CN219497845U - 一种中冷器和增湿器耦合调节湿度的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种中冷器和增湿器耦合调节湿度的装置，涉及到氢燃料电池领域，包括燃料电池电堆和空气压缩机，所述空气压缩机的一侧依次连接有进气流量计和进气空滤，所述空气压缩机的上还设置有空气压缩机控制器。本实用新型采用了中冷器和增湿器耦合控制的系统设计方案，使燃料电池系统阴极侧的增湿器出口的湿度状态从一条单一的曲线变成了一个可调的增湿性能带，从而使原先燃料电池电堆对空气的相对湿度的需求曲线的斜率和增湿器的性能曲线并不能重合，变为增湿器能够覆盖相同电堆的所有工况点的湿度需求和不同电堆的不同的工况点对湿度的要求的效果。

Description

一种中冷器和增湿器耦合调节湿度的装置

技术领域

本实用新型涉及氢燃料电池领域，特别涉及一种中冷器和增湿器耦合调节湿度的装置。

背景技术

目前氢能市场主要应用的电堆为质子膜燃料电池电堆，该技术路线拥有寿命长、体积小等优点，质子膜燃料电池电堆在运行时对阴级侧的湿度有动态调节的需求，不同的工作点情况下，对进入电堆的空气湿度有不同的需求。

现有在燃料电池系统中，增湿器存在的目的是为燃料电池电堆调节进入它的空气温度、湿度来满足电堆各个主要工作点的运行要求，增湿器的主要工作模式为：在增湿器的管层入口通入经过空气压缩机和中冷器调节压力温度后的干空气，与增湿器壳层的湿空气进行温度和湿度的交换后，从增湿器的管层出排出按电堆工作要求的温度和湿度的空气进入燃料电池电堆，增湿器壳层的湿空气来源是燃料电池电堆内部电化学反应过后的饱和湿蒸气，该饱和湿蒸气从电堆的空气出口排出接入增湿器的壳层入口，所以增湿器是利用燃料电池电堆特性而开发的内循环增湿系统。

目前传统的燃料电池系统中增湿器的管层出口增湿能力主要取决于两个条件，一部分取决于增湿器本体内部的材料和流道设计，另一部分由燃料电池电堆进出口的空气温度和湿度条件决定，而第一部分增湿器本体内部的材料和流道在加工完成后将是一个固定的值，正常情况在寿命终结时性能变化不会超过±5％，燃料电池电堆主要的工作点(进出口的温度、湿度要求)也是一条范围非常窄的曲线，所以综合以上两个因素增湿器管层出口的湿度状态将是一条单一的曲线，无法做到区域湿度带调节的功能，从而无法达到覆盖相同电堆的所有工况点的湿度需求和不同电堆的不同的工况点对湿度的要求。

为了解决以上问题本专利提出了一种利用中冷器调节进入增湿器干气侧和湿气侧的温度、湿度耦合状态，来动态调节进入电堆的空气湿度的设计方案，使增湿器的性能从单一曲线变成区域调节，从而能够使增湿器在不同电堆的不同工作点对阴极侧空气的湿度和温度的要求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种中冷器和增湿器耦合调节湿度的装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种中冷器和增湿器耦合调节湿度的装置，包括燃料电池电堆和空气压缩机，所述空气压缩机的一侧依次连接有进气流量计和进气空滤，所述空气压缩机的上还设置有空气压缩机控制器，燃料电池电堆与增湿器之间设置电堆入口截止阀和电堆入口湿度传感器，所述增湿器上设置有增湿器壳层出口背压阀。

本实用新型还包括闭式热管理系统，所述闭式热管理系统包括水泵、热管理水路温度传感器、散热器、中冷器的液侧和气液换热器的液侧，所述气液换热器的液侧中的水依次经过散热器、热管理水路温度传感器、水泵进入中冷器的液侧，并从中冷器的液侧再次输送至气液换热器的液侧形成一个循环，所述中冷器和气液换热器液侧温度由散热器的风扇转速和水泵的转速控制。

优选的，所述空气压缩机的另一侧与中冷器连接，中冷器与空气压缩机之间设置有空气压缩机出口压力传感器和空气压缩机出口温度传感器。

优选的，所述中冷器的一端连接有增湿器，所述增湿器的一端与气液换热器连接，所述气液换热器与燃料电池电堆连接。

优选的，所述气液换热器和燃料电池电堆之间设置有电堆空气出口温度传感器。

优选的，所述中冷器和气液换热器之间连接有增湿器壳层入口空气温度传感器，所述增湿器壳层入口空气温度传感器的输出端还与增湿器连接。

优选的，所述中冷器与增湿器之间设置有增湿器管层入口温度传感器，所述中冷器的上端连接有水泵，水泵远离中冷器的一端连接有热管理水路温度传感器。

优选的，所述热管理水路温度传感器远离水泵的一端连接有散热器，所述散热器远离热管理水路温度传感器的一端设置有三个输出端，三个输出端分别与气液换热器、增湿器和燃料电池电堆之间连接。

本实用新型还公开了一种中冷器和增湿器耦合调节湿度的方法，包括如上任一所述的一种中冷器和增湿器耦合调节湿度的装置，还包括如下步骤：

S1:首先在燃料电池电堆空气出口和增湿器壳层入口之间增加一个气液换热器，使用中冷器出口的水温再次进入气液换热器给燃料电池电堆出口空温换热的方式，从而调节进入增湿器壳体的饱和湿空气温度，进而对液态水和水蒸气含量进行调节；

S2:在进行液态水含量的调节时，降低中冷器和气液换热器液侧的水温，使进入增湿器壳层的饱和湿蒸汽温度降低产生冷凝，此时液侧水温降低的同时能够降低中冷器出口的空气温度，使增湿器管层的气体温度降低，减少增湿器管层和壳层的温差，进而降低换热量从而减少增湿器壳层的液态水的蒸发量，从而使增湿器壳层液态水含量上升；

S3:在对水蒸气的含量进行调节时，提升中冷器和气液换热器液侧的水温，使进入增湿器壳层的饱和湿蒸气温度上升并产生蒸发，液侧水温提高的同时能够提高中冷器出口的空气温度，使增湿器管层的气体温度增加，增大增湿器管层和壳层的温差，提升了换热量从而增加了增湿器壳层的液态水的蒸发量，从而使增湿器壳层水蒸气含量上升。

本实用新型的技术效果和优点：

本实用新型采用了中冷器和增湿器耦合控制的系统设计方案，使燃料电池系统阴极侧的增湿器出口的湿度状态从一条单一的曲线变成了一个可调的增湿性能带，从而使原先燃料电池电堆对空气的相对湿度(水传递效率)的需求曲线的斜率和增湿器的性能曲线并不能重合，只能存在交点的状态，变为增湿器能够覆盖相同电堆的所有工况点的湿度需求和不同电堆的不同的工况点对湿度的要求的效果；

该设计方案可使燃料电池电堆每个工作点都在合适的湿度下运行，能够使燃料电池电堆，发电性能提升10-15％,寿命提升20-30％。

附图说明

图1为本实用新型中冷器和增湿器耦合调节湿度的方法原理图。

图2为现有状态增湿器输出特性与燃料电池电堆需求匹配图。

图3为中冷器与增湿器耦合控制后的增湿器输出特性与燃料电池电堆需求匹配图。

图中：1、进气空滤；2、进气流量计；3、空气压缩机；4、空气压缩机控制器；5、水泵；6、空气压缩机出口压力传感器；7、空气压缩机出口温度传感器；8、热管理水路温度传感器；9、中冷器；10、散热器；11、增湿器管层入口温度传感器；12、增湿器；13、增湿器壳层出口背压阀；14、增湿器壳层入口空气温度传感器；15、气液换热器；16、电堆入口截止阀；17、电堆空气出口温度传感器；18、电堆入口湿度传感器；19、燃料电池电堆。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，本领域普通技术人员在没有做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。

本实用新型提供了如图1-3所示的一种中冷器和增湿器耦合调节湿度的装置，包括燃料电池电堆19和空气压缩机3，空气压缩机3的一侧依次连接有进气流量计2和进气空滤1，空气压缩机3的上还设置有空气压缩机控制器4，燃料电池电堆19与增湿器12之间设置电堆入口截止阀16和电堆入口湿度传感器18，增湿器12上设置有增湿器壳层出口背压阀13。

还包括闭式热管理系统，闭式热管理系统包括水泵5、热管理水路温度传感器8、散热器10、中冷器9的液侧和气液换热器15的液侧，气液换热器15的液侧中的水依次经过散热器10、热管理水路温度传感器8、水泵5进入中冷器9的液侧，并从中冷器9的液侧再次输送至气液换热器15的液侧形成一个循环，中冷器9和气液换热器15液侧温度由散热器10的风扇转速和水泵5的转速控制。

空气压缩机3的另一侧与中冷器9连接，中冷器9与空气压缩机3之间设置有空气压缩机出口压力传感器6和空气压缩机出口温度传感器7。

中冷器9的一端连接有增湿器12，增湿器12的一端与气液换热器15连接，气液换热器15与燃料电池电堆19连接。

气液换热器15和燃料电池电堆19之间设置有电堆空气出口温度传感器17。

中冷器9和气液换热器15之间连接有增湿器壳层入口空气温度传感器14，增湿器壳层入口空气温度传感器14的输出端还与增湿器12连接。

中冷器9与增湿器12之间设置有增湿器管层入口温度传感器11，中冷器9的上端连接有水泵5，水泵5远离中冷器9的一端连接有热管理水路温度传感器8。

热管理水路温度传感器8远离水泵5的一端连接有散热器10，散热器10远离热管理水路温度传感器8的一端设置有三个输出端，三个输出端分别与气液换热器15、增湿器12和燃料电池电堆19之间连接。

本实用新型还公开了一种中冷器和增湿器耦合调节湿度的方法，包括如上任一的一种中冷器和增湿器耦合调节湿度的装置，还包括如下步骤：

S1:首先在燃料电池电堆19空气出口和增湿器12壳层入口之间增加一个气液换热器15，使用中冷器9出口的水温再次进入气液换热器15给燃料电池电堆19出口空温换热的方式，从而调节进入增湿器12壳体的饱和湿空气温度，进而对液态水和水蒸气含量进行调节；

S2:在进行液态水含量的调节时，降低中冷器9和气液换热器15液侧的水温，使进入增湿器12壳层的饱和湿蒸汽温度降低产生冷凝，此时液侧水温降低的同时能够降低中冷器9出口的空气温度，使增湿器12管层的气体温度降低，减少增湿器12管层和壳层的温差，进而降低换热量从而减少增湿器12壳层的液态水的蒸发量，从而使增湿器12壳层液态水含量上升；

S3:在对水蒸气的含量进行调节时，提升中冷器9和气液换热器15液侧的水温，使进入增湿器12壳层的饱和湿蒸气温度上升并产生蒸发，液侧水温提高的同时能够提高中冷器9出口的空气温度，使增湿器12管层的气体温度增加，增大增湿器12管层和壳层的温差，提升了换热量从而增加了增湿器12壳层的液态水的蒸发量，从而使增湿器12壳层水蒸气含量上升。

在燃料电池系统中，增湿器12存在的目的是为燃料电池电堆19调节进入它的空气温度、湿度来满足电堆各个主要工作点的运行要求。

增湿器12的主要工作模式为：在增湿器12的管层入口通入经过空气压缩机3和中冷器9调节压力温度后的干空气，与增湿器壳层的湿空气进行温度和湿度的交换后，从增湿器12的管层出排出按电堆工作要求的温度和湿度的空气进入燃料电池电堆19。增湿器壳层的湿空气来源是燃料电池电堆19内部电化学反应过后的饱和湿蒸气，该饱和湿蒸气从电堆的空气出口排出接入增湿器的壳层入口，所以增湿器12是利用燃料电池电堆19特性而开发的内循环增湿系统。

目前传统的燃料电池系统中增湿器的管层出口增湿能力主要取决于两个条件，一部分取决于增湿器本体内部的材料和流道设计，另一部分由燃料电池电堆进出口的空气温度和湿度条件决定。而第一部分增湿器本体内部的材料和流道在加工完成后将是一个固定的值，正常情况在寿命终结时性能变化不会超过±5％。燃料电池电堆主要的工作点(进出口的温度、湿度要求)也是一条范围非常窄的曲线。所以综合以上两个因素增湿器管层出口的湿度状态将是一条单一的曲线，从图2可以看到，通常燃料电池电堆对空气的相对湿度(水传递效率)的需求曲线的斜率和增湿器的性能曲线并不能重合，只能存在交点。导致燃料电池系统在运行时无法达到覆盖相同电堆的所有工况点的湿度需求和不同电堆的不同的工况点对湿度的要求。

增湿器的基础特性：

在增湿器12技术领域，增湿器12的能力主要取决于内部核心材料透水膜的特性，目前主要的透水膜分主要成分为全氟磺酸膜和聚砜膜两种，由于材料成分的不同其特性也分为两种：全氟磺酸膜类的材料对液态水的利用率较高，也就是壳层进入的介质中液态水含量越高，换湿效率就越高。聚砜膜类的材料对水蒸气的利用率较高，同理壳层进入的介质中水蒸气含量越高，换湿效率就越高。所以根据这两种关键特性，调节增湿器壳层水蒸气和液态水的含量就能够达到调节增湿器性能的目的。

为了实现增湿器12性能动态调节，即增湿器壳层液态水和水蒸气含量调节的目的，且不改变燃料电池电堆工作点的操作条件，就需要通过气体和水蒸气的介质温度特性来调节。饱和湿蒸汽的温度降低时就会产生冷凝析出液态水，温度升高时则会使液态水蒸发成水蒸气。

中冷器的基础特性：

在燃料电池系统中，燃料电池的工作空气压力在1-2.5倍的大气压力之间，流量在0-350g/s之间根据不同，空气的压力和流量通过空气压缩机3来调节提供，由于空气压缩机3本身的效率和气体压缩功的作用下，空气压缩机3出口的空气压力温度能够达到100～250℃之间，这个温度范围已经超过了增湿器12和燃料电池电堆19能够承受的工作温度范围，所以需要在空气压缩机3和增湿器12之间增加一个气液换热的中冷器9，将空气温度降到合适的范围后在注入增湿器12，所以增湿器12的入口温度取决于中冷器9的换热能力，而中冷器9是通过气液换热的原理进行工作，中冷器9的液体侧温度是由独立的热管理系统来控制，冷却液温度越高则中冷器的气体出口温度越高。

中冷器和增湿器耦合控制：

通过中冷器9和增湿器12的基础特性，本专利提出了在燃料电池电堆19空气出口和增湿器壳层入口之间增加一个气液换热器的方案，使用中冷器9出口的水温再次进入气液换热器给燃料电池电堆出口空温换热的方式调节进入增湿器壳体的饱和湿空气温度，从而达到调节液态水和水蒸气含量的目的。

调节液态水的含量:降低中冷器9和气液换热器15液侧的水温，使进入增湿器壳层的饱和湿蒸汽温度降低产生冷凝，液侧水温降低的同时能够降低中冷器9出口的空气温度，使增湿器12管层的气体温度降低，减少增湿器管层和壳层的温差，降低换热量从而减少增湿器壳层的液态水的蒸发量，从而使增湿器壳层液态水含量上升。

调节水蒸气的含量：提升中冷器9和气液换热器15液侧的水温，使进入增湿器壳层的饱和湿蒸气温度上升产生蒸发，液侧水温提高的同时能够提高中冷器9出口的空气温度，使增湿器管层的气体温度增加，增大增湿器管层和壳层的温差，提升了换热量从而增加了增湿器壳层的液态水的蒸发量，从而使增湿器壳层水蒸气含量上升。

综合以上设计方案，通过中冷器的液侧温度的调节使增湿器的管层干气入口温度和增湿器的壳层液态水与水蒸气的含量同步得到了调节，从而达到了中冷器与增湿器特性调节耦合控制的目的。具体调节效果如图3所示。

燃料电池系统的阴极侧工作方式：

燃料电池电堆阴极侧的空气是由空气压缩机3从大气环境中吸入，经过进气空滤1过滤，由空气压缩机控制器4控制空气压缩机3的转速以及进气流量计2读取的流量数据和空气压缩机出口压力传感器6读取的压力数据和增湿器壳层出口背压阀13的开度形成燃料电池系统阴极侧的空气流量和压力的闭环调节，以满足燃料电池电堆19各个工作点的空气压力和流量的需求。当经过空气压缩机3增压的高压、高温气体进入中冷器9和中冷器9液侧流道的冷却液进行换热将气体冷却，中冷器9前后分别设有空气压缩机出口温度传感器7和增湿器壳层入口温度传感器11，这两个传感器分别用于测量中冷器9入口和出口的空气温度。经过中冷器9冷却的空气进入增湿器12的管层，并与增湿器12壳层的湿空气和液态水进行湿度交换后，形成带一定相对湿度的空气从增湿器12管层出口流出，经过燃料电池的电堆入口截止阀16和电堆入口湿度传感器18后进入燃料电池电堆19，燃料电池电堆湿度传感器18主要作用为计量进入电堆的空气的实际相对湿度，便于电堆工作点的控制。

湿空气在燃料电池电堆19内部进行电化学反应消耗掉一部分氧气后，转化成100％饱和的水蒸气和液态水从燃料电池电堆19的空气出口排出，进入气水热交换器15换热后进入增湿器12的壳层，并在增湿器12内部和增湿器12管层的干空气进行湿度交换后通过增湿器壳层出口背压阀13排出进入大气中形成湿度交换循环。气水热交换器的前后装有电堆空气出口温度传感器17和增湿器壳层入口空气温度传感器14，用于测量进出气水热交换器15进出口的空气温度。

中冷器和增湿器耦合控制：

中冷器9出口的空气温度是由液侧的冷却液温度决定，而冷却液的温度是由水泵5、热管理水路温度传感器8、散热器10和中冷器9的液侧、气水热交换器15的液侧形成闭式热管理系统。也就是通过调节散热器10的风扇转速和水泵5的转速能够达到调节中冷器9和气水热交换器15液侧温度的功能，从而达到了调节中冷器9气侧出口空气温度和气水热交换器15气侧出口水蒸气温度的目的，进一步的讲通过上述2个温度的调节可以达到调节增湿器12管层入口的干空气温度和壳层入口的水蒸气温度以及液态水含量的功能，最终使增湿器12管层出口的湿度变为可调节的状态。

Claims (8)

1.一种中冷器和增湿器耦合调节湿度的装置，其特征在于，包括燃料电池电堆(19)和空气压缩机(3)，所述空气压缩机(3)的一侧依次连接有进气流量计(2)和进气空滤(1)，所述空气压缩机(3)的上还设置有空气压缩机控制器(4)，燃料电池电堆(19)与增湿器(12)之间设置电堆入口截止阀(16)和电堆入口湿度传感器(18)，所述增湿器(12)上设置有增湿器壳层出口背压阀(13)。

2.根据权利要求1所述的一种中冷器和增湿器耦合调节湿度的装置，其特征在于：还包括闭式热管理系统，所述闭式热管理系统包括水泵(5)、热管理水路温度传感器(8)、散热器(10)、中冷器(9)的液侧和气液换热器(15)的液侧，所述气液换热器(15)的液侧中的水依次经过散热器(10)、热管理水路温度传感器(8)、水泵(5)进入中冷器(9)的液侧，并从中冷器(9)的液侧再次输送至气液换热器(15)的液侧形成一个循环，所述中冷器(9)和气液换热器(15)液侧温度由散热器(10)的风扇转速和水泵(5)的转速控制。

3.根据权利要求2所述的一种中冷器和增湿器耦合调节湿度的装置，其特征在于：所述空气压缩机(3)的另一侧与中冷器(9)连接，中冷器(9)与空气压缩机(3)之间设置有空气压缩机出口压力传感器(6)和空气压缩机出口温度传感器(7)。

4.根据权利要求3所述的一种中冷器和增湿器耦合调节湿度的装置，其特征在于：所述中冷器(9)的一端连接有增湿器(12)，所述增湿器(12)的一端与气液换热器(15)连接，所述气液换热器(15)与燃料电池电堆(19)连接。

5.根据权利要求4所述的一种中冷器和增湿器耦合调节湿度的装置，其特征在于：所述气液换热器(15)和燃料电池电堆(19)之间设置有电堆空气出口温度传感器(17)。

6.根据权利要求5所述的一种中冷器和增湿器耦合调节湿度的装置，其特征在于：所述中冷器(9)和气液换热器(15)之间连接有增湿器壳层入口空气温度传感器(14)，所述增湿器壳层入口空气温度传感器(14)的输出端还与增湿器(12)连接。

7.根据权利要求6所述的一种中冷器和增湿器耦合调节湿度的装置，其特征在于：所述中冷器(9)与增湿器(12)之间设置有增湿器管层入口温度传感器(11)，所述中冷器(9)的上端连接有水泵(5)，水泵(5)远离中冷器(9)的一端连接有热管理水路温度传感器(8)。

8.根据权利要求7所述的一种中冷器和增湿器耦合调节湿度的装置，其特征在于：所述热管理水路温度传感器(8)远离水泵(5)的一端连接有散热器(10)，所述散热器(10)远离热管理水路温度传感器(8)的一端设置有三个输出端，三个输出端分别与气液换热器(15)、增湿器(12)和燃料电池电堆(19)之间连接。