CN206961949U - 加湿装置与燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种加湿装置与燃料电池系统。该加湿装置包括水箱、膜渗透加湿器与第一动力设备，其中，水箱包括加热结构，加热结构用于对水箱中的水进行加热；膜渗透加湿器设置在水箱中，用于对气体进行加湿；第一动力设备的一端与水箱连通，另一端与膜渗透加湿器连通，用于将水箱中的水输送至膜渗透加湿器中。该加湿装置中，将膜渗透加湿器设置在水箱中，使得加湿器中的温度与水箱中的水的温度相当，进而通过设置水箱中的水的温度就可以控制加湿器出口的湿气的温度以及湿度，避免了由于二者之间的温度差导致的无法准确控制加湿器出口的湿气的温度以及湿度的问题。
Description
技术领域
本申请涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种加湿装置与燃料电池系统。
背景技术
燃料电池是一种将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。由于不受卡诺循环的限制，其直接发电效率可高达45％以上，具有环境友好、能量转化效率高、寿命长等特点，在航空航天、潜艇、电动车、电站、移动设备、居民家庭等领域存在广泛的应用前景。
以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例，电池核心发电模块——电堆由若干个单电池串联组成，单电池由膜电极装置、阳极板和阴极板(或双极板)配合形成三明治结构。其中膜电极装置的主要组件为质子交换膜，阳极板和阴极板上刻有流道，为反应气体提供运输通道。燃料氢气沿阳极板流道分配在膜电极的阳极侧，在阳极催化剂的作用下解离成电子和质子，电子经外电路到达阴极，质子直接穿过膜电极装置到达阴极，与阴极反应气体氧气反应生成水。此过程的产物为电能、热和水。以电堆为核心，燃料电池系统集成了电源管理与热管理等模块，具有气、电、热和水统筹管理的特征。
燃料电池测试平台是燃料电池系统开发的关键设备，为燃料电池性能测试、寿命评估和理论基础研究提供实验支撑。燃料电池测试平台具备完善的系统功能，可模拟各种工况，实现反应物输送实时调节，并可以对水、热与电产物进行控制以达到平衡，具有强大的功率等级变换适应能力，是一种集多种功能于一体的燃料电池系统。
燃料电池系统工作时，对电堆对反应气体的相对湿度具有较高要求。一般来说，电池堆的性能随着反应气体相对湿度的增大而提高。如果反应气体湿度达不到湿度要求，电池堆的性能会降低，同时会缩短运行寿命；如果反应气体湿度超过100％，则极容易夹杂液态水进入电池堆，容易影响电池堆的运行稳定性。
用于燃料电池测试平台中的加湿装置主要包括鼓泡加湿装置和膜渗透加湿装置。由于膜渗透加湿装置在温度控制好、响应速度快以及不易夹带液态水等优势，被广泛用于燃料电池测试平台中，常见的膜渗透加湿装置如图1所示。
如图1所示，该装置中，加湿器2'独立于去离子水箱1'，去离子水箱1'具有快速制热功能。根据气体相对湿度的需要，去离子水箱1'内的去离子水被加热到某一温度；同时去离子水箱1'内的去离子水在泵3'的作用下被泵入到加湿器中，并从加湿器2'的另一端流出最后回到去离子水箱1'中。在此过程中，干气体按照与加湿器内去离子水流向相反的方向流入，并最终以具有一定湿度的湿气体流出加湿器，完成加湿的过程。加湿气体在后续管路中，通过加热并保温的管路进入燃料电池堆。
在该加湿模块中，主要存在以下几个问题：
第一，气体湿度控制不准确，尤其在需要加湿的气体流量大以及加湿温度高的情况下，加湿效果与预期气体加湿的相对湿度之间的差异更加明显。加湿器独立于加热状态下的去离子水箱，加湿器的温度和环境温度相当，而泵入加湿器的去离子水是经去离子水箱中加热的。因此，加湿器的温度和进入加湿器的去离子水温度存在差异，不利于准确控制加湿后的气体温度，影响加湿气体的相对湿度；
第二，加湿气体通过加湿器后，在后续管路中容易形成冷凝水，流入到燃料电池堆中，影响电堆运行的稳定性；
第三，该加湿方式中，加湿后的气体相对湿度接近100％，气体加湿湿度的调节范围小；
第四、该加湿方式中，由于去离子水路只具备制热功能，而不具备散热功能，不利于快速调节气体加湿温度。
因此，亟需一种能够准确控制加湿后的气体的温度与湿度的加湿装置。
实用新型内容
本申请的主要目的在于提供一种加湿装置与燃料电池系统，以解决现有技术中无法准确控制加湿后的气体的温度以及湿度的问题。
为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种加湿装置，该加湿装置包括：水箱，包括加热结构，上述加热结构用于对上述水箱中的水进行加热；膜渗透加湿器，设置在上述水箱中，用于对气体进行加湿；第一动力设备，一端与上述水箱连通，另一端与上述膜渗透加湿器连通，用于将上述水箱中的水输送至上述膜渗透加湿器中。
进一步地，上述加湿装置还包括：湿气输送管路，一端与上述膜渗透加湿器的气体出口连通，另一端与电堆连通。
进一步地，上述加湿装置还包括：保温设备，环绕上述湿气输送管路的管壁设置。
进一步地，上述加湿装置还包括：加热设备，环绕上述保温设备设置。
进一步地，上述加湿装置还包括：第一温湿度传感器，设置在上述保温设备与上述加热设备之间。
进一步地，上述加湿装置还包括：第二温度温度传感器，设置在安装在上述湿气输送管路上且位于上述保温设备的下游。
进一步地，上述加湿装置还包括：汽水分离设备，一端与上述湿气输送管路连通，另一端与上述水箱连通，用于将上述湿气输送管路中的水分离出来。
进一步地，上述加湿装置还包括：气体疏水阀，设置在上述汽水分离设备与上述水箱之间连通的管线上，用于阻止气体通过。
进一步地，上述加湿装置还包括：降温器，与上述水箱连通，用于对上述水箱中的水进行降温。
进一步地，上述降温器通过上述第一动力设备与上述水箱连通。
进一步地，上述加湿装置还包括：第二动力设备，一端与上述降温器连通，另一端与上述水箱连通。
根据本申请的另一方面，提供了一种燃料电池系统，包括加湿装置，该加湿装置为任一种上述的加湿装置。
应用本申请的技术方案，该加湿装置中，将膜渗透加湿器设置在水箱中，使得加湿器中的温度与水箱中的水的温度相当，进而通过设置水箱中的水的温度就可以控制加湿器出口的湿气的温度以及湿度，避免了由于二者之间的温度差导致的无法准确控制加湿器出口的湿气的温度以及湿度的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出了现有技术中的一种加湿装置的结构示意图；
图2示出了本申请的一种典型的实施方式提供的加湿装置的结构示意图；
图3示出了本申请的另一种实施例提供的加湿装置的结构示意图；以及
图4示出了本申请的再一种实施例提供的加湿装置的结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
1'、去离子水箱；2'、加湿器；3'、泵；1、水箱；2、膜渗透加湿器；3、第一动力设备；4、湿气输送管路；5、保温设备；6、加热设备；7、第二温度温度传感器；8、汽水分离设备；9、气体疏水阀；10、降温器；11、第二动力设备；01、水。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中无法准确控制加湿后的气体的温度以及湿度的问题，为了解决如上，本申请提出了一种加湿装置与燃料电池系统。
本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种加湿装置，如图2所示，该加湿装置包括水箱1、膜渗透加湿器2与第一动力设备3，其中，水箱包括加热结构，上述加热结构用于对上述水箱1中的水01进行加热；膜渗透加湿器2，设置在上述水箱1中，用于对气体进行加湿；第一动力设备3，一端与上述水箱1连通，另一端与上述膜渗透加湿器2连通，用于将上述水箱1中的水输送至上述膜渗透加湿器2中。
本申请的上述加湿装置中，将膜渗透加湿器设置在水箱中，使得加湿器中的温度与水箱中的水的温度相当，进而通过设置水箱中的水的温度就可以控制加湿器出口的湿气的温度以及湿度，避免了由于二者之间的温度差导致的无法准确控制加湿器出口的湿气的温度以及湿度的问题。
本申请的一种实施例中，如图2所示，上述加湿装置还包括湿气输送管路4，湿气输送管路4的一端与上述膜渗透加湿器2的气体出口连通，另一端与电堆连通加湿后的气体进入到电池堆中参与电化学反应。
为了进一步避免加湿后的气体在湿气输送管路运输的过程中发生大幅降温，使得进入电池堆中的加湿后的气体与刚从加湿器中输出的气体的温度相当或相近，保证进入电池堆中的加湿后的气体的温度为预定温度，本申请的一种实施例中，如图2所示，上述加湿装置还包括保温设备5，保温设备5环绕上述湿气输送管路4的管壁设置。
本申请的另一种实施例中，如图2所示，上述加湿装置还包括加热设备6，加热设备6环绕上述保温设备5设置。该加热设备6能够对湿气输送管路中的气体进行加热，进一步保证进入到电池堆中的加湿后的气体的温度为预定的温度。
为了更好地监控湿气输送管路中的气体的温度，本申请的一种实施例中，上述加湿装置还包括第一温湿度传感器，第一温湿度传感器设置在上述保温设备与上述加热设备之间。
当然，还可以将上述的第一温度传感器设置在湿气输送管路的管壁上，并将第一温度传感器中的感受端设置在湿气输送管路内，进而更加准确地监测湿气输送管路中的气体的温度。
为了进一步监控待进入电池堆中的气体的温度，本申请的一种实施例中，如图2所示，上述加湿装置还包括第二温度温度传感器7，第二温度温度传感器7设置在安装在上述湿气输送管路4上且位于上述保温设备5的下游。
本申请的再一种实施例中，如图2所示，上述加湿装置还包括汽水分离设备8，汽水分离设备8一端与上述湿气输送管路4连通，另一端与上述水箱1连通，用于将上述湿气输送管路4中的水分离出来。
为了进一步避免湿气输送管路中的气体进入到汽水分离设备8与上述水箱1之间连通的管线中，进而避免气体进入到水箱中，从而保证进入到电池堆中的气体能够达到预定量，本申请的一种实施例中，如图2所示，上述加湿装置还包括气体疏水阀9，气体疏水阀9设置在上述汽水分离设备8与上述水箱1之间连通的管线上，用于阻止气体通过。
本申请的又一种实施例中，如图3与图4所示，上述加湿装置还包括降温器10，降温器10与上述水箱1连通，用于对上述水箱1中的水进行降温。这样该实施例中的加湿装置通过水箱中的加热结构可以间接地对加湿的气体进行加热，通过降温器可以间接地对加湿的气体进行降温，这样根据实际需要，控制水箱中的加热结构和/或降温器就可以实现不同温度条件下的气体加湿湿度的调节。
为了通过简单的装置设备实现对气体的降温，本申请的一种实施例中，如图3所示，上述降温器10通过上述第一动力设备3与上述水箱1连通，这样，水箱中输出的水经过第一动力设备进入到降温器中进行降温，随后进入到膜渗透加湿器2中，对气体进行加湿。
本申请的再一种实施例中，如图4所示，上述加湿装置还包括第二动力设备11，第二动力设备11的一端与上述降温器10连通，另一端与上述水箱1连通。该实施例中，第二动力设备中将水箱中的水输送至降温器中进行降温，并将降温后的水运送回水箱中，实现对水箱中的水的降温。
本申请的上述降温器可以选择现有技术中的任何一种可以对水进行降温的设备，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的设备对水箱中的水进行降温。例如，该降温器既可以选择风冷散热器，还可以选择水冷散热器，也可以风冷和水冷两种散热方向相结合的降温器。其中，风冷散热器具有可控性好的特点，水冷散热器具有快速散热降温的特点。当带加热功能的水箱和回路中的水储量较大，并且加湿温度降幅较大时，可以采用水冷散热器或者采用水冷和风冷结合的降温器；当水箱中的水储量不大或者气体加湿温度降幅较小时，可以采用风冷散热器。
为了避免水中的离子对电池堆中的反应造成不良影响，本申请的一种实施例中，上述水箱中的水为去离子水。
本申请的一种具体的实施例中，上述第一动力设备与第二动力设备均为泵。这样可以高效地运输水。
本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括加湿装置，该加湿装置为上述任一种的加湿装置。
上述燃料电池系统由于包括上述的加湿装置，使得其能够得到理想温度下的理想湿度的气体，进而进一步保证了电池堆具有较好的反应效率，保证了燃料系统具有较好的性能。
从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：
1、本申请的上述加湿装置中，将膜渗透加湿器设置在水箱中，使得加湿器中的温度与水箱中的水的温度相当，进而通过设置水箱中的水的温度就可以控制加湿器出口的湿气的温度以及湿度，避免了由于二者之间的温度差导致的无法准确控制加湿器出口的湿气的温度以及湿度的问题。
2、本申请的燃料电池系统由于包括上述的加湿装置，使得其能够得到理想温度下的理想湿度的气体，进而进一步保证了电池堆具有较好的反应效率，保证了燃料系统具有较好的性能。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种加湿装置，其特征在于，所述加湿装置包括：
水箱(1)，包括加热结构，所述加热结构用于对所述水箱(1)中的水进行加热；
膜渗透加湿器(2)，设置在所述水箱(1)中，用于对气体进行加湿；以及
第一动力设备(3)，一端与所述水箱(1)连通，另一端与所述膜渗透加湿器(2)连通，用于将所述水箱(1)中的水输送至所述膜渗透加湿器(2)中。
2.根据权利要求1所述的加湿装置，其特征在于，所述加湿装置还包括：
湿气输送管路(4)，一端与所述膜渗透加湿器(2)的气体出口连通，另一端与电堆连通。
3.根据权利要求2所述的加湿装置，其特征在于，所述加湿装置还包括：
保温设备(5)，环绕所述湿气输送管路(4)的管壁设置。
4.根据权利要求3所述的加湿装置，其特征在于，所述加湿装置还包括：
加热设备(6)，环绕所述保温设备(5)设置。
5.根据权利要求4所述的加湿装置，其特征在于，所述加湿装置还包括：
第一温湿度传感器，设置在所述保温设备(5)与所述加热设备(6)之间。
6.根据权利要求3所述的加湿装置，其特征在于，所述加湿装置还包括：
第二温度温度传感器(7)，设置在安装在所述湿气输送管路(4)上且位于所述保温设备(5)的下游。
7.根据权利要求2所述的加湿装置，其特征在于，所述加湿装置还包括：
汽水分离设备(8)，一端与所述湿气输送管路(4)连通，另一端与所述水箱(1)连通，用于将所述湿气输送管路(4)中的水分离出来。
8.根据权利要求7所述的加湿装置，其特征在于，所述加湿装置还包括：
气体疏水阀(9)，设置在所述汽水分离设备(8)与所述水箱(1)之间连通的管线上，用于阻止气体通过。
9.根据权利要求1所述的加湿装置，其特征在于，所述加湿装置还包括：
降温器(10)，与所述水箱(1)连通，用于对所述水箱(1)中的水进行降温。
10.根据权利要求9所述的加湿装置，其特征在于，所述降温器(10)通过所述第一动力设备(3)与所述水箱(1)连通。
11.根据权利要求9所述的加湿装置，其特征在于，所述加湿装置还包括：
第二动力设备(11)，一端与所述降温器(10)连通，另一端与所述水箱(1)连通。
12.一种燃料电池系统，包括加湿装置，其特征在于，所述加湿装置为权利要求1至11中的任一项所述的加湿装置。
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