CN112018411B - 一种燃料电池的加湿***及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池的加湿技术领域，公开一种燃料电池的加湿***及其控制方法。其中燃料电池的加湿***包括：加湿器，包括壳体和水传输件，壳体内限定出安装腔，水传输件设于安装腔内，进入燃料电池的第一气体和经燃料电池的排气通道流出的第二气体两者中的一种在水传输件的内部流动，另一种在水传输件的外部流动；旁通阀，与排气通道连通；第一湿度传感器，用于检测第一气体的湿度；电流传感器，与燃料电池相连。本发明公开的燃料电池的加湿***在第一湿度传感器检测到的进入燃料电池的第一气体的湿度与预设湿度差距较大时，通过改变旁通阀的开度实现对进入燃料电池的第一气体湿度的初步调节，使其满足相应工况下的第一气体的湿度。

Description

一种燃料电池的加湿***及其控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池的加湿技术领域，尤其涉及一种燃料电池的加湿***及其控制方法。

背景技术

燃料电池的工作原理是通过双级板流道分别将氢气、空气引到质子交换膜两端，通过质子交换膜上的催化剂加速氢气和氧气反应，反应过程中生成的电子用于驱动电机工作，生成的产物水通过排气通道排入大气中。整个工作过程无有害物质生成，但是质子交换膜的工作环境需要有一定的湿度。由于外界环境的空气湿度一般无法满足要求，因此，需要通过外部加湿的方法增加空气的湿度。如果空气的湿度过大，反应产生的水会阻塞排气通道，降低反应效率，因此进入燃料电池的空气湿度对于燃料电池的反应效率至关重要。

现有的燃料电池的加湿***大多是通过温度控制，即根据燃料电池内部的温度实现不同温度下的定量加湿，但无法根据燃料电池的实际反应工况动态调整气体的湿度。

发明内容

基于以上所述，本发明的目的在于提供一种燃料电池的加湿***及其控制方法，解决了现有技术存在的无法根据燃料电池的工况需求动态调整进气湿度的问题。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种燃料电池的加湿***，包括：加湿器，包括壳体和水传输件，所述壳体内限定出安装腔，所述水传输件设于所述安装腔内，进入燃料电池的第一气体和经所述燃料电池的排气通道流出的第二气体两者中的一种在所述水传输件的内部流动，另一种在所述水传输件的外部流动；旁通阀，与所述排气通道连通以使所述排气通道流出的所述第二气体能够直接经所述旁通阀排出；第一湿度传感器，所述第一湿度传感器用于检测进入所述燃料电池的所述第一气体的湿度；电流传感器，所述电流传感器与所述燃料电池相连以检测所述燃料电池输出的电流。

作为一种燃料电池的加湿***的优选方案，所述加湿器还包括第一隔板和第二隔板，所述第一隔板和所述第二隔板分别位于所述水传输件的两端，所述第一隔板与所述壳体围成第一腔室，所述第二隔板与所述壳体围成第二腔室，所述第一隔板、所述第二隔板、所述水传输件及所述壳体围成流动腔，所述第一腔室和所述第二腔室均与所述水传输件的内部连通或者均与所述流动腔连通。

作为一种燃料电池的加湿***的优选方案，所述壳体上设有用于进入所述第一气体的第一进气口和用于排出所述第一气体的第一排气口，所述第一进气口与所述第一腔室连通，所述第一排气口与所述第二腔室连通，所述第一腔室和所述第二腔室均与所述水传输件的内部连通，所述第一腔室内设有若干个第三隔板，若干个所述第三隔板依次间隔设置在所述壳体上且形成蛇形流道，所述第一气体经所述第一进气口和所述蛇形流道进入所述第一腔室。

作为一种燃料电池的加湿***的优选方案，所述壳体上设有用于进入所述第二气体的第二进气口和用于排出所述第二气体的第二排气口，所述第二进气口和第二排气口均与所述流动腔连通。

作为一种燃料电池的加湿***的优选方案，所述安装腔内设有导流板，所述导流板位于所述第二进气口和所述第二排气口之间，所述导流板的一端设置在所述壳体上，另一端与所述壳体间隔设置。

作为一种燃料电池的加湿***的优选方案，所述水传输件的个数为若干个，若干个所述水传输件间隔设置。

作为一种燃料电池的加湿***的优选方案，所述水传输件为柱状水传输膜。

作为一种燃料电池的加湿***的优选方案，所述燃料电池的加湿***还包括第二湿度传感器，所述第二湿度传感器用于检测进入所述加湿器的所述第一气体的湿度。

一种如以上任一方案所述的燃料电池的加湿***的控制方法，包括以下步骤：所述电流传感器检测到的所述燃料电池的电流为输出电流，根据所述输出电流得出所述燃料电池相应工况下对应的预设湿度；所述第一湿度传感器检测到进入所述燃料电池的所述第一气体的湿度为检测湿度，若所述检测湿度大于所述预设湿度，则增大所述旁通阀的开度；若所述检测湿度小于所述预设湿度，则减小所述旁通阀的开度。

作为一种燃料电池的加湿***的控制方法的优选方案，所述检测湿度小于所述预设湿度时，减少进入所述燃料电池的所述第一气体和氢气的气体流量。

本发明的有益效果为：本发明公开的燃料电池的加湿***增设的旁通阀能够调整进入加湿器的第二气体的气体流量，根据电流传感器检测到的电流得出相应工况下进入燃料电池的第二气体的预设湿度，当第一湿度传感器检测到的进入燃料电池的第一气体的湿度与预设湿度差距较大时，通过改变旁通阀的开度实现对进入燃料电池的第一气体湿度的初步调节，使其满足相应工况下的进入燃料电池的第一气体的湿度，进而提高燃料电池的反应速率。

本发明公开的燃料电池的加湿***的控制方法能够根据检测到的第一气体的检测湿度和相应工况下对应的预设湿度实时调整旁通阀的开度，从而使加湿器排出的第一气体的检测湿度接近相应工况下的进入燃料电池的预设湿度，最终提高燃料电池的反应速率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明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发明的一些实施例，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，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明具体实施例提供的加湿器和旁通阀的剖视图；

图2是本发明具体实施例提供的燃料电池的加湿***的示意图。

图中：

1、加湿器；11、壳体；1101、第一进气口；1102、第一排气口；1103、第二进气口；1104、第二排气口；12、水传输件；13、第一隔板；130、第一腔室；14、第二隔板；140、第二腔室；150、流动腔；16、第三隔板；160、蛇形流道；17、导流板；

2、旁通阀；

31、第一湿度传感器；32、第二湿度传感器；

4、电流传感器；

5、控制器；

100、燃料电池。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、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发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，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发明和简化描述，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发明的限制。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。

在本发明的描述中，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发明中的具体含义。

如图1和图2所示，本实施例提供一种燃料电池的加湿***，包括加湿器1、旁通阀2、第一湿度传感器31及电流传感器4，加湿器1包括壳体11和水传输件12，壳体11内限定出安装腔，水传输件12设于安装腔内，进入燃料电池100的第一气体和经燃料电池100的排气通道流出的第二气体两者中的一种在水传输件12的内部流动，另一种在水传输件12的外部流动，旁通阀2与排气通道连通以使排气通道流出的第二气体能够直接经旁通阀2排出，第一湿度传感器31用于检测进入燃料电池100的第一气体的湿度，电流传感器4与燃料电池100相连以检测燃料电池100输出的电流。

需要说明的是，水传输件12只允许水汽穿过，而其他气体无法穿过。本实施例进入加湿器1的第一气体为外界空气，进入加湿器1的第二气体为燃料电池100反应后产生的湿度较大的气体，第二气体内的水汽通过水传输件12混入第一气体以对第一气体进行加湿，从而将加湿后的第一气体通入燃料电池100，使其参与燃料电池100的化学反应。

本实施例提供的燃料电池的加湿***增设的旁通阀2能够调整进入加湿器1的第二气体的气体流量，根据电流传感器4检测到的电流得出相应工况下进入燃料电池100的第二气体的预设湿度，当第一湿度传感器31检测到的进入燃料电池100的第一气体的湿度与预设湿度差距较大时，通过改变旁通阀2的开度实现对进入燃料电池100的第一气体湿度的调节，使其满足相应工况下的进入燃料电池100的第一气体的湿度，进而提高燃料电池100的反应速率。

需要说明的是，本实施例的电流传感器4能够实时检测燃料电池100输出的电流，假定燃料电池100在理想边界条件下进行反应，可得出与该电流对应的进入燃料电池100的第二气体的理想湿度，该第二气体的理想湿度即为上述预设湿度。

如图1所示，本实施例的加湿器1还包括第一隔板13和第二隔板14，第一隔板13和第二隔板14分别位于水传输件12的两端，第一隔板13与壳体11围成第一腔室130，第二隔板14与壳体11围成第二腔室140，第一隔板13、第二隔板14、水传输件12及壳体11围成流动腔150，第一腔室130和第二腔室140均与水传输件12的内部连通连通。在其他实施例中，还可以是第一腔室130和第二腔室140均与流动腔150连通。

本实施例的第一隔板13为第一密封件，第二隔板14为第二密封件，第一密封件和第二密封件均为密封圈，第一密封件和第二密封件能够保证第一腔室130和第二腔室140均与流动腔150隔绝，防止第一气体和第二气体连通。

具体地，如图1所示，壳体11上设有用于进入第一气体的第一进气口1101和用于排出第一气体的第一排气口1102，第一进气口1101与第一腔室130连通，第一排气口1102与第二腔室140连通，第一腔室130和第二腔室140均与水传输件12的内部连通，第一腔室130内设有若干个第三隔板16，若干个第三隔板16依次间隔设置在壳体11上且形成蛇形流道160，第一气体经第一进气口1101和蛇形流道160进入第一腔室130。

进一步地，蛇形流道160不但能够分离出第一气体内的液态水珠，以避免第一气体内的液态水珠进入燃料电池100内阻塞燃料电池100的排气通道，从而降低燃料电池100的反应速率，还能够降低第一气体的流动速度，增加第一气体在水传输件12内的流动时长，使第一气体和第二气体有足够的水传输时长，提高第一气体和第二气体的水传输效率，保证经第一排气口1102排出的第一气体有足够的湿度。

具体地，如图1所示，壳体11上还设有用于进入第二气体的第二进气口1103和用于排出第二气体的第二排气口1104，第二进气口1103和第二排气口1104均与流动腔150连通。为了使第二气体内的水汽能够经水传输件12传输至第一气体内，安装腔内设有导流板17，导流板17位于第二进气口1103和第二排气口1104之间，导流板17的一端设置在壳体11上，另一端与壳体11间隔设置。

进一步地，如图1所示，本实施例的导流板17的三个边均与壳体11连接，进入流动腔150的第二气体沿导流板17的一侧流动至导流板17的另一侧，并最终从第二排气口1104排出。由此可知，增设的导流板17通过改变第二气体的流动方向，增加了第二气体与水传输件12的接触时长，进一步提高了第一气体和第二气体的水传输效率。

如图1所示，本实施例的水传输件12的个数为若干个，若干个水传输件12交错间隔排布。水传输件12为柱状水传输膜，若干个柱状水传输膜平行分布。第一气体在柱状水传输膜内流动，第二气体在流动腔150内流动，若干个水传输件12能够进一步增加第一气体和第二气体与水传输件12的接触面积，从而进一步提高第一气体和第二气体的水传输效率，以尽可能的增大第一排气口1102排出的第一气体的湿度。

如图1所示，本实施例的燃料电池的加湿***还包括第二湿度传感器32，第二湿度传感器32设于第一进气口1101处，以检测进入加湿器1的第一气体的湿度。

具体地，第一湿度传感器31检测到进入燃料电池100的第一气体的湿度为检测湿度，若检测湿度大于预设湿度，则增大旁通阀2的开度，以减少进入加湿器1的第二气体的气体流量，从而降低加湿器1的第二排气口1104排出的第二气体的检测湿度。

若检测湿度小于预设湿度，则减小旁通阀2的开度。旁通阀2的开度减小，增加了进入加湿器1的第二气体的气体流量，使得加湿器1的第二排气口1104排出的第二气体的检测湿度增加。若是旁通阀2完全关闭后进入燃料电池100的第一气体的检测湿度仍小于预设湿度，此时应减少进入燃料电池100的第一气体和氢气的气体流量，从而进一步提高加湿器1的第二排气口1104排出的第二气体的检测湿度。根据第二湿度传感器32检测的进入加湿器1的第一气体的湿度和进入燃料电池100的第一气体的检测湿度，计算出第一气体的气体流量的减少量，从而使进入燃料电池100的第一气体的检测湿度达到预设湿度。

优选地，如图2所示，本实施例的燃料电池的加湿***还包括控制器5，控制器5与电流传感器4、第一湿度传感器31及第二湿度传感器32相连，电流传感器4检测到燃料电池100输出的电流能够传送给控制器5，根据实时检测的电流得出燃料电池100相应工况下对应的预设湿度，第一湿度传感器31检测到的进入燃料电池100的第二气体的湿度值和第二湿度传感器32检测到的进入加湿器1的第一气体的湿度值的信号传送至控制器5，通过对比预设湿度和第一湿度传感器31检测到的检测湿度进行对比，判断得出是否需要调整旁通阀2的开度，并根据第二湿度传感器32检测到的第一气体的湿度值，计算所需要的第一气体的气体流量。

具体地，本实施例的控制器5可以是集中式或分布式的控制器5，比如，控制器5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，单片机中可以运行控制程序，进而控制旁通阀2、第一湿度传感器31及第二湿度传感器32实现其功能。

本实施例还提供了一种采用本实施例所述的燃料电池的加湿***的控制方法，包括以下步骤：

电流传感器4检测到的燃料电池100的电流为输出电流，根据输出电流得出燃料电池100相应工况下对应的预设湿度；

第一湿度传感器31检测到进入燃料电池100的第一气体的湿度为检测湿度，若检测湿度大于预设湿度，则增大旁通阀2的开度；若检测湿度小于预设湿度，则减小旁通阀2的开度。

检测湿度小于预设湿度时，还可以减少进入燃料电池100的第一气体和氢气的气体流量。

需要说明的是，若检测湿度与预设湿度相差不大，则认为此时进入燃料电池100的第一气体的检测湿度与燃料电池100的实际工作工况对应，此时，不需要调整旁通阀2的开度，也不需要调整第一气体和氢气的气体流量。

本实施例提供的燃料电池的加湿***的控制方法能够根据检测到的第一气体的检测湿度和相应工况下对应的预设湿度实时调整旁通阀2的开度、第一气体和氢气的气体流量，从而使加湿器1排出的第一气体的检测湿度接近相应工况下的进入燃料电池100的预设湿度，最终提高燃料电池100的反应速率。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明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发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种燃料电池的加湿***，其特征在于，包括：

加湿器(1)，包括壳体(11)和水传输件(12)，所述壳体(11)内限定出安装腔，所述水传输件(12)设于所述安装腔内，进入燃料电池(100)的第一气体和经所述燃料电池(100)的排气通道流出的第二气体两者中的一种在所述水传输件(12)的内部流动，另一种在所述水传输件(12)的外部流动；

旁通阀(2)，与所述排气通道连通以使所述排气通道流出的所述第二气体能够直接经所述旁通阀(2)排出；

第一湿度传感器(31)，所述第一湿度传感器(31)用于检测进入所述燃料电池(100)的所述第一气体的湿度；

电流传感器(4)，所述电流传感器(4)与所述燃料电池(100)相连以检测所述燃料电池(100)输出的电流，根据所述输出电流得出所述燃料电池(100)相应工况下对应的预设湿度；

第一隔板(13)和第二隔板(14)，所述第一隔板(13)和所述第二隔板(14)分别位于所述水传输件(12)的两端，所述第一隔板(13)与所述壳体(11)围成第一腔室(130)，所述第二隔板(14)与所述壳体(11)围成第二腔室(140)，所述第一隔板(13)、所述第二隔板(14)、所述水传输件(12)及所述壳体(11)围成流动腔(150)，所述第一腔室(130)和所述第二腔室(140)均与所述水传输件(12)的内部连通或者均与所述流动腔(150)连通；

所述壳体(11)上设有用于进入所述第二气体的第二进气口(1103)和用于排出所述第二气体的第二排气口(1104)，所述第二进气口(1103)和第二排气口(1104)均与所述流动腔(150)连通；

所述安装腔内设有导流板(17)，所述导流板(17)位于所述第二进气口(1103)和所述第二排气口(1104)之间，所述导流板(17)的一端设置在所述壳体(11)上，所述导流板(17)的另一端与所述壳体(11)间隔设置；

所述壳体(11)上设有用于进入所述第一气体的第一进气口(1101)和用于排出所述第一气体的第一排气口(1102)，所述第一进气口(1101)与所述第一腔室(130)连通，所述第一排气口(1102)与所述第二腔室(140)连通，所述第一腔室(130)和所述第二腔室(140)均与所述水传输件(12)的内部连通，所述第一腔室(130)内设有若干个第三隔板(16)，若干个所述第三隔板(16)依次间隔设置在所述壳体(11)上且形成蛇形流道(160)，所述第一气体经所述第一进气口(1101)和所述蛇形流道(160)进入所述第一腔室(130)。

2.根据权利要求1所述的燃料电池的加湿***，其特征在于，所述水传输件(12)的个数为若干个，若干个所述水传输件(12)间隔设置。

3.根据权利要求2所述的燃料电池的加湿***，其特征在于，所述水传输件(12)为柱状水传输膜。

4.根据权利要求1所述的燃料电池的加湿***，其特征在于，所述燃料电池的加湿***还包括第二湿度传感器(32)，所述第二湿度传感器(32)用于检测进入所述加湿器(1)的所述第一气体的湿度。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的燃料电池的加湿***的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述电流传感器(4)检测到所述燃料电池(100)的电流为输出电流，根据所述输出电流得出所述燃料电池(100)相应工况下对应的预设湿度；

所述第一湿度传感器(31)检测到进入所述燃料电池(100)的所述第一气体的湿度为检测湿度，若所述检测湿度大于所述预设湿度，则增大所述旁通阀(2)的开度；若所述检测湿度小于所述预设湿度，则减小所述旁通阀(2)的开度。

6.根据权利要求5所述的燃料电池的加湿***的控制方法，其特征在于，所述检测湿度小于所述预设湿度时，减少进入所述燃料电池(100)的所述第一气体和氢气的气体流量。

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