CN117913320A - 一种燃料电池的喷雾增湿系统及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池的喷雾增湿系统及燃料电池，包括喷雾增湿装置，所述喷雾增湿装置设置有进口和出口，所述喷雾增湿装置沿进口和出口的方向依次设置有混合腔、热换腔和中冷腔，干空气和去离子水由进口进入所述混合腔经过一次混合加湿，再进入所述换热腔中进行二次加湿后，进入所述中冷腔中进行换热至目标的温度范围内再由出口进入电堆中，本发明中，干空气进入混合腔与喷射装置喷入的去离子水一次混合加湿，通过气流带动进入换热腔中进行换热，将气流中的去离子水进行加热汽化，达到二次增湿后，再进入中冷腔中进行换热，保证入堆空气在目标的温度范围内，保持燃料电池正常工作。

Description

一种燃料电池的喷雾增湿系统及燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池的喷雾增湿系统及燃料电池。

背景技术

随着燃料电池发动机在汽车产业市场推广越来越大，燃料电池发动机的环境友好的重要性愈显突出，燃料电池发动机的体积功率密度和质量功率密度较内燃机的优势还不明显，空气系统在燃料电池发动机结构中的占比较大，对于质量功率密度和体积功率密度的影响至关重要。

燃料电池的在反应过工程中，需要质子交换膜需维持一定的湿度以保证质子交换膜处于合适的水饱和状态,保持较高的电导,保证较高的反应效率。因此需要要求反应空气携带一定的水蒸气进入电堆。在空气系统中，为了保证入堆空气的湿度合适，均有加湿系统。由于每个产品的边界不同、性能不同及技术路线不同，就需要不同结构形式、不同性能的增湿器满足产品的性能需求，从而导致增湿器在开发过程中属于定制化开发，最终导致开发成本高、周期长、一致性差等问题。

现有市场上使用最多的加湿系统为膜管物理增湿系统，增湿器为特殊材料做成细膜管，膜管内外形成独立的干湿通道，通过回收燃料电池反应后气体中的水分和热量，使其在膜管内外两侧进行湿热交换，从而达到电堆所需的温度和湿度。

随着终端市场客户对于燃料电池的输出功率要求越来越大，单个燃料电池发动机的单电池的数量要求越来越多，参与反应的空气的流量越来越大，就需要更多的水蒸气保证电堆里的质子交换膜维持在合适的湿度。但是现有增湿器的膜管的膜水传递效率维持不变的基础上，就需要更大的膜水传递表面积，从而导致增湿器本体的体积越来越大，严重影响质量功率密度和体积功率密度，同时加大燃料电池发动机的布置难度，即使采用更大体积的增湿器来解决膜水传递效率的问题，还会存在如何保证高的透气性和高湿度传递效率，同时还需要保证一定的跨膜压力差从而保证增湿器的增湿能力，跨膜压力差与透气性等的结构的矛盾导致可靠性较差的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种燃料电池的喷雾增湿系统，包括喷雾增湿装置，所述喷雾增湿装置设置有进口和出口，所述喷雾增湿装置沿进口和出口的方向依次设置有混合腔、热换腔和中冷腔，干空气和去离子水由进口进入所述混合腔经过一次混合加湿，再进入所述换热腔中进行二次加湿后，进入所述中冷腔中进行换热至目标的温度范围内再由出口进入电堆中。

优选的：所述混合腔连接有喷射装置，喷射装置用于向混合腔内喷入去离子水。

优选的：所述换热腔连接加热器，所述加热器加热的冷却液流入换热腔中与换热腔中的气流进行换热。

优选的：所述中冷腔连接电堆的热管理系统，对换热腔内增湿后的气体进行换热。

优选的：所述喷雾增湿装置中气体的出口还设置有储水腔和排水阀，根据储水腔中液体的储存量进行打开排水阀将水排除。

优选的：所述加热器和换热腔之间设置有温度传感器，当温度传感器探测温度低于目标的温度范围时，所述加热器开启。

优选的：所述喷雾增湿装置采用金属材料焊接或机加工方式制成。

优选的：所述喷雾增湿装置中进口的高度大于出口的高度。

一种燃料电池，包括喷雾增湿系统。

优选的：所述燃料电池还包括电堆，所述电堆通过管路连接喷雾增湿装置，喷雾增湿装置还通过管路连接空压机，空压机通过管路连接流量计和空滤，所述电堆通过管路连接尾排节气门,尾排节气门通过管路连接混排，混排连接尾排管路和排水管。

本发明的技术效果和优点：

1、本发明中，干空气进入混合腔与喷射装置喷入的去离子水一次混合加湿，通过气流带动进入换热腔中进行换热，将气流中的去离子水进行加热汽化，达到二次增湿后，再进入中冷腔中进行换热，保证入堆空气在目标的温度范围内，保持燃料电池正常工作。

2、本发明中，喷雾增湿装置中，通过外接加热器加热换热用的防冻液，单位时间内，在气流作用下进入热换腔内的去离子水汽化效率更高，水蒸气的量增大，使得进入电堆内的水蒸气增多，能够调节进入电堆内水蒸气的量，保证电堆内的质子交换膜处于合适的水饱和状态,保持较高的电导,保证较高的反应效率。

3、本发明中，通过设置的喷雾增湿装置调节进入电堆内水蒸气的量，相对于现有增湿器中，通过增大膜水传递表面积导致增湿器本体的体积增大的方式，能够大幅度提升系统的质量功率密度和体积功率密度，同时降低燃料电池发动机的布置难度。

附图说明

图1是本申请实施例提供的燃料电池的喷雾增湿系统的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的燃料电池的喷雾增湿系统中雾化腔的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的燃料电池的喷雾增湿系统中雾化腔的内部结构示意图。

图中：1、电堆；2、喷雾增湿装置；21、进气口；22、混合腔；23、喷射装置基座；24、进水口a；25、出水口a；26、进水口b；27、出水口b；28、出气口；29、波纹管a；210、隔板；211、波纹管b；3、加热器；4、空压机；5、流量计；6、空滤；7、进气门；8、尾排节气门；9、混排；91、尾排管路；92、排水管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。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。

请参阅图1所示，在本实施例中提供一种燃料电池的喷雾增湿系统，包括喷雾增湿装置，喷雾增湿装置设置有进口和出口，喷雾增湿装置沿进口和出口的方向依次设置有混合腔、热换腔和中冷腔，干空气和去离子水由进口进入所述混合腔经过一次混合加湿，再进入所述换热腔中进行二次加湿后，进入所述中冷腔中进行换热至目标的温度范围内再由出口进入电堆中。

具体的，混合腔连接喷射装置，干空气进入混合腔与喷射装置喷入的去离子水混合，达到一次增湿，通过气流带动去离子水进入换热腔中进行换热，将气流中的去离子水进行加热汽化，达到二次增湿后，再进入中冷腔中进行换热，保证入堆空气在目标的温度范围内，进一步的提升产品质量功率密度和体积功率密度，大幅度改进提升系统可靠性。

在本实施例中，混合腔连接有喷射装置，喷射装置用于向混合腔内喷入去离子水。

在本实施例中，换热腔连接加热器，加热器加热的冷却液流入换热腔中与换热腔中的气流进行换热，将气流中的去离子水进行加热汽化，从而达到二次增湿的目的，二次增湿后的气体进入中冷腔中。

进一步的，加热器和换热腔之间设置有温度传感器，当温度传感器探测温度低于目标值时，加热器开启。

在本实施例中，中冷腔连接电堆的热管理系统，对换热腔内增湿后的气体进行换热，使得增湿后的气体温度达到电堆所需温度和湿度。

在本实施例中，喷雾增湿装置中气体的出口还设置有储水腔和排水阀，能够根据储水腔中液体的储存量进行打开排水阀，将水排除。

具体的，气体进入喷雾增湿装置，在混合腔与喷射装置喷出的去离子水进行混合加湿，加湿后的气体通过换热腔进行换热，使去离子水中液态水进一步汽化，提升增湿效果，加湿后的饱和湿空气进入中冷腔中与电堆的热管理系统中的防冻液进行热交换，保证入堆空气在目标的温度范围内。

在本实施例中，喷雾增湿装置采用金属材料焊接或机加工方式制成，相对于现有特殊材料做成的细膜管，能够大幅度提升可靠性，并且可以针对不同输出功率的电堆使用，能够缩短开发周期及成本。

在本实施例中，喷雾增湿装置中进口的高度大于出口的高度，保证喷雾增湿装置内部的液体能够排除。

喷雾增湿装置通过管路连接进气门7的入口，进气门7的出口通过管路连接电推1，喷雾增湿装置还通过管路连接空压机4，空压机4通过管路连接流量计5和空滤6，电堆1通过管路连接尾排节气门8,尾排节气门8通过管路连接混排9，混排9连接尾排管路91和排水管92。

具体的，空气经空滤6过滤及流量计5测量空气流量值后，进入空压机4的压轮端压缩后，进入喷雾增湿装置中，通过喷雾增湿装置使得空气达到电堆1所需的温度和湿度后，再由进气门7进入电堆1，保证入堆的空气携带一定的水蒸气，使得电堆1反应过程中，质子交换膜维持一定的湿度以保证质子交换膜处于合适的水饱和状态，保持较高的电导，保证较高的反应效率，反应后的尾气进入混排9，从尾排管路91和排水管92排出。

在本实施例中，参阅图2-3所示，提供一种喷雾增湿装置的具体结构，喷雾增湿装置包括雾化腔及其连接的管路，雾化腔包括进气口21和出气口28，沿进气口21向出气口28的方向依次设置有混合腔22、热换腔和中冷腔，进气口21连接混合腔22，从进气口21进入的空气经过混合腔22、热换腔和中冷腔后从出气口28排出，混合腔22连接喷射装置基座23，喷射装置基座23用于安装喷射装置，具体的，喷射装置包括喷嘴，喷嘴安装于喷射装置基座23上，热换腔内设置有波纹管a29，波纹管a29连通混合腔22，热换腔一端连接进水口a24，进水口a24用于连接加热器3，热换腔另一端连接出水口a25，热换腔和中冷腔之间设置有隔板210，中冷腔内设置有波纹管b211，中冷腔一端连接进水口b26，中冷腔另一端连接出水口b27。

具体的，空压机4增压后，干空气从进气口21进入混合腔22，去离子水通过喷射装置在一定的压力进行喷入混合腔22内，达到一次增湿的目的，部分去离子水通过气流带动进入波纹管a29，同时经过加热器3加热的防冻液从进水口a24进入热换腔，出水口a25流出，通过波纹管a29与热换腔内部的防冻液进行换热，从而将气流中的去离子水进行加热汽化，从而达到二次增湿的目的，二次增湿后的气体进入中冷腔中，同时，电堆内部参与热交换的防冻液从进水口b26进入中冷腔，再从出水口b27流出，气体通过波纹管b211与中冷腔中的防冻液进行换热，实现中冷的目的，因中冷腔中的防冻液为电堆内部参与热交换的防冻液，使得从出气口28排出的湿空气温度达到电堆所需的温度，不会影响到电堆的正常工作，而增湿后的空气能够保证电堆内质子交换膜处于合适的水饱和状态，保持较高的电导，保证较高的反应效率。

进一步的，在加热器3和进水口a24之间设置有温度传感器，当温度传感器探测温度低于目标值时，加热器3开启，提升热换腔中防冻液温度，提升气体的增湿效率。

在本实施例中，雾化腔2采用金属材料焊接或机加工方式制成，相对于现有特殊材料做成的细膜管，能够大幅度提升可靠性，并且可以针对不同输出功率的电堆使用，能够缩短开发周期及成本。

在本实施例中，雾化腔2中进气口21的高度大于出气口28的高度，保证雾化腔2内部的液体能够排除。

在另一实施例中，还提供一种燃料电池，包括上述实施例公开的燃料电池的喷雾增湿系统。

可以理解的是，当电堆需要较多的水蒸气时，加热器3升较高的温度，使得换热腔内的防冻液温度较高，单位时间内，在气流作用下进入热换腔内的去离子水汽化效率更高，水蒸气的量增大，使得进入电堆内的水蒸气增多，能够调节进入电堆内水蒸气的量，保证燃料电池进入电堆的干空气携带理论的水蒸气，相对于现有增湿器中，通过增大膜水传递表面积导致增湿器本体的体积增大的方式，能够大幅度提升系统的质量功率密度和体积功率密度，同时降低燃料电池发动机的布置难度。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。

Claims (10)

1.一种燃料电池的喷雾增湿系统，包括喷雾增湿装置，其特征在于，所述喷雾增湿装置设置有进口和出口，所述喷雾增湿装置沿进口和出口的方向依次设置有混合腔、热换腔和中冷腔，干空气和去离子水由进口进入所述混合腔经过一次混合加湿，再进入所述换热腔中进行二次加湿后，进入所述中冷腔中进行换热至目标的温度范围内再由出口进入电堆中。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池的喷雾增湿系统，其特征在于，所述混合腔连接有喷射装置，喷射装置用于向混合腔内喷入去离子水。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池的喷雾增湿系统，其特征在于，所述换热腔连接加热器，所述加热器加热的冷却液流入换热腔中与换热腔中的气流进行换热。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池的喷雾增湿系统，其特征在于，所述中冷腔连接电堆的热管理系统，对换热腔内增湿后的气体进行换热。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池的喷雾增湿系统，其特征在于，所述喷雾增湿装置中气体的出口还设置有储水腔和排水阀，根据储水腔中液体的储存量进行打开排水阀将水排除。

6.根据权利要求3所述的一种燃料电池的喷雾增湿系统，其特征在于，所述加热器和换热腔之间设置有温度传感器，当温度传感器探测温度低于目标的温度范围时，所述加热器开启。

7.根据权利要求1所述的一种燃料电池的喷雾增湿系统，其特征在于，所述喷雾增湿装置采用金属材料焊接或机加工方式制成。

8.根据权利要求7所述的一种燃料电池的喷雾增湿系统，其特征在于，所述喷雾增湿装置中进口的高度大于出口的高度。

9.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的喷雾增湿系统。

10.根据权利要求9所述的一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池还包括电堆，所述电堆通过管路连接喷雾增湿装置，喷雾增湿装置还通过管路连接空压机，空压机通过管路连接流量计和空滤，所述电堆通过管路连接尾排节气门,尾排节气门通过管路连接混排，混排连接尾排管路和排水管。