一种氢燃料电池进气增湿装置的制作方法

本发明涉及氢燃料电池系统技术领域，具体涉及一种氢燃料电池进气增湿装置。

背景技术：

质子交换膜燃料电池运行时，质子经质子交换膜由阳极到达阴极与氧离子结合为水完成化学反应，释放电能。质子经过交换膜时必须要有水作为其载体，水的含量过低将会产生干膜的现象，进而会影响到质子的传输，通常需要采用外加的增湿辅助系统对进入电池组的反应气体进行增湿处理来保持质子交换膜的水含量。

目前燃料电池系统中采用的主要增湿方法为外增湿，外增湿即在反应气体进入电池之前对其进行加湿，常见的外增湿方法有鼓泡增湿、直接液态水喷射、平板膜增湿或中空纤维膜增湿、焓轮增湿及多孔介质增湿等。鼓泡增湿由于很容易在盛水容器的出口造成液态水聚集的情况，因此一般仅用于实验室内的研究；液态水喷射法是将水直接喷射到气体当中，由于燃料电池进口的气体是经过了压缩的气体，直接进行雾化可以将喷水汽化，同时气体也得到了冷却，该方法的使用需要有成熟的技术作为载体，是目前在大型燃料电池体系中被广泛采用的一种方法，但是此方法需要专门配备储水装置，导致燃料电池系统体积增大，同时制造和维护的成本均会增大；焓轮增湿法的核心部件为多孔陶瓷转轮，依靠表明覆盖的吸水材料吸收排气中的热量和水分。当干燥的空气进入焓轮时，将焓轮内的水分蒸发带走实现进气增湿。此方法技术发展成熟，加湿量可以控制，充分利用了排气中的水分，但是其质量大不易密封，同时需要外界能量驱动；多孔介质增湿利用多孔介质中微孔的毛细作用，用供给气体冷却燃料电池排气使排气中的水分在多孔板的一侧凝结，并在毛细力的作用下通过多孔板另一侧(供给空气侧)，并扩散进入供给干空气实现对其加湿。利用多孔介质板直接将高温高湿的燃料电池排气中的水分传递给供给空气进行加湿，节省空间，但增湿效果较难保证。

目前相对成熟的增湿方法主要存在的问题为以下两点：首先进气喷水或水蒸气增湿需要单独设置储水装置，导致体积、成本增大，在车用燃料电池动力系统中较难应用；其次焓轮增湿或多孔介质增湿可利用燃料电池排气水分，但是增湿效果难保证。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中的不足之处，提供了一种氢燃料电池进气增湿装置，利用冷凝燃料电池排气中的水分并泵送至进气端对进气进行增湿处理的装置，蓄水罐储存燃料电池排气冷凝水，由喷雾器喷入燃料电池进气管，对进气进行增湿，解决了已有增湿方法中增湿水源和增湿效果的问题，整个系统的体积较小，便于在车用燃料电池动力系统中使用。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种氢燃料电池进气增湿装置，包括燃料电池和增湿装置，所述增湿装置包括排气冷凝装置和泵水雾化装置，所述排气冷凝装置包括膨胀单元和水气分离装置，膨胀单元可以将气体的温度和压力降低，进一步将排气中的水分冷凝为液态水，水气分离装置将管道中的水和气分开，分离之后的气通过出气管排出，水进入到蓄水罐之中，所述膨胀单元与所述燃料电池为管连接，所述水气分离装置与所述膨胀单元管连接，所述泵水雾化装置包括用于收集水气分离装置流出的液态水的蓄水罐、用于提高喷雾器喷射压力的水泵和进气雾化器，所述蓄水罐与所述水气分离装置管连接，所述水泵与所述蓄水罐管连接，所述进气雾化器与所述水泵管连接，所述进气雾化器与燃料电池的进气管相连接，进气雾化器将液态的水变成雾化的水，所述进气管的一端与压缩供气系统管连接，另一端与燃料电池管连接，所述进气管上设置有喷雾进口，进气雾化器通过喷雾进口与进气管相通，将雾化的水混合到空气中。

作为优选，所述膨胀单元为节流阀或涡轮，膨胀单元的作用是为了降低排气的温度和压力，燃料电池的排气压力一般为0.2～0.4mpa，温度为100℃～150℃，在此状态条件之下，出气管中的水分多是以气体形式存在，通过膨胀单元后使得温度和压力都降低，将出气管中的水分冷凝为液态水。

作为优选，所述水气分离装置为离心式水气分离器，离心式水气分离器可将出气管中的气与液态水分离，从而进一步的可将液态水搜集起来存储在蓄水罐中，最后再泵送至进气喷雾器至进气管进行进气增湿。

作为优选，所述水泵由燃料电池提供电能，水泵的作用是为了提高喷雾器的喷射压力，由燃料电池输出电能驱动电机，使得水泵能正常工作。

作为优选，所述压缩供气系统为一级或多级供气压缩机，配合空气净化装置，能够为燃料电池提供气源，根据需要选择一级或多级供气压缩机。

作为优选，所述喷雾进口位于一级供气压缩机与燃料电池之间，或者位于多级供气压缩机的最后一级供气压缩机与燃料电池之间或位于多级供气压缩机之间，进气雾化器的目的为了将呈雾状的液态水喷入燃料电池进气中，增强增湿效果，喷水位置位于进气压缩机与燃料电池进口之间。对于多级压缩供气系统，喷水位置可位于最后一级压缩机之后，也可位于多级压缩机之间。

本发明具备的有益技术效果是：利用冷凝燃料电池排气中的水分并泵送至进气端对进气进行增湿处理的装置，蓄水罐储存燃料电池排气冷凝水，由喷雾器喷入燃料电池进气管，对进气进行增湿，解决了已有增湿方法中增湿水源和增湿效果的问题，便于车用燃料电池动力系统使用。

附图说明

图1是本发明一种氢燃料电池进气增湿装置的结构示意图；

图2是本发明一种氢燃料电池进气增湿装置具体实施方案的结构示意图；

图中：空气净化装置1、压缩供气系统2、进气管3、喷雾进口4、燃料电池5、膨胀单元6、水气分离装置7、出气管8、蓄水罐9、水泵10、进气雾化器11、散热器12。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，通过下面对实施例的描述，将更加有助于公众理解本发明，但不能也不应当将申请人所给出的具体的实施例视为对本发明技术方案的限制，任何对部件或技术特征的定义进行改变或对整体结构作形式的而非实质的变换都应视为本发明的技术方案所限定的保护范围。

实施例1：

如图1所示，一种氢燃料电池进气增湿装置，包括燃料电池和增湿装置，所述增湿装置包括排气冷凝装置和泵水雾化装置，所述排气冷凝装置包括膨胀单元6和水气分离装置7，膨胀单元可以将气体的温度和压力降低，进一步将排气中的水分冷凝为液态水，水气分离装置将管道中的水和气分开，分离之后的气通过出气管排出，水进入到蓄水罐之中，所述膨胀单元与所述燃料电池5为管连接，所述水气分离装置与所述膨胀单元管连接，所述泵水雾化装置包括用于收集水气分离装置流出的液态水的蓄水罐9、用于提高喷雾器喷射压力的水泵10和进气雾化器11，所述蓄水罐与所述水气分离装置管连接，所述水泵与所述蓄水罐管连接，所述进气雾化器与所述水泵管连接，所述进气雾化器与燃料电池的进气管3相连接，进气雾化器将液态的水变成雾化的水，所述进气管的一端与压缩供气系统管连接，另一端与燃料电池管连接，所述进气管上设置有喷雾进口，进气雾化器通过喷雾进口4与进气管相通，将雾化的水混合到空气中；所述膨胀单元为节流阀或涡轮，膨胀单元的作用是为了降低排气压力，燃料电池的排气压力一般为0.2～0.4mpa，温度为100℃～150℃，在此状态条件之下，排气管中的水分多以气体形式存在，通过膨胀单元后温度压力降低，排气管中的水分冷凝为液态水；所述水气分离装置为离心式水气分离器，离心式水气分离器可将排气与液态水分离，从而可将液态水搜集起来泵送至进气喷雾器进行进气增湿；所述水泵由燃料电池提供电能，水泵的作用是为了提高喷雾器的喷射压力，并由燃料电池输出电能驱动电机，使得水泵工作；所述压缩供气系统为一级或多级供气压缩机，供气压缩机为燃料电池提供气源，根据需要选择一级或多级供气压缩机；所述喷雾进口位于一级供气压缩机与燃料电池之间，或者位于多级供气压缩机的最后一级供气压缩机与燃料电池之间或位于多级供气压缩机之间，进气雾化器的目的为了将呈雾状的液态水喷入燃料电池进气中，增强增湿效果，喷水位置位于进气压缩机与燃料电池进口之间。对于多级压缩供气系统，喷水位置可位于最后一级压缩机之后，也可位于多级压缩机之间。

实施例2：

如图2所示，一种氢燃料电池进气增湿装置，包括燃料电池和增湿装置，所述增湿装置包括排气冷凝装置和泵水雾化装置，所述排气冷凝装置包括散热器12，燃料电池排气流经散热器降低温度，排气中水分冷凝为液态，所述泵水雾化装置包括用于收集水气分离装置流出的液态水的蓄水罐、用于提高喷雾器喷射压力的水泵和进气雾化器，所述蓄水罐与所述水气分离装置管连接，所述水泵与所述蓄水罐管连接，所述进气雾化器与所述水泵管连接，所述进气雾化器与燃料电池的进气管相连接，所述进气管的一端与压缩供气系统管连接，另一端与燃料电池管连接，所述进气管上设置有喷雾进口；所述水气分离装置为离心式水气分离器，离心式水气分离器可将排气与液态水分离，从而可将液态水搜集起来泵送至进气喷雾器进行进气增湿；所述水泵由燃料电池提供电能，水泵的作用是为了提高喷雾器的喷射压力，并由燃料电池输出电能驱动电机，使得水泵工作；所述压缩供气系统为一级或多级供气压缩机，供气压缩机为燃料电池提供气源，根据需要选择一级或多级供气压缩机；所述喷雾进口位于一级供气压缩机与燃料电池之间，或者位于多级供气压缩机的最后一级供气压缩机与燃料电池之间或位于多级供气压缩机之间，进气雾化器的目的为了将呈雾状的液态水喷入燃料电池进气中，增强增湿效果，喷水位置位于进气压缩机与燃料电池进口之间。对于多级压缩供气系统，喷水位置可位于最后一级压缩机之后，也可位于多级压缩机之间。

本实施例中，提供一种氢燃料电池进气增湿装置，利用冷凝燃料电池排气中的水分并泵送至进气端对进气进行增湿处理的装置，蓄水罐储存燃料电池排气冷凝水，由喷雾器喷入燃料电池进气管，对进气进行增湿，解决了已有增湿方法中增湿水源和增湿效果的问题，便于车用燃料电池动力系统使用。

当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。