CN116387562B - 增湿器、燃料电池系统和湿度调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增湿器、燃料电池系统和湿度调节方法，增湿器包括壳体，管组和阀门，壳体内设有分隔部，分隔部将壳体的内腔分隔为第一腔和第二腔，第一腔设有第一入口和第一出口，第二腔设有第二入口、第二出口和第三出口；且分隔部上设有通孔；管组设于第二腔并连通在第二入口和第二出口之间，管组具有亲水性且第一气体和第二气体可在管组处进行热交换，阀门设于分隔部。本发明的增湿器降低了调控的难度，有利于燃料电池系统的高度集成化发展，且能够有效控制燃料电池系统内部湿度，避免了电池堆内水淹和膜干的情况。

Description

增湿器、燃料电池系统和湿度调节方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体地，涉及一种燃料电池用增湿器，一种燃料电池系统和一种湿度调节方法。

背景技术

随着新能源领域的迅速发展，质子交换膜燃料电池（PEMFC）以其能量密度高、无污染排放、转换效率高、启动速度快等优点成为一种非常有前景的新能源发电装置。在燃料电池系统运行过程中，电堆内部的质子交换膜要保持部分湿润状态，这样有利于质子交换膜上氢氧反应的进行，但是过度的湿润会导致燃料电池系统发生水淹现象、过度的干燥也会导致燃料电池系统发生膜干现象，这两种情况都不利于燃料电池系统的正常运行。

目前，燃料电池系统湿度调控装置一般是采用多个管路串联或并联来实现，多个管路上需要借助多个阀门来进行控制，这种调控方式的控制难度较高，且同时也不利于燃料电池系统的高度集成化设计，具体可参考授权公告号为CN 218039312U的中国实用新型专利。

其次，一部分燃料电池的湿度调控采用了多个电控三通阀集成设计的增湿器来控制入堆空气湿度，多个电控阀门容易产生电磁干扰，密封性不好，易发生泄露，同时集成后的体型较大，不利于燃料电池系统的高度集成化设计，具体可参考授权公告号为CN217768443U的中国实用新型专利。

另外，相关技术中的燃料电池的湿度调控方式对于燃料电池系统内部的湿度的控制有效性差，燃料电池系统依然存在水淹和膜干的风险。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明实施例提出一种燃料电池用增湿器，该燃料电池用增湿器降低了调控的难度，有利于燃料电池系统的高度集成化发展，且能够有效控制燃料电池系统内部湿度，避免了电池堆内水淹和膜干的情况。

本发明实施例还提出一种包括上述增湿器的燃料电池系统。

本发明实施例还提出一种基于上述燃料电池系统的湿度调节方法。

本发明实施例的燃料电池用增湿器包括：

壳体，所述壳体内设有分隔部，所述分隔部将所述壳体的内腔分隔为第一腔和第二腔，所述第一腔设有第一入口和第一出口，所述第二腔设有第二入口、第二出口和第三出口；

所述第一入口用于供电池堆排出的第一气体进入壳体，所述第一出口和所述第三出口用于供第一气体流出壳体，所述第二入口用于供第二气体进入壳体，所述第二出口用于供从所述壳体流出的第二气体流入所述电池堆，且所述分隔部上设有通孔；

管组，所述管组设于所述第二腔并连通在所述第二入口和所述第二出口之间，所述管组具有亲水性以使所述管组周侧的所述第一气体的液体可渗入所述管组内并实现所述管组内的所述第二气体的湿度的调节，且所述第一气体和所述第二气体可在所述管组处进行热交换；

阀门，所述阀门设于所述分隔部并用于通过调节所述通孔的通流面积调节经由所述第二出口排出的所述第二气体的湿度。

本发明实施例的燃料电池用增湿器降低了调控的难度，有利于燃料电池系统的高度集成化发展，且能够有效控制燃料电池系统内部湿度，避免了电池堆内水淹和膜干的情况。

在一些实施例中，所述通孔的通流面积的大小与燃料电池内的湿度呈负相关；和/或，所述通孔与所述第一入口正对布置。

在一些实施例中，在所述壳体内，所述第一气体的流动方向和所述第二气体的流动方向交叉布置。

在一些实施例中，所述第一入口、所述第一出口、所述第二入口、所述第二出口均设于所述壳体的侧面，且所述第一入口和所述第三出口相对布置，所述第二入口和所述第二出口相对布置，所述第一出口设于所述壳体的底侧并邻近所述第三出口。

在一些实施例中，所述分隔部包括相交布置的第一板部和第二板部，所述第一腔位于所述第一板部和所述第二板部所形成的夹角外侧并大体呈L型，所述第二腔位于所述第一板部和所述第二板部所形成的夹角内。

在一些实施例中，所述管组包括多个纤维膜管，多个所述纤维膜管并行布置并均连通在所述第二入口和所述第二出口之间。

本发明实施例的燃料电池系统包括如上述任一实施例中所述的增湿器。

在一些实施例中，燃料电池系统包括：

电池堆，所述电池堆具有空气入口和空气出口，所述空气入口与所述第二出口连通，所述空气出口与所述第一入口连通；

第一管路系统和第二管路系统，所述第一管路系统与所述第二入口连通并用于向所述壳体内输送所述第二气体，所述第二管路系统与所述第一出口和所述第三出口连通并用于外排经由所述壳体排出的所述第一气体。

在一些实施例中，所述第一管路系统包括沿着从上游至下游依次设置的滤清器、流量计、空压机和中冷器；

和/或，所述第二管路系统包括沿着从上游至下游依次设置的背压阀和尾排。

本发明实施例的湿度调节方法包括以下步骤：

S1：监测所述电池堆内的阻抗；

S2：若所述阻抗增加，则通过所述阀门调大所述通孔的通流面积；若所述阻抗减小，则通过所述阀门调小所述通孔的通流面积。

附图说明

图1是本发明实施例的燃料电池系统的结构示意图。

图2是本发明实施例的增湿器的立体示意图。

图3是图2中增湿器的水平剖视示意图。

图4是图2中增湿器在前后方向的剖视示意图。

附图标记：

滤清器1；

流量计2；

空压机3；

中冷器4；

增湿器5；壳体51；第一入口511；第一出口512；第三出口513；第二入口514；第二出口515；第一腔516；第二腔517；管组52；纤维膜管521；分隔部53；第一板部531；通孔532；第二板部533；阀门54；

电池堆6；空气入口61；空气出口62；

背压阀7；

尾排8；

第一管路系统10；

第二管路系统20。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明实施例的增湿器5应用的领域为燃料电池系统，在使用中可以连接在燃料电池的电池堆6的一侧，借由增湿器5可以实现对电池堆6内的湿度调节，从而可以保证燃料电池运行的稳定运行。

如图2至图4所示，本发明实施例的增湿器5包括壳体51，管组52和阀门54。壳体51的材质可以为金属或塑料，壳体51大体可以为长方体状，且壳体51可以一体成型。壳体51上可以设有五个接口，五个接口分别为第一入口511、第一出口512、第二入口514、第二出口515和第三出口513，且五个接口均能够将壳体51的内腔与外界连通。

如图3所示，壳体51内可以设有分隔部53，分隔部53可以一体成型的设于壳体51内，在其他一些实施例中，分隔部53也可以为单独的零部件，且分隔部53可以通过粘接、紧固件固定等方式装配在壳体51内。分隔部53能够将壳体51的内腔分隔为两个独立腔室，两个独立腔室分别为第一腔516和第二腔517。其中第一入口511和第一出口512均可以与第一腔516连通，第二入口514、第二出口515和第三出口513均与第二腔517连通。如图3所示，分隔部53上可以设有通孔532，通孔532沿着分隔部53的厚度方向贯穿分隔部53。

在安装过程中，第一入口511可以与电池堆6的空气出口62相连，第一出口512和第三出口513则可以直接通入尾气处理装置等，第二入口514可以与外接的供气设备相连，第二出口515则可以与电池堆6的空气入口61相连。

如图3和图4所示，第二腔517内安装有管组52，管组52可以通过多个中空纤维膜管521组52成，多个纤维膜管521可以均沿着前后方向延伸，且管组52的前端可以与第二入口514连通，管组52的后端可以与第二出口515连通。纤维膜管521具有较好的亲水性，使得水蒸气、水滴等可以通过渗透的方式穿过纤维膜管521。

阀门54可以为电控阀，阀门54可以安装在分隔部53上，且阀门54可以控制分隔部53上通孔532的开启幅度，从而可以起到调节通孔532的通流面积大小的作用。

使用过程中，当电池堆6内的湿度较大时，电池堆6排出的第一气体（湿空气）可以经由第一入口511进入第一腔516内，此时，分隔部53上的通孔532可以通过阀门54关闭或将通流面积调小，由此，进入第一腔516内的第一气体的大部分可以经由第一出口512直接排出。而经由第二入口514进入的第二气体（干空气）可以经由管组52直接流入第二出口515处，然后可以直接流入电池堆6内，由于第二气体的湿度较低，从而可以起到干燥电池堆6的作用，避免了电池堆6发生水淹的情况。

当电池堆6较为干燥时，此时，可以通过阀门54将分隔部53上的通孔532的通流截面调大，由此，第一腔516内的第一气体会经由通孔532流入第二腔517内并可以在第二腔517内的管组52的周侧流动，由于管组52的亲水性，第一气体内的水蒸气、水滴等可以渗入管组52内，从而可以起到对管组52内的第二气体加湿的作用，加湿后的第二气体可以经由第二出口515排至电池堆6内并起到对电池堆6增湿的效果，进而避免了电池堆6的质子交换膜产生膜干的问题。

其次，从电池堆6内排出的第一气体通常具有较高的温度，在调节第二气体的湿度的过程中，第一气体和第二气体也可以在第二腔517内进行热交换，由此，一方面可以降低第一气体的温度，从而有利于第一气体内液体的析出，从而保证了对第二气体的加湿作用，另一方面可以升高第二气体的温度，从而可以提高第二气体中水的饱和度，有利于提升加湿效率和效果。

反之，当经由通孔532流入第二腔517内的第一气体的量降低时，第一气体和第二气体的热交换效果也会降低，由此，可以第二气体的饱和度也会降低，从而有利于干燥效果。

本发明实施例的燃料电池用增湿器5既减少了多管路串并联设计及采用多阀门54的控制，又减少了多电控阀门54控制复杂或难于控制的弊端，有利于燃料电池系统的高度集成化发展。

其次，本发明的气体增湿器5能够有效控制燃料电池系统内部湿度，既能够起到对燃料电池系统发生水淹时的保护措施，及时缓解甚至解决燃料电池系统水淹问题，又能够起到对燃料电池系统发生膜干时的保护措施，及时缓解甚至解决燃料电池系统膜干问题，实现了对燃料电池电堆内部的空气湿度的精准控制，进而保证了电堆的长寿命运行并降低了不良状况导致的性能衰减。

在一些实施例中，通孔532的通流面积的大小与燃料电池内的湿度呈负相关。具体地，当燃料电池内的湿度较大时，阀门54可以将通孔532的通流面积调小，从而可以减少流入第二腔517内的第一气体的量，进而可以降低第一气体对第二气体的增湿效果，使得经由第二出口515流出的第二空气的湿度得以降低，保证了干燥效果。

当燃料电池内的湿度较小时，阀门54将通孔532的通流面积调大，此时，流入第二腔517内的第一气体的量会增加，从而可以增强第一气体对第二气体的增湿效果，使得经由第二出口515流出的第二空气的湿度得以提升，保证了增湿效果。

在一些实施例中，通孔532与所述第一入口511正对布置。例如，如图3所示，第一入口511可以设在壳体51的左侧，通孔532可以在左右方向上与第一入口511正对，由此，可以增强第一入口511和通孔532之间的连通性，降低了风阻，保证了经由通孔532流向第二腔517内的气体量，也有利于降低风噪。

在一些实施例中，在壳体51内，第一气体的流动方向和第二气体的流动方向交叉布置。例如，如图3所示，第一入口511和第一出口512或第三出口513可以在左右方向间隔布置，第二入口514和第二出口515可以在前后方向上间隔布置，由此，壳体51内的第一气体大体可以沿着从左至右的方向延伸，壳体51内的第二气体则大体可以沿着从前至后的方向延伸。

这种气流的交叉设计能够起到增强热交换的效果，可以使得第二腔517内的第一气体能够环绕在第二气体的外周侧，从而也可以起到延缓第一气体流速并提升第一气体内液体的渗透的效果。

在一些实施例中，第一入口511、第一出口512、第二入口514、第二出口515均设于壳体51的侧面，如图2至图4所示，第一入口511可以设于壳体51的左侧面，第三出口513可以设于壳体51的右侧面，即第一入口511和第三出口513可以在左右方向上相对布置，第二入口514可以设于壳体51的前侧面，第二出口515可以设于壳体51的后侧面，即第二入口514和第二出口515可以在前后方向上相对布置，第一出口512设于壳体51的底侧并邻近第三出口513。由此，使得各个接口分别位于壳体51的不同侧面，从而避免了不同的接口在连接时干涉的情况，提升了使用的独立性，方便了安装和装配。

在一些实施例中，如图3和图4所示，分隔部53大体可以为L型板状，即分隔部53可以包括相交布置的第一板部531和第二板部533，其中第一板部531大体可以设于竖直面内，第二板部533大体可以设于水平面内。第一腔516位于第一板部531和第二板部533所形成的夹角外侧并大体呈L型，即第一腔516的一部分位于第一板部531的左侧，一部分位于第一板部531的下侧。第二腔517位于第一板部531和第二板部533所形成的夹角内，即第二腔517整体位于第二板部533的上方。由此，简化了壳体51内的结构设计。

下面描述本发明实施例的燃料电池系统。

本发明实施例的燃料电池系统包括增湿器5，增湿器5可以为上述任一实施例中描述的增湿器5。本发明实施例的燃料电池系统且能够有效控制燃料电池系统内部湿度，避免了电池堆6内水淹和膜干的情况。

在一些实施例中，燃料电池系统包括电池堆6，第一管路系统10和第二管路系统20。电池堆6具有空气入口61和空气出口62，空气入口61与增湿器5的第二出口515连通，空气出口62与增湿器5的第一入口511连通。第一管路系统10与增湿器5的第二入口514连通并用于向壳体51内输送第二气体（干空气），第二管路系统20与增湿器5的第一出口512和第三出口513均连通并用于外排经由壳体51排出的第一气体（湿空气）。

在一些实施例中，如图1所示，第一管路系统10包括沿着从上游至下游依次设置的滤清器1、流量计2、空压机3和中冷器4。其中滤清器1可以起到过滤颗粒物等杂质的作用，从而可以避免杂质进入空压机3、中冷器4、电池堆6等而影响电池堆6运行的情况。流量计2具体可以为空气流量计，流量计2可以对气体的流量进行监测，从而方便了直观掌控进气量。空压机3则可以起到驱动气体流动的效果，从而方便了将第二气体送入电池堆6内。中冷器4则可以起到对第一气体降温的作用，避免了从空压机处流出的具有较高温度的第二气体直接排出增湿器5的情况。

在一些实施例中，如图1所示，第二管路系统20包括沿着从上游至下游依次设置的背压阀7和尾排8。其中背压阀7可以起到稳压和保压的效果，有利于燃料电池系统运行的稳定性。尾排8则可以起到对使用后的第一气体收集和处理的作用。

下面描述本发明实施例的湿度调节方法。

本发明实施例的湿度调节方法包括以下步骤：

S1：监测电池堆6内的阻抗。具体地，电池堆6可以安装阻抗仪等，借由阻抗仪可以实现电池堆6的阻抗（EIS）监测。需要说明的是，阻抗值与电池堆6的湿度呈负相关的关系，借由测量的阻抗可以间接反映电池堆6的湿度情况。

S2：若阻抗增加，则通过阀门54调大通孔532的通流面积；若阻抗减小，则通过阀门54调小通孔532的通流面积。由此，可以使得电池堆6的阻抗可以始终保持在合理的范围内，进而可以保证电池堆6的湿度也使用处理合理的范围内，保证了电池堆6运行的稳定性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“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。

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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

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，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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。

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”可以是第一和第二特征直接接触，或第一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小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等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一个或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。

尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池用增湿器，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体内设有分隔部，所述分隔部将所述壳体的内腔分隔为第一腔和第二腔，所述第一腔设有第一入口和第一出口，所述第二腔设有第二入口、第二出口和第三出口；

所述第一入口与电池堆的空气出口相连以使电池堆排出的第一气体进入壳体，所述第一出口和所述第三出口用于供第一气体流出壳体，所述第二入口用于供第二气体进入壳体，所述第二出口与电池堆的空气入口相连以使从所述壳体流出的第二气体流入所述电池堆，且所述分隔部上设有通孔，所述第一气体为湿空气，所述第二气体为干空气；

管组，所述管组设于所述第二腔并连通在所述第二入口和所述第二出口之间，所述管组具有亲水性以使所述管组周侧的所述第一气体的液体渗入所述管组内并实现所述管组内的所述第二气体的湿度的调节，且所述第一气体和所述第二气体在所述管组处进行热交换；

阀门，所述阀门设于所述分隔部并用于调节所述通孔的通流面积以调节经由所述第二出口排出的所述第二气体的湿度。

2.根据权利要求1所述的燃料电池用增湿器，其特征在于，所述通孔的通流面积的大小与燃料电池内的湿度呈负相关；

和/或，所述通孔与所述第一入口正对布置。

3.根据权利要求1所述的燃料电池用增湿器，其特征在于，在所述壳体内，所述第一气体的流动方向和所述第二气体的流动方向交叉布置。

4.根据权利要求3所述的燃料电池用增湿器，其特征在于，所述第一入口、所述第一出口、所述第二入口、所述第二出口均设于所述壳体的侧面，且所述第一入口和所述第三出口相对布置，所述第二入口和所述第二出口相对布置，所述第一出口设于所述壳体的底侧并邻近所述第三出口。

5.根据权利要求1所述的燃料电池用增湿器，其特征在于，所述分隔部包括相交布置的第一板部和第二板部，所述第一腔位于所述第一板部和所述第二板部所形成的夹角外侧并大体呈L型，所述第二腔位于所述第一板部和所述第二板部所形成的夹角内。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的燃料电池用增湿器，其特征在于，所述管组包括多个纤维膜管，多个所述纤维膜管并行布置并均连通在所述第二入口和所述第二出口之间。

7.一种燃料电池系统，其特征在于，包括如上述权利要求1-6中任一项所述的增湿器。

8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，包括：

电池堆，所述电池堆具有空气入口和空气出口，所述空气入口与所述第二出口连通，所述空气出口与所述第一入口连通；

第一管路系统和第二管路系统，所述第一管路系统与所述第二入口连通并用于向所述壳体内输送所述第二气体，所述第二管路系统与所述第一出口和所述第三出口连通并用于外排经由所述壳体排出的所述第一气体。

9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第一管路系统包括沿着从上游至下游依次设置的滤清器、流量计、空压机和中冷器；

和/或，所述第二管路系统包括沿着从上游至下游依次设置的背压阀和尾排。

10.一种基于上述权利要求7-9中任一项所述的燃料电池系统的湿度调节方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：监测所述电池堆内的阻抗；

S2：若所述阻抗增加，则通过所述阀门调大所述通孔的通流面积；若所述阻抗减小，则通过所述阀门调小所述通孔的通流面积。