CN116845279A - 多物理场耦合的喷雾増湿装置及燃料电池发动机系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多物理场耦合的喷雾増湿装置及燃料电池发动机系统，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术增湿效果不可控且电堆容易水淹的问题。该装置的增湿腔集成了喷淋雾化头、蜂窝陶瓷填料、辅助加热装置。其中，喷淋雾化头集成了从上至下设置且依次连通的进水管、扩容腔、分配腔和整流腔。扩容腔的出口处两侧分别设有朝向分配腔凸出设置的导流板。分配腔的入口处中心设有带有设定弧度的反射板，内部设有螺旋板，使得扩容腔流出的气体被反射后重新螺旋式分配至整流腔。整流腔内填充有蜂窝状异型流路陶瓷的填料。辅助加热装置的加热电极设于增湿腔内或气体出入端，用于提升入堆气体的湿度，并保证增湿腔内温度不出现梯度式下降。

Description

多物理场耦合的喷雾増湿装置及燃料电池发动机系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种多物理场耦合的喷雾増湿装置及燃料电池发动机系统。

背景技术

氢燃料电池发动机中，电堆是发动机系统内部参与化学反应的核心部件，其在工作中需要外部辅助部件提供适宜的气体干湿程度控制。进入电堆的气体过干，会导致质子交换膜失水，质子传导阻力增加，质子膜电阻增加，电堆欧姆损失增加，发电性能下降，严重情况下会引起膜穿孔和劣化。进入电堆气体过湿，容易引起膜内水含量过高，在堆内形成水淹，影响电催化反应活性面积，从而在发动机端形成单低故障关机。

现有增湿方案主要分为两种。第一种基于中空膜纤维管的使用进行燃料电池外部辅助増湿，例如增湿器。第二种是基于焓轮増湿，将具有一定数量的多孔吸水材料安装于转轮轴侧，电机驱动转轮从一侧吸水，从另一侧放出増湿气体，实现低压系统増湿，例如喷淋雾化装置。

现有基于中空膜纤维管的方案一般采用大功率増湿部件，体积庞大，增湿器内部使用了大量的膜纤维管，存在材料加工难度大、膜管一致性难以管控等诸多问题。増湿器件的外部流体结构接口及电气传感器接口较多，连接管路复杂，系统较为复杂程度影响了发动机的空间位置布局，降低用户友好性指标，且最终増湿效果不可控。

现有喷淋雾化装置，由于空气压缩机的压力和流量变化频率较高，温度压力变化区间宽大，在使用过程中雾化效果得不到稳定发挥，影响増湿效果。且雾化后气体中的液滴在遇到空压机的管路和高速旋转叶轮后存在结露风险，液滴与高速转动叶轮的接触也容易造成转子叶轮被液滴腐蚀，叶轮耐久性会受到严重影响。雾化后的气体流路较长，经过中冷器后可能按照预期效果实现増湿，且存在先雾化后液化问题，无法满足増湿需求。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种多物理场耦合的喷雾増湿装置及燃料电池发动机系统，用以解决现有技术增湿效果不可控且电堆容易水淹的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种多物理场耦合的喷雾増湿装置，包括增湿腔，增湿腔内集成了喷淋雾化头、蜂窝陶瓷填料、辅助加热装置；其中，

增湿腔的顶部设有1个以上喷淋雾化头，其喷淋雾化头下方腔体内部填充有蜂窝陶瓷填料，其一侧设有通入待增湿气体的进气口，另一侧设有连接电堆的出气口，为电堆提供增湿后气体；

喷淋雾化头进一步包括从上至下设置且依次连通的进水管、扩容腔、分配腔和整流腔；扩容腔的出口处两侧分别设有朝向分配腔凸出设置的导流板；分配腔的入口处中心设有带有设定弧度的反射板，内部设有螺旋板，使得扩容腔流出的气体被反射后重新螺旋式分配至整流腔；整流腔内填充有蜂窝状异型流路陶瓷的填料；

辅助加热装置的加热电极设于增湿腔内或气体出入端，用于提升入堆气体的湿度，并保证增湿腔内温度不出现梯度式下降。

上述技术方案的有益效果如下：对喷雾増湿装置的结构进行了改进设计，在增湿雾化喷头内增加了喷淋雾化增湿的陶瓷填料设计(蜂窝状异型流路陶瓷)，优化喷淋后饱和水蒸气的流通路径，饱和水蒸气在流通过程中受到外部辅助加热的温升作用，增湿后的饱和蒸汽按照预定状态进入电堆内部，参与化学反应，保证燃料电池正常工作。通过建立多种物理流场(温度梯度场、气体湿度梯度场、螺旋产生压力及流速梯度场、气体整流场)耦合叠加湿空气传递路径，提升喷淋雾化效果差，减少雾化后出现冷凝以及电堆出现水淹问题。

基于上述装置的进一步改进，该喷雾増湿装置集成于入堆歧管或电堆空气入口处前端板中；并且，蜂窝状异型流路陶瓷的填料内部连通、壁厚均匀，且填料峰谷排布均匀。

进一步，该多物理场耦合的喷雾増湿装置还包括空侧分水器、水泵；其中，

空侧分水器作为燃料电池系统的尾排分水器，其输入端接电堆的空侧尾气出口，其液体出口经水泵接喷淋雾化头的供水端。

进一步，该多物理场耦合的喷雾増湿装置还包括气体过滤装置、外部换热装置；其中，

气体过滤装置设于增湿腔的气体进口处，用于过滤空气中的灰尘、杂质以及细菌；

外部换热装置套设于增湿腔外壁以及喷雾増湿装置、电堆之间的入堆歧管上，外部换热装置内的循环水来自电堆冷却液出口，换热后的循环水进入电堆内部，用于降低发动机系统的散热功耗。

进一步，该多物理场耦合的喷雾増湿装置还包括设于增湿腔的气体进口处的空气流量计、压力温度传感器；其中，

空气流量计，用于获取进入增湿腔内的空气流量，并作为入堆空气流量；

压力温度传感器，用于获取进入增湿腔内的空气压力和空气温度。

进一步，该多物理场耦合的喷雾増湿装置还包括增湿控制器；其中，

增湿控制器，用于在接收到燃料电池控制器发出的启动信号后，启动辅助加热装置、水泵、喷淋雾化头；以及，根据空气流量计数据调整水泵转速，根据空气流量计数据、压力温度传感器数据调整辅助加热装置的功率，使得喷雾増湿装置输出设定湿度、设定温度的增湿空气。

另一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池发动机系统，包括电堆、燃料电池控制器、空气进排子系统、氢气循环子系统、冷却液循环子系统、电气控制子系统；其中，

空气进排子系统进一步包括多物理场耦合的喷雾増湿装置，以及空压机、入堆节气阀、出堆节气阀、空侧分水器、水泵、单向阀；电堆的空气入口依次经喷雾増湿装置、入堆节气阀接空压机的输出端，其空气尾气出口依次经出堆节气阀、空侧分水器、水泵、单向阀接喷雾増湿装置内喷淋雾化头的供水端。

进一步，所述出堆节气阀进一步包括依次设置的手动控制阀、电动控制阀；其中，手动控制阀处于常开状态，用于特殊情况下启动；电动控制阀用于对入堆空气的流量进行控制。

进一步，冷却液循环子系统进一步包括第一储水箱、第二储水箱、板式换热器、第一过滤器、第二过滤器、水路比例阀、水路电磁阀、散热组件、第一散热水泵、第二散热水泵；其中，

电堆的冷却液出口依次经第一储水箱、第一散热水泵、板式换热器的支路一、第一过滤器接电堆的冷却液入口；

板式换热器的支路二出口依次经第二储水箱、第二散热水泵、散热组件、水路电磁阀、水路比例阀、第二过滤器后一路接板式换热器的支路二入口，另一路接套设于增湿腔外壁上的外部换热装置的循环水入口。

进一步，所述第一过滤器、第二过滤器均包括离子监测装置和去离子设备，以保证离子的析出和吸附达到动态平衡状态；并且，

燃料电池控制器执行如下程序：

接收到发动机的关机指令后，先执行带载吹扫，识别燃料电池阻抗达到第一预设阻抗阈值后，再执行空载吹扫，识别燃料电池阻抗达到第二预设阻抗阈值后，结束空载吹扫；

在燃料电池处于停机状态时，定时执行燃料电池的主动放电或被动放电，以确保在发动机启停阶段，单节电池电压均在可控阈值范围内；

在燃料电池处于常温运行状态时，控制燃料电池输出设定暖机电流运行一段时间，再进入快速升载和降载过程，以随整车公路需求进行变载；

在燃料电池处于低温启动运行时，识别外部环境温度达到发动机的预定低温启动阀值时，控制燃料电池按照预先设计的启动策略进行低温自启动和外部辅助条件下的低温启动。

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喷淋雾化头内部结构示意图；

图2示出了实施例2蜂窝状异型流路陶瓷的结构示意图；

图3示出了实施例2喷雾増湿装置原理示意图；

图4示出了实施例3燃料电池发动机组成示意图。

附图标记

1-进水管；2-扩容腔；3-分配腔；4-整流腔；5-导流板；6-反射板；7-蜂窝状异型流路陶瓷的填料；8-喷淋雾化头；9-辅助加热装置；10-螺旋板；T-温度传感器；P-压力传感器；11-蜂窝陶瓷填料。

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。

实施例1

本发明的一个实施例，公开了一种多物理场耦合的喷雾増湿装置(也称喷雾増湿装置总成)，该喷雾増湿装置包括增湿腔，且增湿腔内集成了喷淋雾化头8、蜂窝陶瓷填料11、辅助加热装置。

增湿腔的顶部设有1个以上喷淋雾化头8，其喷淋雾化头8下方腔体内部填充有蜂窝陶瓷填料11，其一侧设有通入待增湿气体的进气口，另一侧设有连接电堆的出气口，为电堆提供增湿后气体。

喷淋雾化头8进一步包括从上至下设置且依次连通的进水管1、扩容腔2、分配腔3和整流腔4。扩容腔2的出口处两侧分别设有朝向分配腔凸出设置的导流板5。分配腔3的入口处中心设有带有设定弧度的反射板6，内部设有螺旋板10，使得扩容腔2流出的气体被反射后重新螺旋式分配至整流腔4；整流腔4内填充有蜂窝状异型流路陶瓷的填料7(小填料)。

需说明的是，蜂窝状异型流路陶瓷的填料7与蜂窝陶瓷填料11非同一处填料，蜂窝状异型流路陶瓷的填料7为喷淋雾化头8内的小填料，蜂窝陶瓷填料11为增湿腔内的大填料。

蜂窝状异型流路陶瓷的填料7、蜂窝陶瓷填料11的形状参见图2，蜂窝状异型流路陶瓷的填料7可通过https://detail.1688.com/offer/677144926965.html？pvid＝a3acab72-3676-4689-9a30-876e6ed9bb57&scm＝1007.40510.272215.0&sk＝processing网站获得。

辅助加热装置9的加热电极设于增湿腔内或气体出入端，用于提升入堆气体的湿度，并保证增湿腔内温度不出现梯度式下降。

可选地，辅助加热装置9可以套设于增湿腔内壁上，也可以伸入增湿腔内对混合气液进行加热，也可以设置于增湿器的气体出入处，本领域技术人员能够理解。

实施时，为燃料电池发动机提供阴极所需反应的压缩空气，该气体预备一定的湿度、压力，流量满足气体消耗过量比。具体的，气体流经喷雾増湿装置，喷雾増湿装置内部设计有喷淋雾化头8(其放大视图如图1所示)、蜂窝陶瓷填料11、辅助加热装置9，最终经过分配管路进入电堆。如图1所示，气液混合气首先经过进水管1，进入到扩容腔2中，此过程气体进行膨胀扩容，经过膨胀扩容后，水汽含量较高的气体经过带有倾角的导流板5，喷射至带有弧面的反射板6，经过反射板6后气体重新整流，流经螺旋板10，经过螺旋后的气液进行了二次混合加湿，最后流经蜂窝整流腔体4，最终喷射至雾化腔内部的蜂窝陶瓷填料11，形成水汽。以上流路能够在初始膨胀过程、折流混合过程、螺旋混合过程、蜂窝整流过程中，分别对留存的液体进行加速，提升气液混合效果，实现喷淋雾化増湿。

与现有技术相比，本实施例对喷雾増湿装置的结构进行了改进设计，在增湿腔内增加了喷淋雾化增湿的陶瓷填料设计(蜂窝状异型流路陶瓷)，优化喷淋后饱和水蒸气的流通路径，饱和水蒸气在流通过程中受到外部辅助加热的温升作用，增湿后的饱和蒸汽按照预定状态进入电堆内部，参与化学反应，保证燃料电池正常工作。通过建立多种物理流场(温度梯度场、气体湿度梯度场、螺旋产生压力及流速梯度场、气体整流场)耦合叠加湿空气传递路径，提升喷淋雾化效果差，减少雾化后出现冷凝以及电堆出现水淹问题。

实施例2

在实施例1的基础上进行改进，蜂窝状异型流路陶瓷的填料7以及蜂窝陶瓷填料11均内部连通、壁厚均匀，且填料峰谷排布均匀。陶瓷填料的实物图如图2-3所示，填料内部连通，壁厚均匀，含水量高，无污染，能够满足喷淋増湿雾化需求，在向产品设计转化过程中，考虑成型的难易程度，采用3D打印技术实现，异形件的加工和制作，为了保证强度，填料峰谷连接，结构稳定，排布均匀。

优选地，该喷雾増湿装置集成于入堆歧管或电堆空气入口处前端板中。该喷雾増湿装置集成于燃料电池电堆前端板中，作为进气端板的增湿腔。通过外置増湿器件，会给燃料电池发动机阴极増湿造成系统复杂的问题，置于入堆歧管或或前端板通过内置的方式减少了零部件的数量，降低了发动机购置成本。

优选地，该喷雾増湿装置还包括空侧分水器、水泵。其中，空侧分水器作为燃料电池系统的尾排分水器，其输入端接电堆的空侧尾气出口，其液体出口经水泵接喷淋雾化头8的供水端。

优选地，该喷雾増湿装置还包括气体过滤装置、外部换热装置。其中，气体过滤装置设于增湿腔的气体进口处，用于过滤空气中的灰尘、杂质以及细菌。外部换热装置套设于增湿腔外壁以及喷雾増湿装置、电堆之间的入堆歧管上，外部换热装置内的循环水来自电堆冷却液出口，换热后的循环水进入电堆内部，用于降低发动机系统的散热功耗。

优选地，外部换热装置为循环加热水套。为了进一步保证雾化后的气体露点温度，在雾化腔体外部设计有循环加热水套，该水套的设计目的是为保证雾化腔内部温度不出现梯度下降，改善雾化气体露点温度，间接提升增湿气体湿度。

优选地，该喷雾増湿装置还包括设于增湿腔的气体进口处的空气流量计、压力温度传感器。其中，空气流量计，用于获取进入增湿腔内的空气流量，并作为入堆空气流量。压力温度传感器，用于获取进入增湿腔内的空气压力和空气温度。

优选地，该喷雾増湿装置还包括增湿控制器。增湿控制器的输入端接空气流量计、压力温度传感器的输出端，其输出端接辅助加热装置9、水泵、喷淋雾化头8的控制端。

增湿控制器，用于在接收到燃料电池控制器发出的启动信号后，启动辅助加热装置9、水泵、喷淋雾化头8；以及，根据空气流量计数据调整水泵转速，根据空气流量计数据、压力温度传感器数据调整辅助加热装置9的功率，使得喷雾増湿装置输出设定湿度、设定温度的增湿空气。

增湿控制器执行如下程序：

SS1.用于在接收到燃料电池控制器发出的启动信号后，启动辅助加热装置9、水泵、喷淋雾化头8(喷淋雾化头总成)；

SS2.根据空气流量计数据调整水泵转速，对入堆空气进行增湿；

SS3.根据空气流量计数据、压力温度传感器数据调整辅助加热装置9的功率，使得喷雾増湿装置输出设定湿度、设定温度的增湿空气。

实施时，进堆歧管内部设计有喷淋雾化头8、蜂窝陶瓷填料11、气体过滤装置、辅助加热装置9、外部换热装置，最终经过分配管路进入电堆。经过反应后的空气经过分水器，分离的水用于二次喷淋，其余气体排放至外部。在喷淋循环系统中，设计有尾排分水器对电堆产生的水进行分离，收集循环至喷淋雾化腔，进行气液混合体喷淋至蜂窝状异型流路陶瓷内部，在填料陶瓷内部，气体从内腔循环流动，充分进行了气水混合和热交换，未形成水蒸气的液体被辅助加热装置9加热，继续蒸发提升，进入电堆。外部换热装置的循环水来自电堆出口，换热后的循环水继续进入电堆内部，降低主散热系统能耗，系统效率得到再次提升。

与现有技术相比，本实施例提供的多物理场耦合的喷雾増湿装置具有如下有益效果：

1、基于燃料电池发动机系统原理设计，将喷雾増湿装置集成于入堆歧管或电堆空气入口处前端板中。现有技术通过外置増湿器件会给燃料电池发动机阴极増湿造成系统复杂的问题，通过内置的方式减少了零部件的数量，降低了发动机购置成本。该优化的结构布局设计最大限度降低零部件的布置空间，提升歧管的利用率，减少密封面，泄露风险降低，解决气液密封问题。在满足分配及流动需求的前提下，提升了空间利用率，进一步改善了发动机的用户友好性。缩短雾化气体流动路径，减少能量损失，降低水汽粒径，提升水汽含量，解决增湿效果差问题。减少零部件排布，降低系统设计冗余，提升结构集成性，解决狭小空间内发动机在整车端布置困难问题。雾化后的气体以最短的传递路径进入电堆，过程能耗损失最少，解决过程冷凝、结露导致增湿不充分问题。

2、通过优化电堆前端板流道设计，将电堆出口水循环至喷雾増湿腔体内部，利用电堆热为増湿气体升温，进一步增加喷雾増湿气体湿度，提升了増湿效率。

3、通过在喷雾増湿系统内部设置外部辅助加热装置9，利用外部供电提供加热源，该技术方案能够使喷淋雾化増湿在极高和极低的条件下实现雾化増湿湿度可控，按照预期湿度参数提供至电堆终端。

4、饱和水蒸气在流通过程中受到外部辅助加热及电堆冷却液出口温升双向作用，增湿后的饱和蒸汽按照预定状态进入电堆内部，参与化学反应，保证燃料电池正常工作。在喷淋雾化后气体流经陶瓷蜂窝填料整流后通过换热和提升温度，增加雾化气体温升，保持气体温度高于露点温度，避免冷凝进堆，实现适应全工况的喷淋増湿方法。

实施例3

本发明的另一个实施例公开了一种燃料电池发动机系统，如图4所示，包括电堆、燃料电池控制器、空气进排子系统、氢气循环子系统、冷却液循环子系统、电气控制子系统四个子系统组成。

空气进排子系统进一步包括实施例1或2所述的多物理场耦合的喷雾増湿装置，以及空压机、入堆节气阀、出堆节气阀、空侧分水器、水泵、单向阀。

电堆的空气入口依次经喷雾増湿装置、入堆节气阀接空压机的输出端，其空气尾气出口依次经出堆节气阀、空侧分水器、水泵、单向阀接喷雾増湿装置内喷淋雾化头8的供水端。

优选地，出堆节气阀进一步包括依次设置的手动控制阀、电动控制。其中，手动控制阀处于常开状态，用于特殊情况下启动。电动控制阀用于对入堆空气的流量进行控制。空气进入燃料电池的空气进排子系统系统，首先经过手动控制阀和电动控制阀，手动阀为常开状态，正常工作无需操作，仅仅在有特殊情况下使用，电气控制阀用于对入堆气体流量控制。

优选地，冷却液循环子系统进一步包括第一储水箱、第二储水箱、板式换热器、第一过滤器、第二过滤器、水路比例阀、水路电磁阀、散热组件、第一散热水泵、第二散热水泵。其中，

电堆的冷却液出口依次经第一储水箱、第一散热水泵、板式换热器的支路一、第一过滤器接电堆的冷却液入口；

板式换热器的支路二出口依次经第二储水箱、第二散热水泵、散热组件、水路电磁阀、水路比例阀、第二过滤器后一路接板式换热器的支路二入口，另一路接套设于增湿腔外壁上的外部换热装置的循环水入口。

优选地，所述第一过滤器、第二过滤器均包括离子监测装置和去离子设备，以保证离子的析出和吸附达到动态平衡状态。

燃料电池控制器执行如下程序：

S1.在燃料电池处于低温启动运行时，识别外部环境温度达到发动机的预定低温启动阀值时，控制燃料电池按照预先设计的启动策略进行低温自启动和外部辅助条件下的低温启动。

S2.在燃料电池处于常温运行状态时，控制燃料电池输出设定暖机电流运行一段时间，再进入快速升载和降载过程，以随整车公路需求进行变载；

S3.在燃料电池处于停机状态时，定时执行燃料电池的主动放电或被动放电，以确保在发动机启停阶段，单节电池电压均在可控阈值范围内；

S4.接收到发动机的关机指令后，先执行带载吹扫，识别燃料电池阻抗达到第一预设阻抗阈值后，再执行空载吹扫，识别燃料电池阻抗达到第二预设阻抗阈值后，结束空载吹扫；

实施时，空气进排子系统：空气进入系统首先经过手动控制阀和电动控制阀，手动阀为常开状态，正常工作无需操作，仅仅在有特殊情况下使用，电气控制阀用于对入堆气体流量控制。为了保证进入循环子系统内部气体的清洁程度和干湿度可控，增加空侧分水器及空气流量计，针对进入电堆的气体进行流量测量和压力温度测量后，气体流经进堆前歧管组件(喷雾増湿装置)。

氢气循环系统：燃料电池系统中，氢气循环系统为燃料电池阳极气体循环建立通道，氢气经过手动控制阀、电气控制阀、分水器、比例调节阀、氢气进堆分配管进入电堆参与化学反应，反应后的氢气经过管路一部分外排一部分再循环利用。

冷却液循环子系统：在燃料电池系统中，水热循环系统为燃料电池电化学反应建立合理的运行温度环境，确保电池在进行能量转化的同时能够更好地排除内部高低温问题，确保燃料电池在舒适温度区间进行。本系统中考虑燃料电池余热的二次利用，设计主内循环燃料电池板式换热系统和外部换热循环系统，为了更好建立极高和极低等极限条件，在主副路设计辅助加热循环系统和散热循环系统。在燃料电池发动机运行过程中，各循环管路存在金属内表面析出不同成分的金属离子，降低了整个电池系统的电绝缘性，为了确保燃料电池运行的安全，系统内部设计离子检测装置及离子规律装置，通过稳定流量控制，保证离子的析出和吸附达到动态平衡状态。

电气控制子系统：燃料电池的电性能输出需要通过电气控制系统的合理控制，电气子系统按照高压电气输出和低压控制划分，高压输出经过DCDCD输出值负载，为外部提供电能。低压电气系统肩负电池各子系统信号采集功能，低压器件提供电压，保证辅助系统能够满足控制需求。燃料电池电气控制系统肩负燃料电池控制神经中枢，各BOP对电堆的功能和性能满足程度均由控制系统中的控制策略管控和实现。

电气控制系统控制逻辑涵盖如下内容：

1)开、关机过程：该过程涉及常温状态下正常开机和非常规状态下开机控制如低温低计量比开机控制；关机过程设计常温常规吹扫关机、非常温关机吹扫控制如低温吹扫和低温冷吹扫控制；根据不同的发动机状态，在关机阶段设计带载吹扫和空载吹扫，带载吹扫达到预设阻抗阈值后，执行空载吹扫，空载吹扫达到预设阈值后，结束空载吹扫。实际运营场景中，考虑发动机的使用需求，进行带载吹扫和空载吹扫时间匹配，根据电堆内部水含量的不同状态，决策二者匹配时间。在停机阶段考虑电堆的衰减耐受情况，需要进行主动放电和被动放电，确保在发动机的启停阶段，单节电压的预设阈值均在可控范围，避免电堆层架有高电位的产生。为了进一步确保发动机运行后的气密性检测，在发动机的停机阶段设计阳极保压策略，通过短时的保压擦做判断，阳极的气密可靠性。

2)常温运行：该过程为系统完成暖机电流运行一段时间，可以进入到快速升载和降载过程，发动机按照整车的能量管理策略，发动机的功率跟随整车公路需求进行变载，在此过程中，发动机的运行状态不受外部条件影响，正常进行功率输出；

3)低温启动运行：在外部环境温度达到发动机的预定低温启动阀值时，发动机按照预先设计启动策略进行低温自启动和外部辅助条件下的低温启动，该过程中根据功率需求紧迫程度决策是否进行低温自启和低温外辅助启动。

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)

1.一种多物理场耦合的喷雾増湿装置，其特征在于，包括增湿腔，且增湿腔内集成了喷淋雾化头(8)、蜂窝陶瓷填料(11)、辅助加热装置(9)；其中，

增湿腔的顶部设有1个以上喷淋雾化头(8)，其喷淋雾化头(8)下方腔体内部填充有蜂窝陶瓷填料(11)，其一侧设有通入待增湿气体的进气口，另一侧设有连接电堆的出气口，为电堆提供增湿后气体；

喷淋雾化头(8)进一步包括从上至下设置且依次连通的进水管(1)、扩容腔(2)、分配腔(3)和整流腔(4)；扩容腔(2)的出口处两侧分别设有朝向分配腔凸出设置的导流板(5)；分配腔(3)的入口处中心设有带有设定弧度的反射板(6)，内部设有螺旋板(10)，使得扩容腔(2)流出的气体被反射后重新螺旋式分配至整流腔(4)；整流腔(4)内填充有蜂窝状异型流路陶瓷的填料(7)；

辅助加热装置(9)的加热电极设于增湿腔内或气体出入端，用于提升入堆气体的湿度，并保证增湿腔内温度不出现梯度式下降。

2.根据权利要求1所述的多物理场耦合的喷雾増湿装置，其特征在于，该喷雾増湿装置集成于入堆歧管或电堆空气入口处前端板中；并且，

蜂窝状异型流路陶瓷的填料(7)内部连通、壁厚均匀，且填料峰谷排布均匀；

蜂窝陶瓷填料(11)内部也连通、壁厚均匀，且填料峰谷排布均匀。

3.根据权利要求1或2所述的多物理场耦合的喷雾増湿装置，其特征在于，还包括空侧分水器、水泵；其中，

空侧分水器作为燃料电池系统的尾排分水器，其输入端接电堆的空侧尾气出口，其液体出口经水泵接喷淋雾化头的供水端。

4.根据权利要求3所述的多物理场耦合的喷雾増湿装置，其特征在于，还包括气体过滤装置、外部换热装置；其中，

气体过滤装置设于增湿腔的气体进口处，用于过滤空气中的灰尘、杂质以及细菌；

外部换热装置套设于增湿腔外壁以及喷雾増湿装置、电堆之间的入堆歧管上，外部换热装置内的循环水来自电堆冷却液出口，换热后的循环水进入电堆内部，用于降低发动机系统的散热功耗。

5.根据权利要求4所述的多物理场耦合的喷雾増湿装置，其特征在于，还包括设于增湿腔的气体进口处的空气流量计、压力温度传感器；其中，

空气流量计，用于获取进入增湿腔内的空气流量，并作为入堆空气流量；

压力温度传感器，用于获取进入增湿腔内的空气压力和空气温度。

6.根据权利要求5所述的多物理场耦合的喷雾増湿装置，其特征在于，还包括增湿控制器；其中，

增湿控制器，用于在接收到燃料电池控制器发出的启动信号后，启动辅助加热装置、水泵、喷淋雾化头；以及，根据空气流量计数据调整水泵转速，根据空气流量计数据、压力温度传感器数据调整辅助加热装置的功率，使得喷雾増湿装置输出设定湿度、设定温度的增湿空气。

7.一种燃料电池发动机系统，其特征在于，包括电堆、燃料电池控制器、空气进排子系统、氢气循环子系统、冷却液循环子系统、电气控制子系统；其中，

空气进排子系统进一步包括权利要求1-6任一项所述的多物理场耦合的喷雾増湿装置，以及空压机、入堆节气阀、出堆节气阀、空侧分水器、水泵、单向阀；电堆的空气入口依次经喷雾増湿装置、入堆节气阀接空压机的输出端，其空气尾气出口依次经出堆节气阀、空侧分水器、水泵、单向阀接喷雾増湿装置内喷淋雾化头的供水端。

8.根据权利要求7所述的燃料电池发动机系统，其特征在于，所述出堆节气阀进一步包括依次设置的手动控制阀、电动控制阀；其中，手动控制阀处于常开状态，用于特殊情况下启动；电动控制阀用于对入堆空气的流量进行控制。

9.根据权利要求7或8所述的燃料电池发动机系统，其特征在于，冷却液循环子系统进一步包括第一储水箱、第二储水箱、板式换热器、第一过滤器、第二过滤器、水路比例阀、水路电磁阀、散热组件、第一散热水泵、第二散热水泵；其中，

电堆的冷却液出口依次经第一储水箱、第一散热水泵、板式换热器的支路一、第一过滤器接电堆的冷却液入口；

板式换热器的支路二出口依次经第二储水箱、第二散热水泵、散热组件、水路电磁阀、水路比例阀、第二过滤器后一路接板式换热器的支路二入口，另一路接套设于增湿腔外壁上的外部换热装置的循环水入口。

10.根据权利要求9所述的燃料电池发动机系统，其特征在于，所述第一过滤器、第二过滤器均包括离子监测装置和去离子设备，以保证离子的析出和吸附达到动态平衡状态；并且，

燃料电池控制器执行如下程序：

接收到发动机的关机指令后，先执行带载吹扫，识别燃料电池阻抗达到第一预设阻抗阈值后，再执行空载吹扫，识别燃料电池阻抗达到第二预设阻抗阈值后，结束空载吹扫；

在燃料电池处于停机状态时，定时执行燃料电池的主动放电或被动放电，以确保在发动机启停阶段，单节电池电压均在可控阈值范围内；

在燃料电池处于常温运行状态时，控制燃料电池输出设定暖机电流运行一段时间，再进入快速升载和降载过程，以随整车公路需求进行变载；

在燃料电池处于低温启动运行时，识别外部环境温度达到发动机的预定低温启动阀值时，控制燃料电池按照预先设计的启动策略进行低温自启动和外部辅助条件下的低温启动。