CN114142059A - 一种燃料电池发动机增湿系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池发动机零部件领域，公开了一种燃料电池发动机增湿系统及其控制方法。包括增湿循环单元、增湿喷淋单元、增湿过热单元三部分。通过三个单元对去离子水进行控温控压并进一步通过一定温压的去离子水调节样气温度、湿度，满足条件后输出。采用这种增湿系统控制方法，保证了在喷淋增湿加热的同时满足循环加热控制，再经过一级过热单元的保护，更保证了输出气体的控制。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池发动机零部件领域，具体涉及一种燃料电池发动机增湿系统及其控制方法。
背景技术
增湿控制在燃料电池系统控制中至关重要。
氢燃料电池原理：H2以气体状态经过阳极碳纤维扩散层，在催化层分离为H质子和电子，H质子(以H3O+状态)通过质子交换膜，在阴极催化层与O离子结合生成水。理论上，质子交换膜只能通过质子，膜材料上有很多磺酸根，只有在湿润的情况下才能有较高的质子传导率。一般情况下阳极氢气和阴极空气都必须加湿，在阴极侧反应生成水，在两侧水浓度梯度差下，水会经过膜迁移到另一侧。这就是加湿的必要性。
燃料电池发动机系统组成：燃料电池车上的燃料电池系统也称为燃料电池发动机，主要由燃料电池堆、空气供应系统、氢气供应系统、增湿系统、冷却系统、配电管理系统和控制器等组成。
基于以上可以得出增湿器是氢燃料电池发动机工作必要辅助部件，对增湿器的性能测试也就是至关重要，燃料电池发动机增湿系统及其控制方法也更为重要。
发明内容
为了克服现有技术中存在的增湿温度、湿度控制不准、精度较低、重复性较差的不足，本发明提供一种燃料电池发动机增湿系统及其控制方法，保证了在喷淋增湿加热的同时满足循环加热控制，再经过一级过热单元的保护，更保证了输出气体的控制。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：一种燃料电池发动机增湿系统，包括增湿循环单元、增湿喷淋单元、增湿过热单元三部分，增湿循环单元由增湿循环冷却水泵、增湿循环加热罐、增湿循环板式换热器、增湿循环单元膨胀水箱组成，增湿喷淋单元由喷淋式增湿器、增湿喷淋水泵、增湿喷淋加热罐组成，增湿过热单元由增湿过热单元水泵、增湿过热单元加热罐、增湿过热单元板式换热器、增湿过热单元膨胀水箱、增湿过热器组成；其中喷淋式增湿器连有循环管路A，循环管路A上依次设有支路管路D、增湿循环冷却水泵、增湿循环加热罐、增湿循环板式换热器，所述支路管路D终端连有增湿循环单元膨胀水箱，所述增湿循环冷却水泵和增湿循环加热罐间有一支路连接去离子水供给端；喷淋式增湿器还通过管路连接增湿喷淋加热罐，增湿喷淋加热罐另一端连接循环管路B，循环管路B上设有增湿喷淋水泵，循环管路B另有一支路连接去离子水供给端；喷淋式增湿器还通过管路连接增湿过热器，增湿过热器上连有循环管路C，循环管路C上依次设有支路管路E增湿过热单元水泵、增湿过热单元加热罐、增湿过热单元板式换热器，所述增湿过热单元水泵和增湿过热单元加热罐间有一支路连接去离子水供给端，所述支路管路E终端连有增湿过热单元膨胀水箱，所述增湿过热器另通过管路连接气体出口端；喷淋式增湿器还通过管路连接压缩空气供给端。
进一步的，所述增湿循环板式换热器、增湿过热单元板式换热器上设有冷冻水入口和冷冻水出口用于去离子水与冷冻水的热量交换。
燃料电池发动机增湿系统控制方法，具体步骤为：
1.去离子水供给端供给去离子水，去离子水经过设有增湿喷淋水泵的循环管路B进行循环加压，加压后通过增湿喷淋加热罐加热，加压加热后的去离子水进入喷淋式增湿器；压缩空气供给端供给样气，样气进入喷淋式增湿器喷淋加压加热后的去离子水至设定的温度和湿度；
2.步骤1增湿加热过程的同时增湿循环单元同步参与加热增湿控制，通过增湿循环单元膨胀水箱供给去离子水、增湿循环冷却水泵进行循环加压、增湿循环加热罐进行加热、增湿循环板式换热器控温四步将去离子水控制在设定温度和湿度内，并通过循环管路A进入喷淋式增湿器对样气及喷淋后的去离子水进行温度、湿度调节；
3.样气通过增湿循环单元和增湿喷淋单元之后进入增湿过热单元的增湿过热器，增湿过热器连接的循环管路C通过增湿过热单元膨胀水箱供给去离子水、增湿过热单元水泵进行循环加压、增湿过热单元加热罐进行加热、增湿过热单元板式换热器控温四步向增湿过热器输入设定温度、湿度的去离子水，对样气进行温度、湿度的三次控制，并对样气温度和湿度进行实时监测调节，满足条件后由气体出口端输出。
本发明与现有技术相比的有益效果是：采用这种增湿系统控制方法，保证了在喷淋增湿加热的同时满足循环加热控制，再经过一级过热单元的保护，更保证了输出气体的控制。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明
图1为本发明燃料电池发动机增湿系统控制方法结构框图；
图2为本发明燃料电池发动机增湿系统结构示意图；
图3为本发明喷淋式增湿器结构示意图；
图4为本发明喷淋式增湿器内部结构示意图。
图中1.压缩空气供给端；2.去离子水供给端；3.增湿循环冷却水泵；4.增湿循环加热罐；5.增湿循环板式换热器；6.增湿循环单元膨胀水箱；7.喷淋式增湿器；8.增湿喷淋水泵；9.增湿喷淋加热罐；10.增湿过热单元水泵；11.增湿过热单元加热罐；12.增湿过热单元板式换热器；13.增湿过热单元膨胀水箱；14.增湿过热器；15.气体出口端；16.循环管路A；17.循环管路B；18.循环管路C；19.支路管路D；20.支路管路E。
具体实施方式
下面通过具体实施例详述本发明，但不限制本发明的保护范围。如无特殊说明，本发明所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从商业途径获得。
实施例1
一种燃料电池发动机增湿系统，包括增湿循环单元、增湿喷淋单元、增湿过热单元三部分(如图1)，系统具体连接如图2，增湿循环单元由增湿循环冷却水泵3、增湿循环加热罐4、增湿循环板式换热器5、增湿循环单元膨胀水箱6组成，增湿喷淋单元由喷淋式增湿器7、增湿喷淋水泵8、增湿喷淋加热罐9组成，喷淋式增湿器7如图3、图4所示结构，为现有技术，在此不作赘述，增湿过热单元由增湿过热单元水泵10、增湿过热单元加热罐11、增湿过热单元板式换热器12、增湿过热单元膨胀水箱13、增湿过热器14组成；其中喷淋式增湿器7连有循环管路A16，循环管路A16上依次设有支路管路D19、增湿循环冷却水泵3、增湿循环加热罐4、增湿循环板式换热器5，所述支路管路D19终端连有增湿循环单元膨胀水箱6，所述增湿循环冷却水泵3和增湿循环加热罐4间有一支路连接去离子水供给端2；喷淋式增湿器7还通过管路连接增湿喷淋加热罐9，增湿喷淋加热罐9另一端连接循环管路B17，循环管路B17上设有增湿喷淋水泵8，循环管路B17另有一支路连接去离子水供给端2；喷淋式增湿器7还通过管路连接增湿过热器14，增湿过热器14上连有循环管路C18，循环管路C18上依次设有支路管路E20增湿过热单元水泵10、增湿过热单元加热罐11、增湿过热单元板式换热器12，所述增湿过热单元水泵10和增湿过热单元加热罐11间有一支路连接去离子水供给端2，所述支路管路E20终端连有增湿过热单元膨胀水箱13，所述增湿过热器14另通过管路连接气体出口端15；喷淋式增湿器7还通过管路连接压缩空气供给端1。
实施例2
燃料电池发动机增湿系统控制方法，具体步骤为：
(1)去离子水供给端2供给去离子水，去离子水经过设有增湿喷淋水泵8的循环管路B17进行循环加压，加压后通过增湿喷淋加热罐9加热，加压加热后的去离子水进入喷淋式增湿器7；压缩空气供给端1供给样气，样气进入喷淋式增湿器7喷淋加压加热后的去离子水至设定的温度和湿度；
(2)步骤1增湿加热过程的同时增湿循环单元同步参与加热增湿控制，通过增湿循环单元膨胀水箱6供给去离子水、增湿循环冷却水泵3进行循环加压、增湿循环加热罐4进行加热、增湿循环板式换热器5控温四步将去离子水控制在设定温度和湿度内，并通过循环管路A16进入喷淋式增湿器7对样气及喷淋后的去离子水进行温度、湿度调节；
(3)样气通过增湿循环单元和增湿喷淋单元之后进入增湿过热单元的增湿过热器14，增湿过热器14连接的循环管路C18通过增湿过热单元膨胀水箱13供给去离子水、增湿过热单元水泵10进行循环加压、增湿过热单元加热罐11进行加热、增湿过热单元板式换热器12控温四步向增湿过热器14输入设定温度、湿度的去离子水，对样气进行温度、湿度的三次控制，并对样气温度和湿度进行实时监测调节，满足条件后由气体出口端15输出。
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的全部实施例。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (3)
1.一种燃料电池发动机增湿系统，其特征在于，包括增湿循环单元、增湿喷淋单元、增湿过热单元三部分，增湿循环单元由增湿循环冷却水泵(3)、增湿循环加热罐(4)、增湿循环板式换热器(5)、增湿循环单元膨胀水箱(6)组成，增湿喷淋单元由喷淋式增湿器(7)、增湿喷淋水泵(8)、增湿喷淋加热罐(9)组成，增湿过热单元由增湿过热单元水泵(10)、增湿过热单元加热罐(11)、增湿过热单元板式换热器(12)、增湿过热单元膨胀水箱(13)、增湿过热器(14)组成；其中喷淋式增湿器(7)连有循环管路A(16)，循环管路A(16)上依次设有支路管路D(19)、增湿循环冷却水泵(3)、增湿循环加热罐(4)、增湿循环板式换热器(5)，所述支路管路D(19)终端连有增湿循环单元膨胀水箱(6)，所述增湿循环冷却水泵(3)和增湿循环加热罐(4)间有一支路连接去离子水供给端(2)；喷淋式增湿器(7)还通过管路连接增湿喷淋加热罐(9)，增湿喷淋加热罐(9)另一端连接循环管路B(17)，循环管路B(17)上设有增湿喷淋水泵(8)，循环管路B(17)另有一支路连接去离子水供给端(2)；喷淋式增湿器(7)还通过管路连接增湿过热器(14)，增湿过热器(14)上连有循环管路C(18)，循环管路C(18)上依次设有支路管路E(20)增湿过热单元水泵(10)、增湿过热单元加热罐(11)、增湿过热单元板式换热器(12)，所述增湿过热单元水泵(10)和增湿过热单元加热罐(11)间有一支路连接去离子水供给端(2)，所述支路管路E(20)终端连有增湿过热单元膨胀水箱(13)，所述增湿过热器(14)另通过管路连接气体出口端(15)；喷淋式增湿器(7)还通过管路连接压缩空气供给端(1)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池发动机增湿系统，其特征在于，所述增湿循环板式换热器(5)、增湿过热单元板式换热器(12)上设有冷冻水入口和冷冻水出口。
3.根据权利要求1所述的燃料电池发动机增湿系统的控制方法，其特征在于，具体步骤为：
S1.去离子水供给端(2)供给去离子水，去离子水经过设有增湿喷淋水泵(8)的循环管路B(17)进行循环加压，加压后通过增湿喷淋加热罐(9)加热，加压加热后的去离子水进入喷淋式增湿器(7)；压缩空气供给端(1)供给样气，样气进入喷淋式增湿器(7)喷淋加压加热后的去离子水至设定的温度和湿度；
S2.步骤S1增湿加热过程的同时增湿循环单元同步参与加热增湿控制，通过增湿循环单元膨胀水箱(6)供给去离子水、增湿循环冷却水泵(3)进行循环加压、增湿循环加热罐(4)进行加热、增湿循环板式换热器(5)控温四步将去离子水控制在设定温度和湿度内，并通过循环管路A(16)进入喷淋式增湿器(7)对样气及喷淋后的去离子水进行温度、湿度调节；
S3.样气通过增湿循环单元和增湿喷淋单元之后进入增湿过热单元的增湿过热器(14)，增湿过热器(14)连接的循环管路C(18)通过增湿过热单元膨胀水箱(13)供给去离子水、增湿过热单元水泵(10)进行循环加压、增湿过热单元加热罐(11)进行加热、增湿过热单元板式换热器(12)控温四步向增湿过热器(14)输入设定温度、湿度的去离子水，对样气进行温度、湿度的三次控制，并对样气温度和湿度进行实时监测调节，满足条件后由气体出口端(15)输出。
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