CN1333484C - 常压燃料电池空气增湿系统 - Google Patents

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Abstract

常压燃料电池空气增湿系统属于燃料电池水热系统设计技术领域。其特征在于，将换热器把空气增湿系统和燃料电池的冷却系统集成起来，换热器的一根管道与空气增湿系统的管道相连，另一根管道与冷却系统的管道相连，通过冷却系统中的冷却水使得增湿系统中的空气降温。换热器可以置于空气滤清器、增湿器和鼓风机之后，也可以置于鼓风机和增湿器之间。本发明使得系统效率升高；增湿器进口干空气温度能够得到有效控制，增湿器和电堆性能可以稳定获得预期性能。

Description

常压燃料电池空气增湿系统
技术领域：
常压燃料电池空气增湿系统属于燃料电池水热系统设计技术领域。
技术背景：
在能源危机和环境保护的双重压力下，国际各大汽车公司都致力于研制新能源、无污染的燃料电池汽车，作为燃料电池汽车的动力核心——车用燃料电池系统，成为燃料电池汽车研发中的关键技术之一。
现有车用燃料电池系统绝大部分为直接燃料电池系统，即区别于重整燃料电池系统，而直接利用车辆上的氢源进行工作。根据燃料电池空气系统增压压力不同，车用燃料电池系统分为加压燃料电池系统和常压燃料电池系统。加压燃料电池系统使用空压机作为空气系统流动动力，增压压比为1.6～2.5；常压燃料电池系统使用鼓风机作为空气系统流动动力，其增压压比在1.5以下。常压燃料电池系统具有结构简单，鼓风机等辅件功耗小等优点。
燃料电池水热管理是确保燃料电池良好工作性能的关键。燃料电池空气增湿系统和冷却系统是燃料电池水热管理系统的两个核心子系统。空气增湿系统保证燃料电池堆空气进气的湿度，冷却系统保证燃料电池的工作温度。
Nafion膜增湿器应用于增湿系统具有响应速度快，传质速率高等优点。
使用膜增湿器的常压燃料电池系统工作温度受到一定限制。膜增湿器工作温度应低于90℃，利用燃料电池排气对干空气进气增湿的系统中，膜增湿器进口干空气温度高于60℃时增湿效果较差，将严重恶化车用燃料电池系统性能；质子交换膜燃料电池工作温度应低于80℃。因此需要采取措施保证膜增湿器进口干空气温度低于60℃；燃料电池堆进口空气温度低于80℃。
现有典型的常压燃料电池增湿系统有两种形式及主要缺点。
1)空气在经过空气滤清器、增湿器和鼓风机后没有被冷却就直接进入燃料电池堆；鼓风机效率较低时，大空气流量条件下可能引起燃料电池空气进口温度较高，降低质子交换膜使用寿命。
2)空气在经过空气滤清器、鼓风机后没有被冷却就直接进入增湿器然后被引入燃料电池堆；大流量条件下，鼓风机出口温度很容易高于60℃，引起增湿器性能恶化。
3)空气增湿系统与冷却系统分开独立运行，没有耦合集成，系统的热能没有得到优化配置和合理利用。
发明内容：
本发明针对现有常压燃料电池增湿系统存在的主要缺陷，利用热换器将冷却系统和空气增湿系统集成起来，合理利用燃料电池子系统的热能，稳定了空气增湿系统和燃料电池堆的性能，提高了系统的效率。
本发明的特征在于，含有空气滤清器(1)、增湿器(2)和鼓风机(3)，其特征在于，将换热器(4)把所述空气增湿系统和燃料电池的冷却系统集成起来，所述换热器(4)的一根管道与空气增湿系统的管道相连，换热器(4)的另一根管道与冷却系统的管道相连，通过冷却系统中的冷却水使得增湿系统中的空气降温。
所述换热器(4)可以置于空气滤清器(1)、增湿器(2)和鼓风机(3)之后，空气依次经过空气滤清器(1)、增湿器(2)、鼓风机(3)和换热器(4)之后流入燃料电池堆。
所述换热器(4)也可以置于鼓风机(3)和增湿器(2)之间，空气依次经过空气滤清器(1)、鼓风机(3)、换热器(4)和增湿器(2)之后流入燃料电池堆。
在所述增湿器(2)的湿空气侧装有流量分配控制阀(6)。
试验证明，本发明采用热换器将冷却系统和增湿系统有效集成起来，使得系统效率升高；增湿器进口干空气温度能够得到有效控制，增湿器和电堆性能可以稳定获得预期性能。
附图说明：
图1是本发明的方案1示意图；
图2是本发明的方案2示意图。
具体实施方式：
下面结合附图说明本发明的具体实施方式。
现有燃料电池堆增湿系统与冷却系统各自独立运行，增湿系统一般含有空气滤清器，增湿器和鼓风机，空气滤清器过滤掉系统空气进气的固体颗粒悬浮物，空气经过增湿器被加湿，空气在鼓风机内被压缩。冷却系统一般含有冷却水泵和散热器，水泵出口冷却水进入燃料电池堆吸收燃料电池堆放出的热量，使燃料电池堆工作在适当温度，升温后的冷却水经过散热器向空气中释放热量，保持低温进入冷却水泵被循环利用。若需对增湿器进口干空气温度进行有效控制需要另外增加冷却水泵等设备，会增加系统的复杂程度。
本发明利用换热器将增湿系统和冷却系统有效集成，下面对本发明两种实施方案进行具体说明：
如图1所示，方案1中换热器(4)置于增湿器(2)和鼓风机(3)之后，一侧通过经过鼓风机压缩的热空气，一侧通过循环利用的电堆冷却水。经过鼓风机的热空气被冷却水冷却，温度被调节，通过换热器(4)的冷却水流量由流量分配控制阀(9)调节。此方案下，干空气先被增湿后被压缩，经过增湿器(2)的被增湿气体中的水蒸气被压缩，经过鼓风机(3)后被增湿气体露点温度进一步升高。被增湿干空气流量一定时，增湿器内湿空气流量大小对增湿器的增湿性能影响很大，燃料电池堆(5)出口湿空气流量可以通过流量分配阀(6)调节。
方案2中换热器(4)置于鼓风机(3)和增湿器(2)之间，一侧通过经过鼓风机压缩的热空气，一侧通过循环利用的电堆冷却水。经过鼓风机的热空气被冷却水冷却，温度被调节，通过换热器(4)的冷却水流量由流量分配控制阀(9)调节。此方案下，干空气先被压缩后被增湿，经过鼓风机(3)的干空气温度上升，被换热器(4)冷却后温度和压力被调整然后通过增湿器(2)被增湿。这种方案下，增湿器进口空气温度可以根据增湿器工作特性灵活调节，而在方案1中增湿器进口温度为环境温度，不能够灵活调节。
本发明冷却系统与增湿系统被有效集成，系统效率升高；增湿器进口干空气温度以及湿空气流量能够得到有效控制，增湿器和电堆性能可以稳定获得预期性能。

Claims (4)

1、常压燃料电池空气增湿系统，含有空气滤清器(1)、增湿器(2)和鼓风机(3)，其特征在于，用换热器(4)把所述空气增湿系统和燃料电池的冷却系统集成起来，所述换热器(4)的一根管道与空气增湿系统的管道相连，换热器(4)的另一根管道与冷却系统的管道相连，通过冷却系统中的冷却水使得增湿系统中的空气降温。
2、如权利要求1所述的常压燃料电池空气增湿系统，其特征在于，所述换热器(4)置于空气滤清器(1)、增湿器(2)和鼓风机(3)之后，空气依次经过空气滤清器(1)、增湿器(2)、鼓风机(3)和换热器(4)之后流入燃料电池堆。
3、如权利要求1所述的常压燃料电池空气增湿系统，其特征在于，所述换热器(4)置于鼓风机(3)和增湿器(2)之间，空气依次经过空气滤清器(1)、鼓风机(3)、换热器(4)和增湿器(2)之后流入燃料电池堆。
4、如权利要求1所述的常压燃料电池空气增湿系统，其特征在于，在所述增湿器(2)的湿空气侧装有流量分配控制阀(6)。
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