CN116646558A - 一种用于燃料电池的进气增湿系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于燃料电池的进气增湿系统，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术加湿效果较差且容易堵塞流道的问题。该系统包括超声波换能片、引射器、中冷器、膨胀机、分水件、储水罐和增湿控制器。储水罐上集成了湿空气进出口和液体进口。湿空气进口接电堆的空气尾气出口。湿空气出口接引射器的引流入口。液体进口依次经分水件的出水口、膨胀机的涡轮腔接电堆的空气尾气出口。膨胀机的压轮腔依次经引射器、中冷器后接电堆的空气进口。超声波换能片位于储水罐内液面之下。增湿控制器根据入堆空气流量和目标湿度，控制超声波换能片激发不同的功率，以使储水罐输出与所述入堆空气流量和目标湿度匹配的喷雾至引射器，增湿空气。

Description

一种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，尤其涉及一种用于燃料电池的进气增湿系统。

背景技术

因环保无污染等优点，燃料电池系统日益受到关注，燃料电池系统的需求功率也逐渐增大。入堆空气具备一定湿度后，燃料电池才能正常工作。目前使用最广泛的增湿装置是膜管增湿器。为了保证加湿效果，需要大量的膜管参与加湿过程，从而导致膜管增湿器的体积和重量非常大，严重影响燃料电池系统的质量功率密度和体积功率密度。由于其体积质量大、故障率高、加湿效果不可控等缺点，不适合大功率燃料电池系统，目前，喷淋式进气增湿系统正成为最具潜力的替代方案。

喷淋式进气增湿系统最常见的组合方式为储水罐、水泵、喷头、雾化腔等部件，参见专利一(申请号202110898201.8)。其中，水泵提供水压或计量功能，喷头具备雾化或计量功能。但该方案喷射水量较小，雾化效果较差，对干空气的加湿效果不好，未被完全气化的小液滴容易进入电堆，造成流道的堵塞。

超声波雾化可以达到干雾状态且非常均匀，同时所需电能较小，控制简单，参见现有专利二(申请号202210588351.3)。但现有技术中使用的基本都是超声波雾化喷头，参见现有专利三(申请号CN201811556493.1)。超声波雾化喷头水流量极小(<1L/h)，需要安装多个喷头才能以达到增湿目的，由于设置于同一雾化腔内，喷出的水容易发生碰撞，仍存在流道堵塞的风险。

此外，现有专利三中，储水箱与进气管、出气管设置在一起，不适用于车载情况。车辆行驶时存在晃动，液态水容易进入电堆造成水淹。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种用于燃料电池的进气增湿系统，用以解决现有技术加湿效果较差且容易堵塞流道的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种用于燃料电池的进气增湿系统，包括超声波换能片、引射器、中冷器、膨胀机、分水件、储水罐和增湿控制器；其中，

储水罐上集成了湿空气进口、湿空气出口和液体进口；该湿空气进口接电堆的空气尾气出口；该液体进口依次经分水件的出水口、膨胀机的涡轮腔接电堆的空气尾气出口；该湿空气出口接引射器的引流入口；

膨胀机的压轮腔输出端依次经引射器的射流入口、中冷器后接电堆的空气进口；超声波换能片位于储水罐内液面之下，并设置为功率可调；

增湿控制器，用于根据入堆空气流量和目标湿度，控制超声波换能片激发不同的功率，以使储水罐输出与所述入堆空气流量和目标湿度匹配的需水量的喷雾至引射器，对入堆空气进行增湿。

上述技术方案的有益效果如下：优化了现有的进气增湿构架，由于超声波换能片可以激发出干雾，液滴较小，从根源上避免大液滴进入电堆的风险，解决了大液滴加湿效果差的问题以及控制复杂的问题。分水件置于涡轮之后，用于收集湿空气中的液态水，收集后的液态水储存在储水罐中。超声波换能片置于储水罐内。雾化后的小液滴被引射器中的高速空气引流，进入干空气中，从而达到加湿空气的目的。超声波换能片根据进堆的空气流量和湿度需求，激发不同的功率，以达到不同需水量的目的。该系统只调节超声波换能片的功率即可实现湿度调整，控制简单，易于实现。并且，超声波换能片功率可控，根据不同空气流量和需求湿度提供不同的水量。配合引射器使用，能够避免引入额外的电控零部件，提高架构的可靠性。

基于上述系统的进一步改进，增湿控制器执行如下程序完成燃料电池启动时的入堆空气湿度调控功能：

接收到燃料电池的启动指令后，获取燃料电池正常工作时的入堆空气流量与目标湿度；

将所述入堆空气流量与目标湿度输入事先标定好的湿度控制模型中，得出采用该进气增湿系统将入堆空气加湿至目标湿度且进气增湿系统能耗最低对应的超声波换能片功率；

在膨胀机启动后，控制超声波换能片激发匹配的上述功率，以使储水罐输出与所述入堆空气流量和目标湿度匹配的需水量的喷雾至引射器，对入堆空气进行增湿。

进一步，增湿控制器还执行如下程序完成燃料电池启动后的入堆空气湿度调控功能：

在燃料电池启动后，定时获取入堆空气湿度；

识别入堆空气湿度是否达到目标湿度，如果是，控制超声波换能片功率不变，否则，根据入堆空气湿度与目标湿度的差值调整超声波换能片功率，直到入堆空气湿度达到目标湿度，结束本周期的湿度调整。

进一步，储水罐的底部还集成了排水口，该排水口处设有排水阀；并且，

超声波换能片的数量不止一个，所有超声波换能片均设于储水罐的底部，并呈阵列式分布。

进一步，储水罐的液体进口处还集成了去离子设备，且储水罐内的水为去离子水；并且，

去离子设备的滤芯设置为外部可置换状态。

进一步，该进气增湿系统还包括：

液位传感器，设于储水罐的内壁上，用于获取储水罐内实时液位高度，发送至增湿控制器；

温湿一体传感器，设于中冷器的输出端，用于获取实时的入堆空气温度与入堆空气湿度；

增湿控制器，还用于根据储水罐内实时液位高度，控制排水阀的启闭；以及，根据实时的入堆空气温度，控制中冷器的制冷端温度；以及，根据实时的入堆空气湿度，调整超声波换能片功率。

进一步，该进气增湿系统还包括：

防干烧保护模块，用于检测超声波换能片处于无水状态的信号，并将该信号发送给增湿控制器，以使增湿控制器控制超声波换能片停止工作。

进一步，防干烧保护模块进一步包括电阻，所述电阻的一端接入超声波换能片，用于检测超声波换能片的通过电流，并将该电流信号反馈给所述增湿控制器；并且，

增湿控制器，还用于检测到电流信号大于设定的电流大小时，控制超声波换能片停止工作。

进一步，该进气增湿系统还包括：

尾排节气门，其输入端接电堆的空气尾气出口，其输出端接电控分流阀的输入端；

电控分流阀，其输出端一接膨胀机的压轮腔输入端，其输出端二接储水罐的湿空气进口，其控制端接增湿控制器。

进一步，超声波换能片的数量为多个；并且，增湿控制器还执行如下程序以完成在燃料电池功率改变时入堆空气温湿度的精准调控功能：

接收到燃料电池功率改变指令后，获取实时的入堆空气流量、入堆空气湿度、入堆空气温度；

将实时的入堆空气流量、入堆空气湿度、入堆空气温度、变更前燃料电池功率、变更后燃料电池功率输入事先标定好的温湿度控制模型中，得到采用该进气增湿系统将入堆空气加湿至变更后燃料电池功率对应的目标湿度、且使入堆空气温度达到目标温度、且超声波换能片总能耗最低对应的各超声波换能片功率、中冷器制冷端温度；

在膨胀机启动后，控制各超声波换能片激发匹配的上述功率，并控制中冷器工作于上述制冷端温度，完成入堆空气温湿度的粗调；

再次获取入堆空气湿度，识别入堆空气湿度是否达到目标湿度，如果是，控制各超声波换能片功率不变，否则，继续识别入堆空气湿度大于目标湿度时降低各超声波换能片功率，继续识别入堆空气湿度小于目标湿度时增大各超声波换能片功率，直到入堆空气湿度达到目标湿度，结束入堆空气湿度的精调；

再次获取入堆空气温度，识别入堆空气温度是否达到目标温度，如果是，控制中冷器制冷端温度不变，否则，根据入堆空气温度与目标温度的差值对中冷器制冷端温度进行调整，直到入堆空气温度达到目标温度，结束入堆空气温度的精调。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、分别提供了燃料电池启动、正常运行、功率改变过程中优化的湿度调控方案，能够精准地调控入堆空气的湿度，使其与燃料电池功率(输出功率)匹配，并且其产生的干雾对空气的增湿效果更好，避免了现有技术液滴进堆后造成流道堵塞的问题。

2、装置简单，采用了喷雾增湿+引射器的构架，相比现有技术具有体积小、重量轻的优势。

3、具有加湿速度快、功耗低的优点。

提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本发明的重要特征或必要特征，也无意限制本发明的范围。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了实施例1进气增湿系统的组成示意图；

图2示出了实施例2进气增湿系统的组成结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

为了更清晰地介绍发明内容，下面首先介绍本发明涉及的技术术语。

燃料电池系统：是一种具有电堆和辅助子系统的能量转化装置。在能量转化过程中，电堆中的核心部件—膜电极将氧气和燃料的化学能直接转化为电能，反应产物包括水和余热。反应产物通过流道和换热排至电堆外部，产生的电能通过DC-DC模块传递至整车电机。

进气增湿系统：向燃料电池系统中的空气子系统喷射成分为水的雾滴，从而达到增湿干空气的目的。

超声雾化：使超声波换能片置于水面以下，利用超声波的能量使液态水进行雾化。

实施例1

本发明的一个实施例，公开了一种用于燃料电池的进气增湿系统，如图1所示，包括超声波换能片、引射器、中冷器、膨胀机、分水件、储水罐和增湿控制器。

膨胀机的电机两侧分别是压轮腔和涡轮腔，其结构可参见现有专利CN200410026203.4记载。

储水罐上集成了湿空气进口、湿空气出口和液体进口。该湿空气进口接电堆的空气尾气出口。该液体进口依次经分水件的出水口、膨胀机的涡轮腔接电堆的空气尾气出口。该湿空气出口接引射器的引流入口。

膨胀机的压轮腔输出端依次经引射器的射流入口、中冷器后接电堆的空气进口。

超声波换能片位于储水罐内液面之下，并设置为功率可调。超声波雾化可以达到干雾状态且非常均匀，同时所需电能较小，控制简单。

增湿控制器，用于根据入堆空气流量和目标湿度，控制超声波换能片激发不同的功率，以使储水罐输出与所述入堆空气流量和目标湿度匹配的需水量的喷雾至引射器，对入堆空气进行增湿。

实施时，储水罐中的水来自出堆湿空气，储水罐的气流也来自出堆湿空气。超声波换能片置于储水罐中，产生足够的水雾。储水罐与引射器配合使用，达到加湿干空气的目的。

与现有技术相比，本实施例提供的进气增湿系统优化了现有的进气增湿构架，由于超声波换能片可以激发出干雾，液滴较小，从根源上避免大液滴进入电堆的风险，解决了大液滴加湿效果差的问题以及控制复杂的问题。分水件置于涡轮之后，用于收集湿空气中的液态水，收集后的液态水储存在储水罐中。超声波换能片置于储水罐内。雾化后的小液滴被引射器中的高速空气引流，进入干空气中，从而达到加湿空气的目的。超声波换能片根据进堆的空气流量和湿度需求，激发不同的功率，以达到不同需水量的目的。该系统只调节超声波换能片的功率即可实现湿度调整，控制简单，易于实现。并且，超声波换能片功率可控，根据不同空气流量和需求湿度提供不同的水量。配合引射器使用，能够避免引入额外的电控零部件，提高架构的可靠性。

实施例2

在实施例1的基础上进行改进，增湿控制器执行如下程序完成燃料电池启动时的入堆空气湿度调控功能：

S1.接收到燃料电池的启动指令后，获取燃料电池正常工作时的入堆空气流量与目标湿度；

S2.将所述入堆空气流量与目标湿度输入事先标定好的湿度控制模型(可采用实现训练好的深度学习网络，或其他参数标定后的数学模型)中，得出采用该进气增湿系统将入堆空气加湿至目标湿度且进气增湿系统能耗最低对应的超声波换能片功率；

S3.在膨胀机启动后，控制超声波换能片激发匹配的上述功率，以使储水罐输出与所述入堆空气流量和目标湿度匹配的需水量的喷雾至引射器，对入堆空气进行增湿。

优选地，增湿控制器还执行如下程序完成燃料电池启动后的入堆空气湿度调控功能：

S4.在燃料电池启动后，定时获取入堆空气湿度；

S5.识别入堆空气湿度是否达到目标湿度，如果是，控制超声波换能片功率不变，否则，根据入堆空气湿度与目标湿度的差值调整超声波换能片功率(差值为正时，降低超声波换能片功率，差值为负时，增大超声波换能片功率)，直到入堆空气湿度达到目标湿度，结束本周期的湿度调整。

优选地，储水罐的底部还集成了排水口，该排水口处设有排水阀，如图2所示。

优选地，超声波换能片的数量不止一个，所有超声波换能片均设于储水罐的底部，并呈阵列式分布。超声波换能片的结构可参见现有专利CN202122092707.8。

优选地，储水罐的液体进口处还集成了去离子设备，且储水罐内的水为去离子水。并且，去离子设备的滤芯设置为外部可置换状态。

优选地，该进气增湿系统还包括液位传感器、温湿一体传感器。

液位传感器，设于储水罐的内壁上，用于获取储水罐内实时液位高度，发送至增湿控制器。

温湿一体传感器，设于中冷器的输出端，用于获取实时的入堆空气温度与入堆空气湿度。

增湿控制器，还用于根据储水罐内实时液位高度，控制排水阀的启闭；以及，根据实时的入堆空气温度，控制中冷器的制冷端温度；以及，根据实时的入堆空气湿度，调整超声波换能片功率。

优选地，该进气增湿系统还包括防干烧保护模块。

防干烧保护模块，用于检测超声波换能片处于无水状态的信号，并将该信号发送给增湿控制器，以使增湿控制器控制超声波换能片停止工作。

优选地，防干烧保护模块进一步包括电阻，所述电阻的一端接入超声波换能片，用于检测超声波换能片的通过电流，并将该电流信号反馈给所述增湿控制器。并且，增湿控制器，还用于检测到电流信号大于设定的电流大小时，控制超声波换能片停止工作。

优选地，该进气增湿系统还包括尾排节气门、电控分流阀。

尾排节气门，其输入端接电堆的空气尾气出口，其输出端接电控分流阀的输入端。

电控分流阀，其输出端一接膨胀机的压轮腔输入端，其输出端二接储水罐的湿空气进口，其控制端接增湿控制器。

优选地，超声波换能片的数量为多个。并且，增湿控制器还执行如下程序以完成在燃料电池功率改变时入堆空气温湿度的精准调控功能：

S6.接收到燃料电池功率改变指令后，获取实时的入堆空气流量、入堆空气湿度、入堆空气温度；

S7.将实时的入堆空气流量、入堆空气湿度、入堆空气温度、变更前燃料电池功率、变更后燃料电池功率输入事先标定好的温湿度控制模型(优选人工神经网络)中，得到采用该进气增湿系统将入堆空气加湿至变更后燃料电池功率对应的目标湿度、且使入堆空气温度达到目标温度、且超声波换能片总能耗最低对应的各超声波换能片功率、中冷器制冷端温度；

S8.在膨胀机启动后，控制各超声波换能片激发匹配的上述功率，并控制中冷器工作于上述制冷端温度，完成入堆空气温湿度的粗调；

S9.再次获取入堆空气湿度，识别入堆空气湿度是否达到目标湿度，如果是，控制各超声波换能片功率不变，否则，继续识别入堆空气湿度大于目标湿度时降低各超声波换能片功率，继续识别入堆空气湿度小于目标湿度时增大各超声波换能片功率，直到入堆空气湿度达到目标湿度，结束入堆空气湿度的精调；

S10.再次获取入堆空气温度，识别入堆空气温度是否达到目标温度，如果是，控制中冷器制冷端温度不变，否则，根据入堆空气温度与目标温度的差值对中冷器制冷端温度进行调整，直到入堆空气温度达到目标温度，结束入堆空气温度的精调。

与现有技术相比，本实施例提供的进气增湿系统具有如下

有益效果：

1、分别提供了燃料电池启动、正常运行、功率改变过程中优化的湿度调控方案，能够精准地调控入堆空气的湿度，使其与燃料电池功率(输出功率)匹配，并且其产生的干雾对空气的增湿效果更好，避免了现有技术液滴进堆后造成流道堵塞的问题。

2、装置简单，采用了喷雾增湿+引射器的构架，相比现有技术具有体积小、重量轻的优势。

3、具有加湿速度快、功耗低的优点。

实施例3

本发明还公开了一种燃料电池系统，包括上述实施例1或2进气增湿系统，还包括电堆，以及相应的冷却液控制支路、燃料气控制支路。

对电堆以及相应的冷却液控制支路、燃料气控制支路无改进，因此不再详细介绍。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池的进气增湿系统，其特征在于，包括超声波换能片、引射器、中冷器、膨胀机、分水件、储水罐和增湿控制器；其中，

储水罐上集成了湿空气进口、湿空气出口和液体进口；该湿空气进口接电堆的空气尾气出口；该液体进口依次经分水件的出水口、膨胀机的涡轮腔接电堆的空气尾气出口；该湿空气出口接引射器的引流入口；

膨胀机的压轮腔输出端依次经引射器的射流入口、中冷器后接电堆的空气进口；超声波换能片位于储水罐内液面之下，并设置为功率可调；

增湿控制器，用于根据入堆空气流量和目标湿度，控制超声波换能片激发不同的功率，以使储水罐输出与所述入堆空气流量和目标湿度匹配的需水量的喷雾至引射器，对入堆空气进行增湿。

2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的进气增湿系统，其特征在于，增湿控制器执行如下程序完成燃料电池启动时的入堆空气湿度调控功能：

接收到燃料电池的启动指令后，获取燃料电池正常工作时的入堆空气流量与目标湿度；

将所述入堆空气流量与目标湿度输入事先标定好的湿度控制模型中，得出采用该进气增湿系统将入堆空气加湿至目标湿度且进气增湿系统能耗最低对应的超声波换能片功率；

在膨胀机启动后，控制超声波换能片激发匹配的上述功率，以使储水罐输出与所述入堆空气流量和目标湿度匹配的需水量的喷雾至引射器，对入堆空气进行增湿。

3.根据权利要求2所述的用于燃料电池的进气增湿系统，其特征在于，增湿控制器还执行如下程序完成燃料电池启动后的入堆空气湿度调控功能：

在燃料电池启动后，定时获取入堆空气湿度；

识别入堆空气湿度是否达到目标湿度，如果是，控制超声波换能片功率不变，否则，根据入堆空气湿度与目标湿度的差值调整超声波换能片功率，直到入堆空气湿度达到目标湿度，结束本周期的湿度调整。

4.根据权利要求1-3任一项所述的用于燃料电池的进气增湿系统，其特征在于，储水罐的底部还集成了排水口，该排水口处设有排水阀；并且，

超声波换能片的数量不止一个，所有超声波换能片均设于储水罐的底部，并呈阵列式分布。

5.根据权利要求4所述的用于燃料电池的进气增湿系统，其特征在于，储水罐的液体进口处还集成了去离子设备，且储水罐内的水为去离子水；并且，

去离子设备的滤芯设置为外部可置换状态。

6.根据权利要求5所述的用于燃料电池的进气增湿系统，其特征在于，还包括：

液位传感器，设于储水罐的内壁上，用于获取储水罐内实时液位高度，发送至增湿控制器；

温湿一体传感器，设于中冷器的输出端，用于获取实时的入堆空气温度与入堆空气湿度；

增湿控制器，还用于根据储水罐内实时液位高度，控制排水阀的启闭；以及，根据实时的入堆空气温度，控制中冷器的制冷端温度；以及，根据实时的入堆空气湿度，调整超声波换能片功率。

7.根据权利要求1、2、3、5、6任一项所述的用于燃料电池的进气增湿系统，其特征在于，还包括：

防干烧保护模块，用于检测超声波换能片处于无水状态的信号，并将该信号发送给增湿控制器，以使增湿控制器控制超声波换能片停止工作。

8.根据权利要求7所述的用于燃料电池的进气增湿系统，其特征在于，防干烧保护模块进一步包括电阻，所述电阻的一端接入超声波换能片，用于检测超声波换能片的通过电流，并将该电流信号反馈给所述增湿控制器；并且，

增湿控制器，还用于检测到电流信号大于设定的电流大小时，控制超声波换能片停止工作。

9.根据权利要求1、2、3、5、6、8任一项所述的用于燃料电池的进气增湿系统，其特征在于，还包括：

尾排节气门，其输入端接电堆的空气尾气出口，其输出端接电控分流阀的输入端；

电控分流阀，其输出端一接膨胀机的压轮腔输入端，其输出端二接储水罐的湿空气进口，其控制端接增湿控制器。

10.根据权利要求9所述的用于燃料电池的进气增湿系统，其特征在于，超声波换能片的数量为多个；并且，增湿控制器还执行如下程序以完成在燃料电池功率改变时入堆空气温湿度的精准调控功能：

接收到燃料电池功率改变指令后，获取实时的入堆空气流量、入堆空气湿度、入堆空气温度；

将实时的入堆空气流量、入堆空气湿度、入堆空气温度、变更前燃料电池功率、变更后燃料电池功率输入事先标定好的温湿度控制模型中，得到采用该进气增湿系统将入堆空气加湿至变更后燃料电池功率对应的目标湿度、且使入堆空气温度达到目标温度、且超声波换能片总能耗最低对应的各超声波换能片功率、中冷器制冷端温度；

在膨胀机启动后，控制各超声波换能片激发匹配的上述功率，并控制中冷器工作于上述制冷端温度，完成入堆空气温湿度的粗调；

再次获取入堆空气湿度，识别入堆空气湿度是否达到目标湿度，如果是，控制各超声波换能片功率不变，否则，继续识别入堆空气湿度大于目标湿度时降低各超声波换能片功率，继续识别入堆空气湿度小于目标湿度时增大各超声波换能片功率，直到入堆空气湿度达到目标湿度，结束入堆空气湿度的精调；

再次获取入堆空气温度，识别入堆空气温度是否达到目标温度，如果是，控制中冷器制冷端温度不变，否则，根据入堆空气温度与目标温度的差值对中冷器制冷端温度进行调整，直到入堆空气温度达到目标温度，结束入堆空气温度的精调。