CN114792827A - 一种质子交换膜燃料电池自增湿系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体公开了一种质子交换膜燃料电池自增湿系统，包括燃料电池、第一分水器、超声波雾化器、空压机和中冷器，第一分水器设在燃料电池的阴极出口处，第一分水器的出水口与超声波雾化器的入口连接，超声波雾化器的出口与空压机的出口连接，超声波雾化器形成的雾化水能够在空压机的出口处被高温空气气化成水蒸汽；空压机的出口与中冷器的入口连接，中冷器的出口与燃料电池的阴极入口连接。本发明利用汽化燃料电池阴极出口排出的液态水，通过超声波雾化器、空压气、中冷器等把收集到的液态水汽化并引入空气系统，实现燃料电池对其反应空气的自增湿。

Description

一种质子交换膜燃料电池自增湿系统
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池自增湿系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池以空气为氧化剂，氢气为燃料，通过电化学反应向外输出直流电，排出的废气为水。电化学反应的核心部件是由电解质膜和阳极与阴极组成的膜电极，其中，电解质膜的电导率大小强烈依赖膜中的含水量，即要保持电解质具有一定的含水量，电解质膜才能保持良好质子传导。因此，需要反应气氢气和空气中含有适当的水汽，这样就需要对氢气和空气反应气进行增湿，目前氢气的增湿主要是依靠氢气循环泵把燃料电池堆氢气出口的部分含水汽的氢气泵入进口，与进口反应气混合增湿氢气。而空气的增湿通常采用两种方式，一是利用膜增湿器或焓轮增湿器对空气进行增湿；另一方案是利用超薄的电解质膜，只通过循环氢气增湿电解质膜，空气不增湿，以达到降低发电系统体积的目的。但是研究发现，空气的适当增湿，无论是采用薄的还是较厚的电解质膜，对燃料电池电池性能的提高和保持膜电极寿命都是有利的。
发明内容
本发明的目的是提供一种质子交换膜燃料电池自增湿系统，以通过汽化燃料电池阴极出口排出的液态水，实现燃料电池对其反应空气的自增湿。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种质子交换膜燃料电池自增湿系统，包括燃料电池、第一分水器、超声波雾化器、空压机和中冷器；所述第一分水器设在所述燃料电池的阴极出口处，所述第一分水器用于收集燃料电池电化学反应生成的液态水；所述第一分水器的出水口与所述超声波雾化器的入口连接，所述超声波雾化器用于将所述第一分水器收集的液态水形成雾化水；所述超声波雾化器的出口与所述空压机的出口连接，所述超声波雾化器形成的雾化水能够在所述空压机的出口处被高温空气气化成水蒸汽；所述空压机的出口与所述中冷器的入口连接，所述中冷器用于把所述空压机排出的带有水蒸汽的空气温度降低到适合燃料电池工作的温度；所述中冷器的出口与所述燃料电池的阴极入口连接。
优选地，所述第一分水器的出水口通过水泵与所述超声波雾化器的入口连接，所述水泵用于将所述第一分水器收集的液态水引入所述超声波雾化器中。
或者，所述第一分水器的出水口通过射流器与所述超声波雾化器的入口连接，所述射流器用于将所述第一分水器收集的液态水引入所述超声波雾化器中。
优选地，所述中冷器的出口处设有第二分水器，所述第二分水器用于收集所述中冷器中流出的液态水。
优选地，所述第一分水器与所述水泵之间设有流量阀，所述流量阀用于控制进入所述水泵的水量。
优选地，所述第一分水器与所述射流器之间设有流量阀，所述流量阀用于控制进入所述射流器的水量。
优选地，所述流量阀通过调节水量使空气中的水蒸汽在中冷器中的相对湿度控制为40％-60％。
本发明的质子交换膜燃料电池自增湿系统利用收集部分燃料电池阴极出口排出的液态水，通过超声波雾化器、空压气、中冷器等把收集到的液态水汽化并引入空气系统，实现燃料电池发电系统的自增湿。本发明不需要外部引入水，通过一个巧妙的流程和少量部件实现了空气自增湿，比传统增湿方式简单，引入超声波雾化，可以使水气进入空气主流道中迅速汽化，不会产生液态水，通过控制进水量，可以使空气中的水蒸汽通过中冷器进入电池前不发生冷凝，从而不产生液态水。
附图说明
图1为本发明实施例的质子交换膜燃料电池自增湿系统的连接框图。
图中，1：燃料电池；2：流量阀；3：射流器；4：超声波雾化器；5：空压机；6：中冷器；7：第二分水器；8：第一分水器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1所示，本实施例的质子交换膜燃料电池自增湿系统包括燃料电池1、第一分水器8、超声波雾化器4、空压机5和中冷器6；第一分水器8设在燃料电池1的阴极出口处，第一分水器8用于收集燃料电池1电化学反应生成的液态水，燃料电池1电化学反应生成的水这主要是从阴极排出，所以需要利用第一分水器8把尾气中的部分水收集起来为液态水；第一分水器8的出水口与超声波雾化器4的入口连接，其出气口将反应后的空气排出，超声波雾化器4用于将第一分水器8收集的液态水形成雾化水；超声波雾化器4的出口与空压机5的出口连接，即能够与空压机5出口处的空气混合，超声波雾化器4形成的雾化水能够随空压机5的空气主流道在空压机5的出口处被高温空气气化成水蒸汽，由于空压机5出口的空气温度可以达到180度左右，进来的雾化小液滴水汽迅速被气化为水蒸汽，伴随空气一起进入中冷器6；空压机5的出口与中冷器6的入口连接，中冷器6用于把空压机5排出的带有水蒸汽的空气温度降低到适合燃料电池工作的温度；中冷器6的出口与燃料电池1的阴极入口连接。
第一分水器8的出水口可以通过水泵与超声波雾化器4的入口连接，水泵用于将第一分水器8收集的液态水引入超声波雾化器4中。第一分水器8的出水口也可以通过射流器3与超声波雾化器4的入口连接，射流器3用于将第一分水器8收集的液态水引入超声波雾化器4中。
中冷器6的出口处可以设有第二分水器7，第二分水器7的出气口与燃料电池1的阴极入口连接，第二分水器7用于收集中冷器6中流出的液态水，其出水口将液态水排出。部分水蒸汽可能会液化为液态水，为防止部分液态水进入电池堆的公用管道，破坏公用管道的气体分配，在中冷器6的空气出口设置第二分水器7。
第一分水器8与水泵之间设有流量阀2，流量阀2用于控制进入水泵的水量。或者，第一分水器8与射流器3之间设有流量阀2，流量阀2用于控制进入射流器3的水量。流量阀2通过调节水量使空气中的水蒸汽在中冷器6中的相对湿度控制为40％-60％。也可以通过模拟计算，在液态水进入射流器3或水泵前设置流量阀，控制进水量，保证空气中的水蒸汽在中冷器6和进入电池堆前的相对湿度低于电池操作温度下的饱和值，即控制在40-60％左右，从而中冷器6出口也可以不设第二分水器7。
本发明的质子交换膜燃料电池自增湿系统利用收集部分燃料电池阴极出口排出的液态水，通过超声波雾化器、空压气、中冷器等把收集到的液态水汽化并引入空气系统，实现燃料电池发电系统的自增湿。本发明不需要外部引入水，通过一个巧妙的流程和少量部件实现了空气自增湿，比传统增湿方式简单，引入超声波雾化，可以使水气进入空气主流道中迅速汽化，不会产生液态水，通过控制进水量，可以使空气中的水蒸汽通过中冷器进入电池前不发生冷凝，从而不产生液态水。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (7)

1.一种质子交换膜燃料电池自增湿系统，其特征在于，包括燃料电池、第一分水器、超声波雾化器、空压机和中冷器；所述第一分水器设在所述燃料电池的阴极出口处，所述第一分水器用于收集燃料电池电化学反应生成的液态水；所述第一分水器的出水口与所述超声波雾化器的入口连接，所述超声波雾化器用于将所述第一分水器收集的液态水形成雾化水；所述超声波雾化器的出口与所述空压机的出口连接，所述超声波雾化器形成的雾化水能够在所述空压机的出口处被高温空气气化成水蒸汽；所述空压机的出口与所述中冷器的入口连接，所述中冷器用于把所述空压机排出的带有水蒸汽的空气温度降低到适合燃料电池工作的温度；所述中冷器的出口与所述燃料电池的阴极入口连接。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池自增湿系统，其特征在于，所述第一分水器的出水口通过水泵与所述超声波雾化器的入口连接，所述水泵用于将所述第一分水器收集的液态水引入所述超声波雾化器中。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池自增湿系统，其特征在于，所述第一分水器的出水口通过射流器与所述超声波雾化器的入口连接，所述射流器用于将所述第一分水器收集的液态水引入所述超声波雾化器中。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池自增湿系统，其特征在于，所述中冷器的出口处设有第二分水器，所述第二分水器用于收集所述中冷器中流出的液态水。
5.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池自增湿系统，其特征在于，所述第一分水器与所述水泵之间设有流量阀，所述流量阀用于控制进入所述水泵的水量。
6.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池自增湿系统，其特征在于，所述第一分水器与所述射流器之间设有流量阀，所述流量阀用于控制进入所述射流器的水量。
7.根据权利要求5或6所述的质子交换膜燃料电池自增湿系统，其特征在于，所述流量阀通过调节水量使空气中的水蒸汽在中冷器中的相对湿度控制为40％-60％。
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