CN116706141A - 一种燃料电池的空侧超声雾化增湿系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池的空侧超声雾化增湿系统，属于燃料电池技术领域，解决了现有超声雾化增湿系统需要引入额外气源增湿导致增湿成本过高的问题。该系统包括电堆、空压机、三通阀、中冷器、增湿腔、过滤器、水泵、储水罐、单向阀。三通阀的输入端接空压机，其输出端一经中冷器接电堆的空气入口。其输出端二依次经单向阀、增湿腔后接电堆的空气入口。增湿腔内始终处于设定水位，其低液位区布设有若干个超声波雾化片，用于制备μm级别干雾。增湿腔底部布设排水口，一侧设有空气进口，另一侧设有液体进口，顶部设有增湿后空气出口。该排水口依次经第一排水阀、储水罐、水泵、过滤器后接增湿腔的液体进口，以使液态水沿增湿腔内壁流入低液位区。

Description

一种燃料电池的空侧超声雾化增湿系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池的空侧超声雾化增湿系统。
背景技术
氢燃料电池作为替代传统化石能源的清洁能源之一，因其零排放、无污染、适用场景广、来源广泛受到全球各国的青睐。氢燃料电池中膜的含水量会直接影响质子在膜内的传导，进而影响燃料电池的性能和寿命，因此需要对电堆进行适当增湿。
目前，燃料电池常用的空气增湿方案包括膜管增湿、鼓泡增湿、焓轮增湿、喷雾增湿。其中，喷雾增湿因其结构简单、精确可控，适用于全功率段燃料电池系统。但是，现有雾化喷头流量小，雾化粒径较大，加湿效果较差，成为制约喷雾增湿发展的重要因素。
申请号为201811556493.1的中国专利公开的超声波雾化喷头可以满足小粒径的要求。但是现有的超声波雾化喷头需要引入额外的气源，气体压力为3～6bar，气压较大，燃料电池系统的空压机无法满足需求，增湿成本过高。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种燃料电池的空侧超声雾化增湿系统，用以解决现有超声雾化增湿系统需要引入额外气源增湿导致增湿成本过高的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池的空侧超声雾化增湿系统，包括电堆、空压机、三通阀、中冷器、增湿腔、过滤器、水泵、储水罐、单向阀；其中，
三通阀的输入端接空压机，其输出端一经中冷器接电堆的空气入口；其输出端二依次经单向阀、增湿腔后接电堆的空气入口；
增湿腔配备有第一液位传感器和第一排水阀，以保证其腔内始终处于设定水位；增湿腔内的低液位区还布设有若干个被液态水淹没的超声波雾化片，用于制备μm级别干雾；增湿腔的底部布设排水口，一侧设有空气进口，另一侧设有液体进口，顶部设有增湿后空气出口；所述排水口依次经第一排水阀、储水罐、水泵、过滤器后接增湿腔的液体进口，以使液态水沿增湿腔内壁流入预先设置的低液位区；所述空气进口经单向阀接三通阀的输出端二；所述增湿后空气出口接电堆的空气入口。
上述技术方案的有益效果如下：超声波雾化片只需要提供电能即可工作，雾化量与功率强相关，加湿功率能够满足绝大多数使用需求。相比现有技术的超声波雾化喷头，上述方案不需要引入额外的气源，成本更低；取消了雾化喷头，雾化喷头容易被堵塞；且保证了雾化粒径较小，避免大液滴被气流带入电堆造成电堆性能下降，增湿效果更好；对水泵的要求极低，易于选型和维护。增湿气体回路(增湿腔所在支路)的压力大于主路(中冷器所在支路)，因此不需要额外增加引射器，增湿后的气体即可回归主路。
基于上述系统的进一步改进，储水罐配备有电热水套；该电热水套设在储水罐的外部，用于为储水罐提供保温功能；并且，
在冬季运行状态下，所述电热水套自启动。
进一步，储水罐配备有第二液位传感器和第二排水阀；并且，
第二液位传感器设于储水箱内，用于获取储水箱内液位高度；
第二排水阀，用于在每次燃料电池关机时，该排水阀自启动，直到通过第二液位传感器数据监测到储水罐内液态水已排空，该排水阀关闭，以防止储水罐内结冰。
进一步，增湿腔配备的第一排水阀，还用于每次燃料电池关机时，该排水阀自启动，以将增湿腔内液态水排空。
进一步，该空侧超声雾化增湿系统还集成了尾排节气门；
其中，
尾排节气门接电堆的空气尾气出口。
进一步，该空侧超声雾化增湿系统还包括：
增湿控制器，用于接收到燃料电池发出的启动指令后，启动水泵；以及，监测到液位传感器数据达到设定水位后，向燃料电池控制器发出启动燃料电池氢侧支路的指令，并启动超声波雾化片、空压机、单向阀、第一排水阀，使得增湿腔内始终处于设定水位；以及，接收到燃料电池发出的关闭指令后，先关闭超声波雾化片、空压机，启动第二排水阀以排水，直到增湿腔、储水罐内液态水均排尽后，关闭水泵，关闭增湿腔配备的第一排水阀、储水罐配备的第二排水阀。
进一步，该空侧超声雾化增湿系统还包括：
空气过滤器，设于空压机的空气入口前端；
流量计，设于空气过滤器、空压机之间，用于获取进入空压机的气体流量。
进一步，储水罐的一侧设有第一注水口，该注水口经第一排水阀接增湿腔底部的排水口，其另一侧设有第二注水口，用于接外部水源，其底部设有排水口以接第二排水阀，其罐内设有一端部处于储水罐底部的液体管道；该液体管道的另一端部伸出储水罐后经水泵、过滤器接增湿腔的液体进口。
进一步，超声波雾化片的启动数量可调：并且，
增湿控制器，还用于根据燃料电池的输出功率，调整超声波雾化片的启动数量或等量地改变每一超声波雾化片的功率。
进一步，冬季使用时，增湿控制器执行如下程序以完成入堆空气湿度调控功能：
对储水罐进行外部注水；
接收到燃料电池发出的启动指令后，启动储水罐的保温功能；
监测到储水罐内水温达到设定温度后，启动水泵；
监测到增湿腔内液位传感器数据达到设定水位后，向燃料电池控制器发出启动燃料电池氢侧支路的指令，并启动超声波雾化片、空压机、单向阀、第一排水阀，使得增湿腔内始终处于设定水位，直到燃料电池启动成功；
在燃料电池正常运行过程中，根据接受到的燃料电池需求输出功率调整空压机功率、超声波雾化片的启动数量，使得调整过程中入堆空气湿度始终处于预设湿度范围内；
接收到燃料电池发出的关闭指令后，先关闭超声波雾化片、空压机，启动第二排水阀以排水，直到增湿腔、储水罐内液态水均排尽后，关闭水泵，关闭增湿腔配备的第一排水阀、储水罐配备的第二排水阀。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、增湿腔连接空气旁通路，与主路并联，避免液态水进入电堆。增湿气体回路的压力大于主路，因此不需要额外增加引射器，增湿后的气体即可回归主路。
2、取消了雾化喷头，避免堵塞风险，且超声雾化粒径小，加湿效果好。
3、对水泵的要求极低，易于选型和维护。
4、集成度高，易于量产和维护。
5、增湿气体回路与主路的连接点位于中冷器之后，降低了增湿对入堆空气温度的影响。
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燃料电池的空侧超声雾化增湿系统组成示意图；
图2示出了实施例2燃料电池的空侧超声雾化增湿系统组成示意图。
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。
下面首先介绍本发明涉及的缩略语及其定义。
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，通过流道和换热排至电堆外部，产生的电能通过DC-DC传递至整车电机。
燃料电池固定发电：燃料电池系统用于固定式并网发电，在某一地点长时间内保持静止的状态。
超声雾化：利用超声波雾化喷头或者超声波雾化片，把电能转化为高频率的震荡能量，使液态水变为超细粒径的水雾。
实施例1
本发明的一个实施例，公开了一种燃料电池的空侧超声雾化增湿系统，适用于燃料电池固定发电系统，如图1所示，包括电堆、空压机、三通阀、中冷器、增湿腔、过滤器、水泵、储水罐、单向阀。
其中，三通阀的输入端接空压机，其输出端一经中冷器接电堆的空气入口。其输出端二依次经单向阀、增湿腔后接电堆的空气入口(使得增湿腔具有方向性)。空压机后接三通阀，三通阀旁通路通过气路的单向阀接增湿腔，一部分空气经过三通阀旁通路进入增湿腔经过加湿，再通过增湿气体回路回到空气主路中。增湿气体回路与空气主路的连接点位于中冷器之后。
增湿腔配备有第一液位传感器和第一排水阀，以保证其腔内始终处于设定水位。增湿腔内的低液位区还布设有若干个被液态水淹没的超声波雾化片，用于制备μm级别干雾(1～10μm)。因为其增湿腔具有方向性，超声波雾化片需要被液态水淹没。
增湿腔的底部布设排水口，一侧设有空气进口，另一侧设有液体进口，顶部设有增湿后空气出口。所述排水口依次经第一排水阀、储水罐、水泵、过滤器后接增湿腔的液体进口，以使液态水沿增湿腔内壁流入预先设置的低液位区。所述空气进口经单向阀接三通阀的输出端二。所述增湿后空气出口接电堆的空气入口。
储水罐内的液态水主要来自外部加水。
实施时，空侧超声雾化增湿系统中没有雾化喷头，避免了喷头堵塞的风险。超声波雾化片形成的水蒸气的粒径极小，为1～10μm干雾级别，加湿效果好。对水泵的要求极低，无需太高压力，只需把水泵入增湿腔即可。
液态水经过水泵的适当加压，通过过滤器过滤杂质和其他离子后，进入增湿腔，液态水沿腔内壁流入预先设置的低液位区；低液位区内布置有超声波雾化片，为干空气提供适当的水量；增湿腔内布置有第一液位传感器和第一排水阀，两者配合始终让增湿腔内的液位处于需求水位。关机时，打开第一排水阀，把增湿腔内液态水排空。
与现有技术相比，本实施例提供的燃料电池的空侧超声雾化增湿系统，超声波雾化片只需要提供电能即可工作，雾化量与功率强相关，加湿功率能够满足绝大多数使用需求。相比现有技术的超声波雾化喷头，上述方案不需要引入额外的气源，成本更低；取消了雾化喷头，雾化喷头容易被堵塞；且保证了雾化粒径较小，避免大液滴被气流带入电堆造成电堆性能下降，增湿效果更好；对水泵的要求极低，易于选型和维护。增湿气体回路(增湿腔所在支路)的压力大于主路(中冷器所在支路)，因此不需要额外增加引射器，增湿后的气体即可回归主路。
实施例2
在实施例1的基础上进行改进，储水罐配备有电热水套和第二液位传感器、第二排水阀。
该电热水套设在储水罐的外部，用于为储水罐提供保温功能。在电热水套中注入适量的防冻液，在冬季运行状态下，所述电热水套自启动，用于为储水罐保温。
第二液位传感器设于储水箱内，用于获取储水箱内液位高度。
第二排水阀，如图2所示，用于在每次燃料电池关机时，该排水阀自启动，直到通过第二液位传感器数据监测到储水罐内液态水已排空，该排水阀关闭，以防止储水罐内结冰。
优选地，增湿腔配备的第一排水阀，还用于每次燃料电池关机时，该排水阀自启动，以将增湿腔内液态水排空。
优选地，该空侧超声雾化增湿系统还集成了尾排节气门。其中，尾排节气门接电堆的空气尾气出口。
优选地，储水罐、过滤器、增湿腔、单向阀、第一排水阀、第二排水阀集成于一体，只保留水路和气路外接接口即可，适用于各类燃料电池固定式发电系统。
优选地，该空侧超声雾化增湿系统还包括增湿控制器。
增湿控制器，用于接收到燃料电池发出的启动指令后，启动水泵；以及，监测到液位传感器数据达到设定水位后，向燃料电池控制器发出启动燃料电池氢侧支路的指令，并启动超声波雾化片、空压机、单向阀、第一排水阀，使得增湿腔内始终处于设定水位；以及，接收到燃料电池发出的关闭指令后，先关闭超声波雾化片、空压机，启动第二排水阀以排水，直到增湿腔、储水罐内液态水均排尽后，关闭水泵，关闭增湿腔配备的第一排水阀、储水罐配备的第二排水阀。
增湿控制器的输入端接第一液位传感器、第二液位传感器的输出端，其输出端接电热水套、中冷器、超声波雾化片、空压机、单向阀、第一排水阀、第二排水阀的控制端。
优选地，该空侧超声雾化增湿系统还包括依次连接的空气过滤器、流量计。
空气过滤器，设于空压机的空气入口前端，用于过滤空气中杂质、细菌。
流量计，设于空气过滤器、空压机之间，用于获取进入空压机的气体流量。
优选地，储水罐的一侧设有第一注水口，该注水口经第一排水阀接增湿腔底部的排水口，其另一侧设有第二注水口，用于接外部水源，其底部设有排水口以接第二排水阀，其罐内设有一端部处于储水罐底部的液体管道；该液体管道的另一端部伸出储水罐后经水泵、过滤器接增湿腔的液体进口。
优选地，超声波雾化片的启动数量可调。并且，增湿控制器，还用于根据燃料电池的输出功率，调整超声波雾化片的启动数量或等量地改变每一超声波雾化片的功率。
优选地，冬季使用时，增湿控制器执行如下程序以完成入堆空气湿度调控功能：
S1.对储水罐进行外部注水；
S2.接收到燃料电池发出的启动指令后，启动储水罐的保温功能；
S3.监测到储水罐内水温达到设定温度后，启动水泵；
S4.监测到增湿腔内液位传感器数据达到设定水位后，向燃料电池控制器发出启动燃料电池氢侧支路的指令，并启动超声波雾化片、空压机、单向阀、第一排水阀，使得增湿腔内始终处于设定水位，直到燃料电池启动成功；
S5.在燃料电池正常运行过程中，根据接受到的燃料电池需求输出功率调整空压机功率、超声波雾化片的启动数量，使得调整过程中入堆空气湿度始终处于预设湿度范围内；
S6.接收到燃料电池发出的关闭指令后，先关闭超声波雾化片、空压机，启动第二排水阀以排水，直到增湿腔、储水罐内液态水均排尽后，关闭水泵，关闭增湿腔配备的第一排水阀、储水罐配备的第二排水阀。
与现有技术相比，本实施例提供的燃料电池的空侧超声雾化增湿系统具有如下有益效果：
1、增湿腔连接空气旁通路，与主路并联，避免液态水进入电堆。增湿气体回路的压力大于主路，因此不需要额外增加引射器，增湿后的气体即可回归主路。
2、取消了雾化喷头，避免堵塞风险，且超声雾化粒径小，加湿效果好。
3、对水泵的要求极低，易于选型和维护。
4、集成度高，易于量产和维护。
5、增湿气体回路与主路的连接点位于中冷器之后，降低了增湿对入堆空气温度的影响。
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)

1.一种燃料电池的空侧超声雾化增湿系统，其特征在于，包括电堆、空压机、三通阀、中冷器、增湿腔、过滤器、水泵、储水罐、单向阀；
三通阀的输入端接空压机，其输出端一经中冷器接电堆的空气入口；其输出端二依次经单向阀、增湿腔后接电堆的空气入口；
增湿腔配备有第一液位传感器和第一排水阀，以保证其腔内始终处于设定水位；增湿腔内的低液位区还布设有若干个被液态水淹没的超声波雾化片，用于制备μm级别干雾；增湿腔的底部布设排水口，一侧设有空气进口，另一侧设有液体进口，顶部设有增湿后空气出口；所述排水口依次经第一排水阀、储水罐、水泵、过滤器后接增湿腔的液体进口，以使液态水沿增湿腔内壁流入预先设置的低液位区；所述空气进口经单向阀接三通阀的输出端二；所述增湿后空气出口接电堆的空气入口。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的空侧超声雾化增湿系统，其特征在于，储水罐配备有电热水套；该电热水套设在储水罐的外部，用于为储水罐提供保温功能；并且，
在冬季运行状态下，所述电热水套自启动。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池的空侧超声雾化增湿系统，其特征在于，储水罐配备有第二液位传感器和第二排水阀；并且，
第二液位传感器设于储水箱内，用于获取储水箱内液位高度；
第二排水阀，用于在每次燃料电池关机时，该排水阀自启动，直到通过第二液位传感器数据监测到储水罐内液态水已排空，该排水阀关闭，以防止储水罐内结冰。
4.根据权利要求3所述的燃料电池的空侧超声雾化增湿系统，其特征在于，增湿腔配备的第一排水阀，还用于每次燃料电池关机时，该排水阀自启动，以将增湿腔内液态水排空。
5.根据权利要求4所述的燃料电池的空侧超声雾化增湿系统，其特征在于，还集成了尾排节气门；其中，
尾排节气门接电堆的空气尾气出口。
6.根据权利要求4或5所述的燃料电池的空侧超声雾化增湿系统，其特征在于，还包括：
增湿控制器，用于接收到燃料电池发出的启动指令后，启动水泵；以及，监测到液位传感器数据达到设定水位后，向燃料电池控制器发出启动燃料电池氢侧支路的指令，并启动超声波雾化片、空压机、单向阀、第一排水阀，使得增湿腔内始终处于设定水位；以及，接收到燃料电池发出的关闭指令后，先关闭超声波雾化片、空压机，启动第二排水阀以排水，直到增湿腔、储水罐内液态水均排尽后，关闭水泵，关闭增湿腔配备的第一排水阀、储水罐配备的第二排水阀。
7.根据权利要求6所述的燃料电池的空侧超声雾化增湿系统，其特征在于，还包括：
空气过滤器，设于空压机的空气入口前端；
流量计，设于空气过滤器、空压机之间，用于获取进入空压机的气体流量。
8.根据权利要求7所述的燃料电池的空侧超声雾化增湿系统，其特征在于，储水罐的一侧设有第一注水口，该注水口经第一排水阀接增湿腔底部的排水口，其另一侧设有第二注水口，用于接外部水源，其底部设有排水口以接第二排水阀，其罐内设有一端部处于储水罐底部的液体管道；该液体管道的另一端部伸出储水罐后经水泵、过滤器接增湿腔的液体进口。
9.根据权利要求8所述的燃料电池的空侧超声雾化增湿系统，其特征在于，超声波雾化片的启动数量可调：并且，
增湿控制器，还用于根据燃料电池的输出功率，调整超声波雾化片的启动数量或等量地改变每一超声波雾化片的功率。
10.根据权利要求7-9任一项所述的燃料电池的空侧超声雾化增湿系统，其特征在于,冬季使用时，增湿控制器执行如下程序以完成入堆空气湿度调控功能：
对储水罐进行外部注水；
接收到燃料电池发出的启动指令后，启动储水罐的保温功能；
监测到储水罐内水温达到设定温度后，启动水泵；
监测到增湿腔内液位传感器数据达到设定水位后，向燃料电池控制器发出启动燃料电池氢侧支路的指令，并启动超声波雾化片、空压机、单向阀、第一排水阀，使得增湿腔内始终处于设定水位，直到燃料电池启动成功；
在燃料电池正常运行过程中，根据接受到的燃料电池需求输出功率调整空压机功率、超声波雾化片的启动数量，使得调整过程中入堆空气湿度始终处于预设湿度范围内；
接收到燃料电池发出的关闭指令后，先关闭超声波雾化片、空压机，并启动第二排水阀以排水，直到增湿腔、储水罐内液态水均排尽后，关闭水泵，并关闭增湿腔配备的第一排水阀、储水罐配备的第二排水阀。
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