CN114188574A - 用于燃料电池的气体湿度和温度控制***及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于燃料电池的气体湿度和温度控制***。所述种用于燃料电池的气体湿度和温度控制***包括一加湿水路设备以及一气体控温设备。所述加湿水路设备将一气体加湿至饱和并升温至一露点温度。所述气体控温设备连接所述加湿水路设备，其中所述气体控温设备将到达所述露点温度并饱和的所述气体加热至一目标温度，使所述气体的湿度同时达到一目标相对湿度，以供至该燃料电池。

Description

用于燃料电池的气体湿度和温度控制***及其方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池领域，尤其涉及一种用于燃料电池的气体湿度和温度控制***及其方法。

背景技术

科技蓬勃发展，人类对能源的需求日益增加，特别是对石化燃料的依赖，但是石化燃料面临枯竭的危机，而且石化燃料对环境污染影响甚巨。因此，燃料电池的问世解决人类高度依赖石化燃料的问题。燃料电池属于一种绿色能源，其中最受到大家瞩目的焦点是质子交换膜燃料电池(PEMFC)。因为质子交换膜燃料电池具有低污染、安静、高效率、应用范围广泛及维护简单等优点。

值得一提的是，在质子交换膜燃料电池中的水平衡是保证燃料电池正常稳定运行的重要因素，而其中质子交换膜的脱水和过度湿化都会影响燃料电池的工作性能。因此无论是在研发燃料电池过程中还是在燃料电池生产检测阶段，能够提供一种稳定、精确、快速、安全的用于燃料电池的气体湿度和温度控制***和方法，对燃料电池研发和生产具有重要作用。换言之，质子交换膜内的含水量，对燃料电池的性能具有巨大的影响。若反应气体未增湿，则会造成薄膜脱水进而阻碍质子间的传递，加湿过渡则会造成水淹，使燃料电池性能迅速下降，而要维持薄膜内的水平衡，势必要将反应气体进行增湿处理，目前燃料电池加湿技术主要是膜加湿法、鼓泡法和喷淋法。膜加湿法对气体加湿温度和相对湿度不可随意控制，是由电堆出口空气温度和湿度所决定。鼓泡法加湿，主要由加湿水温度和空气流量所决定，在使用需要缓慢调节水温和空气流量才能达到加湿要求，在燃料电池电堆测试过程费时费力。

发明内容

本发明的一个优势在于其提供一种用于燃料电池的气体湿度和温度控制***及其方法，其中根据预先设定的一目标温度和一目标相对湿度计算得出一露点温度，利用两段加湿的方式使气体被充分加湿至饱和，且同时升温至所述露点温度，再使所述气体从所述露点温度被加热至所述目标温度，此时所述气体的湿度即可达到所述目标相对湿度，从而精确地控制通入所述燃料电池的所述气体的湿度和温度。

本发明的另一优势在于其提供一种用于燃料电池的气体湿度和温度控制***及其方法，其中通过一加湿罐的两段加湿区域，迅速将气体加湿至饱和，从而缩短所述气体的加湿时间，以减少***的响应时间和能源消耗，省时省力。

本发明的另一优势在于其提供一种用于燃料电池的气体湿度和温度控制***及其方法，其中先利用一加湿水路设备使所述气体达到所述露点温度，再利用一气体控温设备使所述气体达到所述目标温度，这时的所述气体达到所述目标相对湿度，以此控制进入所述燃料电池的电堆的所述气体的温度和湿度。换言之，本发明能精准控制所述燃料电池在不同温度和不同相对湿度的气体条件下进行工作。

本发明的另一优势在于其提供一种用于燃料电池的气体湿度和温度控制***及其方法，其中根据设定的通入所述燃料电池的电堆的气体的目标温度和目标相对湿度计算得出所述气体的露点温度，控制排出所述加湿罐顶部的气体的温度达到所述计算得出的所述气体的露点温度。特别地，本发明中不使用湿度传感器。

本发明的另一优势在于其提供一种用于燃料电池的气体湿度和温度控制***及其方法，其中先进行气体饱和加湿并使其温度达到所述计算得出的所述气体的所述露点温度，再对所述气体进行加热，使所述气体升温至所述目标温度，从而使所述气体的温度和相对湿度能够同时分别达到所述目标温度和所述目标相对湿度，因此能精准控制燃料电池在不同温度和不同相对湿度的气体条件下进行测试，有利于找到燃料电池最适宜的工作条件。

本发明的另一优势在于其提供一种用于燃料电池的气体湿度和温度控制***及其方法，其中在所述气体在进入所述加湿罐之前，先被预加热，以将所述加湿罐应当承担的加热负荷转移至所述加湿罐外，因此能够允许减少所述加湿罐内加湿水的体积，进而减小所述加湿罐的体积，同时由于所述加湿罐内加湿水的体积减少，一水加热装置和一换热器对加湿水的温度调节时间缩短，更加省时。

本发明的其它优势和特点通过下述的详细说明得以充分体现并可通过所附权利要求中特地指出的手段和装置的组合得以实现。

依本发明，能够实现前述目的和其他目的和优势的本发明一种用于燃料电池的气体湿度和温度控制***，包括:

一加湿水路设备，其将一气体加湿至饱和并升温至一露点温度；和

一气体控温设备；其连接所述加湿水路设备，其中所述气体控温设备将到达所述露点温度并饱和的所述气体加热至一目标温度，使所述气体的湿度同时达到一目标相对湿度，以供至该燃料电池。

本发明的一实施例中，预先设定的所述目标温度和所述目标相对湿度，并利用下述公式①②③反推算出所述露点温度Td，

RH＝Ps/P×100％ …………①

P－T温度下的混合气体水蒸气压，Pa

Ps－Td(露点温度)下的饱和蒸汽压，Pa

本发明的一实施例中，所述用于燃料电池的气体湿度和温度控制***包括连接所述加湿水路设备的一冷却水路设备，以调控所述加湿水路设备的加湿水的温度。

本发明的一实施例中，所述加湿水路设备包括一加湿罐，一水加热装置，一水温度传感装置，一加湿水泵，以及一加湿回路管，其中所述水加热装置，所述水温度传感装置与所述加湿水泵分别设置于所述加湿回路管，所述加湿回路管的两端分别连接所述加湿罐，其中所述冷却水路设备与所述加湿回路管连接。

本发明的一实施例中，所述气体控温设备包括连接所述加湿罐与该燃料电池的一加热管路与设置于所述加热管路的一加热器，其中通过所述加热器将达到所述露点温度并饱和的所述气体加热至所述目标温度。

本发明的一实施例中，所述气体控温设备包括设置于所述加热管路的一加热带，其位于所述加热器与该燃料电池之间，以保持所述气体温度。

本发明的一实施例中，所述加湿罐包括一第一层加湿区和位于所述第一层加湿区上方的一第二层加湿区，其中所述气体进入所述第一层加湿区进行鼓泡法加湿后，所述气体上升到所述第二层加湿区利用水雾蒸发加湿。

本发明的一实施例中，所述加湿罐还包括一进气岐管和一雾化喷头，其中所述进气岐管设置于所述第一层加湿区，其中所述雾化喷头设置于所述第二层加湿区，其中所述气体通过所述进气岐管以进行鼓泡法加湿后，所述气体上升到所述第二层加湿区，通过所述雾化喷头产生水雾以进行水雾蒸发加湿。

本发明的一实施例中，所述加湿罐还包括一液滴分离层，其设置于所述雾化喷头的上方，其中所述气体经过所述第二层加湿区后，再经过所述液滴分离层后，从所述加湿罐顶部离开进入所述加热管路。

本发明的一实施例中，所述气体控温设备还包括连接所述进气岐管和所述水加热装置的一预热管路，所述气体先通过所述水加热装置预热后，经由所述预热管路进入所述进气岐管。

本发明的一实施例中，所述气体控温设备包括一气体温度传感装置，其设置于所述加湿罐顶部，以测量所述加湿罐顶部的所述气体的温度。

本发明的一实施例中，所述冷却水路设备包括一冷却水泵，一换热器，一调节阀，一散热器以及一冷却回路管，其中所述冷却水泵，所述换热器，所述调节阀和所述散热器分别设置于所述冷却回路管，所述冷却水泵带动所述冷却回路管的冷却水于所述调节阀，所述换热器和所述散热器中流动，其中所述换热器连接所述加湿回路管，所述调节阀控制流经所述换热器的水量，进而控制所述加湿回路管中加湿水的冷却降温效果。

本发明的一实施例中，所述用于燃料电池的气体湿度和温度控制***还包括连接所述加湿水路设备的所述加湿罐的一补水装置。

依本发明，能够实现前述目的和其他目的和优势的本发明一用于燃料电池的气体湿度和温度控制方法，包括:

(a)默认一目标温度和一目标相对湿度，并计算一露点温度；

(b)控制一气体进入一加湿罐内被加湿至饱和且被加热至所述露点温度；以及

(c)加热所述气体到达所述目标温度和所述目标相对湿度。

本发明的一实施例方法中，在步骤(a)中，经由下述公式①②③反推算出露点温度Td，

RH＝Ps/P×100％ …………①

P－T温度下的混合气体水蒸气压，Pa

Ps－Td(露点温度)下的饱和蒸汽压，Pa

本发明的一实施例方法中，在步骤(b)中，通过一加湿水路设备使所述气体达到所述露点温度，其中所述加湿水路设备包括一加湿罐，一水加热装置，一水温度传感装置，一加湿水泵，以及一加湿回路管，其中所述水加热装置，所述水温度传感装置与所述加湿水泵分别设置于所述加湿回路管上，所述加湿回路管的入水端和出水端分别连接所述加湿罐，所述加湿水泵带动所述加湿回路管内的加湿水于所述水加热装置加热后经过所述入水端进入所述加湿罐，并于所述出水端使所述加湿水离开所述加湿罐，所述水温度传感装置设置于所述入水端，以测量所述加湿水的温度。

本发明的一实施例方法中，所述气体进入位于所述加湿罐的一第一层加湿区的一进气岐管进行鼓泡法加湿后，所述气体上升到所述加湿罐的一第二层加湿区，通过一雾化喷头产生水雾进行水雾蒸发加湿，使所述气体离开所述加湿罐时到达所述露点温。

本发明的一实施例方法中，所述气体预先通过所述水加热装置预热后，再进入所述进气岐管。

本发明的一实施例方法中，在步骤(c)中，所述气体离开所述加湿罐进入一加热管路，通过设置所述加热管路的一加热器将达到所述露点温度并饱和的所述气体加热至所述目标温度。

本发明的一实施例方法中，所述气体进入位于所述加热器与该燃料电池之间的一加热带，以保持所述气体温度。

本发明的一实施例方法中，通过连接所述加湿水路设备的一冷却水路设备调控所述加湿水路设备的加湿水的温度。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现。

附图说明

图1是根据本发明的第一优选实施例的一燃料电池湿度控制***的示意图。

图2是根据本发明的第二优选实施例的一燃料电池湿度控制***的示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其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组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个组件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该组件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

如图1所示，是根据本发明的第一优选实施例的一用于燃料电池的气体湿度和温度控制***1，以用于精准控制进入一燃料电池900的一气体的温度和湿度。所述气体湿度和温度控制***1包括一气体控温设备10，一加湿水路设备20以及一冷却水路设备30。所述气体控温设备10连接所述加湿水路设备20，以控制一气体通过所述加湿水路设备20进行两次内部加湿并加热后，再利用所述气体控温设备10加热所述气体，使最终进入所述燃料电池900的电堆的所述气体的温度和湿度被精准控制。换言之，本发明精准控制所述气体进入所述电堆的温度和湿度，从而便于测试所述燃料电池的最佳工作条件，或使所述燃料电池在最佳的气体条件下工作。也就是说，本发明的所述气体湿度和温度控制***1将确保所述气体进入所述燃料电池的电堆时达到一目标温度T和一目标相对湿度RH。值得一提的，温度和湿度对质子交换膜燃料电池(PEMFC)的影响非常大。本发明利用所述目标温度T和所述目标相对湿度RH配合一露点温度Td的计算以及至少两段式的加湿和加热的方式，以确保输入所述燃料电池的电堆的所述气体的温度和湿度为所述目标温度T和所述目标相对湿度RH，因此能够预先设定不同的目标温度T和目标相对湿度RH，来对比燃料电池的性能，以找到最适宜所述燃料电池工作的气体条件。进一步地说，本发明利用所述目标温度T和所述目标相对湿度RH计算得出的所述露点温度Td，并控制所述气体在所述加湿水路设备20中被加湿至饱和的同时，温度达到所述露点温度Td，再使所述气体经过所述气体控温设备10被进一步加热后，所述气体达到所述目标温度T和所述目标相对湿度RH。换言之，通过所述加湿水路设备20和所述气体控温设备10使所述气体达到所述目标温度T和所述目标相对湿度RH的况态下进入所述燃料电池900。

进一步地说，利用下述公式①②③反推算出露点温度Td。

RH＝Ps/P×100％ …………①

P－T温度下的混合气体水蒸气压，Pa

Ps－Td(露点温度)下的饱和蒸汽压，Pa

值得一提的，在空气中水汽含量不变，保持气压一定的情况下，使空气冷却达到饱和时的温度称露点温度Td。实际上露点温度Td也就是水蒸气与水达到平衡状态的温度。实际温度t与露点温度Td之差表示空气距离饱和的程度。当t>Td时，表示空气未饱和，当t＝Td时，已饱和，当t<Td时为过饱和。进一步地说，露点或露点温度Td是指在固定气压之下，空气中所含的水蒸气会凝结成水而从空气中析出的温度。露点高低受大气压与空气中水蒸气的饱和度影响。换句话说，空气中水蒸气的最高含量随温度降低而减小，当气温由高温渐渐降低到低于这温度时，过多的水蒸气便会凝结成水，这些水如果凝结在固体上就成为露，故这个温度称为露点温度Td。另外，相对湿度RH是在某一温度下，混合气体中之水蒸气分压与同温下饱和水汽压强的比，称为混合气体在此温度下之相对湿度。

另外，所述冷却水路设备30连接所述加湿水路设备20，以用于调控在所述加湿水路设备20中的加湿水的温度。换言之，在所述加湿水路设备20中的加湿水的温度过过高时，通过所述冷却水路设备30进行冷却控制，以达到控制降温的效果。

在本实施例中，所述气体控温设备10包括一进气电磁阀11，一气体流量控制器12，一气体温度传感器13，一加热器14，一加热带15，以及一加热管路16。所述进气电磁阀11连接所述气体流量控制器12和所述加湿水路设备20，其中通过所述气体流量控制器12调节所述气体的流量。换言之，通过所述进气电磁阀11和所述气体流量控制器12控制进入所述加湿水路设备20的所述气体的实时流量Fg等于目标流量F。所述加热器14与所述加热带15设置于所述加热管路16。所述加热器14将达到所述露点温度Td并饱和的所述气体加热至所述目标温度T。所述加热带15位于所述加热器14与该燃料电池900之间，以保持所述气体温度。

进一步地说，所述气体温度传感器13，所述加热器14和所述加热带15皆设置于所述加热管路16，其中所述加热器14位于所述气体温度传感器13和所述加热带15之间，所述气体温度传感器13位于所述加湿水路设备20和所述加热器14之间。当所述气体通过所述加湿水路设备20加热和加湿后，经由所述气体温度传感器13判断所述气体的温度是否等于所述露点温度Td。也就是说，控制所述气体通过所述加湿水路设备20后，其湿度为百分百饱和，且其温度达到所述露点温度Td。然后再利用所述加热器14和所述加热带15使加湿的所述气体的温度进一步被加热至所述目标温度T，并使所述气体的湿度同时达到所述目标相对湿度RH。

在本实施例中，所述加湿水路设备20包括一加湿罐21，一水加热装置22，一水流量计23，一水温度传感装置24，一加湿水泵25以及一加湿回路管26。所述水加热装置22，所述水流量计23，所述水温度传感装置24与所述加湿水泵25分别设置于所述加湿回路管26，所述加湿回路管26的入水端261和出水端262分别连接所述加湿罐21，其中所述冷却水路设备30与所述加湿回路管26连接。进一步地说，所述加湿水泵25带动所述加湿回路管26内的加湿水于所述水加热装置22加热后经过所述入水端261进入所述加湿罐21，并于所述出水端262使所述加湿水离开所述加湿罐21。所述水温度传感装置24设置于所述入水端261，以测量所述加湿水的温度。所述水流量计23于所述水加热装置22与所述加湿罐21之间以监测所述加湿水的流量。值得一提的，由所述水温度传感装置24确认所述加湿水的温度不超过一默认高温，例如85℃，以防止加湿罐21的加湿水沸腾或过高。当所述加湿水的温度超过所述默认高温时，例如85℃，则所述水加热装置22停止工作。

在本实施例中，所述加湿罐21包括两层加湿区，其分别为第一层加湿区211和第二层加湿区212。所述第一层加湿区211位于所述第二层加湿区212的下方，所述气体进入所述第一层加湿区211进行加湿后，至所述第二层加湿区212再次加湿，然后离开所述加湿罐21，并通过所述气体控温设备10进入所述燃料电池900。进一步地说，所述气体进入所述第一层加湿区211进行鼓泡法加湿，然后所述气体上升到所述第二层加湿区212时，利用水雾蒸发加湿。所述加湿罐21还包括一进气岐管213，一雾化喷头214和一液滴分离层215。所述进气岐管213设置于所述第一层加湿区211，在所述第一层加湿区211布满所述加湿水。因此，当所述气体通过所述进气岐管213后均匀地分布到所述加湿水中，以进行鼓泡法加湿后，经过第一次加湿的所气体上升到所述第二层加湿区212。换言之，所述气体在所述第一层加湿区211进行第一次加湿。另外，所述雾化喷头214设置于所述第二层加湿区212，其中所述雾化喷头214连接所述加湿回路管26的入水端261，所述加湿水通过所述入水端261到所述加湿罐21后，经由所述雾化喷头214雾化喷出，这时上升到所述第二层加湿区212的所气体将进行第二次的加湿。进一步地说，所述第二层加湿区212包括一蒸发填料区2121，其位于所述雾化喷头214的下方，当所述气体上升到蒸发填料区2121时，所述雾化喷头214喷洒下来的所述加湿水将对上升的所述气体进行加热和加湿。换言之，所述气体的第二次加湿在所述第二层加湿区212，所述雾化喷头214喷洒出水雾，使所述气体在所述蒸发填料区2121加湿。可以理解的，所述雾化喷头214雾化喷出的所述加湿水将向下流到所述第一层加湿区211，成为布满在所述第一层加湿区211的加湿水。另外，所述液滴分离层215设置于所述雾化喷头214的上方，当所述气体经过第二次加湿后，经由所述液滴分离层215后离开所述加湿罐21并进入所述气体控温设备10的所述加热器14。值得一提的，所述气体温度传感器13设置在所述加湿罐21和所述加热器14之间。可以理解的，通过所述气体温度传感器13取得从所述加湿罐21出来的所述气体的温度。换言之，所述气体温度传感器13设置于所述加湿罐21的顶端，用于感测所述加湿罐21顶部的所述气体的温度。

在本实施例中，所述冷却水路设备30包括一冷却水泵31，一换热器32，一调节阀33，一散热器34以及一冷却回路管35。所述冷却水泵31，所述换热器32，所述调节阀33和所述散热器34分别设置于所述冷却回路管35。所述冷却水泵31带动所述冷却回路管35的冷却水于所述调节阀33，所述换热器32，所述散热器34之间流动，其中所述换热器32连接所述加湿回路管26，所述调节阀33控制流经所述换热器32的水量，进而控制所述加湿回路管26中加湿水的冷却降温效果。特别地，所述调节阀33为三通调节阀，其是用于控制流过所述换热器32的水量。值得一提的，本实施例中所述冷却水路设备30是用于调节所述加湿水的温度，其中的配置为举例说明，不为本发明的限制。

特别地，本发明所提的所述加湿水为去离子水，所述冷却水可以是任何能够实现热交换的液体。

另外，所述用于燃料电池的气体湿度和温度控制***1还包括一补水装置40，其中因所述气体不断地被加湿加热后进入所述燃料电池，因此在所述加湿水路设备20中的所述加湿水将不断的减少，其中利用所述补水装置40提供水进入所述加湿水路设备20的所述加湿罐21，以确保所述加湿水路设备20中保持运作水量。换言之，所述补水装置40连接所述加湿水路设备20的所述加湿罐21，以再需要时将水补充到所述加湿水路设备20的所述加湿罐21。特别地，当加湿的气体进入所述燃料电池900的电堆并经电化学反应后的一产物水会随着一尾气排出，其中所述尾气将所述产物水冷却和气液分离后，其中的水可重新回到所述补水装置40，使其再成为一个完整的循环，从而避免水资源的浪费。

本发明还提供另一用于燃料电池的气体湿度和温度控制方法，其包括步骤如下：

(a)默认一目标温度T和一目标相对湿度RH，并计算一露点温度Td；

(b)控制一气体进入一加湿罐21内被加湿至饱和且被加热至所述露点温度Td；以及

(c)加热所述气体到达所述目标温度T和所述目标相对湿度RH。

上述步骤中，到达所述目标温度T和所述目标相对湿度RH的所述气体，其适于提供给一燃料电池900，进行电化学反应。

在步骤(a)中，经由下述公式①②③反推算出露点温度Td，

RH＝Ps/P×100％ …………①

P－T温度下的混合气体水蒸气压，Pa

Ps－Td(露点温度)下的饱和蒸汽压，Pa

在步骤(b)中，通过一加湿水路设备20使所述气体达到所述露点温度Td，其中所述加湿水路设备20包括一加湿罐21，一水加热装置22，一水温度传感装置24，一加湿水泵25，以及一加湿回路管26，其中所述水加热装置22，所述水温度传感装置24与所述加湿水泵25分别设置于所述加湿回路管26上，所述加湿回路管26的入水端261和出水端262分别连接所述加湿罐21，所述加湿水泵25带动所述加湿回路管26内的加湿水于所述水加热装置22加热后经过所述入水端261进入所述加湿罐21，并于所述出水端262使所述加湿水离开所述加湿罐21，所述水温度传感装置24设置于所述入水端261，以测量所述加湿水的温度。

在步骤(b)中，所述气体进入位于所述加湿罐21的一第一层加湿区211的一进气岐管213进行鼓泡法加湿后，所述气体上升到所述加湿罐21的一第二层加湿区212，通过一雾化喷头214产生水雾进行水雾蒸发加湿，使所述气体离开所述加湿罐21时到达所述露点温度Td。

进一步地说，在所述加湿罐21中的加湿步骤如下：

(b1)所述气体进入一进气岐管213，进行鼓泡法加湿；以及

(b2)所述气体上升至一蒸发填料区2121，以进行雾化加热和加湿。

在步骤(b2)中，利用一雾化喷头214对上升的所述气体加热和加湿。

在步骤(c)中，所述气体离开所述加湿罐21进入一加热器14，通过所述加热器14将达到所述露点温度Td并饱和的所述气体加热至所述目标温度T。

另外，所述气体进入位于所述加热器14与该燃料电池900之间的一加热带15，以保持所述气体温度。

特别地，通过连接所述加湿水路设备20的一冷却水路设备30调控所述加湿水路设备20的加湿水的温度。

如图2所示，是根据本发明的第二优选实施例的一用于燃料电池的气体湿度和温度控制***1，以用于精准控制进入一燃料电池900的一气体的温度和湿度。本实施例中是利用一水加热装置22预先对进入一加湿罐21前的一气体先行加热，以减轻所述加湿罐21的负荷。换言之，所述气体在进入加湿罐21之前，先与被所述水加热器22加热后的加湿水进行热交换，以将所述加湿罐21应当承担的加热负荷转移至所述加湿罐21外，因此能够允许减少所述加湿罐21内加湿水的体积，进而减小所述加湿罐21的体积，同时由于所述加湿罐21内加湿水的体积减少，所述水加热器22和所述换热器32对所述加湿水的温度的调节时间缩短，更加省时。另外，第一优选实施例的所述冷却水路设备30与第二优选实施例的结构相同，故不在此实施例中重复说明。换言之，第二优选实施例与第一优选实施例不同在于气体在进入所述加湿罐21前，先通过所述水加热装置22。

本实施例中，所述用于燃料电池的气体湿度和温度控制***1包括一气体控温设备10，一加湿水路设备20以及一冷却水路设备30。所述气体控温设备10连接所述加湿水路设备20，以控制一气体通过所述加湿水路设备20进行两次内部加湿并加热后，再利用所述气体控温设备10加热所述气体，使最终进入所述燃料电池900的电堆的所述气体的温度和湿度被精准控制。进一步地说，本发明的所述用于燃料电池的气体湿度和温度控制***1将确保所述气体进入所述燃料电池的电堆时达到一目标温度T和一目标相对湿度RH。另外，所述冷却水路设备30连接所述加湿水路设备20，以用于调控在所述加湿水路设备20中的加湿水的温度。

本实施例中，本发明利用所述目标温度T和所述目标相对湿度RH计算得出的所述露点温度Td，并控制所述气体在所述加湿水路设备20中被加湿至饱和的同时，温度达到所述露点温度Td，再使所述气体经过所述气体控温设备10被进一步加热后，所述气体达到所述目标温度T和所述目标相对湿度RH。换言之，通过所述加湿水路设备20和所述气体控温设备10使所述气体达到所述目标温度T和所述目标相对湿度RH的况态下进入所述燃料电池900。

在本实施例中，所述加湿水路设备20包括一加湿罐21，一水加热装置22，一水流量计23，一水温度传感装置24，一加湿水泵25以及一加湿回路管26。所述水加热装置22，所述水流量计23，所述水温度传感装置24与所述加湿水泵25分别设置于所述加湿回路管26，所述加湿回路管26的入水端261和出水端262分别连接所述加湿罐21，其中所述冷却水路设备30与所述加湿回路管26连接。进一步地说，所述加湿水泵25带动所述加湿回路管26内的加湿水于所述水加热装置22加热后经过所述入水端261进入所述加湿罐21，并于所述出水端262使所述加湿水离开所述加湿罐21。所述水温度传感装置24设置于所述入水端261，以测量所述加湿水的温度。所述水流量计23于所述水加热装置22与所述加湿罐21之间以监测所述加湿水的流量。

在本实施例中，所述气体控温设备10包括一进气电磁阀11，一气体流量控制器12，一气体温度传感器13，一加热器14，一加热带15，一加热管路16，以及一预热管路17。所述进气电磁阀11连接所述气体流量控制器12与所述水加热装置22，其中通过所述气体流量控制器12调节所述气体的流量，并经由所述水加热装置22预热所述气体。所述预热管路17连接位于所述加湿罐21的一第一层加湿区211的一进气岐管213与所述水加热装置22，当所述气体预先通过所述水加热装置22预热后，再经由所述预热管路17进入所述进气岐管213。进一步地说，所述气体通过所述水加热装置22进行预热，然后再经由所述预热管路17进入所述加湿罐21的进气岐管213，以进行鼓泡法加湿，然后所述气体再上升至所述蒸发填料区2121，以进行雾化加热和加湿。另外，所述加热器14与所述加热带15设置于所述加热管路16。所述加热器14将从所述加湿罐21顶部出来达到所述露点温度Td并饱和的所述气体加热至所述目标温度T。所述加热带15位于所述加热器14与该燃料电池900之间，以保持所述气体温度。

本发明还提供另一用于燃料电池的气体湿度和温度控制方法，其包括步骤如下：

(a)默认一目标温度T和一目标相对湿度RH，并计算一露点温度Td；

(b)控制一气体进入一加湿罐21内被加湿至饱和且被加热至所述露点温度Td；以及

(c)加热所述气体到达所述目标温度T和所述目标相对湿度RH。

上述步骤中，到达所述目标温度T和所述目标相对湿度RH的所述气体，其适于提供给一燃料电池900，进行电化学反应。

在步骤(a)中，经由下述公式①②③反推算出露点温度Td，

RH＝Ps/P×100％ …………①

P－T温度下的混合气体水蒸气压，Pa

Ps－Td(露点温度)下的饱和蒸汽压，Pa

在步骤(b)中，通过一加湿水路设备20使所述气体达到所述露点温度Td，其中所述加湿水路设备20包括一加湿罐21，一水加热装置22，一水温度传感装置24，一加湿水泵25，以及一加湿回路管26，其中所述水加热装置22，所述水温度传感装置24与所述加湿水泵25分别设置于所述加湿回路管26上，所述加湿回路管26的入水端261和出水端262分别连接所述加湿罐21，所述加湿水泵25带动所述加湿回路管26内的加湿水于所述水加热装置22加热后经过所述入水端261进入所述加湿罐21，并于所述出水端262使所述加湿水离开所述加湿罐21，所述水温度传感装置24设置于所述入水端261，以测量所述加湿水的温度。

在步骤(b)中，所述气体进入位于所述加湿罐21的一第一层加湿区211的一进气岐管213进行鼓泡法加湿后，所述气体上升到所述加湿罐21的一第二层加湿区212，通过一雾化喷头214产生水雾进行水雾蒸发加湿，使所述气体离开所述加湿罐21时到达所述露点温度Td。

在步骤(b)中，所述气体预先通过所述水加热装置22预热后，再进入于所述加湿罐21内的所述进气岐管213。

在步骤(b)中，所述气体进入所述进气岐管213，进行鼓泡法加湿后，所述气体上升至一蒸发填料区2121，进行雾化加热和加湿。

在步骤(c)中，所述气体离开所述加湿罐21进入一加热管路16，通过设置所述加热管路16的所述加热器14将达到所述露点温度Td并饱和的所述气体加热至所述目标温度T。

另外，所述气体进入位于所述加热器14与该燃料电池900之间的一加热带15，以保持所述气体温度。

特别地，通过连接所述加湿水路设备20的一冷却水路设备30调控所述加湿水路设备20的加湿水的温度。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。

本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (21)

1.一种用于燃料电池的气体湿度和温度控制***，其特征在于，包括：

一加湿水路设备，其将一气体加湿至饱和并升温至一露点温度；和

一气体控温设备，其连接所述加湿水路设备，其中所述气体控温设备将到达所述露点温度并饱和的所述气体加热至一目标温度，使所述气体的湿度同时达到一目标相对湿度，以供至该燃料电池。

2.根据权利要求1所述用于燃料电池的气体湿度和温度控制***，其中预先设定的所述目标温度和所述目标相对湿度，并利用下述公式①②③反推算出所述露点温度Td，

RH＝Ps/P×100％…………①

P－T温度下的混合气体水蒸气压，Pa

Ps－Td(露点温度)下的饱和蒸汽压，Pa

3.根据权利要求1所述用于燃料电池的气体湿度和温度控制***，其包括连接所述加湿水路设备的一冷却水路设备，以调控所述加湿水路设备的加湿水的温度。

4.根据权利要求3所述用于燃料电池的气体湿度和温度控制***，其中所述加湿水路设备包括一加湿罐，一水加热装置，一水温度传感装置，一加湿水泵，以及一加湿回路管，其中所述水加热装置，所述水温度传感装置与所述加湿水泵分别设置于所述加湿回路管，所述加湿回路管的两端分别连接所述加湿罐，其中所述冷却水路设备与所述加湿回路管连接。

5.根据权利要求4所述用于燃料电池的气体湿度和温度控制***，其中所述气体控温设备包括连接所述加湿罐与该燃料电池的一加热管路与设置于所述加热管路的一加热器，其中通过所述加热器将达到所述露点温度并饱和的所述气体加热至所述目标温度。

6.根据权利要求5所述用于燃料电池的气体湿度和温度控制***，其中所述气体控温设备包括设置于所述加热管路的一加热带，其位于所述加热器与该燃料电池之间，以保持所述气体温度。

7.根据权利要求6所述用于燃料电池的气体湿度和温度控制***，其中所述加湿罐包括一第一层加湿区和位于所述第一层加湿区上方的一第二层加湿区，其中所述气体进入所述第一层加湿区进行鼓泡法加湿后，所述气体上升到所述第二层加湿区利用水雾蒸发加湿。

8.根据权利要求7所述用于燃料电池的气体湿度和温度控制***，其中所述加湿罐还包括一进气岐管和一雾化喷头，其中所述进气岐管设置于所述第一层加湿区，其中所述雾化喷头设置于所述第二层加湿区，其中所述气体通过所述进气岐管以进行鼓泡法加湿后，所述气体上升到所述第二层加湿区，通过所述雾化喷头产生水雾以进行水雾蒸发加湿。

9.根据权利要求8所述用于燃料电池的气体湿度和温度控制***，其中所述加湿罐还包括一液滴分离层，其设置于所述雾化喷头的上方，其中所述气体经过所述第二层加湿区后，再经过所述液滴分离层后，从所述加湿罐顶部离开进入所述加热管路。

10.根据权利要求9所述用于燃料电池的气体湿度和温度控制***，其中所述气体控温设备还包括连接所述进气岐管和所述水加热装置的一预热管路，所述气体先通过所述水加热装置预热后，经由所述预热管路进入所述进气岐管。

11.根据权利要求9所述用于燃料电池的气体湿度和温度控制***，其中所述气体控温设备包括一气体温度传感装置，其设置于所述加湿罐顶部，以测量所述加湿罐顶部的所述气体的温度。

12.根据权利要求9所述用于燃料电池的气体湿度和温度控制***，其中所述冷却水路设备包括一冷却水泵，一换热器，一调节阀，一散热器以及一冷却回路管，其中所述冷却水泵，所述换热器，所述调节阀和所述散热器分别设置于所述冷却回路管，所述冷却水泵带动所述冷却回路管的冷却水于所述调节阀，所述换热器，所述散热器之间流动，其中所述换热器连接所述加湿回路管，所述调节阀控制流经所述换热器的水量，进而控制所述加湿回路管中加湿水的冷却降温效果。

13.根据权利要求4所述用于燃料电池的气体湿度和温度控制***，其还包括连接所述加湿水路设备的所述加湿罐的一补水装置。

14.一用于燃料电池的气体湿度和温度控制方法，其特征在于，包括步骤如下：

(a)默认一目标温度和一目标相对湿度，并计算一露点温度；

(b)控制一气体进入一加湿罐内被加湿至饱和且被加热至所述露点温度；以及

(c)加热所述气体到达所述目标温度和所述目标相对湿度。

15.根据权利要求14所述用于燃料电池的气体湿度和温度控制方法，其中在步骤(a)中，经由下述公式①②③反推算出露点温度Td，

RH＝Ps/P×100％…………①

P－T温度下的混合气体水蒸气压，Pa

Ps－Td(露点温度)下的饱和蒸汽压，Pa

16.根据权利要求14所述用于燃料电池的气体湿度和温度控制方法，其中在步骤(b)中，通过一加湿水路设备使所述气体达到所述露点温度，其中所述加湿水路设备包括一加湿罐，一水加热装置，一水温度传感装置，一加湿水泵，以及一加湿回路管，其中所述水加热装置，所述水温度传感装置与所述加湿水泵分别设置于所述加湿回路管上，所述加湿回路管的入水端和出水端分别连接所述加湿罐，所述加湿水泵带动所述加湿回路管内的加湿水于所述水加热装置加热后经过所述入水端进入所述加湿罐，并于所述出水端使所述加湿水离开所述加湿罐，所述水温度传感装置设置于所述入水端，以测量所述加湿水的温度。

17.根据权利要求16所述用于燃料电池的气体湿度和温度控制方法，其中所述气体进入位于所述加湿罐的一第一层加湿区的一进气岐管进行鼓泡法加湿后，所述气体上升到所述加湿罐的一第二层加湿区，通过一雾化喷头产生水雾进行水雾蒸发加湿，使所述气体离开所述加湿罐时到达所述露点温度。

18.根据权利要求17所述用于燃料电池的气体湿度和温度控制方法，其中所述气体预先通过所述水加热装置预热后，再进入所述进气岐管。

19.根据权利要求14所述用于燃料电池的气体湿度和温度控制方法，其中在步骤(c)中，所述气体离开所述加湿罐进入一加热管路，通过设置所述加热管路的一加热器将达到所述露点温度并饱和的所述气体加热至所述目标温度。

20.根据权利要求19所述用于燃料电池的气体湿度和温度控制方法，其中所述气体进入位于所述加热器与该燃料电池之间的一加热带，以保持所述气体温度。

21.根据权利要求16所述用于燃料电池的气体湿度和温度控制方法，其中通过连接所述加湿水路设备的一冷却水路设备调控所述加湿水路设备的加湿水的温度。

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