CN207690926U - 一种质子交换膜燃料电池的增湿系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种质子交换膜燃料电池的增湿系统，属于燃料电池技术领域。它解决了如何提高气体增湿效率和均匀度的问题。本系统包括混合气体容器和雾化器，混合气体容器具有与混合气体容器内部连通的雾化气进气口和干燥气进气口，雾化器包括雾化部件、设置于混合气体容器内部的雾化导流体和设置于雾化导流体外表面的若干个雾化气喷嘴，雾化部件设置于混合气体容器外部且连通雾化气进气口，雾化部件通过雾化导流体连通若干个雾化气喷嘴，干燥气进气口上设置有干燥气流量调节阀，干燥气流量调节阀管路连接干燥气导流体，干燥气导流体设置于混合气体容器内且连通干燥气进气口，干燥气导流体外表表面设置有若干个气体喷嘴。从而提高增湿效率和均匀度。

Description

一种质子交换膜燃料电池的增湿系统

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，涉及一种质子交换膜燃料电池的增湿系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种新型的绿色动力源，具有工作温度低，不存在腐蚀问题，电流密度高，功率密度大、响应速度快等优点。质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心部件，用于质子交换膜燃料电池的质子交换膜需要在有水存在的情况下才能传导质子，且只有在充分水化的状态下才能具有最佳的质子导电性，因此质子交换膜必须含有足够的水分，处于良好的水合状态。然而在燃料电池运行过程中，质子在电解质膜中实质上是以水合质子的形式从阳极迁移至阴极，在持续通入干燥的阳极燃料的情况下，很容易造成阳极端电解质膜的干枯现象。在阴极端也同样存在电解质膜干枯现象，尤其是使用空气作为氧化剂时，需要通入过量空气，当大量干空气吹入时，未反应的高温气体容易将阴极区域产生的产物水汽化，随着反应气体的快速流动一起被带出电池，致使阴极端缺水。电解质膜的水分缺失将使燃料电池的内阻迅速增加，从而使电池性能急剧下降。因此，在反应气体参与反应前，需对其进行增湿以补充电解质膜上缺失的水分，保证良好的质子传递性能。

中国专利文献公开了专利号为200910143717.0的一种燃料电池增湿装置，包括气体进气口、气体出气口、雾化喷嘴、水量调节阀及气体容器湿度测量装置。该装置引入了湿度测量装置，根据检测得到的湿度调节雾化喷嘴的进水量，从而对气体的湿度进行控制，提高了增湿效率高，可以对反应气体的湿度进行及时控制，但湿度测量置于气体混合容器外，湿度调节相对有些滞后，而且该装置仅通过调节水量来保证湿度，加湿器出口又与水雾喷嘴相邻设置，这种结构往往也无法保证加湿气体成分的均匀性。

发明内容

本实用新型针对现有的技术存在的问题，提出了一种质子交换膜燃料电池的增湿系统，该系统解决了如何提高气体增湿效率和均匀度的问题。

本实用新型通过下列技术方案来实现：一种质子交换膜燃料电池的增湿系统，包括混合气体容器和雾化器，混合气体容器具有与混合气体容器内部连通的雾化气进气口和干燥气进气口，雾化器包括雾化部件，雾化部件设置于混合气体容器外部且连通雾化气进气口，其特征在于，所述雾化器还包括设置于混合气体容器内部的雾化导流体和设置于雾化导流体外表面的若干个雾化气喷嘴，雾化部件通过雾化导流体连通若干个雾化气喷嘴，所述干燥气进气口上设置有干燥气导流体，干燥气导流体设置于混合气体容器内且连通干燥气进气口，干燥气导流体外表表面设置有若干个气体喷嘴。

雾化水进入雾化导流体内通过若干个雾化气喷嘴雾化气进入混合气体容器内，且干燥气通过干燥气导流体经若干个干气体喷嘴喷出。此时雾化气与干燥气在混合气体容器内形成对流式混合，增加了气体混合过程的扰动，使得增湿效率得到极大的提高，同时提高增湿气的均匀度。上述的质子交换膜燃料电池的增湿系统中，所述雾化导流体设置于干燥气导流体正对面，且若干个雾化气喷嘴与若干个气体喷嘴个数相同且一一对应设置。这里使得雾化气与干燥气经雾化气喷嘴和气体喷嘴进入混合气体容器内形成对流，增强对流强度，提高气体混合过程的扰动，提高雾化增湿效率和均匀度。

上述的质子交换膜燃料电池的增湿系统中，上述混合气体容器具有与混合气体容器内部连通的增湿气出气口和设置于干燥气进气口上的干燥气流量调节阀，干燥气流量调节阀管路连接有干燥气导流体，所述增湿气出气口还设置有质量流量传感器，干燥气流量调节阀电连接有质量控制器，所述质量控制器连接质量流量传感器。质量流量传感器实时检测增湿气出气口气体质量并把检测信号发送给质量控制器，质量控制器根据检查数据判断，干燥气流量调节阀用于调节待加湿的干燥燃料气体或和氧化剂的流量，当质量流量过低时质量控制器控制干燥气流量调节阀对干燥气的进气流量进行提高调节，当质量流量过高时质量控制器控制干燥气流量调节阀对干燥气的进气流量进行降低调节。通过增设质量流量传感器和质量控制器对加湿质量流量进行控制能够进一步保证增湿后混合气体的均匀度。

上述的质子交换膜燃料电池的增湿系统中，所述增湿气出气口包括位于混合气体容器外部的第二出口流道和位于混合气体容器内部的第一出口流道，所述第一出口流道位于第二出口流道下方，第二出口流道连通混合气体容器且连通第一出口流道。雾化增湿后的混合气体通过第一出口流道和第二出口流道输出，具有两重出口流道的增湿气出气口增加了气流出口的稳定性。

上述的质子交换膜燃料电池的增湿系统中，所述质量流量传感器设置于第二出口流道上，所述第一出口流道上设置有湿度传感器。第一出口流道位于混合气体容器内，通过湿度传感器的检测混合气体容器内增湿后混合气体的湿度能够及时进行湿度调节，调节更加及时灵活。质量流量传感器设置于第二出口流道上使得该检测针对的是稳定输出的增湿后混合气体能够提高质量流量的检测准确度。

上述的质子交换膜燃料电池的增湿系统中，该系统还包括设置于混合气体容器底部的液态水槽，所述液态水槽设有出水口，所述出水口上设置有压力控制阀。使用液态水槽收集水滴，水滴主要来源于雾化气遇冷干燥气时液化所形成的水雾凝结后受重力作用下落。压力控制阀用于控制液态水位，当水位增加时，压力控制阀受到液压增加，当水位达到一定值时，压力控制阀会因液压过大而打开，使液态水流出混合气体容器，从而避免了液态水位过高堵塞雾化气喷嘴和气体喷嘴的现象发生。

上述的质子交换膜燃料电池的增湿系统中，所述第一出口流道均匀分布于混合气体容器上端板上，所述第一出口流道为环形结构，所述环形结构为回形环或圆环。通过环形结构设计使得该第一出口流道在增湿后混合气体的流出更为稳定。

上述的质子交换膜燃料电池的增湿系统中，若干个雾化气喷嘴按水平方向排列设置于雾化导流体外表面，若干个气体喷嘴按水平方向排列设置于干燥气导流体外表表面。雾化气喷嘴和气体喷嘴的分布统一进行水平方向排列，使得雾化导流体和干燥气导流体能够均匀引导到达雾化气喷嘴和气体喷嘴，有效提高增湿效果。

上述的质子交换膜燃料电池的增湿系统中，若干个雾化气喷嘴按竖直方向排列设置于雾化导流体外表面，若干个气体喷嘴按竖直方向设置于干燥气导流体外表表面。雾化气喷嘴和气体喷嘴的分布统一进行竖直方向排列，使得雾化导流体和干燥气导流体能够均匀引导到达雾化气喷嘴和气体喷嘴，有效提高增湿效果。

上述的质子交换膜燃料电池的增湿系统中，所述混合气体容器为长方体或圆柱体。方便设计提高增湿效果和增湿均匀度。

上述的质子交换膜燃料电池的增湿系统中，所述雾化导流体用于设置雾化气喷嘴和干燥气导流体用于设置气体喷嘴的外表面为平面或凹弧面。提高增湿效果和增湿均匀度。

与现有技术相比，本质子交换膜燃料电池的增湿系统具有以下优点：

1、本实用新型通过增加雾化导流体并设置若干个雾化气喷嘴和干燥气导流体上设置若干个气体喷嘴，雾化气喷嘴与气体喷嘴个数相同且相对一一对应设置。使得用来加湿的雾化气和干燥气采用对流式方式混合，增加气体混合过程中的扰动，可极大地提高增湿效率，且提高增湿气体的均匀度。

2、本实用新型雾化增湿后的混合气体通过第一出口流道和第二出口流道输出，具有两重出口流道的增湿气出气口增加了气流出口的稳定性。

3、本实用新型通过质量流量传感器和湿度传感器检测由质量控制器和湿度控制器实现湿度测量控制和加湿气质量流量的双重控制，能够保证增湿后混合气体的湿度和燃料/氧化剂含量。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图。

图2是第一出口流道结构示意图。

图3是水平方向排列放置雾化气喷嘴的侧视图。

图4是在长方体混合气体容器内水平方向设置雾化气喷嘴的俯视图。

图5是在圆柱体混合气体容器内水平方向设置雾化气喷嘴的俯视图。

图6是竖直方向排列放置雾化气喷嘴侧视图。

图7是在长方体混合气体容器内竖直方向设置雾化气喷嘴的俯视图。

图8是在圆柱体混合气体容器内竖直方向设置雾化气喷嘴的俯视图。

图中，1、水量调节阀；2、雾化器；21、雾化部件；22、雾化导流体；23、雾化气喷嘴；3、雾化气进气口；4、干燥气进气口；5、干燥气流量调节阀；6、干燥气导流体；7、气体喷嘴；8、混合气体容器；9、增湿气出气口；91、第一出口流道；92、第二出口流道；10、湿度传感器；11、质量流量传感器；12、液态水槽；13、压力控制阀；14、出水口；15、湿度控制器；16、质量控制器。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例，并结合附图对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

如图1-图8所示，本质子交换膜燃料电池的增湿系统包括混合气体容器8、雾化器2、湿度传感器10、水量调节阀和湿度控制器15，水量调节阀和湿度传感器10分别电连接湿度控制器15，湿度控制器15根据湿度传感器10的湿度测量信号控制水量调节阀调节雾化器2进水量，混合气体容器8具有与混合气体容器8内部连通的雾化气进气口3、干燥气进气口4和增湿气出气口9，雾化器2包括雾化部件21、设置于混合气体容器8内部的雾化导流体22和设置于雾化导流体22外表面的若干个雾化气喷嘴23，雾化部件21设置于混合气体容器8外部且连通雾化气进气口3，雾化部件21通过雾化导流体22连通若干个雾化气喷嘴23，干燥气进气口4上还设置有干燥气流量调节阀5，干燥气流量调节阀5管路连接有干燥气导流体6，干燥气导流体6设置于混合气体容器8内且连通干燥气进气口4，干燥气导流体6外表表面设置有若干个气体喷嘴7，增湿气出气口9还设置有质量流量传感器11，干燥气流量调节阀5电连接有质量控制器16，质量控制器16连接质量流量传感器11。混合气体容器8可以为长方体或圆柱体。雾化导流体22和干燥气导流体6用于设置喷嘴的外表面为平面或凹弧面。质量控制器16和湿度控制器15可以为一个处理器实现也可以由两个处理器分布进行湿度和质量的控制。具体的，以氢气为例，若质量流量大于预设范围，说明氢气含量偏低，干燥气流量调节阀5将加大氢气的入流量，反之则减小氢气入流量。另以空气或氧气为例，若质量流量小于预设范围，说明空气或氧气含量偏低，干燥气流量调节阀5将加大空气或氧气的入流量，反之则减小氢气入流量。干燥气体导流体用于将干燥气体均匀分配各个气体喷嘴7。

雾化导流体22设置于干燥气导流体6正对面，且若干个雾化气喷嘴23与若干个气体喷嘴7个数相同且一一对应设置。雾化气与干燥气经雾化气喷嘴23和气体喷嘴7进入混合气体容器8内形成对流，增强对流强度，提高气体混合过程的扰动，提高雾化增湿效率和均匀度。若干个雾化气喷嘴23按水平方向排列设置于雾化导流体22外表面，若干个气体喷嘴7按水平方向排列设置于干燥气导流体6外表表面。这里也可以选用竖直设置，如若干个雾化气喷嘴23按竖直方向排列设置于雾化导流体22外表面，若干个气体喷嘴7按竖直方向设置于干燥气导流体6外表表面。雾化气喷嘴23和气体喷嘴7的分布统一进行水平方向或竖直方向排列，使得雾化导流体22和干燥气导流体6能够均匀引导到达雾化气喷嘴23和气体喷嘴7，有效提高增湿效果。如图3-图5所示，水平方向上设置雾化气喷嘴23结构，从图4可以看出在混合气体容器8为长方体且雾化导流体22外表面为平面时水平方向设置雾化气喷嘴23的结构，对应的侧视图为图3。从图4可以看出在混合气体容器8为圆柱时体且雾化导流体22外表面为凹弧面时水平方向设置雾化气喷嘴23的结构，对应的侧视图为图3。还有一种情况如图6-图8所示垂直方向上设置雾化气喷嘴23结构，从图7可以看出在混合气体容器8为长方体且雾化导流体22外表面为平面时竖直方向设置雾化气喷嘴23的结构，对应的侧视图为图6。从图8可以看出在混合气体容器8为圆柱时体且雾化导流体22外表面为凹弧面时竖直方向设置雾化气喷嘴23的结构，对应的侧视图为图6。而气体喷嘴7的结构与雾化气喷嘴23的个数相同且结构相对应。即雾化气喷嘴23水平设置气体喷嘴7也水平设置，雾化气喷嘴23竖直设置气体喷嘴7也相应的竖直设置。进一步说明雾化气喷嘴23及雾化导流体22结构与气体喷嘴7和干燥气导流体6结构成镜像关系。

增湿气出气口9包括位于混合气体容器8外部的第二出口流道92和位于混合气体容器8内部的第一出口流道91，第一出口流道91位于第二出口流道92下方，第二出口流道92连通混合气体容器8且连通第一出口流道91。第一出口流道91均匀分布于混合气体容器8上端板上，第一出口流道91为环形结构，环形结构为回形环或圆环。如图2所示，a表示混合气体容器8为长方体时，第一出口流道91设置为回形环结构。b表示混合气体容器8为圆柱体时，第一出口流道91设置为圆环结构；c表示混合气体容器8为长方体时，第一出口流道91设置为圆环结构；d表示混合气体容器8为圆柱体时，第一出口流道91设置为回形环结构。

雾化增湿后的混合气体通过第一出口流道91和第二出口流道92输出，具有两重出口流道的增湿气出气口9增加了气流出口的稳定性。质量流量传感器11设置于第二出口流道92上，湿度传感器10设置于第一出口流道91上。即最优模式可以设置于混合气体容器上端板中央位置，第一出口流道91位于混合气体容器8内，通过湿度传感器10的检测混合气体容器8内增湿后混合气体的湿度能够及时进行湿度调节，调节更加及时灵活。质量流量传感器11设置于第二出口流道92上使得该检测针对的是稳定输出的增湿后混合气体能够提高质量流量的检测准确度。通过环形结构设计使得该第一出口流道91在增湿后混合气体的流出更为稳定。

该系统还包括设置于混合气体容器8底部的液态水槽12，液态水槽12设有出水口14，出水口14上设置有压力控制阀13。使用液态水槽12收集水滴，水滴主要来源于雾化气遇冷干燥气时液化所形成的水雾凝结后受重力作用下落。压力控制阀13用于控制液态水位，当水位增加时，压力控制阀13受到液压增加，当水位达到一定值时，压力控制阀13会因液压过大而打开，使液态水流出混合气体容器8，从而避免了液态水位过高堵塞雾化气喷嘴23和气体喷嘴7的现象发生。

湿度传感器10实时检测增湿气出气口9气体湿度并把检测信号发送给湿度控制器15，湿度控制器15根据检查信号进行判断，当湿度过低时湿度控制器15控制水量调节阀降低雾化器2进水量，当湿度过高时湿度控制器15控制水量调节阀加大雾化器2进水量，雾化水进入雾化导流体22内通过若干个雾化气喷嘴23雾化气进入混合气体容器8内，同时质量流量传感器11实时检测增湿气出气口9气体质量并把检测信号发送给质量控制器16，质量控制器16根据检查数据判断，干燥气流量调节阀5用于调节待加湿的干燥燃料气体或和氧化剂的流量，当质量流量过低时质量控制器16控制干燥气流量调节阀5对干燥气的进气流量进行提高调节，当质量流量过高时质量控制器16控制干燥气流量调节阀5对干燥气的进气流量进行降低调节。且干燥气通过干燥气导流体6经若干个干气体喷嘴7喷出。此时雾化气与干燥气在混合气体容器8内形成对流式混合，增加了气体混合过程的扰动，使得增湿效率得到极大的提高，同时提高增湿气的均匀度。且通过增设质量流量传感器11和质量控制器16对加湿质量流量进行控制能够进一步保证增湿后混合气体的均匀度。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池的增湿系统，包括混合气体容器(8)和雾化器(2)，混合气体容器(8)具有与混合气体容器(8)内部连通的雾化气进气口(3)和干燥气进气口(4)，雾化器(2)包括雾化部件(21)，雾化部件(21)设置于混合气体容器(8)外部且连通雾化气进气口(3)，其特征在于，所述雾化器(2)还包括设置于混合气体容器(8)内部的雾化导流体(22)和设置于雾化导流体(22)外表面的若干个雾化气喷嘴(23)，雾化部件(21)通过雾化导流体(22)连通若干个雾化气喷嘴(23)，所述干燥气进气口(4)上设置有干燥气导流体(6)，干燥气导流体(6)设置于混合气体容器(8)内且连通干燥气进气口(4)，干燥气导流体(6)外表表面设置有若干个气体喷嘴(7)。

2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的增湿系统，其特征在于，所述雾化导流体(22)设置于干燥气导流体(6)正对面，且若干个雾化气喷嘴(23)与若干个气体喷嘴(7)个数相同且一一对应设置。

3.根据权利要求1或2所述的质子交换膜燃料电池的增湿系统，其特征在于，本系统还包括增湿气出气口(9)和设置于干燥气进气口(4)上的干燥气流量调节阀(5)，干燥气流量调节阀(5)管路连接有干燥气导流体(6)，所述增湿气出气口(9)设置有质量流量传感器(11)，干燥气流量调节阀(5)电连接有质量控制器(16)，所述质量控制器(16)连接质量流量传感器(11)。

4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池的增湿系统，其特征在于，所述增湿气出气口(9)包括位于混合气体容器(8)外部的第二出口流道(92)和位于混合气体容器(8)内部的第一出口流道(91)，所述第一出口流道(91)位于第二出口流道(92)下方，第一出口流道(91)连通混合气体容器(8)且连通第二出口流道(92)。

5.根据权利要求4所述的质子交换膜燃料电池的增湿系统，其特征在于，所述质量流量传感器(11)设置于第二出口流道(92)上，上述第一出口流道(91)上设置有湿度传感器(10)。

6.根据权利要求4所述的质子交换膜燃料电池的增湿系统，其特征在于，所述第一出口流道(91)均匀分布于混合气体容器(8)上端板上，所述第一出口流道(91)为环形结构，所述环形结构为回形环或圆环。

7.根据权利要求1或2所述的质子交换膜燃料电池的增湿系统，其特征在于，该系统还包括设置于混合气体容器(8)底部的液态水槽(12)，所述液态水槽(12)设有出水口(14)，所述出水口(14)上设置有压力控制阀(13)。

8.根据权利要求1或2所述的质子交换膜燃料电池的增湿系统，其特征在于，若干个雾化气喷嘴(23)按水平方向排列设置于雾化导流体(22)外表面，若干个气体喷嘴(7)按水平方向排列设置于干燥气导流体(6)外表表面。

9.根据权利要求1或2所述的质子交换膜燃料电池的增湿系统，其特征在于，若干个雾化气喷嘴(23)按竖直方向排列设置于雾化导流体(22)外表面，若干个气体喷嘴(7)按竖直方向设置于干燥气导流体(6)外表表面。

10.根据权利要求1或2所述的质子交换膜燃料电池的增湿系统，其特征在于，所述混合气体容器(8)为长方体或圆柱体，所述雾化导流体(22)用于设置雾化气喷嘴(23)和干燥气导流体(6)用于设置气体喷嘴(7)的外表面为平面或凹弧面。