一种水热自平衡和气体湿度可调的燃料电池加湿系统的制作方法

本发明涉及燃料电池加湿，更具体地讲，涉及一种水热自平衡和气体湿度可调的燃料电池加湿系统。

背景技术：

1、在氢燃料电池领域，为了保证电堆的性能和使用寿命，电堆反应所需的空气和氢气在进入电堆之前，需要对其进行加湿；目前常用的加湿方式为膜加湿器加湿，该加湿方式属于被动加湿，气体的湿度无法进行主动调节，目前主要运用在燃料电池车载系统和小功率燃料电池发电系统，大功率燃料电池发电系统运用缺乏可用的加湿系统和设备。

2、现有技术中针对被动加湿存在的问题，提出了主动加湿的概念，主要采用鼓泡、喷淋或者填料加湿的方式对空气或氢气进行加湿；该类加湿方法对空气和氢气的湿度调节范围更宽，且不受入口空气、出口空气或氢气湿度的影响，可以根据需要调整到目标设定湿度，从而能够更好的保证电堆的性能和使用寿命。

3、主动加湿通常需要消耗外来水和热量，需要对加湿器补充水和热量，若使用外来补充水和热量，会增加系统本身的耗水量和能耗，从而降低系统的效率，且无法实现加湿用水和用热的自平衡调节，无法有效的控制进入电堆的气体湿度。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，提供一种水热自平衡和气体湿度可调的燃料电池加湿系统；

2、本发明解决技术问题所采用的解决方案是：

3、一种水热自平衡和气体湿度可调的燃料电池加湿系统，包括分别与电堆连接的空气加湿模块和氢气加湿模块、分别与空气加湿模块和氢气加湿模块连接的补水单元、以及与空气加湿模块、氢气加湿模块、补水单元分别连接的控制单元；

4、所述空气加湿模块包括与电堆连接和补水单元连接的空气加湿单元、与空气加湿单元、电堆分别连接的空气喷淋液加热单元、与电堆、空气加湿单元、空气喷淋液加热单元分别连接的空气加热单元；

5、所述氢气加湿模块包括与电堆连接和补水单元连接的氢气加湿单元、与氢气加湿单元、电堆分别连接的氢气喷淋液加热单元。

6、在一些可能的实施方式中，所述空气加热单元包括空气加热器、与空气加热器和空气加湿单元分别连接的加热后空气管道、与空气加热器和空气喷淋液加热单元连接的剩余热冷却液管道、与加热后空气管道和电堆连接的旁路管道。

7、在一些可能的实施方式中，在所述旁路管道上设置有湿度调节阀；在所述加热后空气管道上设置有空气加热后温度传感器，所述空气加热后温度传感器设置在空气加热器与空气加热器和旁路管道的连接处之间。

8、在一些可能的实施方式中，所述电堆上设置有出堆冷却液管道和进堆冷却液管道，在所述出堆冷却液管道上设置有电堆冷却液循环泵；所述电堆冷却液循环泵分别与第一喷淋加热单元、第二喷淋加热单元连接。

9、在一些可能的实施方式中，所述空气喷淋液加热单元和第二喷淋加热单元的结构相同，包括喷淋液加热设备、与喷淋液加热设备和进堆冷却液管道分别连接的喷淋液加热后冷却液出口管路、与喷淋液加热设备与空气加湿单元连接的喷淋液加热设备出口水管路、以及与电堆冷却液循环泵体和喷淋液加热设备分别连接的冷却液循环泵出口管路；

10、在所述喷淋液加热设备出口水管路上设置有喷淋液温度传感器。

11、在一些可能的实施方式中，所述剩余热冷却液管道包括用于连接空气加热器与第一喷淋加热单元中冷却液循环泵出口管路的剩余热冷却液热水管道、与空气加热器与进堆冷却液管道分别连接的剩余热冷却液冷水管道；

12、在所述剩余热冷却液热水管道上设置有空气加热水调节阀。

13、在一些可能的实施方式中，所述空气加湿单元与氢气加湿单元结构相同，包括与补水单元连接的加湿塔、与加湿塔和电堆分别连接的加热后湿气体管路、与加湿塔依次连接的喷淋液循环泵入口管路、喷淋液循环泵体和喷淋液循环泵出口水管路；

14、其中，空气加湿单元的加湿塔与加热后空气管道连接；所述喷淋液循环泵出口水管路的另外一端与对应的喷淋液加热设备连接。

15、在一些可能的实施方式中，所述补水单元包括依次与电堆连接的废气冷凝器、冷凝后废气管道、以及废气气液分离罐；

16、所述废气气液分离罐依次连接有喷淋液补水泵入口管道、补水泵；

17、所述补水泵与空气加湿单元、氢气加湿单元分别连接。

18、在一些可能的实施方式中，在所述补水泵与空气加湿单元的加湿塔之间的管道上设置有空气加湿补水调节阀；

19、在所述补水泵与氢气加湿单元的加湿塔之间的管道上设置有氢气加湿补水调节阀。

20、在一些可能的实施方式中，在所述电堆与废气冷凝器之间设置有出堆气体管道；

21、在所述废气冷凝器与废气气液分离罐之间设置有冷凝后废气管道；

22、在所述废气冷凝器上设置有冷却水出口管道、冷却水入口管道；所述冷却水入口管道上设置有冷却水调节阀。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果：

24、本发明能够使进入电堆的气体湿度根据电堆需要进行调节，与目前主要采用的膜加湿方式相比，电堆入堆空气或氢气湿度可进行主动调节，不受环境影响，从而大大增加了电堆的性能和使用寿命；

25、本发明存在湿度调节范围宽，湿度可调范围为进口气体湿度至95％，适应气体流量范围广，满足从kw级至mw级甚至几十mw级的燃料电池发电系统气体加湿；

26、本发明能够将电堆产生的热和电堆出口废空气带出的水进行回收，并用于空气和/或氢气的加湿，在利用了电堆产生热量的同时，降低了电堆冷却液冷却的负荷，同时回收电堆出口废空气的热量和水，热量可用于供暖或制冷，水用于空气和/或氢气的加湿，实现了电堆入口空气和氢气加湿所需水和热量的自给自足，无需外供水和外供热，节约了水耗和能耗。

技术特征：

1.一种水热自平衡和气体湿度可调的燃料电池加湿系统，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的一种水热自平衡和气体湿度可调的燃料电池加湿系统，其特征在于，所述空气加热单元包括空气加热器、与空气加热器和空气加湿单元分别连接的加热后空气管道、与空气加热器和空气喷淋液加热单元连接的剩余热冷却液管道、与加热后空气管道和电堆连接的旁路管道。

3.根据权利要求2所述的一种水热自平衡和气体湿度可调的燃料电池加湿系统，其特征在于，在所述旁路管道上设置有湿度调节阀；在所述加热后空气管道上设置有空气加热后温度传感器，所述空气加热后温度传感器设置在空气加热器与空气加热器和旁路管道的连接处之间。

4.根据权利要求2所述的一种水热自平衡和气体湿度可调的燃料电池加湿系统，其特征在于，所述电堆上设置有出堆冷却液管道和进堆冷却液管道，在所述出堆冷却液管道上设置有电堆冷却液循环泵；所述电堆冷却液循环泵分别与第一喷淋加热单元、第二喷淋加热单元连接。

5.根据权利要求4所述的一种水热自平衡和气体湿度可调的燃料电池加湿系统，其特征在于，所述空气喷淋液加热单元和第二喷淋加热单元的结构相同，包括喷淋液加热设备、与喷淋液加热设备和进堆冷却液管道分别连接的喷淋液加热后冷却液出口管路、与喷淋液加热设备与空气加湿单元连接的喷淋液加热设备出口水管路、以及与电堆冷却液循环泵体和喷淋液加热设备分别连接的冷却液循环泵出口管路；

6.根据权利要求5所述的一种水热自平衡和气体湿度可调的燃料电池加湿系统，其特征在于，所述剩余热冷却液管道包括用于连接空气加热器与第一喷淋加热单元中冷却液循环泵出口管路的剩余热冷却液热水管道、与空气加热器与进堆冷却液管道分别连接的剩余热冷却液冷水管道；

7.根据权利要求5所述的一种水热自平衡和气体湿度可调的燃料电池加湿系统，其特征在于，所述空气加湿单元与氢气加湿单元结构相同，包括与补水单元连接的加湿塔、与加湿塔和电堆分别连接的加热后湿气体管路、与加湿塔依次连接的喷淋液循环泵入口管路、喷淋液循环泵体和喷淋液循环泵出口水管路；

8.根据权利要求7所述的一种水热自平衡和气体湿度可调的燃料电池加湿系统，其特征在于，所述补水单元包括依次与电堆连接的废气冷凝器、冷凝后废气管道、以及废气气液分离罐；

9.根据权利要求8所述的一种水热自平衡和气体湿度可调的燃料电池加湿系统，其特征在于，在所述补水泵与空气加湿单元的加湿塔之间的管道上设置有空气加湿补水调节阀；

10.根据权利要求9所述的一种水热自平衡和气体湿度可调的燃料电池加湿系统，其特征在于，在所述电堆与废气冷凝器之间设置有出堆气体管道；

技术总结
本发明涉及燃料电池加湿技术领域，具体公开了一种水热自平衡和气体湿度可调的燃料电池加湿系统，包括分别与电堆连接的空气加湿模块和氢气加湿模块、与空气加湿模块和氢气加湿模块连接的补水单元、以及与空气加湿模块、氢气加湿模块、补水单元分别连接的控制单元；空气加湿模块包括与电堆连接和补水单元连接的空气加湿单元、与空气加湿单元、电堆连接的空气喷淋液加热单元、与电堆、空气加湿单元、空气喷淋液加热单元连接的空气加热单元；氢气加湿模块包括与电堆连接和补水单元连接的氢气加湿单元、与氢气加湿单元、电堆分别连接的氢气喷淋液加热单元。本发明能够使进入电堆的气体湿度根据电堆需要进行调节，大大增加了电堆的性能和使用寿命。

技术研发人员：黄波,雷姣,胡像锋,李全领,左彬,李欣,胡军,刘煜
受保护的技术使用者：东方电气（成都）氢燃料电池科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15