CN220358135U - 一种具备主动加湿功能的燃料电池*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具备主动加湿功能的燃料电池***，包括空气压缩机、中冷器以及电堆，还包括水分离器、水箱、混合室以及设在混合室上的水喷射器，所述空气压缩机、混合室、中冷器以及电堆依次相连，水分离器与电堆的阴极出口相连，水箱通过水泵与水喷射器相连。该具备主动加湿功能的燃料电池***设计合理，水分离器后引入水箱，水箱与水喷射器之间通过水泵相连，通过收集电堆产生的从阴极出口排出的水作为加湿的水源以及引入外部水源，能够保证加湿水源充足，湿度控制稳定可靠，成本相对较低。
Description
技术领域
本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种具备主动加湿功能的燃料电池***。
背景技术
氢燃料电池汽车作为氢能应用的重要载体之一，将在氢能产业发展中发挥巨大的示范作用。目前，氢燃料电池汽车的推广应用仍然面临一些挑战，其中，优化燃料电池工作环境状态，提升性能并降低成本已成为重要突破口之一。
进气湿度是燃料电池工作的重要环境状态之一，进气湿度较高时，长时间工作会造成电堆内部水淹，燃料电池性能降低。进气湿度较低，则燃料电池内阻较高，同样会降低性能。所以燃料电池的进气湿度应得到较好的控制，以满足最佳性能输出的需要。
目前针对燃料电池进气湿度的改善主要通过增湿器来实现；其原理是利用从燃料电池堆阴极出口排出的湿气体，通过增湿器内部的膜管，将湿气体中的水传输给干空气；其优点是可利用燃料电池工作使自身的产水来加湿，没有额外的功耗；但是增湿器的水传输性能是依靠膜管的自身的特性，产品设计加工好之后，当流量、温度、压力等条件确定时，增湿量几乎是不变的；目前因为成本问题，很难做到根据不同的燃料电池堆特性去定制开发增湿器，达到合适的增湿效果；同时，在大功率***上增湿器的集成与布置也带来相应挑战。
现有也有利用水喷射结构进行增湿，但是这类结构方案也有明显缺陷，其水源来自燃料电池阳极侧出口分离的水，而燃料电池阳极侧的水来自于阴极侧的传输，水量非常少，当环境湿度较低(比如冬季干燥气候环境湿度10％左右)而工作需要湿度较大时会出现阳极侧的水量无法满足加湿水量需求的情况，甚至在低负荷的时候无法分离出液态水。如中国专利CN108448136A公开的一种用于质子交换膜燃料电池的空气供气增湿中冷***，所述***连接在燃料电池堆处，燃料电池堆具有用于循环冷却水的冷却回路；增湿中冷***包括：增湿中冷器、增湿支路和气水分离器；增湿中冷器连接在包括空气滤清器和空压机的供气支路上，用于冷却并加湿进入燃料电池堆之前的空气；增湿支路连通冷却回路中冷却水泵的出口及增湿中冷器冷却水入口，用于为增湿中冷器输送冷却水；气水分离器连通增湿中冷器的空气出口及电堆空气入口。
实用新型内容
针对现有技术不足，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种具备主动加湿功能的燃料电池***，以达到湿度控制稳定可靠的目的。
为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案为：
该具备主动加湿功能的燃料电池***，包括空气压缩机、中冷器以及电堆，还包括水分离器、水箱、混合室以及设在混合室上的水喷射器，所述空气压缩机、混合室、中冷器以及电堆依次相连，水分离器与电堆的阴极出口相连，水箱通过水泵与水喷射器相连。
进一步的：
所述空气压缩机的前方设有空气滤清器。
所述中冷器和电堆之间相连的管路上设有入堆压力传感器和入堆温度传感器。
所述水箱上设有排水阀。
所述水分离器上设有排气口，排气口连有背压阀和尾排消音器。
还包括用于测量电堆内部阻抗的电化学阻抗谱仪，电化学阻抗谱仪与电堆相连。
所述空气滤清器和空气压缩机之间设有环境压力传感器、环境温度传感器、环境湿度传感器以及空气流量计。
所述水箱内设有水位传感器，所述水位传感器与排水阀相连。
还包括与电堆相连的燃料电池控制模块，所述环境压力传感器、环境温度传感器、环境湿度传感器、空气流量计以及空气压缩机均与燃料电池控制模块相连。
本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：
该具备主动加湿功能的燃料电池***设计合理，水分离器后引入水箱，水箱与水喷射器之间通过水泵相连，通过收集电堆产生的从阴极出口排出的水作为加湿的水源以及引入外部水源，能够保证加湿水源充足，湿度控制稳定可靠，成本相对较低。
附图说明
下面对本说明书各幅附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本实用新型***示意图。
图2为本实用新型控制流程图。
图中：
1.空气滤清器、2.环境压力传感器、3.环境温度传感器、4.环境湿度传感器、5.空气流量计、6.空气压缩机、7.混合室、8.中冷器、9.入堆压力传感器、10.入堆温度传感器、11.电化学阻抗谱仪、12.电堆、13.水分离器、14.水箱、15.排水阀、16.高压泵、17.水喷射器、18.背压阀、19.尾排消音器、20.燃料电池控制模块。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1和图2所示，该具备主动加湿功能的燃料电池***，包括空气滤清器1、空气压缩机6、中冷器8、电堆12、水分离器13、水箱14、混合室7以及设在混合室上的水喷射器17；其中，空气滤清器、空气压缩机、混合室、中冷器以及电堆依次相连，水分离器与电堆的阴极出口相连，水箱通过水泵与水喷射器相连。
空气滤清器和空气压缩机之间设有环境压力传感器2、环境温度传感器3、环境湿度传感器4以及空气流量计5；中冷器和电堆之间相连的管路上设有入堆压力传感器9和入堆温度传感器10。
本电池***还包括与电堆相连的燃料电池控制模块20，环境压力传感器、环境温度传感器、环境湿度传感器、空气流量计、空气压缩机、入堆压力传感器和入堆温度传感器均与燃料电池控制模块相连。通过传感器对环境温度、压力、湿度，与入堆温度、压力、目标湿度的实时采集，实现在特定情况下的稳定运行。
水分离器上设有排气口，排气口连有背压阀18和尾排消音器19。水箱上设有排水阀15；水箱内设有水位传感器，水位传感器与排水阀相连。
本实用新型用水喷射器将空气压缩机后的高温空气降温，可减小中冷器的芯体尺寸设计，进一步降低成本和空间；通过收集电堆产生的从阴极出口排出的水作为加湿的水源，能够保证加湿水源充足。
本实用新型还包括用于测量电堆内部阻抗的电化学阻抗谱仪11，电化学阻抗谱仪与电堆相连；通过与电化学阻抗谱实时在线联合，实现湿度的精确闭环控制。
本实用新型替代当前普遍使用的增湿器，可显著降低成本；同时该***子部件体积较小，布置相对灵活；水加湿后可降低空气温度，能缩小对中冷器芯体换热能力的要求，降低中冷器芯体尺寸及成本。
本发明***中各主要部件的作用：
空气滤清器1：用于过滤进气空气的颗粒与化学物质；
环境压力传感器2：用于测量环境大气压力；
环境温度传感器3：用于测量环境大气温度；
环境湿度传感器4：用于测量环境大气相对湿度；
空气流量计5：用于测量进气空气的质量流量；
空气压缩机6：对空气进行压缩，满足燃料电池堆12工作需要的流量和压力；
混合室7：将空气压缩机压缩后的高温高压气体与水喷射器17喷射的水雾充分混合吸收，使雾状水蒸发成水蒸气；
中冷器8：将高温混合空气进行冷却，满足电堆工作的温度条件；
入堆压力传感器9：用于测量进入电堆空气的压力；
入堆温度传感器10：用于测量进入电堆空气的温度；
电化学阻抗谱仪11：通过实时测量电堆内部的阻抗，来判断电堆工作的湿度状态；
燃料电池堆12：空气与氢气进行电化学反应产生电能的场所，同时伴随高湿度气体从阴极出口排出；
水分离器13：将燃料电池堆12阴极排出的高湿度气体进行气水分离；
水箱14：搜集从水分离器13分离出的液态水，作为水喷射器17的水源。水箱同时集成液位传感器，监测水箱内的液位；
排水阀15：当水箱14上的液位传感器报告的水位达到阈值时，排水阀15开启进行排水，将液位控制在合理位置；
高压旋涡泵16：抽取水箱14中搜集的水并进行加压，保证水喷射器7有足够的雾化效果；
水喷射器17：通过高频脉冲的开闭将高压水喷射成雾状，与压缩后的高温气体充分混合形成水蒸气，提升混合空气的湿度的同时降低混合空气温度；
背压阀18：用于调节燃料电池堆12的工作压力；
尾排消音器19：空气***末端消声装置，降低排气噪声；
燃料电池控制模块20：搜集环境温度、环境压力、环境湿度、入堆温度、入堆压力、电化学阻抗、水箱液位等数据，来控制高压旋涡泵转速、水喷射器喷射脉宽、排水阀开闭等执行机构的执行状态。
其工作原理为：
当燃料电池堆6工作时，由空气压缩机6将过滤后的空气进行压缩，在空压机出口形成温度和压力较高的气流。通过在空气压缩机6和中冷器8之间的管路上布置混合室7，在高温气体进入中冷器8降温之前，先由水喷射器17喷射高压雾化的水，该雾化的水与高温空气在混合室7充分混合后蒸发形成水蒸气，一同进入中冷器8进行冷却。
水喷射器的喷水量通过喷射脉宽时间来调节控制，需求的喷水量通过以下两种方式，在不同的情况下确定。首先在动态工况下，根据采集的环境温度Tenv、环境压力Penv和环境相对湿度RHenv，计算出当前空气流量中的水蒸气质量流量mvap.env，再根据采集的入堆温度Tin、入堆压力Pin以及设计的入堆目标相对湿度RHin，计算出目标需求的水蒸气质量流量mvap.in，两者的差值mvap.in-mvap.env即为水喷射器的喷射量。在动态工况下使用该开环控制策略可使***能较快的达到目标湿度，提升响应速度。在稳态工况时，则通过电化学阻抗谱仪采集的阻抗数据，来判断膜的湿度状态，用来精确调整水喷射量，实现闭环控制。另外，两种控制策略可在其中一种失效或故障时进行补充，确保***功能正常，运行平稳。
水喷射器的水源来自燃料电池堆12工作时从阴极侧排出的水；阴极排出的是还有液态水的饱和混合气，通过水分离器13将电池阴极排出的水汽进行分离，分离后的气体在经过背压阀18和尾排消音器19后排出，分离后的液态水通过水箱14搜集。
当水箱14搜集的水比水喷射器17消耗的水多时，水箱中的液位会逐渐升高，当达到设定的阈值时，可开启水箱底部的排水阀15，放掉一部分水，防止水箱储满水造成水分离器13堵塞。
高压旋涡泵16从水箱14中抽取水并进行压缩，作为水喷射器17的压力源，保证水喷射时有较好的雾化效果。
上述仅为对本实用新型较佳的实施例说明，上述技术特征可以任意组合形成多个本实用新型的实施例方案。
上面结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种具备主动加湿功能的燃料电池***，包括空气压缩机、中冷器以及电堆，其特征在于：还包括水分离器、水箱、混合室以及设在混合室上的水喷射器，所述空气压缩机、混合室、中冷器以及电堆依次相连，水分离器与电堆的阴极出口相连，水箱通过水泵与水喷射器相连。
2.如权利要求1所述具备主动加湿功能的燃料电池***，其特征在于：所述空气压缩机的前方设有空气滤清器。
3.如权利要求1所述具备主动加湿功能的燃料电池***，其特征在于：所述中冷器和电堆之间相连的管路上设有入堆压力传感器和入堆温度传感器。
4.如权利要求1所述具备主动加湿功能的燃料电池***，其特征在于：所述水箱上设有排水阀。
5.如权利要求1所述具备主动加湿功能的燃料电池***，其特征在于：所述水分离器上设有排气口，排气口连有背压阀和尾排消音器。
6.如权利要求1所述具备主动加湿功能的燃料电池***，其特征在于：还包括用于测量电堆内部阻抗的电化学阻抗谱仪，电化学阻抗谱仪与电堆相连。
7.如权利要求2所述具备主动加湿功能的燃料电池***，其特征在于：所述空气滤清器和空气压缩机之间设有环境压力传感器、环境温度传感器、环境湿度传感器以及空气流量计。
8.如权利要求2所述具备主动加湿功能的燃料电池***，其特征在于：所述水箱内设有水位传感器，所述水位传感器与排水阀相连。
9.如权利要求7所述具备主动加湿功能的燃料电池***，其特征在于：还包括与电堆相连的燃料电池控制模块，所述环境压力传感器、环境温度传感器、环境湿度传感器、空气流量计以及空气压缩机均与燃料电池控制模块相连。
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