CN219203211U - 一种燃料电池的温湿度调节系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池的温湿度调节系统。温湿度调节系统包括：蒸汽模块，其用于提供蒸汽；加湿模块，其和蒸汽模块导通，加湿模块用于将蒸汽模块输送的蒸汽和待加湿气体混合并完成加湿；汽水分离模块，其和加湿模块导通，汽水分离模块用于分离加湿后的气体和水分；燃料电池的温湿度调节系统还包括检测模块，检测模块包括湿度传感器，其用于检测气体实时湿度；蒸汽模块包括用于控制蒸汽流量的蒸汽调节阀。本实用新型中的燃料电池的温湿度调节系统，提高了湿度调节的动态响应速度。

Description

一种燃料电池的温湿度调节系统

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池的温湿度调节系统。

背景技术

燃料电池是一种通过电化学反应过程将燃料所具有的化学能直接转换成电能的能量转换装置，由于能量转换效率高被认为是一种潜在的替代能源技术。在各种类型的燃料电池中，质子膜燃料电池因其具有能量密度高、工作温度低、体积重量小、启动速度快、运行安全可靠、噪声低、零污染、模块式安装和操作方便等优点近年来得到了快速发展，已逐渐应用于汽车、能源、船舶、航空航天、家用电器等行业。质子膜燃料电池运行过程，为了提高质子传导率，膜需要具有一定的水合度，低湿化或不湿化操作会加速膜降解，而过多的水又可能阻碍反应物的运输，水合效果不佳时不仅不利于发挥燃料电池性能，同时也会影响寿命。为保证质子膜在各种运行工况下具有合适的水合度，燃料电池多采用外部加湿方法，即对进入反应流场前的反应物进行加湿，以增加反应场湿度和湿度均一性。因此，加湿系统成为影响质子膜燃料电池系统性能和耐久性的重要辅助系统。一般大功率质子膜燃料电池运行过程，反应物的湿度需要被控制在合适的范围，同时由于燃料电池动态运行工况较多，负载变化频繁且速度较快，需要湿度能够随负载动态变化进行快速响应。所以，设计合适的加湿系统及控制方法对燃料电池的广泛应用具有重要意义。

目前，用于质子膜燃料电池系统的加湿方法主要有膜加湿、喷淋加湿、喷雾加湿、鼓泡加湿。对于便携式或车载应用场景，膜加湿更有利于减轻重量和减少空间。对于固定式应用，空间没有严格限制，但对加湿有较大功率需求，此时采用气体鼓泡加湿、喷淋加湿或喷雾加湿更为合适。然而，现有的燃料电池加湿系统湿度调节过程需即时加热或冷却一定容积的水，因为水容积和水比热容固有特性，导致湿度动态响应速度慢。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种改进的燃料电池的温湿度调节系统，提高了湿度调节的动态响应速度。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种燃料电池的温湿度调节系统，所述温湿度调节系统包括：

蒸汽模块，其用于提供蒸汽；

加湿模块，其和所述蒸汽模块导通，所述加湿模块用于将所述蒸汽模块输送的蒸汽和待加湿气体混合并完成加湿；

汽水分离模块，其和所述加湿模块导通，所述汽水分离模块用于分离加湿后的气体和水分；

所述燃料电池的温湿度调节系统还包括检测模块，所述检测模块包括湿度传感器，其用于检测气体实时湿度；

所述蒸汽模块包括用于控制蒸汽流量的蒸汽调节阀。

优选地，所述温湿度调节系统还包括控制器，其和所述湿度传感器及所述蒸汽调节阀电性连接。

优选地，所述温湿度调节系统还包括：

冷却模块，其和所述汽水分离模块导通，所述冷却模块用于对汽水分离后的气体进行降温处理；

升温模块，其和所述冷却模块导通，所述升温模块用于对所述汽水分离后的气体进行升温处理；

所述检测模块和所述升温模块导通，所述检测模块还包括温度传感器，其用于检测气体实时温度。

进一步地，所述蒸汽模块包括：

蒸汽发生器，其用于产生并存储蒸汽；

蒸汽流量计，其用于对蒸汽的流量进行实时计量；

所述蒸汽调节阀分别和所述蒸汽发生器及所述蒸汽流量计连接。

更进一步地，所述加湿模块包括：

加湿调节阀，其用于对待加湿气体的流量进行控制；

加湿流量计，其用于对待加湿气体的流量进行实时计量；

加湿器，其用于为所述蒸汽模块输送的蒸汽和待加湿气体提供混合和加湿场所；

所述加湿流量计分别和所述加湿调节阀及所述加湿器连接，所述加湿器和所述蒸汽流量计连通。

所述汽水分离模块包括：

汽水分离器，其用于对加湿后的气体中的水分进行分离，所述汽水分离器和所述加湿器连接。

更进一步地，所述加湿模块还包括第一电磁阀，其设置于所述加湿器的下方；所述汽水分离模块还包括第二电磁阀，其设置于所述汽水分离器的下方；所述第一电磁阀和所述第二电磁阀用于排放冷凝液并输送至冷凝液回收装置。

更进一步地，所述汽水分离模块还包括液位计，其用于对冷凝液的积累量进行实时计量。

更进一步地，所述冷却模块包括：

冷却介质调节阀，其用于调节冷却介质的流量大小；

冷却器，其为汽水分离后的气体提供冷却场所，所述冷却器分别和所述冷却介质调节阀及所述汽水分离器连接。

更进一步地，所述升温模块包括：

加热介质调节阀，其用于调节加热介质的流量大小；

加热器，其为汽水分离后的气体提供加热场所，所述加热器和所述加热介质调节阀及所述冷却器连接；

所述温度传感器和所述湿度传感器均和所述加热器连接。

更进一步地，所述冷却模块还包括冷却介质回收装置，其和所述冷却器连接；所述升温模块还包括加热介质回收装置，其和所述加热器连接。

本实用新型采用以上方案，相比现有技术具有如下优点：

本实用新型通过检测模块的湿度传感器检测气体实时湿度，从而调节蒸汽调节阀，对蒸汽流量进行实时控制，湿度调节过程无需即时加热或冷却一定容积的水，从而避免了因为水容积和水比热容固有特性导致的湿度响应速率慢的问题，实现了湿度快速响应和调节。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例的温湿度调节系统结构与工作原理图；

其中，1、蒸汽模块；11、蒸汽发生器；12、蒸汽流量计；13、蒸汽调节阀；2、加湿模块；21、加湿调节阀；22、加湿流量计；23、加湿器；24、第一电磁阀；3、汽水分离模块；31、汽水分离器；32、第二电磁阀；33、冷凝液回收装置；34、液位计；4、冷却模块；41、冷却介质调节阀；42、冷却器；43、冷却介质回收装置；5、升温模块；51、加热介质调节阀；52、加热器；53、加热介质回收装置；6、检测模块；61、湿度传感器；62、温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。

如图1所示，本实施例中的燃料电池的温湿度调节系统包括依次连通的蒸汽模块1、加湿模块2、汽水分离模块3、冷却模块4、升温模块5和检测模块6。

以下对各模块及其结构进行详细介绍：

蒸汽模块1用于提供蒸汽。具体的，蒸汽模块1包括依次连通的蒸汽发生器11、蒸汽流量计12和蒸汽调节阀13，其中，蒸汽发生器11用于产生并存储蒸汽，其具有蒸汽存储空间；蒸汽流量计12用于对蒸汽的流量进行实时计量，蒸汽调节阀13用于控制蒸汽的流量。

加湿模块2和蒸汽模块1导通，其用于将蒸汽模块1输送的蒸汽和待加湿气体混合并完成加湿。具体的，加湿模块2包括依次连通的加湿调节阀21、加湿流量计22、加湿器23和第一电磁阀24，其中，加湿调节阀21用于对待加湿气体的流量进行控制；加湿流量计22用于对待加湿气体的流量进行实时计量；加湿器23用于为蒸汽模块1输送的蒸汽和待加湿气体提供混合和加湿场所，加湿器23和蒸汽流量计12连通；第一电磁阀24设置在加湿器23的下方，其用于排放冷凝液并输送至冷凝液回收装置33，实现了冷凝液的循环重复利用，节约了成本。

汽水分离模块3和加湿模块2导通，其用于分离加湿后的气体和水分。具体的，汽水分离模块包括依次连通的汽水分离器31、第二电磁阀32和冷凝液回收装置33，汽水分离器31和第二电磁阀32之间还设有液位计34，其中，汽水分离器31用于对加湿后的气体中的水分进行分离，汽水分离器31和加湿器23连通。第二电磁阀32设于汽水分离器31的下方，其用于排放冷凝液并输送至冷凝液回收装置33。液位计34用于对冷凝液的积累量进行实时计量，以使得第二电磁阀32能及时排放冷凝液。

冷却模块4和汽水分离模块3导通，冷却模块4用于对汽水分离后的气体进行降温处理。具体的，冷却模块包括依次连通的冷却介质调节阀41、冷却器42和冷却介质回收装置43，其中，冷却介质调节阀41用于调节冷却介质的流量大小。冷却器42为汽水分离后的气体提供了冷却场所，冷却器42和汽水分离器31连通。冷却介质回收装置43用于回收冷却介质，其和冷却器42连通，对冷却介质回收并循环利用能有效降低成本。

升温模块5和冷却模块4导通，其用于对汽水分离后的气体进行升温处理。具体的，升温模块5包括依次连通的加热介质调节阀51、加热器52和加热介质回收装置53，其中，加热介质调节阀51用于调节加热介质的流量大小。加热器52为汽水分离后的气体提供加热场所，加热器52分别和加热介质调节阀51及冷却器42连通。加热介质回收装置53用于回收加热介质，其和加热器52连通，对加热介质回收并循环利用能有效降低成本。

检测模块6和升温模块5导通，其用于检测气体实时温度和湿度。具体的，检测模块6包括湿度传感器61和温度传感器62，湿度传感器61和温度传感器62均和加热器52连通。若湿度传感器61检测到气体实时湿度和预设的气体目标湿度不一致，则调节蒸汽调节阀13的开度大小，从而控制蒸汽流量；若温度传感器62检测到气体实时温度和预设的气体目标温度不一致，则调节冷却介质调节阀41或加热介质调节阀51的开度大小，从而控制冷却介质或加热介质的流量大小，进而改变气体实时温度。

以下对温湿度调节系统的工作原理流程进行具体介绍：

系统运行时，来自气源的干气(氢气、空气、氧气或其它气体)经过加湿调节阀21和加湿流量计22进入加湿器23，同时来自蒸汽发生器11的蒸汽流经蒸汽调节阀13和蒸汽流量计12进入加湿器23对干气进行加湿，加湿后的气体进入汽水分离器31进行湿气体中的水分分离，分离后的被加湿气体流经冷却器41，再进入加热器51，最后达到需要的温度和相对湿度进入用气装置(燃料电池堆或其他装置)54。期间加湿调节阀21和加湿流量计22形成闭环调节，加湿流量计22的流量根据用气装置54的需求进行设定或自动获取。蒸汽调节阀13的开度大小变化的判据是湿度传感器61检测到的气体实时湿度。冷却介质流经冷却介质调节阀41再流经冷却器42对气体进行冷却，冷却介质调节阀41的开度大小调节判据是温度传感器62检测到的气体实时温度；加热介质流经加热介质调节阀51后进入加热器52对气体进行加热，加热介质调节阀51的开度大小的判据是温度传感器62检测到的气体实时温度。

本实用新型通过检测模块的湿度传感器检测气体实时湿度，从而调节蒸汽调节阀，对蒸汽流量进行实时控制，湿度调节过程无需即时加热或冷却一定容积的水，从而避免了因为水容积和水比热容固有特性导致的湿度响应速率慢的问题，实现了湿度快速响应和调节。

如本说明书和权利要求书中所示，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本实用新型中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本实用新型各组成部分的相互位置关系来说的。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其目的在于熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限定本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型的原理所作的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池的温湿度调节系统，所述温湿度调节系统包括：

蒸汽模块，其用于提供蒸汽；

加湿模块，其和所述蒸汽模块导通，所述加湿模块用于将所述蒸汽模块输送的蒸汽和待加湿气体混合并完成加湿；

汽水分离模块，其和所述加湿模块导通，所述汽水分离模块用于分离加湿后的气体和水分；

其特征在于，

所述燃料电池的温湿度调节系统还包括检测模块，所述检测模块包括湿度传感器，其用于检测气体实时湿度；

所述蒸汽模块包括用于控制蒸汽流量的蒸汽调节阀。

2.根据权利要求1所述的燃料电池的温湿度调节系统，其特征在于，所述温湿度调节系统还包括控制器，其和所述湿度传感器及所述蒸汽调节阀电性连接。

3.根据权利要求1所述的燃料电池的温湿度调节系统，其特征在于，所述温湿度调节系统还包括：

冷却模块，其和所述汽水分离模块导通，所述冷却模块用于对汽水分离后的气体进行降温处理；

升温模块，其和所述冷却模块导通，所述升温模块用于对所述汽水分离后的气体进行升温处理；

所述检测模块和所述升温模块导通，所述检测模块还包括温度传感器，其用于检测气体实时温度。

4.根据权利要求3所述的燃料电池的温湿度调节系统，其特征在于，所述蒸汽模块包括：

蒸汽发生器，其用于产生并存储蒸汽；

蒸汽流量计，其用于对蒸汽的流量进行实时计量；

所述蒸汽调节阀分别和所述蒸汽发生器及所述蒸汽流量计连接。

5.根据权利要求4所述的燃料电池的温湿度调节系统，其特征在于，所述加湿模块包括：

加湿调节阀，其用于对待加湿气体的流量进行控制；

加湿流量计，其用于对待加湿气体的流量进行实时计量；

加湿器，其用于为所述蒸汽模块输送的蒸汽和待加湿气体提供混合和加湿场所；

所述加湿流量计分别和所述加湿调节阀及所述加湿器连接，所述加湿器和所述蒸汽流量计连通；

所述汽水分离模块包括：

汽水分离器，其用于对加湿后的气体中的水分进行分离，所述汽水分离器和所述加湿器连接。

6.根据权利要求5所述的燃料电池的温湿度调节系统，其特征在于，所述加湿模块还包括第一电磁阀，其设置于所述加湿器的下方；所述汽水分离模块还包括第二电磁阀，其设置于所述汽水分离器的下方；所述第一电磁阀和所述第二电磁阀用于排放冷凝液并输送至冷凝液回收装置。

7.根据权利要求6所述的燃料电池的温湿度调节系统，其特征在于，所述汽水分离模块还包括液位计，其用于对冷凝液的积累量进行实时计量。

8.根据权利要求5所述的燃料电池的温湿度调节系统，其特征在于，所述冷却模块包括：

冷却介质调节阀，其用于调节冷却介质的流量大小；

冷却器，其为汽水分离后的气体提供冷却场所，所述冷却器分别和所述冷却介质调节阀及所述汽水分离器连接。

9.根据权利要求8所述的燃料电池的温湿度调节系统，其特征在于，所述升温模块包括：

加热介质调节阀，其用于调节加热介质的流量大小；

加热器，其为汽水分离后的气体提供加热场所，所述加热器和所述加热介质调节阀及所述冷却器连接；

所述温度传感器和所述湿度传感器均和所述加热器连接。

10.根据权利要求9所述的燃料电池的温湿度调节系统，其特征在于，所述冷却模块还包括冷却介质回收装置，其和所述冷却器连接；所述升温模块还包括加热介质回收装置，其和所述加热器连接。

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