CN114420976A - 用于燃料电池的进气增湿系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于燃料电池的进气增湿系统，包括空压机、与空压机的进气口相连通的空压进气管路、通过空压出气管路与空压机的出气口相连通的电堆、与电堆相连通的分水器、及与分水器相连通的水箱，所述用于燃料电池的进气增湿系统还包括二流体空气雾化喷嘴，所述二流体空气雾化喷嘴通过雾化水管路与水箱相连通，且所述二流体空气雾化喷嘴通过雾化气管路与空压出气管路相连通，所述二流体空气雾化喷嘴的喷口位于空压进气管路中。本进气增湿系统具有成本低、体积小、可靠性高、使用寿命长的优点。

Description

用于燃料电池的进气增湿系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种用于燃料电池的进气增湿系统。

背景技术

增湿系统是质子交换膜燃料电池中最重要的子系统之一。电池运行中质子交换膜需要结合水才能保持质子的传导性，如果水含量减少，则膜电阻增加，导致高电流密度时产生很大的欧姆损失。如果膜脱水或干枯，导致催化层的活性下降，电池将不能正常工作，严重时甚至造成膜的破裂。但是，如果增湿控制不好，导致燃料电池内部积水过多，造成电极中催化剂水淹，失去反应活性。并且造成局部阻塞，使氢、氧的流动和扩散减弱，进而影响燃料电池的工作性能。因此燃料电池在工作中质子交换膜的湿度必须保持在合理的范围内。目前质子交换膜燃料电池的增湿技术主要分为内增湿、外增湿和自增湿等。而外增湿由于增湿量大且灵活可控等特点，是当前主流的增湿方案。使用外增湿的燃料电池系统原理图如图1所示。

外增湿中最常见的就是渗透膜增湿，其原理如下图2所示。来自空压机1的干燥空气进入增湿器100干侧，来自电堆4的湿空气进入增湿器100湿侧。湿空气中的水分子通过渗透膜101进入干空气中，起到对入堆空气的加湿作用。实际情况中，增湿器100的渗透膜101多为管状，干空气从管内流过，湿空气从管外流过。另外，空压机1与增湿器100之间还需设置中冷器200。

然而，渗透膜类的增湿器100大多工艺不成熟，除了体积大、成本高外，可靠性也不能满足使用需求，从而也导致现有的增湿系统具有体积大、成本高、可靠性差等缺陷。

又如中国专利CN100589269C公开了一种使用雾化喷嘴对进气进行增湿的装置。然而为了达到较好的增湿效果，并对气体的湿度进行实时控制。其不得不使用气体容器扩大喷射的空间。其通过气体容器湿度测量装置对气体湿度进行实时监测，并使用水量调节阀调节气体湿度。同时其液位测量装置、驱动装置以及各种控制单元，又客观上增加了整个增湿系统的复杂度。最终使得整套装置的性能、成本、体积、可靠性都受到极大限制。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种成本低、体积小、可靠性高、使用寿命更长的用于燃料电池的进气增湿系统。

为实现上述目的，本发明提供一种用于燃料电池的进气增湿系统，包括空压机、与空压机的进气口相连通的空压进气管路、通过空压出气管路与空压机的出气口相连通的电堆、与电堆相连通的分水器、及与分水器相连通的水箱，所述用于燃料电池的进气增湿系统还包括二流体空气雾化喷嘴，所述二流体空气雾化喷嘴通过雾化水管路与水箱相连通，且所述二流体空气雾化喷嘴通过雾化气管路与空压出气管路相连通，所述二流体空气雾化喷嘴的喷口位于空压进气管路中。

进一步地，所述雾化水管路中设有水泵。

进一步地，所述雾化气管路中设有第一阀门。

进一步地，所述空压进气管路的侧壁上设有排水孔，所述排水孔通过排水管路与水箱或二流体空气雾化喷嘴相连通。

进一步地，所述空压进气管路包括上游进气管和下游进气管，所述上游进气管的直径大于下游进气管的直径，所述上游进气管的出气端套设在下游进气管的外部，且所述上游进气管的出气端设有位于上游进气管的内壁和下游进气管的外壁之间的封堵部，所述下游进气管与空压机的进气口相连通，且所述排水孔位于上游进气管的侧壁上。

进一步地，所述二流体空气雾化喷嘴采用虹吸式的二流体空气雾化喷嘴。

进一步地，所述二流体空气雾化喷嘴中设有空气腔和水流道，所述空气腔中设有气体分布器。

进一步地，所述空压出气管路上设有压力测量装置和湿度测量装置。

进一步地，所述二流体空气雾化喷嘴位于空压进气管路中。

进一步地，所述二流体空气雾化喷嘴的喷射方向与空压进气管路中的空气流动方向相反或相同。

如上所述，本发明涉及的用于燃料电池的进气增湿系统，具有以下有益效果：

本用于燃料电池的进气增湿系统的工作原理为：从电堆中排出的水气混合物等流经分水器，该分水器将混合物中的水分离出来、并排放至水箱，水箱通过雾化水管路向二流体空气雾化喷嘴供给水，同时，空压机形成的压缩空气通过雾化气管路供给给二流体空气雾化喷嘴，空压机下游的高压空气在二流体空气雾化喷嘴内部形成高速气流，该高速气流与流经二流体空气雾化喷嘴的水充分混合后形成雾化水、并从该二流体空气雾化喷嘴的喷口喷出至空压进气管路中，从而实现向空压进气管路喷雾化水，雾化水颗粒极细、与空压进气管路中的空气接触面积极大，很容易蒸发到空气中，达到对进气增湿的目的。本进气增湿系统具有成本低、体积小、可靠性高、使用寿命长的优点。

附图说明

图1为现有技术中使用外增湿的燃料电池系统原理图。

图2为现有技术中渗透膜增湿的原理图。

图3为本发明实施例一中用于燃料电池的进气增湿系统的结构示意图。

图4为本发明实施例一中空压进气管的结构示意图。

图5为本发明实施例一中二流体空气雾化喷嘴的结构示意图。

图6为本发明实施例二中用于燃料电池的进气增湿系统的结构示意图。

图7为本发明实施例二中虹吸式的二流体空气雾化喷嘴的结构示意图。

图8为本发明实施例三中用于燃料电池的进气增湿系统的结构示意图。

元件标号说明

1 空压机 81 雾化水管路

2 空压进气管路 811 水泵

21 排水孔 82 雾化气管路

22 上游进气管 821 第一阀门

221 封堵部 83 排水管路

23 下游进气管 84 第一电机

3 空压出气管路 85 空气过滤器

31 压力测量装置 86 第二阀门

32 湿度测量装置 87 尾排单元

4 电堆 9 氢气供应单元

41 阴极 91 氢泵

42 阳极 92 第二电机

43 质子交换膜 93 供氢管路

5 分水器 94 氢瓶

6 水箱 95 减压阀

7 二流体空气雾化喷嘴 100 增湿器

71 空气腔 101 渗透膜

72 水流道 200 中冷器

73 气体分布器

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例一

如图3至图5所示，本实施例提供一种用于燃料电池的进气增湿系统，包括空压机1、与空压机1的进气口相连通的空压进气管路2、通过空压出气管路3与空压机1的出气口相连通的电堆4、与电堆4相连通的分水器5、及与分水器5相连通的水箱6，本用于燃料电池的进气增湿系统还包括二流体空气雾化喷嘴7，二流体空气雾化喷嘴7通过雾化水管路81与水箱6相连通，且二流体空气雾化喷嘴7通过雾化气管路82与空压出气管路3相连通，二流体空气雾化喷嘴7的喷口位于空压进气管路2中。本用于燃料电池的进气增湿系统的工作原理为：外界空气通过空压进气管路2进入空压机1，空压机1将空气压缩后通过空压出气管路3向电堆4供给空气，空气在电堆4中进行相应的电化学反应，从电堆4中排出的水气混合物等流经分水器5，该分水器5将混合物中的水分离出来、并排放至水箱6，水箱6通过雾化水管路81向二流体空气雾化喷嘴7供给水，同时，空压机1形成的压缩空气通过雾化气管路82供给给二流体空气雾化喷嘴7，空压机1下游的高压空气在二流体空气雾化喷嘴7内部形成高速气流，该高速气流与流经二流体空气雾化喷嘴7的水充分混合后形成雾化水、并从该二流体空气雾化喷嘴7的喷口喷出至空压进气管路2中，从而实现向空压进气管路2喷雾化水，雾化水颗粒极细、与空压进气管路2中的空气接触面积极大，很容易蒸发到空气中，达到对进气增湿的目的。本进气增湿系统，相对于传统的膜增湿方案，避免了使用成本高、可靠性差的渗透膜材料。另外，由于空压机1对空气进行压缩时，不可避免地使空气温度升高，通常可达到150℃甚至更高。因此，现有技术中膜增湿的方案必须在空压机1下游设置中冷器，以控制燃料电池系统的进气温度。而本进气增湿系统，采用液态水喷射的方式对燃料电池进气进行增湿，在液态水蒸发的过程中，液态水的汽化吸热可以大幅降低空压机1下游的气体温度。因此在空压机1下游不需要设置中冷器，降低了进气系统的复杂度和成本。更进一步地，将液态水喷射进空压机1入口，使得空压机1对空气的压缩过程温度较低，更接近于等温压缩过程，可以降低压缩过程的功耗，提高压空压机1的效率，进一步提高了燃料电池系统的经济性。综上所述，本进气增湿系统具有成本低、体积小、可靠性高、使用寿命长的优点。

如图3所示，本实施例中雾化水管路81中设有水泵811，以利用该水泵811在管路中形成流动动力，使得水箱6中的水能流入二流体空气雾化喷嘴7中。本实施例通过调节水泵811转速控制进入喷嘴的水流量。同时，本实施例中雾化气管路82中设有第一阀门821，该第一阀门821能调节流向二流体空气雾化喷嘴7的压缩空气的流量和压力，使得空压机1下游的高压空气作为二流体空气雾化喷嘴7的气源，其取气方便，水压要求低。通常水泵811压力只需要达到0.1～0.3兆帕，就可以形成直径为30至60微米左右的水雾。整个系统的成本更低、可靠性更高。

由于空压机1的进气存在一定程度的涡旋，且由于离心力的作用，未充分混合的水雾不可避免地将聚集在空压进气管路2的壁面附近。为此，如图3和图4所示，本实施例中空压进气管路2的侧壁上设有排水孔21，排水孔21通过排水管路83与水箱6相连通。具体地，本实施例中空压进气管路2包括上游进气管22和下游进气管23，上游进气管22的直径大于下游进气管23的直径，上游进气管22的出气端套设在下游进气管23的外部，且上游进气管22的出气端设有位于上游进气管22的内壁和下游进气管23的外壁之间的封堵部221，下游进气管23与空压机1的进气口相连通，且排水孔21位于上游进气管22的下侧壁上。这样，空压进气管路2中未完全雾化的液态水将通过该排水孔21排放至水箱6中。本实施例采用此种管路设计，一方面使得喷出的水雾与进气充分混合，并使得喷射空间可以大大减小，提高了增湿效率；另一方面，回收不能充分混合的液态水，避免了液态水对下游零部件造成的损害。

如图5所示，本实施例中二流体空气雾化喷嘴7中设有空气腔71和水流道72，空气腔71中设有气体分布器73。空气腔71与雾化气管路82相连通，水流道72与雾化水管路81相连通。空压机1下游的高压空气作为二流体空气雾化喷嘴7的气源，在喷嘴内部形成高速气流，打碎并与水滴充分混合后喷出。本实施例中二流体空气雾化喷嘴7具体为水压式的二流体空气雾化喷嘴。具体的雾化过程为：高压空气经过气体分布器73之后，以特定的速度分布喷射至喷口，同时水流从中间的水流道72流至喷口时与高压空气相遇，由于高压空气流速极高，将水流打碎成极小的水滴，并充分混合后扩散至喷嘴下游，最终形成几十微米大小的雾化水。由于雾化水颗粒极细，其与燃料电池进气系统中的空气的接触面积极大，很容易蒸发到空气中，达到对进气增湿的目的。

具体地，如图4所示，本实施例中二流体空气雾化喷嘴7位于空压进气管路2中。本实施例中二流体空气雾化喷嘴7的喷射方向与空压进气管路2中的空气流动方向相反或相同。

本实施例中第一阀门821、水泵811均与控制器相连接，控制器通过控制第一阀门821的开闭程度调节进入二流体空气雾化喷嘴7的空气流量、压力，且控制器通过控制水泵811的转速调节进入喷嘴的水流量，进而对喷水量进行精确控制，满足不同工况的增湿需求。本实施例中空压出气管路3上设有压力测量装置31和湿度测量装置32，分别测量高压空气的压力和湿度；该压力测量装置31和湿度测量装置32均与控制器相连接，以将检测结果反馈给控制器。当检测到进入电堆4的空气湿度低于目标值时，控制器调高水泵811的转速以增加喷水量，同时增大第一阀门821的开度，以提高雾化效果。当检测到电堆4前的空气湿度高于目标值时，控制器调低水泵811转速以减少喷水量，同时减小第一阀门821的开度以减少消耗的高压空气量。在其它实施例中，也可以取消第一阀门821，只通过水泵811调节喷水量。

如图3所示，本实施例中空压机1与第一电机84相连接。上游进气管22的进气端安装有空气过滤器85。电堆4包括阴极41、阳极42、及位于阴极41和阳极42之间的质子交换膜43。电堆4的阴极41与空压出气管路3和尾排单元87相连通。电堆4的阳极42与分水器5相连通，分水器5通过第二阀门86与尾排单元87相连通。本实施例中用于燃料电池的进气增湿系统还包括氢气供应单元9，该氢气供应单元9包括与分水器5相连通的氢泵91、与氢泵91相连接的第二电机92、及通过供氢管路93与电堆4的阳极42相连通的氢瓶94，供氢管路93中设有减压阀95，氢泵91的出气口与供氢管路93相连通。

本实施例中用于燃料电池的进气增湿系统，解决了当前增湿系统的成本高、体积大、寿命短、可靠性差的问题。

实施例二

如图6和图7所示，本实施例在上述实施例一的基础上，区别在于本实施例中二流体空气雾化喷嘴7采用虹吸式的二流体空气雾化喷嘴。使用空压机1下游的高压空气，在喷嘴内部形成高速气流，进而在喷嘴内部产生较大的负压，利用虹吸原理将水箱6内的水吸入喷嘴，最终随高速气流充分混合后喷出。因此，本实施例中水箱6与二流体空气雾化喷嘴7之间的雾化水管路81中无需设置水泵811，进一步简化了结构。本实施例通过调整第一阀门821的开度来控制进入喷嘴的高压空气的压力和流量。由于不同压力的高压空气在喷嘴内产生的虹吸力大小不同，进而可以调整进入喷嘴的水流量。空压机1下游在进入电堆4之前设置有压力测量装置31和湿度测量装置32，分别测量高压空气的压力和湿度。当检测到进入电堆4的空气湿度低于目标值时，增大第一阀门821的开度增加产生的虹吸力，进而增加喷水量。当检测到电堆4前的空气湿度高于目标值时，减小第一阀门821的开度以减小产生的虹吸力，进而减小喷水量。

本实施例中虹吸式的二流体空气雾化喷嘴7的结构如图7所示，高压空气在喷嘴的空气腔71内经过加速后，以极高的速度喷出，在喷口位置，空气流速达到最大值，同时空气流通的截面积达到最小值。根据伯努利原理，在喷嘴喉部将产生较大的负压，该负压的大小取决于气体的喷射速度。而喷嘴水流道72的出口刚好设置于负压最大的区域，使得水流道72中产生较大的吸力，进而通过虹吸原理将水箱6中的水吸入水流道72中。进入喷嘴中的水在喷口与空气充分混合，并以极高流速喷射出去，形成极细的水雾，达到对燃料电池进气增湿的目的。

实施例三

如图8所示，本实施例在上述实施例二的基础上，区别在于本实施例利用排水管路83将排水孔21连接到二流体空气雾化喷嘴7与水箱6之间的雾化水管路81，该雾化水管路81为虹吸管路。由于雾化水管路81内存在较大负压，也可以有效回收未充分混合的水雾。即本实施例中排水孔21通过排水管路83与雾化水管路81及二流体空气雾化喷嘴7相连通。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池的进气增湿系统，包括空压机(1)、与空压机(1)的进气口相连通的空压进气管路(2)、通过空压出气管路(3)与空压机(1)的出气口相连通的电堆(4)、与电堆(4)相连通的分水器(5)、及与分水器(5)相连通的水箱(6)，其特征在于，还包括二流体空气雾化喷嘴(7)，所述二流体空气雾化喷嘴(7)通过雾化水管路(81)与水箱(6)相连通，且所述二流体空气雾化喷嘴(7)通过雾化气管路(82)与空压出气管路(3)相连通，所述二流体空气雾化喷嘴(7)的喷口位于空压进气管路(2)中。

2.根据权利要求1所述用于燃料电池的进气增湿系统，其特征在于，所述雾化水管路(81)中设有水泵(811)。

3.根据权利要求1所述用于燃料电池的进气增湿系统，其特征在于，所述雾化气管路(82)中设有第一阀门(821)。

4.根据权利要求1所述用于燃料电池的进气增湿系统，其特征在于，所述空压进气管路(2)的侧壁上设有排水孔(21)，所述排水孔(21)通过排水管路(83)与水箱(6)或二流体空气雾化喷嘴(7)相连通。

5.根据权利要求4所述用于燃料电池的进气增湿系统，其特征在于，所述空压进气管路(2)包括上游进气管(22)和下游进气管(23)，所述上游进气管(22)的直径大于下游进气管(23)的直径，所述上游进气管(22)的出气端套设在下游进气管(23)的外部，且所述上游进气管(22)的出气端设有位于上游进气管(22)的内壁和下游进气管(23)的外壁之间的封堵部(221)，所述下游进气管(23)与空压机(1)的进气口相连通，且所述排水孔(21)位于上游进气管(22)的侧壁上。

6.根据权利要求1所述用于燃料电池的进气增湿系统，其特征在于，所述二流体空气雾化喷嘴(7)采用虹吸式的二流体空气雾化喷嘴。

7.根据权利要求1所述用于燃料电池的进气增湿系统，其特征在于，所述二流体空气雾化喷嘴(7)中设有空气腔(71)和水流道(72)，所述空气腔(71)中设有气体分布器(73)。

8.根据权利要求1所述用于燃料电池的进气增湿系统，其特征在于，所述空压出气管路(3)上设有压力测量装置(31)和湿度测量装置(32)。

9.根据权利要求1所述用于燃料电池的进气增湿系统，其特征在于，所述二流体空气雾化喷嘴(7)位于空压进气管路(2)中。

10.根据权利要求1所述用于燃料电池的进气增湿系统，其特征在于，所述二流体空气雾化喷嘴(7)的喷射方向与空压进气管路(2)中的空气流动方向相反或相同。

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