多级喷雾增湿装置及燃料电池系统的制作方法

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种多级喷雾增湿装置及燃料电池系统。

背景技术：

1、大功率燃料电池系统的应用场景逐渐增多，包括牵引车、矿卡、固定式发电等。燃料电池系统的核心部件—电堆需要在一定湿度条件下才能持久工作。随着功率增加，燃料电池系统的增湿需求也逐渐增大。

2、现有喷雾增湿装置大多采用单个喷头，例如，参见现有专利一(申请号201821779167.2)，雾化腔置于空压机之后，喷头流量由水泵控制，根据空气流量和所需湿度调节喷水量。应用于大功率燃料电池系统后，喷雾增湿装置中的水泵和喷头流量较大，雾化腔中的液滴尺寸也会较大，不利于干空气的增湿。同时，液滴也有可能进入电堆，造成流道的堵塞。事实上，单个喷头喷水量越多，雾化效果越差，对干空气的增湿效果越差。

3、而现有技术中采用多喷头的喷雾增湿装置，例如现有专利二(申请号201811556493.1),对于大功率燃料电池系统，在同一雾化腔需设置多个喷头，喷出的水雾容易发生碰撞，从而变成大液滴，因此仍容易堵塞流道。

4、综上，现有大功率燃料电池系统中的喷雾增湿装置大都是过量喷雾，然后需再经过脱湿，一般体积较大。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种多级喷雾增湿装置及燃料电池系统，用以解决现有技术存在过量喷雾易形成液滴堵塞流道不适用于大功率燃料电池的问题。

2、一方面，本发明实施例提供了一种多级喷雾增湿装置，包括水泵、多级串联的增湿单元，以及增湿控制器；其中，

3、每级增湿单元进一步包括依次连通的雾化腔、中冷器；每一雾化腔内设有一独立控制且流量为2～6l/h的小流量雾化喷头，以分段进行空气增湿；所有小流量雾化喷头的输入端均经水泵接水源；首级增湿单元的输入端接空压机的输出端或膨胀机的压轮腔输出端，末级增湿单元的输出端接电堆的空气入口；

4、增湿控制器，用于接收到燃料电池的启动指令后，获取入堆空气流量；以及，将入堆空气流量输入设定的湿度控制模型中，得出入堆空气达到目标湿度且多级喷雾增湿装置能耗最低对应的各级增湿单元的理论喷水量，并控制各级增湿单元工作于其对应的理论喷水量。

5、上述技术方案的有益效果如下：提供了一种多喷头组合的喷雾增湿装置，通过调节单个小流量雾化喷头的流量，保障雾化效果，进而保障增湿效果，克服了现有技术采用单喷头带来的雾化效果差、增湿效果差的问题。小流量雾化喷头易于实现精细雾化，避免大液滴直接进入中冷器。雾化腔+中冷器的组合重复排列，组成二级或者多级喷雾增湿架构，有效避免大液滴进入中冷器。并且，该装置能够根据入堆空气流量和目标湿度，精准地控制喷水量，以达到最佳的增湿效果。

6、基于上述装置的进一步改进，增湿控制器执行如下程序：

7、接收到燃料电池的启动指令后，获取入堆空气流量；

8、将入堆空气流量输入事先标定好的湿度控制模型中，得出同时满足入堆空气达到目标湿度、多级喷雾增湿装置能耗最低、各级增湿单元的喷水量相等三个条件对应的每级增湿单元的理论喷水量；

9、在空压机或膨胀机启动后，控制各级增湿单元工作于其理论喷水量；

10、获取入堆空气湿度，识别入堆空气湿度是否达到目标湿度，如果是，控制各级增湿单元的喷水量不变，否则，根据入堆空气湿度与目标湿度的差值调整各级增湿单元的喷水量，直到入堆空气湿度达到目标湿度。

11、进一步，小流量雾化喷头均采用机械喷头，且每一机械喷头的喷水量相同；并且，

12、水泵具有水流量计量功能，其转速呈可调节设置；水泵的控制端接增湿控制器的输出端。

13、进一步，小流量雾化喷头均采用具有水流量计量功能且开度可调的电控喷头；并且，

14、电控喷头的控制方式为pwm方式；

15、水泵的输出端管道内壁上设有压力传感器，该压力传感器的输出端接增湿控制器的输入端；增湿控制器的输出端接水泵和所有小流量雾化喷头的控制端；

16、增湿控制器，还用于根据压力传感器数据控制水泵输出恒定水压的液体，并显示压力传感器数据。

17、进一步，该多级喷雾增湿装置还包括：

18、储水罐，储水罐内配有补液管道、第一液位检测单元、补水报警器；补液管道设于储水罐的进水口，用于连接水源；第一液位检测单元设置于储水罐内壁上，用于获取储水罐内实时液位；补水报警器用于根据储水罐内实时液位启闭；

19、储水罐的进水口还经分水件接电堆的空气尾气出口，其出水口经水泵、各级增湿单元接电堆的空气入口，构成一个密闭的水循环回路。

20、进一步，储水罐的进水口还集成了净水器；并且，

21、每一雾化腔内均设有第二液位检测单元，用于监测雾化器底部的液位高度；

22、每一雾化腔内底部设有用于该雾化腔排水的电动阀门，所述电动阀门设置为在相应的第二液位检测单元数据超过上限阈值时启动，并在第二液位检测单元数据低于下限阈值时关闭。

23、进一步，小流量雾化喷头采用超声波雾化喷头或具有阵列式网孔的板状结构；并且，

24、小流量雾化喷头内的水为去离子水；多级喷雾增湿装置的水源为去离子水源。

25、进一步，储水罐内设置有水温调节设备；并且，增湿控制器执行如下程序：

26、接收到燃料电池的启动指令后，获取入堆空气流量、入堆空气湿度、入堆空气温度；

27、将入堆空气流量、入堆空气湿度、入堆空气温度输入事先标定好的温湿度控制模型中，得到同时满足入堆空气达到目标湿度和目标温度、多级喷雾增湿装置能耗最低、各级增湿单元的喷水量相等三个条件对应的每级增湿单元的理论喷水量、中冷器制冷端温度；

28、在空压机或膨胀机启动后，控制各级增湿单元工作于其对应的理论喷水量，并控制中冷器工作于所述中冷器制冷端温度，完成入堆空气温湿度的粗调；

29、获取入堆空气湿度，识别入堆空气湿度是否达到设定范围，如果是，控制各级增湿单元的喷水量不变，否则，执行下一步；

30、识别入堆空气湿度是否达到目标湿度，如果是，控制各级增湿单元的喷水量不变，否则，继续识别入堆空气湿度大于目标湿度时降低各级增湿单元的喷水量，继续识别入堆空气湿度大于目标湿度时加大各级增湿单元的喷水量，直到入堆空气湿度达到目标湿度结束所述喷水量的调整，完成入堆空气湿度的微调；

31、识别入堆空气温度是否达到目标温度，如果是，控制储水罐内水温调节设备维持现有状态不变，否则，启动储水罐内水温调节设备，并根据入堆空气温度与目标湿度的差值控制水温调节设备对储水罐内水温调整，直到入堆空气温度是否达到目标温度，完成入堆空气温度的微调。

32、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

33、1、机械喷头+具备计量功能的水泵的组合，控制简单，易于实现，具备计量功能的水泵同时具备密封效果(即燃料电池系统在关机后对空气路的管道密封)，可以实现空气路的保压要求。

34、2、电控喷头+普通泵的组合，单独控制电控喷头的喷水量，喷水量自由调节。电控喷头实现密封(即燃料电池系统在关机后对空气路的管道密封)，由于具备密封功能，可以降低对水泵的依赖。

35、3、提供了一种精准控制入堆空气温湿度的方案。

36、另一方面，本发明实施例提供了一种使用上述多级喷雾增湿装置的燃料电池系统，除包括多级喷雾增湿装置外，还包括电堆、膨胀机、尾排节气门、分水件、排水阀；其中，

37、电堆的空气进口经多级喷雾增湿装置接膨胀机的压轮腔输出端，其空气尾气出口依次经尾排节气门、膨胀机的涡轮腔接分水件的输入端；

38、分水件的排气端通入外部大气中，其排水端接排水阀。

39、进一步，该燃料电池系统还包括储水罐、自动补液装置；其中，

40、储水罐集成于多级喷雾增湿装置内，作为水源；

41、自动补液装置，用于根据储水罐内实时液位低于多级喷雾增湿装置正常工作的液位下限时对储水罐进行自动补液，以维持储水罐内液位；

42、储水罐的进水口分别接分水件的排水端、各雾化腔内底部的排水口、自动补液装置的输出端，其排水端一路接排水阀，另一路经水泵为所有小流量雾化喷头供水。

43、与现有技术相比，本发明的燃料电池系统至少可实现如下有益效果之一：

44、1、提供了一种多级喷雾增湿装置的应用方案，在该方案中燃料电池系统使用了膨胀机，实现了水的循环利用，只需要在使用前在储水罐内充水，使用过程中无需充水即可实现空气的循环加湿，节约了用水量。

45、2、整个系统的能耗低，加湿效果好，对低功率燃料电池和高功率燃料电池具有通用性。

46、提供
技术实现要素：
部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本发明的重要特征或必要特征，也无意限制本发明的范围。