CN109921063A - 一种燃料电池空气增湿***、燃料电池***及车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池空气增湿***、燃料电池***及车辆。燃料电池空气增湿***包括空气增湿装置,空气增湿装置包括增湿部分和去湿部分,增湿部分设有干空气进口以及用于与燃料电池电堆连接的湿空气出口,去湿部分包括湿空气进口和去湿空气出口,增湿***还包括气液分离装置和集液装置,气液分离装置收集燃料电池电堆产生的水分,集液装置储存气液分离装置收集的水分并与湿空气进口连接以便为空气增湿装置定量补水。通过将燃料电池***大功率运行时过量的水分收集并储存起来,并在燃料电池低功率运行而导致空气增湿装置水分不足时为空气增湿装置补充水分,达到补水的平衡,实现湿度的合理调控,保证燃料电池电堆处于合理湿度范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池空气增湿***、燃料电池***及车辆。
背景技术
随着环境和能源等问题的日益突出,燃料电池汽车被认为是替代内燃机汽车的未来发展方向之一。燃料电池以氢气和氧气为燃料,具有效率高、无污染、功率密度高、低温启动等优点,受到人们越来越多的关注。目前,世界各大汽车公司都逐渐推出了自己的燃料电池车辆,如丰田的Mirai等,燃料电池汽车市场具有广阔的发展前景。
增湿***是质子交换膜燃料电池中最重要的子***之一,主要分为自增湿和外增湿两类。自增湿是将增湿技术集成至燃料电池,无需外加增湿装置,这种增湿对电堆选型及***控制具有较高要求。另外一类为外增湿,主要方法为在反应气体前(通常为空气侧)增加一个增湿设备,对进气进行增湿。因此,燃料电池空气侧增湿***的设计与控制是一项关键核心技术。
申请公布号为CN106532085A的专利公开了一种用于控制燃料电池膜加湿器加湿量的设备和方法,该专利通过调节组成用于燃料电池膜加湿器的中空纤维膜内部和外部之间的湿气体的分压力差,来相对于供应至燃料电池的空气侧湿度控制。具体实施方法:当所测量的湿度等于或大于参考值时,通过减小或阻塞从燃料电池供应至膜加湿器的湿空气量,来增加膜加湿器的中控纤维膜的压力;当所测量的湿度小于参考值时,通过阻塞膜加湿器的出口来增加膜加湿器的中空纤维内部和外部的压力。通过改变压力来控制湿度的上述方法有两个方面缺点:1)内部压力的增加使对空压机的负荷增大,内部压力的降低会影响燃料电池性能;2)压力的变化影响膜两侧的压差,容易造成膜机械损伤。
公开号为CN1567624A的专利公开了一种高效燃料电池的空气增湿***,该空气输送装置的出口与燃料电池堆的空气进口连接,该燃料电池堆的空气出口与增湿装置的湿空气进口连接,增湿装置的去湿空气出口与大气相通。但是,此专利增湿程度依赖电堆产生的水量大小,不具备湿度调节能力,不能实现有效湿度调节。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过囤积电堆大功率运行时的多余水分以在电堆小功率运行时补偿增湿器、从而实现湿度的合理调控的燃料电池空气增湿***;本发明的目的还在于提供一种使用上述燃料电池空气增湿***的燃料电池***和车辆。
为实现上述目的,本发明的燃料电池空气增湿***采用如下的技术方案:
技术方案1:燃料电池空气增湿***包括空气增湿装置,空气增湿装置包括增湿部分和去湿部分,增湿部分设有干空气进口以及用于与燃料电池电堆连接的湿空气出口,去湿部分包括湿空气进口和去湿空气出口,燃料电池空气增湿***还包括气液分离装置和集液装置,气液分离装置用于收集燃料电池电堆产生的水分,集液装置用于储存气液分离装置收集的水分并与所述湿空气进口连接以便为空气增湿装置定量补水。
有益效果:本发明通过气液分离装置和集液装置的设置,将燃料电池***大功率运行时过量的水分收集并储存起来,并在燃料电池低功率运行而导致空气增湿装置水分不足时为空气增湿装置补充水分,达到为空气增湿装置补水的平衡,实现湿度的合理调控,保证燃料电池电堆处于合理湿度范围。
技术方案2:在技术方案1的基础上,燃料电池空气增湿***还包括与干空气进口和湿空气出口之间的湿空气通道并联设置的干空气支路,燃料电池空气增湿***还包括调节干空气支路与所述湿空气通道的气流量的第一控制装置。干空气支路及第一控制装置的设置可调控增湿装置增湿部分的干空气与湿空气的比例,从而实现对湿度的调控,配合气液分离装置和集液装置的水分调控,可在集液装置的容器集满水后采用干空气支路调节进气的干空气与湿空气比例的方案进行调控湿度。
技术方案3:在技术方案2的基础上,所述第一控制装置包括设置在干空气支路与湿空气通道的上游三岔口处的三通调节阀。
技术方案4:在技术方案3的基础上,燃料电池空气增湿***还包括在干空气支路、湿空气通道以及与两者相连的主路三者中的至少两个上设置的流量计。两个流量计的设置即可准确监控干空气与湿空气的比例的实时数据。
技术方案5:在技术方案1-4任意一项的基础上,所述湿空气进口上连接有用于与燃料电池电堆相连的管路***,管路***上设有并联的第一、第二支路,第一支路上连接有所述气液分离装置和集液装置,燃料电池空气增湿***还包括调节第一、第二支路气流量的第二控制装置。
技术方案6:在技术方案5的基础上,第二控制装置为三通调节阀。
技术方案7:在技术方案5的基础上,所述气液分离器包括直接与所述湿空气进口相连的第一出口以及通过集液装置与湿空气进口相连的第二出口。
技术方案8:在技术方案7的基础上,燃料电池空气增湿***还包括控制集液装置向所述湿空气进口供气量的控制阀。
本发明的燃料电池***采用如下的技术方案:
技术方案1:燃料电池***包括燃料电池以及为燃料电池增湿的增湿***,增湿***包括空气增湿装置,空气增湿装置包括增湿部分和去湿部分,增湿部分设有干空气进口以及与燃料电池电堆连接的湿空气出口,去湿部分包括湿空气进口和去湿空气出口,增湿***还包括气液分离装置和集液装置,气液分离装置用于收集燃料电池电堆产生的水分,集液装置用于储存气液分离装置收集的水分并与所述湿空气进口连接以便为空气增湿装置定量补水。
有益效果:本发明通过气液分离装置和集液装置的设置,将燃料电池***大功率运行时过量的水分收集并储存起来,并在燃料电池低功率运行而导致空气增湿装置水分不足时为空气增湿装置补充水分,达到为空气增湿装置补水的平衡,实现湿度的合理调控,保证燃料电池电堆处于合理湿度范围。
技术方案2:在技术方案1的基础上,燃料电池空气增湿***还包括与干空气进口和湿空气出口之间的湿空气通道并联设置的干空气支路,燃料电池空气增湿***还包括调节干空气支路与所述湿空气通道的气流量的第一控制装置。干空气支路及第一控制装置的设置可调控增湿装置增湿部分的干空气与湿空气的比例,从而实现对湿度的调控,配合气液分离装置和集液装置的水分调控,可在集液装置的容器集满水后采用干空气支路调节进气的干空气与湿空气比例的方案进行调控湿度。
技术方案3:在技术方案2的基础上,所述第一控制装置包括设置在干空气支路与湿空气通道的上游三岔口处的三通调节阀。
技术方案4:在技术方案3的基础上,燃料电池空气增湿***还包括在干空气支路、湿空气通道以及与两者相连的主路三者中的至少两个上设置的流量计。两个流量计的设置即可准确监控干空气与湿空气的比例的实时数据。
技术方案5:在技术方案1-4任意一项的基础上,所述湿空气进口上连接有用于与燃料电池电堆相连的管路***,管路***上设有并联的第一、第二支路,第一支路上连接有所述气液分离装置和集液装置,燃料电池空气增湿***还包括调节第一、第二支路气流量的第二控制装置。
技术方案6:在技术方案5的基础上,第二控制装置为三通调节阀。
技术方案7:在技术方案5的基础上,所述气液分离器包括直接与所述湿空气进口相连的第一出口以及通过集液装置与湿空气进口相连的第二出口。
技术方案8:在技术方案7的基础上,燃料电池空气增湿***还包括控制集液装置向所述湿空气进口供气量的控制阀。
本发明的车辆采用如下的技术方案:
技术方案1:车辆包括车体及设在车体上的燃料电池***,燃料电池***包括燃料电池以及为燃料电池增湿的增湿***,增湿***包括空气增湿装置,空气增湿装置包括增湿部分和去湿部分,增湿部分设有干空气进口以及与燃料电池电堆连接的湿空气出口,去湿部分包括湿空气进口和去湿空气出口,增湿***还包括气液分离装置和集液装置,气液分离装置用于收集燃料电池电堆产生的水分,集液装置用于储存气液分离装置收集的水分并与所述湿空气进口连接以便为空气增湿装置定量补水。
有益效果:本发明通过气液分离装置和集液装置的设置,将燃料电池***大功率运行时过量的水分收集并储存起来,并在燃料电池低功率运行而导致空气增湿装置水分不足时为空气增湿装置补充水分,达到为空气增湿装置补水的平衡,实现湿度的合理调控,保证燃料电池电堆处于合理湿度范围。
技术方案2:在技术方案1的基础上,燃料电池空气增湿***还包括与干空气进口和湿空气出口之间的湿空气通道并联设置的干空气支路,燃料电池空气增湿***还包括调节干空气支路与所述湿空气通道的气流量的第一控制装置。干空气支路及第一控制装置的设置可调控增湿装置增湿部分的干空气与湿空气的比例,从而实现对湿度的调控,配合气液分离装置和集液装置的水分调控,可在集液装置的容器集满水后采用干空气支路调节进气的干空气与湿空气比例的方案进行调控湿度。
技术方案3:在技术方案2的基础上,所述第一控制装置包括设置在干空气支路与湿空气通道的上游三岔口处的三通调节阀。
技术方案4:在技术方案3的基础上,燃料电池空气增湿***还包括在干空气支路、湿空气通道以及与两者相连的主路三者中的至少两个上设置的流量计。两个流量计的设置即可准确监控干空气与湿空气的比例的实时数据。
技术方案5:在技术方案1-4任意一项的基础上,所述湿空气进口上连接有用于与燃料电池电堆相连的管路***,管路***上设有并联的第一、第二支路,第一支路上连接有所述气液分离装置和集液装置,燃料电池空气增湿***还包括调节第一、第二支路气流量的第二控制装置。
技术方案6:在技术方案5的基础上,第二控制装置为三通调节阀。
技术方案7:在技术方案5的基础上,所述气液分离器包括直接与所述湿空气进口相连的第一出口以及通过集液装置与湿空气进口相连的第二出口。
技术方案8:在技术方案7的基础上,燃料电池空气增湿***还包括控制集液装置向所述湿空气进口供气量的控制阀。
附图说明
图1为本发明车辆具体实施例中的燃料电池***的***图;
图中:1-空滤,2-空气压缩机,3-一号空气流量计,4-一号三通调节阀,5-增湿器,6-二号空气流量计2,7-一号电动球阀,8-电堆,9-二号电动球阀,10-二号三通调节阀,11-气液分离器,12-水容器,13-球阀,14-背压阀;A-增湿部分,a-干空气进口,b-湿空气出口,B-去湿部分,c-去湿空气出口,d-湿空气进口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
本发明的车辆的具体实施例,车辆为采用燃料电池供能的新能源车辆或混动车辆,其车体上布置燃料电池***,如图1所示,燃料电池***包括燃料电池以及为燃料电池增湿的增湿***,增湿***包括增湿器5,增湿器5包括增湿部分A和去湿部分B,增湿部分A设有干空气进口a和湿空气出口b,去湿部分B设有湿空气进口d和去湿空气出口c,燃料电池***还包括空滤1、空气压缩机2即空压机,如图1所示,空滤1位于空气压缩机2的上游以便为进风进行过滤,空气压缩机2通过管路连在增湿部分A的干空气进口a上,增湿部分A的湿空气出口b连接与燃料电池的电堆8连接。燃料电池出气口与去湿部分B的湿空气进口d连接,去湿部分B的去湿空气出口c通过背压阀14与下游部件连接。在增湿部分A上设有调节***1,在去湿部分B与燃料电池之间的管道上设有调节***2,两个调节***相互协调作用以实现对湿度的合理调控。
具体为,在干空气进口a和湿空气出口b之间的湿空气通道处并联设置干空气支路,并在干空气支路与湿空气通道的上游三岔口处设置一号三通调节阀4,通过一号三通调节阀4调节从空压机进入湿空气通道和干空气支路的气体流量,从而调控干空气和湿空气的比例。为了定量监控干空气和湿空气的具体流量,在一号三通调节阀4与空气压缩机2之间设置一号空气流量计3、在干空气支路上设置二号空气流量计6,通过两个空气流量计测量并计算出干、湿空气的比例,在其他实施例中,一号空气流量计3和二号空气流量计6可分别设置在湿空气通道和干空气支路上或者分别设置在湿空气通道以及空气压缩机2与一号三通调节阀4之间。在其他实施例中,一号三通调节阀4也可替换为两个单独的调节阀,两个调节阀分别设置在干空气支路和湿空气通道上,以实现对两个支路的气体流量的调节。上述的干空气支路、空气流量计、调节阀等共同组成调节***1。
调节***2包括气液分离器11以及与气液分离器11相连的水容器12,从燃料电池的电堆8出气口出来的管路经过二号三通调节阀10分为两条支路,第二支路直接与去湿部分B的湿空气进口d连接,第一支路上连接气液分离器11,气液分离器11将气液分离后分为气路和液路,气路直接与湿空气进口d连接,液路经过水容器12后与湿空气进口d连接。燃料电池电堆8的进气口和出气口处分别连接有一号电动球阀7和二号电动球阀9。
在使用时:燃料电池在高功率运行时,电堆8产生水量较多,需要降低入堆湿度,有两种方案:方案1:根据电堆8输出功率,计算电堆8出口湿空气通过增湿器5和气液分离器11的流量Q1和Q2,控制增湿器5内部水含量以及干空气通过增湿器5进入电堆8的湿度要求;方案2:根据电堆8输出功率,计算空气进气口通过增湿器5和不通过增湿器5的流量Q3和Q4,通过干空气/湿空气的比例,调节空气进入电堆8的湿度。通过气液分离器11的水量储存在水容器12中,当水容器12中水储存满时,采用方案2。
燃料电池***在低功率运行时,产生水分较少,需要增加入堆湿度。根据电堆8输出功率,通过调节水容器12中水分进入增湿器5的量,增加增湿器5中水含量,同时空压机后端空气全部通过增湿器5,满足空气进入电堆8湿度要求。
燃料电池停机时,通过调节空压机后端三通调节阀,吹扫所用空气不通过增湿器5,直接吹扫电堆8。一方面降低吹扫时间,另一方面,保证增湿器5内容水含量。
在其他实施例中:可不设置调节***1,即去掉干空气支路及一号三通调节阀和二号空气流量计,同时在水容器处增加溢流阀,以确保水容器充满时可以自由溢出,同时,为了方便知晓从水容器补入增湿器的水量,在水容器的出口处设置流量计等监测流量的部件。
本发明的燃料电池***的实施例与本发明的车辆的各实施例中的燃料电池***的各实施例相同,不再赘述。
本发明的燃料电池空气增湿***的实施例与本发明的车辆的各实施例中的增湿***的各实施例相同,不再赘述。
Claims (10)
1.一种燃料电池空气增湿***,包括空气增湿装置,空气增湿装置包括增湿部分和去湿部分,增湿部分设有干空气进口以及用于与燃料电池电堆连接的湿空气出口,去湿部分包括湿空气进口和去湿空气出口,其特征是,燃料电池空气增湿***还包括气液分离装置和集液装置,气液分离装置用于收集燃料电池电堆产生的水分,集液装置用于储存气液分离装置收集的水分并与所述湿空气进口连接以便为空气增湿装置定量补水。
2.根据权利要求1所述的燃料电池空气增湿***,其特征是,燃料电池空气增湿***还包括与干空气进口和湿空气出口之间的湿空气通道并联设置的干空气支路,燃料电池空气增湿***还包括调节干空气支路与所述湿空气通道的气流量的第一控制装置。
3.根据权利要求2所述的燃料电池空气增湿***,其特征是,所述第一控制装置包括设置在干空气支路与湿空气通道的上游三岔口处的三通调节阀。
4.根据权利要求3所述的燃料电池空气增湿***,其特征是,燃料电池空气增湿***还包括在干空气支路、湿空气通道以及与两者相连的主路三者中的至少两个上设置的流量计。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的燃料电池空气增湿***,其特征是,所述湿空气进口上连接有用于与燃料电池电堆相连的管路***,管路***上设有并联的第一、第二支路,第一支路上连接有所述气液分离装置和集液装置,燃料电池空气增湿***还包括调节第一、第二支路气流量的第二控制装置。
6.根据权利要求5所述的燃料电池空气增湿***,其特征是,第二控制装置为三通调节阀。
7.根据权利要求5所述的燃料电池空气增湿***,其特征是,所述气液分离器包括直接与所述湿空气进口相连的第一出口以及通过集液装置与湿空气进口相连的第二出口。
8.根据权利要求7所述的燃料电池空气增湿***,其特征是,燃料电池空气增湿***还包括控制集液装置向所述湿空气进口供气量的控制阀。
9.燃料电池***,包括燃料电池以及为燃料电池增湿的增湿***,增湿***包括空气增湿装置,空气增湿装置包括增湿部分和去湿部分,增湿部分设有干空气进口以及与燃料电池电堆连接的湿空气出口,去湿部分包括湿空气进口和去湿空气出口,其特征是,增湿***还包括气液分离装置和集液装置,气液分离装置用于收集燃料电池电堆产生的水分,集液装置用于储存气液分离装置收集的水分并与所述湿空气进口连接以便为空气增湿装置定量补水。
10.车辆,包括车体及设在车体上的燃料电池***,燃料电池***包括燃料电池以及为燃料电池增湿的增湿***,增湿***包括空气增湿装置,空气增湿装置包括增湿部分和去湿部分,增湿部分设有干空气进口以及与燃料电池电堆连接的湿空气出口,去湿部分包括湿空气进口和去湿空气出口,其特征是,增湿***还包括气液分离装置和集液装置,气液分离装置用于收集燃料电池电堆产生的水分,集液装置用于储存气液分离装置收集的水分并与所述湿空气进口连接以便为空气增湿装置定量补水。
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