用于燃料电池的进气降温增湿系统的制作方法

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种用于燃料电池的进气降温增湿系统。

背景技术：

质子交换膜燃料电池的阴极侧进气温度随着进气压力的上升，往往会上升到100℃以上，这种高温气体如果直接进入电堆，会对电堆内部结构产生破坏性的影响，因此通常需要对其进行降温处理，常用方法为加装一个中冷器或者加装膜增湿器，但这些方式体积较大或成本较高，或者不能对进气湿度和温度起到快速的控制，因此不适合应用在车上。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种用于燃料电池的进气降温增湿系统，该系统可以通过产生超声波使液态水变为微小的液态水雾，低温的液态水雾和高温空气换热，并且根据电堆内部温度的变化，通过控制单元的调节，从而使燃料电池进气温度降低、湿度升高。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种用于燃料电池的进气降温增湿系统，包括：增湿容腔，由上盖和下底组成；设置在所述上盖上的进气管路和出气管路，所述进气管路和所述出气管路不在同一径向方向上；设置有多个超声雾化头的超声雾化器，用于产生超声波使水雾化成气雾；设置在所述下底的第一管路和第二管路，所述第一管路用来为所述下底补充水；控制单元，用于通过所述进气管路获取当前进气量，并根据所述当前进气量控制所述多个超声雾化头的工作个数和所述下底内的液位。

本发明实施例的用于燃料电池的进气降温增湿系统，通过产生超声波使液态水变为微小的液态水雾，低温的液态水雾和高温空气换热，从而使燃料电池进气温度降低、湿度升高，从而满足进气要求。

另外，根据本发明上述实施例的用于燃料电池的进气降温增湿系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：液位传感器，用于测量所述下底内的液位信息并实时发送给所述控制单元，所述液位传感器和所述超声雾化器的线缆穿过所述第二管路。

其中，所述控制单元设定的所述下底内的水位正常范围为高出所述超声雾化头5-10cm。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述上盖和所述下底中间有垫片和/或粘接胶，并通过螺栓和/或卡箍密封。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述上盖上的所述出气管路与所述上盖尾端存在预设距离。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：空压机，为所述进气管路提供气流；水箱，所述空压机冷却循环水的储水箱，并为所述下底补充水；水泵，用于提供动力；电磁阀，用于控制所述水泵；汽水分离器，设置于燃料电池尾端，其中，所述汽水分离器产生的水收集回收利用存储在所述水箱内。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述控制单元通过控制所述水泵和所述电磁阀来调整所述下底内的液位；所述控制单元调整所述多个超声雾化头的工作个数和/或改变所述超声雾化器的输出功率。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述下底内的液位低于预设水位时，所述电磁阀打开，所述水箱内的水流进所述下底，所述下底内的液位到达所述预设水位后，所述电磁阀关闭，所述水箱为所述空压机供应循环水。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的用于燃料电池的进气降温增湿系统结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的用于燃料电池的进气降温增湿系统的布置及控制原理图。

附图说明：1-进气管路、2-上盖、3-出气管路、4-第一管路、5-第二管路、6-超声雾化器、7-超声雾化头、8-下底、9-液位传感器、10-降温增湿器、11-电磁阀、12-水泵、13-水箱、14-空压机、15-燃料电池电堆、16-汽水分离器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的用于燃料电池的进气降温增湿系统。

图1为根据本发明一个实施例的用于燃料电池的进气降温增湿系统结构示意图。

如图1所示，该用于燃料电池的进气降温增湿系统包括：进气管路1、上盖2、出气管路3、第一管路4、第二管路5、超声雾化器6、超声雾化头7、下底8和控制单元(图中未画出)。

其中，由上盖2和下底8组成增湿容腔，下底8内装水且设置超声雾化器6。设置在上盖2上的进气管路1和出气管路3，进气管路1和出气管路3不在同一径向方向上。

设置有多个超声雾化头7的超声雾化器6，用于产生超声波使水雾化成气雾。

设置在下底8的第一管路4和第二管路5，第一管路4用来为下底8补充水。

控制单元，用于通过进气管路获取当前进气量，并根据当前进气量控制多个超声雾化头7的工作个数和下底内的液位。

本发明实施例的降温增湿系统，通过产生超声波使液态水变为微小的液态水雾，低温的液态水雾和高温空气换热，从而使燃料电池进气温度降低、湿度升高，从而满足进气要求。

进一步地，上盖2和下底8中间有垫片和/或粘接胶，并通过螺栓和/或卡箍密封。

进一步地，进气管路1和出气管路3不在同一径向方向上，并且出气管路3与上盖2尾端存在一定的距离，可以避免高速气流从进气管路将液态水直接吹出带入燃料电池电堆中，从而对电堆造成水淹的影响。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：液位传感器9，用于测量下底8内的液位信息并实时发送给控制单元，液位传感器9和超声雾化器6的线缆穿过第二管路5；空压机14，为进气管路1提供气流；水箱13，空压机14冷却循环水的储水箱，并为下底8补充水；水泵12，用于提供动力；电磁阀11，用于控制水泵；汽水分离器16，设置于燃料电池尾端。

其中，控制单元通过控制水泵12和电磁阀11来调整下底内的液位；控制单元调整多个超声雾化头7的工作个数和/或改变超声雾化器6的输出功率。控制单元设定的下底8内的水位正常范围为高出超声雾化头5-10cm，从而达到较好的雾化效果。

具体地，由于当进气流量较大时，高速气流可以把降温、增湿装置内部的液态水直接吹起来，进而达到降温和增湿的目的，超声雾化头7此时的作用不明显，为降低系统总的功耗，故在大流量下，超声雾化头7仅开少数几个或者仅小功率输出，仅在中等流量下较大功率输出，在小流量时，以部分功率输出。

当进气流量较小时，进气温度也相对较低，通过控制超声雾化头7开启的个数或通过控制整个超声雾化器6的输出功率来配合进气流量，通过事先实验标定得到的map图，实时调整内部超声雾化头的工作个数或者直接改变输出功率，同时通过反馈控制，使得从降温增湿系统出来的气体达到饱和增湿的同时，其温度和电堆温度接近。

进一步地，汽水分离器产生的水收集回收利用存储在水箱内。

可以理解的是，汽水分离器回收的水温度较高，直接用于超声雾化时雾化效果较差，先经过一个小水箱13进行冷却，小水箱13的水用于空压机14冷却循环水的储水箱，还在下底8内的液位低于预设值时，为下底8补充水。

进一步地，在本发明的一个实施例中，下底内的液位低于预设水位时，电磁阀打开，水箱内的水流进下底，下底内的液位到达预设水位后，电磁阀关闭，水箱为空压机供应循环水。

可以理解的是，补充水的水泵12由进气空压机14的冷却水泵12提供动力，安装一个电磁阀11，当需要补水的时候，电磁阀11打开，水从开始循环至空压机水路转而流向降温、增湿装置，当补充数秒后，即可达到预设水位的要求，此时电磁阀11关闭，水泵12正常给空压机供应冷却循环水，为空压机14冷却散热。

进一步地，电磁阀11打开为下底8补水时，由于补水时间很短，数秒钟即可完成补水，故在这段时间内冷却水不流经空压机，不对空压机14冷却是可行的。并且，通过增加一个电磁阀11从而不用单独配置一个补水水泵，从体积和成本上是合理的。

综上，在本发明的实施例中，用超声发生器产生超声，作用在水上从而产生温度较低的水蒸气，在水蒸气的冷却和增湿作用下，高温空气可以被冷却和加湿到电堆需要的温湿度，全部反应在一个由上盖和下底两部分组成的密闭容器中进行。其中，上盖和下底由螺栓或者卡箍锁紧从而达到密闭的目的，上盖的一侧有高温气体进入的管路，上盖上面尾端有一个排气管路，下底外观像一个水槽，其一端有两个伸出来的管路，一个用于给内部补水，保证超声雾化头正常工作，另一个用于超声雾化头和内部液位传感器的线缆通过。其中，液位传感器将测量到的水位信号实时发给控制单元，当液位较低时，控制单元控制水泵或者电磁阀打开，使水及时补进下底内的水槽，当液位达到设定值时，关闭水泵或电磁阀。控制单元同时可以根据燃料电池系统反馈的进气流量和进气温度、电堆温度信号，通过事先实验标定得到的map图，实时调整内部超声雾化头的工作个数或者直接改变输出功率，同时通过反馈控制，使得从降温增湿系统出来的气体达到饱和增湿的同时，其温度和电堆温度接近。

根据本发明实施例提出的用于燃料电池进气的降温增湿系统，主要由超声雾化器、增湿容腔、控制单元构成，其中超声雾化器中雾化头的个数选取，根据燃料电池电堆最大进气需求量的增加，近似线性变化，增湿容腔可以提供气体和水蒸气换热场所，同时由于其特殊的结构设计，可以避免液态水直接进入电堆，控制单元根据电堆当前进气量、当前电堆温度，实时调控超声雾化头的工作个数或每个雾化头的功率输出，从而改变进气温度和湿度。

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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。