CN215815960U - 一种水气交换型燃料电池加湿器及加湿系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水气交换型燃料电池加湿器及加湿系统，加湿器内部设置加湿芯，加湿芯外套有壳体，且加湿芯的两端伸出壳体两端，加湿芯与壳体之间留有间隙，加湿芯的两端分别为进气口和排气口，壳体上设有进水口和排水口。该加湿器接入电堆时，电堆的阴极排出端连接水分离器，水分离器连接水箱，水箱的排水口与加湿器的进水口连接，加湿器的排水口及水分离器的排气口均接入尾排出口，电堆中的空压机经中冷器与加湿器的进气口连接，加湿器的排气口与电堆的进气口连接。本实用新型提供的水气交换型加湿器结构简单，工作可靠，特别适合于电堆初期启动，可以实现燃料电池启动快速加湿，加湿系统体积小，能够对燃料电池进行更加合理有效的水管理。

Description

一种水气交换型燃料电池加湿器及加湿系统

技术领域

本实用新型属于燃料电池术领域，尤其涉及一种水气交换型燃料电池加湿器及加湿系统。

背景技术

燃料电池的膜电极一般由聚合物膜、催化剂层和气体扩散层组成，其中，聚合物膜的主要作用是传导质子、隔绝反应气体，由于质子的传导一般是以水合质子的形式进行，所以在燃料电池运行过程中，需要保持聚合物膜一定的湿度，只有在湿润的情况下才能有较高的质子传导率。一般情况下阳极氢气和阴极空气都必须加湿，阴极侧反应生成水，在两侧水浓度梯度差下，水会经过膜迁移到另一侧。目前应用于燃料电池系统的空气加湿方法通常是采用加湿器，主流加湿器均为气-气加湿型，即利用从电堆排出的湿润的空气对进入电堆的干燥的空气进行加湿。气-气型加湿器的工作原理大致如下：以管壳式气-气加湿器为例，由一束束中空纤维管膜排列而成，干燥的气体从管内侧流入，电堆排出的湿润的气体从管外侧流过，把热量和水分传递给内侧气体。但现有的气-气加湿型加湿器存在结构复杂，成本较高，加湿能力较弱的缺点，尤其是燃料电池启动初期，电堆反应生成的水较少，电堆排出的空气湿度较低，导致加湿器加湿能力较弱。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种水气交换型燃料电池加湿器及加湿系统，旨在解决上述背景技术中现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种水气交换型燃料电池加湿器，包括加湿器本体，所述加湿器本体的内部设置加湿芯，加湿芯外套有壳体，且加湿芯的两端伸出壳体两端，所述壳体的端部通过盖体与加湿芯固定连接，所述加湿芯与壳体之间留有间隙，所述加湿芯的两端分别为进气口和排气口，所述壳体上设有进水口和排水口。

优选地，所述壳体内的加湿芯侧壁设有多个微孔，采用粉末冶金制作，水从壳体的进水口进入加湿器内后，能从加湿芯侧壁的微孔渗透至加湿芯内腔，对加湿芯内部通过的气体进行加湿。进水可采用热水，能同时实现加湿芯内部气体的加热，从而提高进入电堆气体的温度和湿度。

优选地，所述盖体与壳体的端部及加湿芯连接处设有密封垫，防止加湿器漏气漏水。

优选地，所述进水口和排水口分别设置于壳体两端部的同侧或两侧，实现更好的加湿效果。

本实用新型还提供了上述加湿器应用于燃料电池的加湿系统，包括电堆、水分离器、水箱、加湿器本体、空压机和尾排出口，所述电堆的阴极排出端与水分离器进口连接，水分离器的排水口与水箱的进水口连接，水分离器的排气口与尾排出口连接，所述水箱的排水口与加湿器本体的进水口连接，加湿器本体的排水口通过电磁阀与尾排出口连接，加湿器本体的进气口通过中冷器与空压机的排气口连接，加湿器本体的排气口与电堆的进气口连接。

可对水箱中的水进行加热，在水箱中设有电加热管，用来提高水温，特别适用于燃料电池电堆启动初期，排出的空气温度和湿度较低，普通加湿器加湿能力较弱，需要等待电堆功率缓慢提升至一定值，加湿器加湿能力达到正常。水箱还可与燃料电池PTC联通，利用燃料电池PTC加热。电加热管用于燃料电池启动初期的水箱供热，燃料电池PTC用于燃料电池正常工作时水箱供热，节省能量。

优选地，所述水箱的外侧设有保温装置，防止热量流失和保护水箱冬季不结冰。

优选地，所述加湿器本体的排水口通过回水管路与水箱的进口进水口连接，回水管路上设有电磁阀，保证水箱中的水量，同时，在水箱内设置液位传感器，监测水箱中的水量，及时回水或排水。

优选地，所述水箱的排水口与加湿器本体的进水口连接的管路上设有水泵，所述水泵与FCU(燃料电池控制器)电连接，通过FCU控制水泵间歇工作，减少能量损耗。

此外，加湿器本体的排气口与电堆的进气口连接的管路上设有压力传感器和温湿度传感器，空压机的进气口连接空气滤清器，空压机与空气滤清器之间设有流量计。

相比于现有技术的缺点和不足，本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型提供了一种“水-气”交换型的电堆加湿器，与“气-气”型加湿器相比，结构简单，工作可靠，特别适合于电堆初期启动，可以实现燃料电池启动快速加湿。

(2)本实用新型提供的水气交换型燃料电池加湿系统能够利用电堆自身排出的水对进如电堆的气体进行加湿，加湿能力强，且整体体积小，能够对燃料电池进行更加合理有效的水管理。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种水气交换型燃料电池加湿器的结构示意图。

图2是本实用新型实施例提供的一种水气交换型燃料电池加湿系统的结构示意图。

图中：1-电堆；2-水分离器；3-水箱；4-电加热管；5-水泵；6-加湿器本体；60-加湿芯；61-进气口；62-排气口；63-进水口；64-排水口；65-壳体；66-盖体；67-密封垫；7-尾排出口；8-空压机；9-中冷器；10-电磁阀；11-压力传感器；12-温湿度传感器；13-空气滤清器；14-流量计。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，一种水气交换型燃料电池加湿器，包括加湿器本体6，加湿器本体6的内部设置加湿芯60，采用粉末冶金制作，其侧壁设有多个微孔。加湿芯60外套有壳体65，且加湿芯60的两端伸出壳体65两端，加湿芯60的两端分别为进气口61和排气口62，壳体65的端部通过盖体66与加湿芯60固定连接，连接处设有密封垫67，防止加湿器漏气漏水。加湿芯60与壳体65之间留有间隙，壳体65上设有进水口63和排水口64，水从进水口63进入加湿器后，从加湿芯60外壁的微孔渗透进入加湿芯60内部，由通过加湿芯60内部的空气“携带”进入电堆1，从而提高空气湿度。进水口63和排水口64分别设置于壳体65两端部的同侧或两侧，实现更好的加湿效果。

上述加湿器应用于燃料电池的加湿系统的结构图如图2所示，电堆1的阴极排出端连接水分离器2，水分离器2的排水口与水箱3的进水口连接，水分离器2的排气口连接至尾排出口7，水箱3的排水口通过水泵5与加湿器本体6的进水口63连接，加湿器本体6的排水口64与尾排出口7连接，连接管路上设有电磁阀10。水泵可与FCU(燃料电池控制器)电连接，通过FCU控制水泵间歇工作，减少能量损耗。加湿器本体6的进气口61通过中冷器9与空压机8的排气口连接，空压机8的进气口连接空气滤清器13，空压机8与空气滤清器13之间设有流量计14，空气滤清器13用以滤除空气杂质，流量计14采集进入空压机8的空气流量；加湿器本体6的排气口62与电堆1的进气口连接，连接管路上设有压力传感器11和温湿度传感器12。

水箱3中设有电加热管4，用来提高水温，特别适用于燃料电池电堆启动初期，排出的空气温度和湿度较低，普通加湿器加湿能力较弱，需要等待电堆功率缓慢提升至一定值，加湿器加湿能力达到正常。此外，水箱3还可与燃料电池PTC联通，利用燃料电池PTC加热。电加热管4用于燃料电池启动初期的水箱供热，燃料电池PTC用于燃料电池正常工作时水箱供热，节省能量。水箱3的外侧设有保温装置，防止热量流失和保护水箱冬季不结冰。加湿器本体6的排水口64通过回水管路与水箱3的进口进水口连接，回水管路上设有电磁阀10，保证水箱3中的水量，同时，在水箱3内设置液位传感器，监测水箱3中的水量，及时回水或排水。

加湿系统的工作原理：

电堆1的阴极排出的水与空气的混合物进入水分离器2，水分离器2将水和空气进行分离，分离出的液态水进入水箱3，分离出的空气则从尾排出口7排出。水泵5将水箱3内的水泵如加湿器本体6的进水口63，水进入壳体65与加湿芯60之间的空隙中，水从加湿芯60外壁渗透进入加湿芯60内部。空气由空压机8压缩后经过中冷器9进入加湿器本体6内，而渗透进入加湿芯60内部的水由空气“携带”进入电堆1，从而提高进入电堆1的空气湿度。

空气流向为：空气滤清器13→流量计14→空压机8→中冷器9→进气口61→排气口62→压力传感器11→温湿度传感器12→电堆1。

水流方向为：水分离器2→水箱3→水泵5→进水口63→排水口64→回水管路上电磁阀10→水箱3，也可以经排水口64→排水管路上电磁阀10→尾排出口7。

排水口64后也可以不设回收管路和回水电磁阀10，水不循环至水箱3。水由水泵5泵入加湿器，一直处在加湿器内部。由于电堆1反应持续的生成水，水分离器2的水不断流入水箱3，水箱3内的水位较高时，打开排水管路上的电磁阀，经尾排出口7排出，水箱3内的水位正常时，排水管路上的电磁阀10处于关闭状态，同时水泵5也可以由FCU控制而间歇工作，减少能量损耗。控制方法如下，FCU根据流量计14和压力传感器11的反馈数据控制空压机8的转速，从而控制流量和压力；FCU根据温湿度传感器12的反馈的温度数据控制电加热管4的加热与停止，根据温湿度传感器12的反馈的湿度数据控制水泵5的工作与停止；FCU根据液位传感器的反馈控制排水管路上电磁阀的开启与关闭。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水气交换型燃料电池加湿器，其特征在于，包括加湿器本体，所述加湿器本体的内部设置加湿芯，加湿芯外套有壳体，且加湿芯的两端伸出壳体两端，壳体的端部通过盖体与加湿芯固定连接，所述加湿芯与壳体之间留有间隙，所述加湿芯的两端分别为进气口和排气口，所述壳体上设有进水口和排水口。

2.如权利要求1所述的水气交换型燃料电池加湿器，其特征在于，所述壳体内的加湿芯侧壁设有多个微孔。

3.如权利要求1所述的水气交换型燃料电池加湿器，其特征在于，所述进水口和排水口分别设置于壳体两端部的同侧或两侧。

4.一种水气交换型燃料电池加湿系统，其特征在于，包括电堆、水分离器、水箱、加湿器本体、空压机和尾排出口，所述电堆的阴极排出端与水分离器进口连接，水分离器的排水口与水箱的进水口连接，水分离器的排气口与尾排出口连接，所述水箱的排水口与加湿器本体的进水口连接，加湿器本体的排水口通过电磁阀与尾排出口连接，加湿器本体的进气口通过中冷器与空压机的排气口连接，加湿器本体的排气口与电堆的进气口连接。

5.如权利要求4所述的水气交换型燃料电池加湿系统，其特征在于，所述水箱中设有电加热管。

6.如权利要求5所述的水气交换型燃料电池加湿系统，其特征在于，所述水箱的外侧设有保温装置。

7.如权利要求5或6所述的水气交换型燃料电池加湿系统，其特征在于，所述水箱与燃料电池PTC联通。

8.如权利要求4-6任一项所述的水气交换型燃料电池加湿系统，其特征在于，所述加湿器本体的排水口通过回水管路与水箱的进口进水口连接，回水管路上设有电磁阀，所述水箱内设置液位传感器。

9.如权利要求4所述的水气交换型燃料电池加湿系统，其特征在于，所述水箱的排水口与加湿器本体的进水口连接的管路上设有水泵，所述水泵与FCU电连接。

10.如权利要求4所述的水气交换型燃料电池加湿系统，其特征在于，所述加湿器本体的排气口与电堆的进气口连接的管路上设有压力传感器和温湿度传感器，所述空压机的进气口连接空气滤清器，空压机与空气滤清器之间设有流量计。

Images