一种余热回收的气体加湿装置及方法与流程

本发明涉及燃料电池，具体来说是一种余热回收的气体加湿装置及加湿方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池是利用氢能最高效的发电装置，具有转换效率高、无污染等优点，有广泛的应用前景。质子交换膜的水热管理对燃料电池至关重要，而燃料电池气体加湿控制是水热管理控制的关键。在燃料电池开发与测试过程中，需要对各种运行环境、工况参数进行模拟，其中高动态响应、高效加湿控制是精准测试评价的关键。

2、燃料电池系统中需要加湿器对反应气体进行加湿，保证质子交换膜保持湿润的状态，从而提高燃料电池的性能。如果当膜中水分子过甚时，会引起整个燃料电池系统水淹，导致燃料电池无法正常工作；如果当膜中水分子过少时，会导致膜干，使得燃料电池也无法正常工作。因此，燃料电池测试系统平台必须对进入电池组的反应气体进行加湿控制，以确保质子交换膜处于合适的水饱和状态。

3、目前现有的燃料电池测试平台多采用鼓泡、填料或喷淋组合形式，存在加湿效率低、系统容积大动态响应慢和系统复杂等缺点，无法满足燃料电池测试平台高动态响应的需求且加湿系统能耗高。

4、如公开号为cn113871658a公开的一种固定式燃料电池电站用加湿系统及控制方法，其结构包括塔体、水泵、储水槽和余热换热器等。塔体具有进气口和出气口，两者之间依次在塔体内设置有填料层、喷淋装置和液滴拦截装置，其中喷淋装置包括非雾化的滴淋头。通过水泵将塔体底部储水槽内的水经第一余换热器加热后泵送至喷淋装置。储水槽内还设置有电加热器和第二余热换热器，用于加热储水槽内的水。余热换热器连接至电堆循环水系统；电加热器通过pid控制器控温加热。该加湿系统虽然也利用了电池的余热，但是该系统采用先加热，再利用余热，余热回收利用不充分，且余热和加热器只具备单向调节，调节能力差。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于解决现有技术中电池余热利用效率不高的问题。

2、本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

3、一种余热回收的气体加湿装置，包括加湿罐(2)、温度调节组件和余热利用组件；

4、所述温度调节组件包括第一泵(6)、第一换热器(9)、第一阀门(7)和第二阀门(8)；所述第一泵(6)与所述加湿罐(2)的排水口连接；所述第一泵(6)的出水口分别与第一阀门(7)和第二阀门(8)的进口连接；所述第二阀门(8)与余热利用组件的进口连接；所述第二阀门(8)与第一换热器(9)的热侧进口串接；所述第一换热器(9)的热侧出口与所述余热利用组件的进口连接；所述第一换热器(9)的冷侧与冷却介质连通；

5、所述余热利用组件包括第三阀门(11)和第二换热器(10)；所述第三阀门(11)为三通阀门，第一接口与第一阀门(7)和第一换热器(9)的热侧出口连接，第二接口与第二换热器(10)的冷侧进口连接，第三接口与所述加湿罐(2)的进水口连通；所述第二换热器(10)的冷侧出口与所述加湿罐(2)的进水口连通，热侧的进出口分别与燃料电池的冷却液管路出口、进口连通，或与燃料电池的阴极气体出口、尾气处置装置连通；

6、在所述第三阀门(11)与加湿罐(2)的连接管道上安装有第一温度传感器(18)；所述加湿罐(2)的出气口与燃料电池的阴/阳极气体进口连通。

7、本发明的一种优势在于提供一种余热回收的气体加湿装置及方法。所述的加湿喷淋循环水系统设置有所述余热回收换热器，可回收燃料电池系统余热，利用余热进行气体加湿，减少系统热负荷消耗，降低加湿系统能耗，提高整体能源利用效率。并根据加湿罐出口水温度，合理控制第一阀门、第二阀门和第三阀门的开度，可以合理利用余温。当经过余温加热后的水温不满足要求时，再启动第一加热器，本发明结构设计合理，具有很好的节能效果。

8、进一步的，当所述第二换热器(10)的热侧与燃料电池的冷却液管路连通时，所述第二换热器(10)的热侧出口管道上还依次串接有第二泵(25)、第六阀门(26)和第二温度传感器(19)；所述第六阀门(26)为三通阀门，其中一通与第三换热器(27)热侧进口连通，第三换热器(27)的热侧出口与第二温度传感器(19)的上游管路连通；所述第三换热器(27)的冷侧与冷却介质连通。

9、进一步的，当所述第二换热器(10)的热侧与燃料电池的阴极气体出口连通时，在阴极气体出口与第二换热器(10)之间管道上依次串接有第七温度传感器(30)和第三压力传感器(31)。

10、进一步的，还包括第一加热器(12)，所述第一加热器(12)串接在第二换热器(10)的冷侧出口与加湿罐(2)的进水口之间的管道上。

11、进一步的，在第一加热器(12)的下游串接有第二温度传感器(19)。

12、进一步的，还包括气体控温组件(16)；所述气体控温组件串接在所述加湿罐(2)出口气与燃气电池的阴/阳极气体进口之间的管道上。

13、进一步的，所述气体控温组件(16)包括第一压力传感器(21)、第四温度传感器(20)、第五温度传感器(22)、第二压力传感器(23)、换热器、加热器、降温换热器和控制器；所述换热器的一侧分别与加湿罐(2)出口和燃料电池进口连接，另一侧分别与水箱进口和加热器出口连接；所述加热器进口与降温换热器的热侧出口连接，热侧进口与水箱出口连接；所述降温换热器的冷侧的进出口分别与冷却水的管路连接；所述第一压力传感器(21)和第四温度传感器(20)串接在加湿罐(2)与换热器之间，所述第四温度传感器(20)和第五温度传感器(22)串接在换热器与燃料电池进口之间；所述第一压力传感器(21)、第四温度传感器(20)、第五温度传感器(22)、第二压力传感器(23)、换热器、加热器和降温换热器均与控制器通信连接。

14、进一步的，所述第二换热器(10)的热侧进口与燃料电池的阴极出口连接，出口与尾气处理组件(32)连接。

15、进一步的，所述加湿罐(2)内自上而下依次设置有气液分离组件(5)、喷淋组件(4)和气体分布组件(3)；干燥气体自所述加湿罐(2)底部注入，所述喷淋组件(4)的进口与第二换热器(10)的冷侧出口以及第三阀门(11)的第三接口连通。

16、与上述装置对应的，本发明还提供一种余热回收气体加湿方法，应用于上述的装置，包括以下步骤：

17、干燥的气体从进入所述加湿罐(2)，经由所述加湿罐气体分布组件(3)均匀分布，在所述加湿罐(2)内部由下向上流动。加湿循环水由所述第一泵(6)驱动，经由所述温度调节组件及所述余热回收组件调节，经所述喷淋组件(4)雾化喷出，高温雾化液体在所述加湿罐(2)内自上向下流动，与加湿气体对流传质传热，完成加湿；饱和加湿的气体经由所述气液分离组件(5)，将气流夹带的液滴捕捉分离，饱和湿气体由加湿罐(2)出口管道流出；

18、通过对各个阀门的开关控制或开度控制来调节循环水的加热方式，具体为：

19、通过第一阀门(7)和第二阀门(8)调整分配第一换热器(9)的流量，通过对第四阀门(13)控制，当加湿罐中出水温度高于控制值时，外部冷却水经过第四阀门(13)进入第一换热器(9)与加湿循环水进行换热冷却，加湿循环水冷却到设定温度后不经过第二换热器(10)，此时加热器(12)不启动，水直接进入加湿罐；如果加湿罐出水温度低于控制值，则关闭第四阀门(13)，加湿循环水水经过第三阀门(11)进入第二换热器(10)，与燃料电池出口气体或冷却循环水进行热交换，若热交换后的水温不能满足需求，则经过加热器(12)加热后达到目标温度进入加湿罐；或是通过调节第一阀门(7)和第二阀门(8)以及第三阀门(11)的开度、第四阀门(13)，实现不同流量、不同温度水的组合，从而实现余温最优利用率；具体控制方法为：

20、获取气体目标湿度、温度、燃料电池进气口压力，计算气体目标含湿量，再根据气体目标含湿量和加湿罐出口压力值计算加湿罐出口目标露点温度，根据加湿罐出口目标露点温度控制余热回收组件加热器的功率，从而调节循环水温；将加湿气体出口温度即饱和湿气露点控制在目标范围。

21、本发明的优点在于：

22、本发明的一种优势在于提供一种余热回收的气体加湿装置及方法。所述的加湿喷淋循环水系统设置有所述余热回收换热器，可回收燃料电池系统余热，利用余热进行气体加湿，减少系统热负荷消耗，降低加湿系统能耗，提高整体能源利用效率。并根据加湿罐出口水温度，合理控制第一阀门、第二阀门和第三阀门的开度，可以合理利用余温。当经过余温加热后的水温不满足要求时，再启动第一加热器，本发明结构设计合理，具有很好的节能效果。

23、本发明中的燃料电池冷却水或气体均可作为余温利用介质，扩大应用范围。

24、本发明的加湿罐及其组件，气体分布器设计、优选的多组喷淋组件设计、优选的气液分离组件设计，为气液两相流体提供了良好的传质传热条件，采用多组多层雾化喷淋方式，在较高气体流速范围实现饱和加湿，加湿系统容积小可实现高动态温度、压力、湿度调节。

25、本发明的另一种优势在于一种余热回收的气体加湿装置及方法，提供了一种精准的湿度控制方法。通过设定气体目标加湿温度、湿度和工况压力，计算加湿目标气体含湿量。以测量加湿罐出口压力，核算该压力条件下目标含湿量对应露点温度。利用加湿循环水单元，温度控制组件以及余热回收组件将加湿罐出口气体温度控制到目标露点温度，完成饱和加湿；通过温度控制组件将加湿气体升温至目标温度，完成气体目标温度湿度控制。该方法控制精度高，响应快，可以实现高精度的控制及快速调节。