离20°以内、15°以内、10°以内、5°以内、3°以内、2°以内、或1°以内，或者实质上平行。

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于燃料电池的加湿系统的示意图，所述加湿系统设置成能够给供给至燃料电池的气体流加湿，尤其是给供给至燃料电池阴极侧的空气流加湿。所述燃料电池尤其是采用氢气为燃料、空气作为氧化剂的质子交换膜燃料电池。气体流可经由压缩装置来供给。所述燃料电池例如可用于机动车辆。

在该实施例中，加湿系统可包括：喷射单元1，所述喷射单元1构造成能够喷射水；以及连接至喷射单元1的混合单元2，所述混合单元2构造成能够使由喷射单元1喷射的水与流过混合单元2的气体流混合。喷射单元1可包括喷嘴，所述喷嘴以水雾的形式将水喷射至混合单元2内。混合单元2包括混合室21和导流元件22，所述导流元件22构造成能够使流过混合室21的气体流形成旋流。喷射单元1所喷射的水可以是液态的水，也可包括气态的水蒸气。图1中用箭头示意性地示出了气体流的流动方向。由喷射单元1喷出的水雾与气体流形成的混合物通过旋流充分混合。这有助于水雾中的液滴气化形成气态水，并均匀地分布在气体流中。这种混合单元体积小且效率高。由此，利用小体积的加湿系统，可高效地实现水与气体流充分混合，并促进水的气化。

如图1所示，喷射单元1可布置成使得喷射方向朝向导流元件22。由此，有利于水与气体流充分混合，因为可避免水雾被直接喷射到混合单元2的壁上。另外，这有利于加湿系统的紧凑布局。

根据本实施例，加湿系统还可包括：用于储存水的储水器3；构造成能够将水供给至喷射单元1的供给单元4；以及控制器5，所述控制器5构造成能够控制喷射单元1和/或供给单元4。

供给单元4可包括供给泵，所述供给泵例如实施为膜片泵。供给单元4可通过供给泵将水从储水器3抽出，并以升高的压力供给至喷射单元1。

利用控制器5，可实现根据需要计量地喷射水。控制器5可基于用于测量空气流的传感器51来控制加湿。例如，控制器5可连接至布置在混合单元2下游的用于测量气体流的湿度的湿度传感器，并基于湿度传感器的信号来进行控制。替代地或附加地，控制器5例如可基于来自燃料电池单元的电信号来控制加湿。

另外，加湿系统可包括用于加热待喷射的水的加热器6。所述加热器6可连接在供给单元4与喷射单元1之间。对待喷射的水加热有利于水的气化。

图2示意性地示出了根据本发明的一个示例性实施例的加湿系统中的混合单元2的剖视图，其中，用箭头示意性地示出了气体流的流动方向。如图2所示，导流元件22可布置在混合室21中。由喷射单元1喷射的水和气体流被导流元件22引导着旋转，进而在混合室21中形成了水雾和气体流的旋流。导流元件22可设计成具有任何适于使流经它的气流形成旋流的结构，即导流元件22构造成旋流导向件。

图3示意性地示出了根据本发明的一个示例性实施例的导流元件22的透视图。在该实施例中，导流元件22包括绕导流元件轴线沿周向方向分布的多个翼片221，所述翼片221从径向外侧朝向导流元件轴线延伸。导流元件22可包括至少两个、至少三个、至少四个、或至少五个翼片221，例如包括九个翼片221。翼片221可沿周向方向均匀地分布。

翼片221相对于导流元件轴线倾斜。翼片221与导流元件轴线形成大于0°且小于90°的角度。换句话说，翼片221不垂直于导流元件轴线，也不平行于导流元件轴线。各翼片221可与导流元件轴线成相同的角度。撞击到各翼片221的气体流会被这些翼片221偏转。在全部翼片221的偏转作用下，气体流形成旋流。

导流元件22还可包括圆筒壁222，所述圆筒壁222可构造成适于安装在混合室21中。多个翼片221可分别从圆筒壁222的轴向前边缘和/或后边缘向径向内侧延伸。应理解，如果能够形成足够的旋流，则仅在圆筒壁222的轴向一侧边缘设置翼片221即可。

图4示意性地示出了根据本发明的一个示例性实施例的加湿系统中的混合单元2的透视图。在该实施例中，混合单元2包括圆筒形的混合室21。混合室21包括第一端壁211和第二端壁212以及连接第一端壁211和第二端壁212的环绕的侧壁213，第一端壁211和第二端壁212大致彼此平行且间隔开地布置。至少一个、在此为四个进气口214形成在第一端壁211中，至少一个出气口215形成在第二端壁212中。应理解，进气口214和出气口215也可设置在混合室21的其它位置处，例如设置在侧壁213中。喷射开口可形成在混合室21的侧壁213中，喷射单元1在喷射开口处连接至混合室21，并沿着喷射方向向混合室21内喷射水。

导流元件22可布置在混合室21中，所述导流元件22构造成至少大致平行于导流元件轴线并且绕导流元件轴线周向地延伸。导流元件22可构造成绕导流元件轴线弯曲或弯折的板。导流元件22将气体流从进气口214引导到出气口215，并形成旋流。由喷射单元1喷射的水与气体流一起形成旋流，并由此与气体流充分混合。

导流元件22可布置在第一端壁211与第二端壁212之间，并且导流元件轴线与第一端壁211垂直。特别是，导流元件22可从第一端壁211沿导流元件轴线延伸至第二端壁212。导流元件22可从侧壁213开始延伸，并且可绕导流元件轴线周向地延伸至少60°、至少90°、至少180°或至少270°。导流元件22可相对于混合室21偏心地布置。

在另一个实施例中，混合单元2可包括多个导流元件22，所述多个导流元件22分别构造成至少大致平行于导流元件轴线并且绕导流元件轴线周向地延伸。所述多个导流元件22可彼此间隔开地绕导流元件轴线沿周向方向分布。

应理解，导流元件22可设计成其它适于使流经它的气流形成旋流的结构，例如设计成横向于导流元件轴线并且绕导流元件轴线螺旋地延伸的结构。

图5示意性地示出了根据本发明的与图4所示的实施例类似的一个示例性实施例的混合单元2的透视图，其中，混合单元2被剖开以示出其内部的结构。在该实施例中，混合单元2包括碰撞元件23，所述碰撞元件23布置在混合室21中，使得喷射单元1的喷射方向朝向碰撞元件23，碰撞元件23具有横向于喷射方向的碰撞面。由喷射单元1喷射的水能够碰撞在碰撞元件23的碰撞面上。由此，较大的液滴变成更易于与气体流混合的较小的液滴。碰撞面可垂直于喷射方向，从而有利于喷射的水碰撞成较小的液滴。

如图5所示，碰撞元件23可布置在导流元件22上，也可与导流元件22一体地形成。一个导流元件22上可形成有多个碰撞元件23。碰撞元件23可构造成从导流元件22伸出的碰撞舌。

应理解，碰撞元件23也可与具有不同于图5所示的结构的其它导流元件22一起使用。

图6示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于燃料电池的加湿系统的示意图。在该实施例中，加湿系统包括回流单元7，所述回流单元7构造成能够抽吸喷射单元1中的水。回流单元7能够根据需要排空喷射单元1中的水，从而防止水在喷射单元1中由于低温而冻结，进而对加湿系统造成损伤。例如，控制器5可基于来自燃料电池单元的电信号，控制回流单元7排空喷射单元1中的水。

回流单元7可构造成能够抽吸喷射单元1中的水，并排出至储水器3。回流单元7可包括回流泵，所述回流泵可与供给泵实施为具有可反转的泵送方向的同一泵，也可实施为另外的泵。

尽管这里详细描述了本发明的特定实施方式，但它们仅仅是为了解释的目的而给出的，而不应认为它们对本发明的范围构成限制。在不脱离本发明精神和范围的前提下，各种替换、变更和改造可被构想出来。

附图标记列表

1 喷射单元

2 混合单元

21 混合室

211 第一端壁

212 第二端壁

213 侧壁

214 进气口

215 出气口

22 导流元件

221 翼片

222 圆筒壁

23 碰撞元件

3 储水器

4 供给单元

5 控制器

51 传感器

6 加热器

7 回流单元

Claims (10)

1.一种用于燃料电池的加湿系统，所述加湿系统设置成能够给供给至燃料电池的气体流加湿，所述加湿系统包括：喷射单元(1)，所述喷射单元(1)构造成能够喷射水；以及连接至喷射单元(1)的混合单元(2)，所述混合单元(2)构造成能够使由喷射单元(1)喷射的水与流过混合单元(2)的气体流混合，其特征在于，混合单元(2)包括混合室(21)和布置在混合室(21)中的导流元件(22)，所述导流元件(22)构造成能够使流过混合室(21)的气体流形成旋流。

2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的加湿系统，其中，导流元件(22)包括绕导流元件轴线沿周向方向分布的多个翼片(221)，所述翼片(221)从径向外侧朝向导流元件轴线延伸，所述翼片(221)相对于导流元件轴线倾斜。

3.根据权利要求2所述的用于燃料电池的加湿系统，其中，导流元件(22)包括圆筒壁(222)，所述翼片(221)分别从圆筒壁(222)的至少一个轴向边缘向径向内侧延伸。

4.根据权利要求1所述的用于燃料电池的加湿系统，其中，导流元件(22)构造成至少大致平行于导流元件轴线并且绕导流元件轴线周向地延伸。

5.根据权利要求4所述的用于燃料电池的加湿系统，其中，混合单元(2)包括多个导流元件(22)，所述导流元件(22)彼此间隔开地绕导流元件轴线分布。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的用于燃料电池的加湿系统，其中，混合单元(2)包括碰撞元件(23)，所述碰撞元件(23)布置在混合室(21)中，使得喷射单元(1)的喷射方向朝向碰撞元件(23)，碰撞元件(23)具有横向于喷射方向的碰撞面。

7.根据权利要求6所述的用于燃料电池的加湿系统，其中，碰撞元件(23)布置在导流元件(22)上或与导流元件(22)一体地形成。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的用于燃料电池的加湿系统，其中，喷射单元(1)布置成使得喷射方向朝向导流元件(22)。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的用于燃料电池的加湿系统，其中，加湿系统包括回流单元(7)，所述回流单元(7)构造成能够从喷射单元(1)抽吸水。

10.一种燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括根据权利要求1-9中任一项所述的用于燃料电池的加湿系统。

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