CN212934680U - 一种燃料电池的增湿系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及燃料电池的增湿技术领域，公开一种燃料电池的增湿系统，包括：空气增湿管路、氢气增湿管路以及氢气排出管路；空气增湿管路包括空气压缩机和增湿器；氢气增湿管路包括氢气喷射阀；氢气排出管路包括气水分离器和气泵，气水分离器的进口与氢气出口连通，气水分离器的气体出口与气泵连通，气泵排出的氢气与氢气喷射阀排出的氢气混合，气水分离器的液体出口和电堆的尾气出口均与增湿器连通。本实用新型公开的燃料电池的增湿系统将气泵与氢气喷射阀的出口连通，增加了进入电堆的氢气的温度和湿度，气水分离器的液体出口和电堆的尾气出口均与增湿器连通，增加了进入电堆的空气的湿度。

Description

一种燃料电池的增湿系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池的增湿技术领域，尤其涉及一种燃料电池的增湿系统。

背景技术

燃料电池汽车的动力源主要来自燃料电池发动机，而燃料电池发动机系统主要包括氢气供应子系统、空气供应子系统、水管理子系统。水管理是燃料电池发动机系统的管理与控制的重要环节，目前大多采用质子膜进行传输，常用的质子膜为全氟磺酸质子交换膜，质子膜传输质子时需要质子以水合离子的形式存在，因此需要对反应气体进行增湿以提高质子传导能力，进而提高燃料电池发动机系统的输出性能，但反应气体的湿度过高也容易导致燃料电池内部发生水淹，降低其性能，因此还要采取一定的控制策略，每间隔一段时间打开阳极反应气体出口，利用反应气体将多余的水带出。

目前通常采用膜增湿器对进入电堆的空气进行增湿，利用电堆的尾气出口的温暖且潮湿的尾气通过增湿器内膜的一侧，液态的水在浓度差的作用下扩散到膜的另一侧，最后蒸发至空气中。携带水汽的空气进入电堆内部在质子交换膜上发生电化学反应。在电堆的氢气出口处设有气水分离器，气水分离器分离后的液态的水通过电磁排水阀排出系统。然而实际应用表明，在电堆小功率运行时，由于尾气出口的尾气携带的水蒸气较少，使得空气容易缺水；而在电堆大功率运行时，由于空气的流量增大，增湿器性能大幅下降，往往难以满足进入电堆的空气的湿度需求，此时电堆内部湿度不够均匀，容易引起电堆局部缺水，燃料电池性能有所下降。

实用新型内容

基于以上所述，本实用新型的目的在于提供一种燃料电池的增湿系统，解决了现有技术存在的由于经空气入口进入电堆的空气湿度低而降低燃料电池性能的问题。

为达上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种燃料电池的增湿系统，包括连接燃料电池的电堆的空气入口的空气增湿管路、连接所述电堆的氢气入口的氢气增湿管路以及连接所述电堆的氢气出口的氢气排出管路；所述空气增湿管路包括连通的空气压缩机和增湿器，所述增湿器与所述空气入口连通；所述氢气增湿管路包括氢气喷射阀，所述氢气喷射阀与所述氢气入口连通；所述氢气排出管路包括气水分离器和气泵，所述气水分离器的进口与所述氢气出口连通，所述气水分离器的气体出口与所述气泵连通，所述气泵排出的氢气与所述氢气喷射阀排出的氢气混合，所述气水分离器的液体出口和所述电堆的尾气出口均与所述增湿器连通以增加进入所述空气入口的空气的湿度。

作为一种燃料电池的增湿系统的优选方案，所述空气增湿管路还包括中冷器，所述中冷器设于所述空气压缩机和所述增湿器之间，所述氢气增湿管路还包括换热器，所述换热器位于所述氢气入口和所述氢气喷射阀之间，所述燃料电池的增湿系统还包括闭式循环管，所述闭式循环管流经所述中冷器和所述换热器，所述闭式循环管上设有循环泵，所述循环泵能够将所述换热器排出的温度较低的水抽至所述中冷器进行加热。

作为一种燃料电池的增湿系统的优选方案，所述闭式循环管分别与所述电堆的冷却水入口和冷却水出口连通，所述冷却水入口与所述闭式循环管的连接位置位于所述换热器与所述循环泵之间，所述冷却水出口与所述闭式循环管的连接位置位于所述循环泵与所述中冷器之间。

作为一种燃料电池的增湿系统的优选方案，所述燃料电池的增湿系统还包括节气门和混合室，所述节气门与所述增湿器连通，所述尾气出口的尾气依次经所述增湿器和所述节气门排至所述混合室。

作为一种燃料电池的增湿系统的优选方案，所述氢气排出管路还包括三通阀，所述三通阀上设有进入口、第一排出口和第二排出口，所述进入口与所述气水分离器的液体出口连通，所述第一排出口与所述增湿器连通，所述第二排出口与所述混合室连通。

作为一种燃料电池的增湿系统的优选方案，所述氢气排出管路还包括排气阀，所述排气阀的一端与所述气水分离器的气体出口连通，另一端与所述混合室连通。

作为一种燃料电池的增湿系统的优选方案，所述空气增湿管路还包括空气过滤器，所述空气过滤器与所述空气压缩机连通以过滤进入所述空气压缩机的空气。

作为一种燃料电池的增湿系统的优选方案，所述空气增湿管路还包括温度传感器，所述温度传感器设于所述空气入口以检测空气的温度。

作为一种燃料电池的增湿系统的优选方案，所述氢气增湿管路还包括压力调节器和氢气瓶，所述氢气瓶、所述压力调节器、所述氢气喷射阀及所述氢气入口依次连通。

作为一种燃料电池的增湿系统的优选方案，所述氢气增湿管路还包括压力传感器，所述压力传感器设于所述压力调节器和所述氢气喷射阀之间以检测所述压力调节器出口的氢气的压力。

本实用新型的有益效果为：本实用新型公开的燃料电池的增湿系统的气泵与氢气喷射阀的出口连通，增加了进入电堆的氢气的温度和湿度，有助于电堆内的反应，气水分离器的液体出口和电堆的尾气出口均与增湿器连通，增加了进入空气入口的空气的湿度，避免了由于进入电堆的空气湿度较低而降低燃料电池性能的现象的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对本实用新型实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本实用新型实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型具体实施例提供的燃料电池的增湿系统的流程图。

图中：

100、电堆；101、空气入口；102、氢气入口；103、冷却水入口；104、尾气出口；105、氢气出口；106、冷却水出口；

21、空气压缩机；22、增湿器；23、中冷器；24、空气过滤器；25、温度传感器；26、流量计；

31、氢气喷射阀；32、换热器；33、压力调节器；34、氢气瓶；35、压力传感器；

41、气水分离器；42、气泵；43、三通阀；44、排气阀；

51、闭式循环管；52、循环泵；

61、节气门；62、混合室。

具体实施方式

为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1所示，本实施例提供一种燃料电池的增湿系统，包括连接燃料电池的电堆100的空气入口101的空气增湿管路、连接电堆100的氢气入口102的氢气增湿管路以及连接电堆100的氢气出口105的氢气排出管路。其中空气增湿管路包括连通的空气压缩机21和增湿器22，增湿器22与空气入口101连通，氢气增湿管路包括氢气喷射阀31，氢气喷射阀31与氢气入口102连通，氢气排出管路包括气水分离器41和气泵42，气水分离器41的进口与氢气出口105连通，气水分离器41的气体出口与气泵42连通，气泵42排出的氢气与氢气喷射阀31排出的氢气混合，以使进入电堆100的氢气的温度和湿度均增加，气水分离器41的液体出口和电堆100的尾气出口104均与增湿器22连通以增加进入空气入口101的空气的湿度。

由于电堆100的氢气出口105的氢气湿度较大，气泵42将该湿度较大的氢气直接与氢气喷射阀31出口的氢气混合，可以直接增加进入电堆100的氢气的湿度。

本实施例提供的燃料电池的增湿系统的气泵42与氢气喷射阀31的出口连通，增加了进入电堆100的氢气的温度和湿度，有助于电堆100内的反应，气水分离器41的液体出口和电堆100的尾气出口104均与增湿器22连通，增加了进入空气入口101的空气的湿度，避免了由于进入电堆100的空气湿度较低而降低燃料电池的性能的现象的发生。

具体地，如图1所示，本实施例的空气增湿管路还包括中冷器23，中冷器23设于空气压缩机21和增湿器22之间。如图1所示，本实施例的氢气增湿管路还包括换热器32，换热器32位于氢气入口102和氢气喷射阀31之间，如图1所示，本实施例的燃料电池的增湿系统还包括闭式循环管51，闭式循环管51流经中冷器23和换热器32，闭式循环管51上设有循环泵52，循环泵52能够将换热器32排出的温度较低的水抽至中冷器23进行加热。

由于中冷器23能够降低增压后的空气的温度，温度较高的空气在中冷器23内释放大量的热量，因此，闭式循环管51内的水能够在中冷器23内吸收热量，吸热后的水进入换热器32，从而加热换热器32内的氢气，降温后的水从换热器32排出后被循环泵52再次泵送至中冷器23进行吸热，从而再次利用吸热后的水加热换热器32中的氢气，实现了将中冷器23内的空气降温所释放的热量加热进入电堆100的氢气的目的。

进一步地，本实施例的闭式循环管51分别与电堆100的冷却水入口103和冷却水出口106连通，冷却水入口103与闭式循环管51的连接位置位于换热器32与循环泵52之间，冷却水出口106与闭式循环管51的连接位置位于循环泵52与中冷器23之间。实际循环时，冷却水出口106排出的水首先与换热器32排出的水混合，然后循环泵52对其进行增压，增压后的水一部分经冷却水入口103重新进入电堆100，其余部分进入中冷器23，进入中冷器23内的水温度升高，升温后的水对进入换热器32内的氢气进行加热，升温后的氢气不利于水蒸气的冷凝，从而有效地防止氢气中的水蒸气在氢气入口102冷凝而堵塞氢气入口102并使得进入电堆100的氢气的湿度下降的现象发生，从换热器32排出的降温后的水则与冷却水出口106的水重新混合并进入循环泵52进行增压。

如图1所示，本实施例的燃料电池的增湿系统还包括节气门61和混合室62，节气门61与增湿器22连通，尾气出口104的尾气依次经增湿器22和节气门61排至混合室62，混合室62用于储存尾气以避免直接将尾气排入大气而污染环境的现象的发生。

如图1所示，本实施例的氢气排出管路还包括三通阀43，三通阀43上设有进入口、第一排出口和第二排出口，进入口与气水分离器41的液体出口连通，第一排出口与增湿器22连通，第二排出口与混合室62连通。具体地，当增湿器22出口的空气的湿度满足预设空气湿度时，将三通阀43的进入口与第二排出口连通以使气水分离器41内的水直接排至混合室62，此时进入口与第一排出口不连通，即气水分离器41内的水无法与增湿器22连通；当增湿器22出口的空气的湿度低于预设空气湿度时，将三通阀43的进入口与第一排出口连通以使气水分离器41内的水与尾气出口104排出的尾气进行混合，从而增加增湿器22排出的空气的湿度，此时进入口与第二排出口不连通，即气水分离器41内的水无法排至混合室62。

如图1所示，本实施例的氢气排出管路还包括排气阀44，排气阀44的一端与气水分离器41的气体出口连通，另一端与混合室62连通。具体地，气泵42一直处于开启状态，即气泵42一直将电堆100的氢气出口105的氢气湿度较大的氢气直接泵至氢气喷射阀31出口，从而使电堆100的氢气的湿度增加。具体地，排气阀44间歇开启和关闭，燃料电池的增湿系统的输出电流越大，开启排气阀44的间隔时长越短，具体间隔时长根据实际需要设置。关闭排气阀44时，经氢气出口105排出的含有氮气的氢气经气泵42与换热器32出口的氢气混合，随着反应的进行，氢气出口105的氮气的含量增多；开启排气阀44时，排气阀44能够将氢气出口105排出的含有氮气的氢气排至混合室62，从而提升了氢气入口102进入电堆100的氢气的浓度。例如，当本实施例的燃料电池的增湿系统的输出电流为50A时，每间隔20s将排气阀44开启1s。

如图1所示，本实施例的空气增湿管路还包括空气过滤器24、温度传感器25及流量计26，空气过滤器24与空气压缩机21连通以过滤进入空气压缩机21的空气，空气过滤器24能够有效过滤空气中的颗粒物，防止空气中的颗粒物进入电堆100影响反应，温度传感器25设于空气入口101以检测空气的温度，温度传感器25能够实时检测空气入口101的空气的温度，以保证空气的温度在合适的范围内，从而利于电堆100的反应。流量计26设于空气过滤器24和中冷器23之间，以检测进入电堆100的空气的流量。

如图1所示，本实施例的氢气增湿管路还包括压力传感器35、压力调节器33和氢气瓶34，氢气瓶34、压力调节器33、氢气喷射阀31及氢气入口102依次连通，压力传感器35设于压力调节器33和氢气喷射阀31之间以检测压力调节器33出口的氢气的压力，从而便于实时调整压力调节器33，保证压力调节器33出口的氢气的压力在合适的压力范围内，从而利于电堆100的反应。

优选地，本实施例的燃料电池的增湿系统还包括控制器(未在图中示出)，控制器分别与气泵42、三通阀43及排气阀44电连接，具体地，本实施例的控制器可以是集中式或分布式的控制器，比如，控制器可以是一个单独的单片机，也可以是分布的多块单片机构成，单片机可以运行控制程序，进而控制气泵42、三通阀43及排气阀44实现其功能。

燃料电池以中小功率运行时，空气进口的空气流量和氢气入口102的氢气流量均比较小，气泵42一直处于开启状态，排气阀44间歇开启和关闭，其中，气泵42能够将氢气出口105的湿度较大的氢气与换热器32出口的湿度较低的氢气混合，从而增加氢气入口102的氢气的湿度，同时，循环泵52将闭式循环管51内的一部分水抽至中冷器23易吸收空气在中冷器23内释放的热量，吸热后的水进入换热器32，从而加热换热器32内的氢气，降温后的水从换热器32排出后被循环泵52再次泵送至中冷器23进行吸热，从而再次利用吸热后的水加热换热器32中的氢气，实现了将中冷器23内的空气降温所释放的热量加热进入电堆100的氢气的目的。

燃料电池以大功率运行时，空气进口的空气流量和氢气入口102的氢气流量均比较大，冷却水出口106的水也会增多，气水分离器41能够分离出液态的水，分离出来的水经过三通阀43与空气出口的尾气汇合后进入增湿器22，提高了进入电堆100的空气的湿度，保证电堆100内部水环境的均匀稳定，同时为了防止空气入口101的空气的湿度过高，将三通阀43的进入口与第二排出口连通，以将多余的水排入混合室62，保证燃料电池在大功率下保持进入电堆100的氢气和空气的湿度的稳定。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种燃料电池的增湿系统，其特征在于，包括连接燃料电池的电堆(100)的空气入口(101)的空气增湿管路、连接所述电堆(100)的氢气入口(102)的氢气增湿管路以及连接所述电堆(100)的氢气出口(105)的氢气排出管路；

所述空气增湿管路包括连通的空气压缩机(21)和增湿器(22)，所述增湿器(22)与所述空气入口(101)连通；

所述氢气增湿管路包括氢气喷射阀(31)，所述氢气喷射阀(31)与所述氢气入口(102)连通；

所述氢气排出管路包括气水分离器(41)和气泵(42)，所述气水分离器(41)的进口与所述氢气出口(105)连通，所述气水分离器(41)的气体出口与所述气泵(42)连通，所述气泵(42)排出的氢气与所述氢气喷射阀(31)排出的氢气混合，所述气水分离器(41)的液体出口和所述电堆(100)的尾气出口(104)均与所述增湿器(22)连通以增加进入所述空气入口(101)的空气的湿度。

2.根据权利要求1所述的燃料电池的增湿系统，其特征在于，所述空气增湿管路还包括中冷器(23)，所述中冷器(23)设于所述空气压缩机(21)和所述增湿器(22)之间，所述氢气增湿管路还包括换热器(32)，所述换热器(32)位于所述氢气入口(102)和所述氢气喷射阀(31)之间，所述燃料电池的增湿系统还包括闭式循环管(51)，所述闭式循环管(51)流经所述中冷器(23)和所述换热器(32)，所述闭式循环管(51)上设有循环泵(52)，所述循环泵(52)能够将所述换热器(32)排出的温度较低的水抽至所述中冷器(23)进行加热。

3.根据权利要求2所述的燃料电池的增湿系统，其特征在于，所述闭式循环管(51)分别与所述电堆(100)的冷却水入口(103)和冷却水出口(106)连通，所述冷却水入口(103)与所述闭式循环管(51)的连接位置位于所述换热器(32)与所述循环泵(52)之间，所述冷却水出口(106)与所述闭式循环管(51)的连接位置位于所述循环泵(52)与所述中冷器(23)之间。

4.根据权利要求1所述的燃料电池的增湿系统，其特征在于，所述燃料电池的增湿系统还包括节气门(61)和混合室(62)，所述节气门(61)与所述增湿器(22)连通，所述尾气出口(104)的尾气依次经所述增湿器(22)和所述节气门(61)排至所述混合室(62)。

5.根据权利要求4所述的燃料电池的增湿系统，其特征在于，所述氢气排出管路还包括三通阀(43)，所述三通阀(43)上设有进入口、第一排出口和第二排出口，所述进入口与所述气水分离器(41)的液体出口连通，所述第一排出口与所述增湿器(22)连通，所述第二排出口与所述混合室(62)连通。

6.根据权利要求4所述的燃料电池的增湿系统，其特征在于，所述氢气排出管路还包括排气阀(44)，所述排气阀(44)的一端与所述气水分离器(41)的气体出口连通，另一端与所述混合室(62)连通。

7.根据权利要求1所述的燃料电池的增湿系统，其特征在于，所述空气增湿管路还包括空气过滤器(24)，所述空气过滤器(24)与所述空气压缩机(21)连通以过滤进入所述空气压缩机(21)的空气。

8.根据权利要求1所述的燃料电池的增湿系统，其特征在于，所述空气增湿管路还包括温度传感器(25)，所述温度传感器(25)设于所述空气入口(101)以检测空气的温度。

9.根据权利要求1所述的燃料电池的增湿系统，其特征在于，所述氢气增湿管路还包括压力调节器(33)和氢气瓶(34)，所述氢气瓶(34)、所述压力调节器(33)、所述氢气喷射阀(31)及所述氢气入口(102)依次连通。

10.根据权利要求9所述的燃料电池的增湿系统，其特征在于，所述氢气增湿管路还包括压力传感器(35)，所述压力传感器(35)设于所述压力调节器(33)和所述氢气喷射阀(31)之间以检测所述压力调节器(33)出口的氢气的压力。

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