一种氢燃料电池增湿系统和增湿方法与流程

1.本发明涉及氢燃料电池技术领域，特别涉及一种氢燃料电池增湿系统和增湿方法。


背景技术：

2.氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能转换成电能的发电装置，其基本原理是电解水的逆反应：
3.h2以气体状态经过阳极碳纤维扩散层，在催化层分离为h质子和电子，h质子(以h3o+状态)通过质子交换膜，在阴极催化层与o离子结合生成水。
4.理论上，质子交换膜只能通过质子，膜材料上有很多磺酸根，只有在湿润的情况下才能有较高的质子传导率。因此，一般情况下，阳极氢气和阴极空气都必须加湿，在阴极侧反应生成水，在两侧水浓度梯度差下，水会经过膜迁移到另一侧。
5.目前，在氢燃料电池系统中，大部分燃料电池堆(即电堆)需要外增湿来实现增湿功能，增湿对燃料电池发动机的性能、可靠性都起到至关重要的作用，如何高效、可靠、可控且成本低廉地实现增湿功能，显得尤为重要。
6.此外，对电堆进行增湿的供水管路中往往会有存水，在低温环境中容易结冰，从而影响氢燃料电池系统的正常启动和运行。因此，如何实现氢燃料电池系统的低温启动，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种氢燃料电池增湿方法和一种氢燃料电池增湿系统，能够有效避免供水管路内存水结冰，保证氢燃料电池系统在低温环境中顺利启动。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.一种氢燃料电池增湿方法，包括：
10.燃料电池启动过程中，通过空压机向增湿装置内输送空气，并通过雾化装置向所述增湿装置内输送雾化后的水；
11.所述燃料电池停机时，通过空压机向所述雾化装置内输送空气，以将所述雾化装置内的存水吹扫至排放口排出。
12.一种适用于上述氢燃料电池增湿方法的氢燃料电池增湿系统，所述氢燃料电池增湿系统包括增湿装置、供气系统、供水系统、排放支路，其中：
13.所述供气系统中设置有空压机，所述空压机的出口与所述增湿装置的干侧进气口之间设置有第一连接管路，所述第一连接管路设置有第一连接口和位于所述第一连接口下游的第一开关阀；
14.所述供水系统中设置有依次串联的水箱、水泵、雾化装置，所述雾化装置的出口与所述增湿装置的湿侧入水口之间设置有第二连接管路，所述第二连接管路设置有第二连接口和位于所述第二连接口下游的第二开关阀；
15.所述第一连接口和所述第二连接口之间设置有第三连接管路，所述第三连接管路设置有第三开关阀；
16.所述水箱和所述雾化装置之间的连接管路与所述排放支路连接，所述排放支路设置有第四开关阀。
17.可选地，在上述氢燃料电池增湿系统中，所述水箱和所述水泵之间还设置有颗粒过滤器。
18.可选地，在上述氢燃料电池增湿系统中，所述水箱和所述颗粒过滤器之间通过第四连接管路连通，所述排放支路设置在所述第四连接管路上。
19.一种适用于上述氢燃料电池增湿方法的氢燃料电池增湿系统，所述氢燃料电池增湿系统包括增湿装置、供气系统、供水系统、排放支路，其中：
20.所述供气系统中设置有空压机，所述空压机的出口与所述增湿装置的干侧进气口之间设置有第一连接管路，所述第一连接管路设置有第一连接口和位于所述第一连接口下游的第一开关阀；
21.所述供水系统中设置有依次串联的水箱、水泵、雾化装置，所述雾化装置的出口与所述增湿装置的湿侧入水口之间设置有第二连接管路，所述第二连接管路设置有第二连接口和位于所述第二连接口下游的第二开关阀；
22.所述水箱和所述雾化装置之间的连接管路设置有第三连接口；
23.所述第一连接口和所述第三连接口之间设置有第三连接管路，所述第三连接管路设置有第三开关阀；
24.所述排放支路与所述第二连接口连接，所述排放支路设置有第四开关阀。
25.可选地，在上述氢燃料电池增湿系统中，所述空压机的两端分别设置有化学空气过滤器和中冷器。
26.可选地，在上述氢燃料电池增湿系统中，所述雾化装置中并联设置有多个支路单元，每个所述支路单元中均设置有雾化喷头和用于控制所述支路单元开闭的第五开关阀。
27.可选地，在上述氢燃料电池增湿系统中，所述水泵以及每个所述第五开关阀均与燃料电池控制器信号连接，以根据所述氢燃料电池增湿系统的增湿需求调节所述水泵的转速以及所述第五开关阀的打开数量。
28.可选地，在上述氢燃料电池增湿系统中，所述干侧进气口与所述湿侧入水口分别位于所述增湿装置的两侧，并且，所述干侧进气口的进气方向与所述湿侧入水口的进水方向相反。
29.可选地，在上述氢燃料电池增湿系统中，还包括：
30.用于对电堆和增湿装置之间的连接管道进行加热除冰的管道加热系统；
31.和/或，用于对所述水箱进行加热除冰的水箱加热系统；
32.和/或，包覆在所述水箱的外层的保温棉。
33.从上述技术方案可以看出，本发明提供的燃料电池增湿方法和氢燃料电池增湿系统中，不仅通过空压机向电堆内提供反应用的空气，而且在燃料电池停机时还通过空压机对雾化装置进行吹扫，从而能够有效避免雾化装置内存水结冰，保证氢燃料电池系统在低温环境中顺利启动。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1为本发明第一具体实施例提供的氢燃料电池增湿系统处于增湿工况时的系统流程示意图；
36.图2为本发明第一具体实施例提供的氢燃料电池增湿系统处于吹扫工况时的系统流程示意图；
37.图3为本发明第一具体实施例提供的雾化装置的连接结构示意图；
38.图4为本发明第一具体实施例提供的空气和雾化水进入增湿装置内时的喷射方向示意图；
39.图5为本发明第一具体实施例提供的氢燃料电池增湿方法的控制需求原理图；
40.图6为本发明第二具体实施例提供的氢燃料电池增湿系统处于吹扫工况时的系统流程示意图；
41.图7为本发明第三具体实施例提供的氢燃料电池增湿系统处于吹扫工况时的系统流程示意图。
42.其中：
[0043]1‑
化学空气过滤器，2
‑
空压机，3
‑
中冷器，4
‑
增湿装置，5
‑
电堆，
[0044]6‑
水箱，7
‑
颗粒过滤器，8
‑
水泵，9
‑
雾化装置，10
‑
气水分离器，
[0045]
91
‑
雾化喷头，92
‑
第五开关阀，
[0046]
101
‑
第一开关阀，102
‑
第二开关阀，
[0047]
103
‑
第三开关阀，104
‑
第四开关阀。
具体实施方式
[0048]
本发明公开了一种氢燃料电池增湿方法和一种氢燃料电池增湿系统，能够有效避免供水管路内存水结冰，保证氢燃料电池系统在低温环境中顺利启动。
[0049]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，本领域普通技术人员在没有做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。
[0050]
第一具体实施例
[0051]
本发明第一具体实施例提供的氢燃料电池增湿方法，包括：
[0052]
燃料电池启动过程中，通过空压机2(即电动空气压缩机)向增湿装置4内输送空气，并通过雾化装置9向增湿装置4内输送雾化后的水(即雾化水)，雾化水和空气混合后进入电堆5(即燃料电池堆)，从而起到加湿反应气体的目的；(该过程中的气流走向可参阅图1中的箭头方向)
[0053]
燃料电池停机时，通过空压机2向雾化装置9内输送空气，以将雾化装置9内的存水吹扫至排放口排出。(该过程中的气流走向可参阅图2中的箭头方向)
[0054]
可见，本发明第一具体实施例提供的氢燃料电池增湿方法中，不仅通过空压机2向电堆5内提供反应用的空气，而且在燃料电池停机时还通过空压机2对雾化装置9进行吹扫，从而能够有效避免雾化装置9内存水结冰，保证氢燃料电池系统在低温环境中顺利启动。
[0055]
为实现上述氢燃料电池增湿方法，本发明第一具体实施例还提供了一种适用于上述氢燃料电池增湿方法的氢燃料电池增湿系统。具体请参阅图1至图5，该氢燃料电池增湿系统包括增湿装置4、供气系统、供水系统、排放支路。其中：
[0056]
供气系统中设置有空压机2，空压机2的出口与增湿装置4的干侧进气口之间设置有第一连接管路，第一连接管路设置有第一连接口和位于第一连接口下游的第一开关阀101；
[0057]
供水系统中设置有依次串联的水箱6、水泵8、雾化装置9，雾化装置9的出口与增湿装置4的湿侧入水口之间设置有第二连接管路，第二连接管路设置有第二连接口和位于第二连接口下游的第二开关阀102；
[0058]
第一连接口和第二连接口之间设置有第三连接管路，第三连接管路设置有第三开关阀103；
[0059]
水箱6和雾化装置9之间的连接管路与排放支路连接，排放支路设置有第四开关阀104。
[0060]
该氢燃料电池增湿系统的工作过程如下：
[0061]
燃料电池启动过程中，第一开关阀101和第二开关阀102打开，第三开关阀103和第四开关阀104关闭，以令供气系统提供的干燥空气和供水系统提供的雾化水输入增湿装置4中混合，继而进入电堆5；
[0062]
燃料电池停机时，第一开关阀101、第二开关阀102关闭，第三开关阀103和第四开关阀104打开，以,通过空压机2提供的气流对雾化装置9进行反向吹扫，减少水在供水管道和雾化装置9中的残留，避免低温启动困难。
[0063]
具体地，在上述氢燃料电池增湿系统中，水箱6和水泵8之间还设置有颗粒过滤器7，水箱6和颗粒过滤器7之间通过第四连接管路连通，上述设置有第四开关阀104的排放支路设置在第四连接管路上。从而在反向吹扫时，气流依次经过雾化装置9、水泵8、颗粒过滤器7。该过程中，不仅能够将颗粒过滤器7内的水吹出，避免低温结冰，而且也能够对颗粒过滤器具有一定的清洁所用。
[0064]
具体地，在上述氢燃料电池增湿系统中，空压机2的两端分别设置有化学空气过滤器1和中冷器3。上述第一连接口优选设置于中冷器3的下游(具体可参见图1、图2)，或者，在其它具体实施例中，也可将其设置在中冷器3的上游(具体可参见图7，即下文中所述的第三具体实施例)。
[0065]
具体地，请参见图3，雾化装置9中并联设置有多个支路单元，每个支路单元中均设置有雾化喷头91和用于控制支路单元开闭的第五开关阀92。而且，水泵8以及每个第五开关阀92均与燃料电池控制器信号连接，以根据氢燃料电池增湿系统的增湿需求调节水泵8的转速以及第五开关阀92的打开数量。
[0066]
具体地，在燃料电池工作过程中，当需要对氢燃料电池整机输出功率进行调整时，通过燃料电池控制器发出调整后的工况信号，以此控制第五开关阀92的开闭数量以及水泵8的转速，从而调节进入增湿器的雾化水的总量，进而调节增湿装置4的增湿能力通过调节
水泵8的转速和第五开关阀92的开关数量，可以调节雾化装置的雾化水量，进而调节增湿装置的增湿能力，实现增湿能力可微调也可大范围调节的目的，且能够实现快速调节的效果。
[0067]
该过程的控制需求原理请参见图5：根据整机功率需求，得到整机电流需求，然后求出湿空气流量需求、氢气流量需求和冷却流量需求，其中，湿空气流量需求再分解为湿度需求和干空气流量需求：湿度需求主要通过水泵8的转速变化和第五开关阀92的开关数量来调节；干空气流量需求通过空压机2的转速变化和背压阀开度变化来调节。
[0068]
在具体实施例中：
[0069]
若燃料电池整机输出功率在短时间内变化较大，或者说是，燃料电池控制器发出的工况信号对应的燃料电池整机输出功率相对当下工况变化较大，即目标功率
‑
当下功率＞预设值，例如车辆急刹，或车辆由高速行驶状态改为低速，此时，增湿需求相对当下工况变化较大，通过调节第五开关阀92的打开数量和水泵转速来控制进入增湿装置4内的水含量，其动作反应速度较快，能够达到高效、可靠、可控且成本低廉地实现增湿功能且令增湿效果可调的目的；
[0070]
若燃料电池整机输出功率变化较小，或者说是，燃料电池控制器发出的工况信号对应的燃料电池整机输出功率相对当下工况变化较小，即目标功率
‑
当下功率＜预设值，例如车速由23迈加速为40迈，或者车速由100迈加速为130迈，此时，增湿需求相对当下工况变化较小，便可通过调节水泵8的转速来调节进入增湿装置4内的水含量，从而实现对增湿效果进行微调/无极调节的目的。
[0071]
具体地，在燃料电池工作过程中，增湿装置4主要是提供干空气和湿空气(即雾化水)混合的场所，为加快干、湿空气混合，使用“双向对流结构”加速湿空气与干空气的混合效果，最终实现对干空气增湿的功能。具体请参见图4，在增湿装置4中，与供气系统连接的干侧进气口、与雾化装置9连接的湿侧入水口分别位于增湿装置4的两侧，并且，干侧进气口的进气方向与湿侧入水口的进水方向相反。
[0072]
具体地，在燃料电池工作过程中，还包括：包覆在水箱6的外层的保温棉；和/或，用于对电堆5和增湿装置4之间的连接管道进行加热除冰的管道加热系统；和/或，用于对水箱6进行加热除冰的水箱加热系统。当燃料电池控制器发出启动信号，并且温度传感器检测到的温度低于预设值(例如低于零度)时，即低温启动时，则控制管道加热系统和水箱加热系统启动，从而通过管道加热系统和水箱加热系统分别对供水管路和水箱6进行加热除冰，避免低温启动困难。
[0073]
综上，本发明第一具体实施例提供的氢燃料电池增湿系统所在的燃料电池系统的工作过程如下：
[0074]
首先，水箱6中添加一定的去离子水，在燃料电池发动机系统工作过程中，电堆5生成的水通过气水分离器10进入水箱6，经过颗粒过滤器7后，使用水泵8将水箱6中的去离子水抽到雾化装置9中，经过雾化装置9雾化后进入增湿装置4；同时，大气中的空气经过化学空气过滤器1后，经空压机2增压，然后进入中冷器3进行冷却，之后进入增湿装置4，与雾化后的去离子水进行混合，充分混合后进入电堆5进行反应。
[0075]
当燃料电池控制器监测到燃料电池发动机系统内部温度较低时，为避免在低温(＜0℃)环境下去离子水发生结冰，堵塞管道和零部件，需要进行加热溶冰处理：由于电堆5到混合装置4之间所有管道外层缠绕有低压电供电的加热丝(即管道加热系统)，水箱6内部
安装有低压电供电的加热丝(即水箱加热系统)，因此，在燃料电池发动机系统在低温启动前，能够对相对位置的管道和去离子水进行加热，进行破冰处理。
[0076]
此外，由于水箱外层包裹保温棉，从而能够降低低温结冰风险。
[0077]
而且，在停机前使用中冷器3后的压缩空气对雾化装置9、水泵8和颗粒过滤器7进行吹扫，减少其内部的去离子水，从而能够避免低温下结冰。
[0078]
在此需要说明的是，具体实施时，能够实现上述氢燃料电池增湿方法的系统具有多种布置形式，具体可参见本发明第二具体实施例、第三具体实施例。
[0079]
第二具体实施例
[0080]
本发明第二具体实施例提供了一种氢燃料电池增湿系统，该系统也能够适用于上述第一具体实施例中提供的氢燃料电池增湿方法，其与上述第一具体实施例中提供的氢燃料电池增湿系统的区别仅在于：燃料电池停机时，空压机2提供的吹扫用的空气流动方向为正向吹扫，即吹扫用的空气流动方向与燃料电池启动过程中供水系统的供水方向相同。
[0081]
具体地，请参阅图6，本发明第二具体实施例提供的氢燃料电池增湿系统包括增湿装置4、供气系统、供水系统、排放支路，其中：
[0082]
供气系统中设置有空压机2，空压机2的出口与增湿装置4的干侧进气口之间设置有第一连接管路，第一连接管路设置有第一连接口和位于第一连接口下游的第一开关阀101；
[0083]
供水系统中设置有依次串联的水箱6、水泵8、雾化装置9，雾化装置9的出口与增湿装置4的湿侧入水口之间设置有第二连接管路，第二连接管路设置有第二连接口和位于第二连接口下游的第二开关阀102；排放支路与第二连接口连接，排放支路设置有第四开关阀104；
[0084]
水箱6和雾化装置9之间的连接管路设置有第三连接口，具体地，第三连接口设置在水箱6的出口和颗粒过滤器的入水口的连接管路上；第一连接口和第三连接口之间设置有第三连接管路，第三连接管路设置有第三开关阀103。
[0085]
第三具体实施例
[0086]
请参阅图7，本发明第三具体实施例提供的氢燃料电池增湿系统，该系统也能够适用于上述第一具体实施例中提供的氢燃料电池增湿方法，其与上述第一具体实施例中提供的氢燃料电池增湿系统的区别仅在于：供气系统中用于连接第三连接管路的第一连接口，设置在中冷器3的上游，即空压机2和中冷器3之间的连接管路上。
[0087]
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0088]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0089]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。
对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。