一种燃料电池喷雾增湿系统及控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池喷雾增湿系统及控制方法。


背景技术：

2.氢燃料电池具有高效率、环境友好、高可靠性等优点，合理的燃料电池控制策略，有利于提高燃料电池输出、维持系统稳定运行。燃料电池通过电堆内部的氢氧反应得到所需的电能，空气湿度对该电化学反应有重要的影响，湿度过低会导致质子交换膜过于干燥，进而阻碍氢离子由阳极侧向阴极侧转移，氢氧反应速率降低，导致燃料电池性能下降。目前燃料电池行业中主要采用膜增湿器对空气进行增湿，但膜增湿器体积较大、成本较高，且其耐久性较差。
3.除采用膜增湿器以外，还可以采用喷雾增湿。喷雾增湿是在空压机后加一个喷雾增湿腔并向腔内喷水雾，干燥气体流经喷雾蒸发腔时经过水雾会被降温加湿。此方法结构简单、成本低但其本身容易存在气化不完全的液态水滴残留，影响发动机工作效率，尤其是在低功率工况下，入口空气所携带的热量不足已将液滴充分气化，而且在低温状态下，水箱容易结冰，无法通过喷雾对空气进行增湿。
4.因此，亟需提供一种可以在不同工况下充分保障增湿效果的增湿系统及控制方法。


技术实现要素：

5.基于现有技术中的上述需求，本发明提供了一种燃料电池喷雾增湿系统及控制方法。
6.在本发明的第一个方面，本发明提供了一种燃料电池喷雾增湿系统。该系统包括依次设置在燃料电池空气进气管路上的空压机、三通阀、喷雾蒸发腔，以及设置在增湿旁路上的尾排三通阀、储水罐、水泵。
7.作为燃料电池系统的常规设置，燃料电池空气进气管路上设置有空压机，压缩后的高温空气从空压机的输出端排出并被输送到电堆参与电化学反应。
8.所述三通阀的输入端与空压机的输出端连通，第一输出端与喷雾蒸发腔的输入端连通，第二输出端与尾排三通阀的输入端连通。
9.所述储水罐包括外层的加热腔及内层的储水腔，所述尾排三通阀的第一输出端与储水罐的所述加热腔连通，第二输出端与燃料电池的尾排管路连通；储水罐的储水腔通过水泵与喷雾蒸发腔的液体入口连通，储水腔连接有温度传感器。
10.具体的，所述燃料电池的尾排管路上设置有涡轮，所述涡轮与所述空压机同轴设置。
11.具体的，所述尾排三通阀的第二输出端与所述涡轮的下游管路连通。
12.具体的，所述燃料电池的尾排管路上设置有尾排节气门，所述尾排节气门设置在所述涡轮的上游管路上。
13.具体的，所述燃料电池空气进气管路上设置有空气过滤器及空气流量计，所述空气过滤器、空气流量计设置在所述空压机的上游管路上。
14.具体的，所述燃料电池空气进气管路上设置有中冷器，所述中冷器的气体入口与所述喷雾蒸发腔的输出端连通。
15.在本发明的第二个方面，基于前述的燃料电池喷雾增湿系统，本发明提供了一种燃料电池喷雾增湿系统的控制方法，该方法包括以下步骤：
16.s1：通过温度传感器采集储水腔的水温t，并将其与第一温度阈值t1对比，若水温t低于第一温度阈值t1，则执行步骤s2，否则，执行步骤s3；
17.s2：保持燃料电池电堆处于关闭状态，启动所述空压机，开启所述三通阀的第二输出端及尾排三通阀的第一输出端，利用空压机输出的压缩空气加热储水腔；
18.s3：开启燃料电池电堆，启动所述空压机和水泵，根据燃料电池电堆的空气需求量控制所述三通阀的第一输出端和第二输出端的开度，并根据所述水温t和第二温度阈值t2的偏差控制所述尾排三通阀的第一输出端和第二输出端的开度。
19.进一步优选的，为了提高加热速度，所述储水罐上还设置有临时加热装置，以便在必要时辅助加热。所述控制方法包括以下步骤：
20.s1’：通过温度传感器采集储水腔的水温t，并将其与第一温度阈值t1对比，若水温t低于第一温度阈值t1，则执行步骤s2’；否则，执行步骤s31；
21.s2’：保持燃料电池电堆处于关闭状态，启动所述空压机，开启所述三通阀的第二输出端及尾排三通阀的第一输出端，利用空压机输出的压缩空气加热储水腔；同时，启动所述临时加热装置辅助加热；
22.s31：开启燃料电池电堆，启动所述空压机和水泵，根据燃料电池电堆的空气需求量控制所述三通阀的第一输出端和第二输出端的开度，并根据所述水温t和第二温度阈值t2的偏差控制所述尾排三通阀的第一输出端和第二输出端的开度；继续执行步骤s32；
23.s32：通过温度传感器采集储水腔的水温t，并将其与第三温度阈值t3对比，若水温t高于第三温度阈值t3，关闭所述临时加热装置；否则，启动所述临时加热装置辅助加热。
24.具体的，前述各个温度阈值根据实际需要标定。优选的，所述第三温度阈值t3不低于所述第一温度阈值t1，不高于第二温度阈值t2。
25.本发明提供的上述技术方案能够利用空压机输出的压缩空气将水温维持在较高水平，确保水在喷雾蒸发过程中充分气化，从而取得良好的空气增湿效果。提供发明内容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，本发明对所有构成元件的描述应当理解为开放式的，并且所有描述的方法步骤在实施时序及实施次数上没有特殊的限制。
附图说明
26.通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
27.图1示出了实施例中的燃料电池喷雾增湿系统；
28.图2示出了实施例中燃料电池喷雾增湿系统的控制方法。
29.图3示出了实施例中一种优选的燃料电池喷雾增湿系统的控制方法。
30.附图标记说明：1-空气过滤器；2-空气流量计；3-空压机；4-三通阀；5-喷雾蒸发腔；6-中冷器；7-尾排节气门；8-水泵；9-涡轮；10-尾排三通阀；11-储水罐；12-温度传感器；13-三通阀的第二输出端；14-三通阀的第一输出端；15-尾排三通阀的第二输出端；16-尾排三通阀的第一输出端。
具体实施方式
31.下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
32.在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
33.按照本发明的要旨，如图1所示，本实施方式具体给出了一种燃料电池喷雾增湿系统。
34.作为燃料电池系统的基本构成，电堆的空气进气管路上通常设置有空气过滤器(1)、空气流量计(2)、空压机(3)及中冷器(6)，在尾排管路上则设置有尾排节气门(7)，这些元件可以按照任意的方式设置，以能够实现其设计功能为准，本实施方式对此不作赘述。
35.为了实现本发明的目的，本实施方式中的燃料电池喷雾增湿系统包括依次设置在燃料电池空气进气管路上的空压机(3)、三通阀(4)、喷雾蒸发腔(5)，以及设置在增湿旁路上的尾排三通阀(10)、储水罐(11)、水泵(8)。其中，术语“依次设置”仅限定上述元件之间的位置顺序，而并不隐含上述元件之间有或没有其他的元件。
36.所述三通阀(4)的输入端与空压机(3)的输出端连通，三通阀第一输出端(14)与喷雾蒸发腔(5)的输入端连通，三通阀第二输出端(13)与尾排三通阀(10)的输入端连通。如下文的介绍，三通阀的第一输出端、第二输出端之间的开度可以调整，从而允许将至少部分的高温压缩空气引入到增湿旁路中。
37.在三通阀第二输出端(13)引出的增湿旁路上，设置有尾排三通阀(10)、储水罐(11)、水泵(8)。其中，储水罐(11)包括外层的加热腔及内层的储水腔，尾排三通阀的第一输出端(16)与储水罐(11)的加热腔连通，尾排三通阀的第二输出端(15)则与燃料电池的尾排管路连通。本实施方式对接入尾排管路的具体位置没有特殊限制，但如附图1所示的，燃料电池系统的尾排管路上设置有涡轮(9)，该涡轮(9)与空压机(3)同轴设置，可以将第二输出端(15)与涡轮(9)的下游管路连通。如下文的介绍，尾排三通阀的第一输出端、第二输出端之间的开度可以调整，从而允许将至少部分的高温压缩空气引入储水罐(11)的加热腔，对内层的储水腔进行加热。储水腔连接有温度传感器(12)，以便实时监控水温。
38.储水罐(11)的储水腔连接有水泵(8)，水泵(8)则与喷雾蒸发腔(5)的液体入口连
通。
39.在上述燃料电池喷雾增湿系统的基础上，如图2所示，本实施方式具体给出了一种燃料电池喷雾增湿系统的控制方法，具体包括以下步骤：
40.s1：通过温度传感器采集储水腔的水温t，将其与第一温度阈值t1对比，若水温t低于第一温度阈值t1，则认为此时喷雾蒸发腔不足以完全气化喷雾，执行步骤s2，否则，执行步骤s3；
41.s2：保持燃料电池电堆处于关闭状态，启动所述空压机，使三通阀的第二输出端全开、尾排三通阀的第一输出端全开，空压机输出的压缩空气全部进入储水罐的加热腔；
42.s3：开启燃料电池电堆，启动所述空压机和水泵，根据燃料电池电堆的空气需求量控制所述三通阀的第一输出端和第二输出端的开度，并根据所述水温t和第二温度阈值t2的偏差控制所述尾排三通阀的第一输出端和第二输出端的开度。
43.在一种优选的实施方式下，所述储水罐上设置有临时加热装置以提高加热速度，在此基础上本具体实施方式提供了一种优选的燃料电池喷雾增湿系统的控制方法，如图3所示，该方法具体包括以下步骤：
44.s1’：通过温度传感器采集储水腔的水温t，并将其与第一温度阈值t1对比，若水温t低于第一温度阈值t1，则认为此时喷雾蒸发腔不足以完全气化喷雾，执行步骤s2’；否则，执行步骤s31；
45.s2’：保持燃料电池电堆处于关闭状态，启动所述空压机，使三通阀的第二输出端全开、尾排三通阀的第一输出端全开，空压机输出的压缩空气全部进入储水罐的加热腔以加热储水腔；同时，启动所述临时加热装置辅助加热；
46.通过步骤s2’，储水腔的温度快速升高达到第一温度阈值t1，按照步骤s1’的判断条件开始执行步骤s31：
47.s31：开启燃料电池电堆，启动所述空压机和水泵，根据燃料电池电堆的空气需求量控制所述三通阀的第一输出端和第二输出端的开度，并根据所述水温t和第二温度阈值t2的偏差控制所述尾排三通阀的第一输出端和第二输出端的开度；继续执行步骤s32；
48.在步骤s31下，燃料电池喷雾增湿系统正常工作。为了在保持水温的前提下节约能源消耗，此时继续执行步骤s32：
49.s32：通过温度传感器采集储水腔的水温t，并将其与第三温度阈值t3对比，若水温t高于第三温度阈值t3，则认为仅靠压缩空气的加热效果已经足够，关闭所述临时加热装置；否则，启动所述临时加热装置辅助加热。
50.具体的，前述各个温度阈值根据实际需要标定。优选的，所述第三温度阈值t3不低于所述第一温度阈值t1，不高于第二温度阈值t2。
51.其中，第三温度阈值t3不低于所述第一温度阈值t1，不高于第二温度阈值t2。各个温度阈值的具体数值根据实际需要标定，可以是多个不同的值，也可以是相同的数值。
52.作为例举，第一温度阈值t1、第三温度阈值t3可以都设置为90摄氏度，而第二温度阈值t2可以设置为95摄氏度。在此情况下，按照前述优选的控制方法，该方法采集水温t并与90℃对比(即执行步骤s1’)；在监控到水温t《90℃时保持燃料电池电堆处于关闭状态，启动所述空压机，使三通阀的第二输出端全开、尾排三通阀的第一输出端全开；同时启动临时加热装置加快升温速度(即执行步骤s2’)，直至水温t不低于90℃时开启燃料电池电堆，启
动空压机和水泵，根据燃料电池电堆的空气需求量控制三通阀的第一输出端和第二输出端的开度，并根据所述水温t和95℃时的偏差控制所述尾排三通阀的第一输出端和第二输出端的开度(即执行步骤s31)；在持续监控水温时如发现t》90℃，则关闭所述临时加热装置；否则，由于水温下降影响雾化效果(例如电堆需要空气流量较高，进入储水箱的高温空气流量不足导致水温下降)，则启动临时加热装置辅助加热(即执行步骤s32)。
53.以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

技术特征：
1.一种燃料电池喷雾增湿系统，其特征在于，包括依次设置在燃料电池空气进气管路上的空压机、三通阀、喷雾蒸发腔，以及设置在增湿旁路上的尾排三通阀、储水罐、水泵；所述三通阀的输入端与空压机的输出端连通，所述三通阀的第一输出端与喷雾蒸发腔的输入端连通，第二输出端与所述尾排三通阀的输入端连通；所述储水罐包括外层的加热腔及内层的储水腔，所述尾排三通阀的第一输出端与储水罐的所述加热腔连通，第二输出端与燃料电池的尾排管路连通；储水罐的所述储水腔通过水泵与所述喷雾蒸发腔的液体入口连通，所述储水腔连接有温度传感器。2.根据权利要求1所述的一种燃料电池喷雾增湿系统，其特征在于，所述燃料电池的尾排管路上设置有涡轮，所述涡轮与所述空压机同轴设置。3.根据权利要求2所述的一种燃料电池喷雾增湿系统，其特征在于，所述尾排三通阀的第二输出端与所述涡轮的下游管路连通。4.根据权利要求2所述的一种燃料电池喷雾增湿系统，其特征在于，所述燃料电池的尾排管路上设置有尾排节气门，所述尾排节气门设置在所述涡轮的上游管路上。5.根据权利要求1所述的一种燃料电池喷雾增湿系统，其特征在于，所述燃料电池空气进气管路上设置有空气过滤器及空气流量计，所述空气过滤器、空气流量计设置在所述空压机的上游管路上。6.根据权利要求1所述的一种燃料电池喷雾增湿系统，其特征在于，所述燃料电池空气进气管路上设置有中冷器，所述中冷器的气体入口与所述喷雾蒸发腔的输出端连通。7.一种燃料电池喷雾增湿系统的控制方法，其特征在于，所述燃料电池喷雾增湿系统选自权利要求1-6任一项，所述控制方法包括以下步骤：s1：通过温度传感器采集储水腔的水温t，并将其与第一温度阈值t1对比，若水温t低于第一温度阈值t1，则执行步骤s2，否则，执行步骤s3；s2：保持燃料电池电堆处于关闭状态，启动所述空压机，开启所述三通阀的第二输出端及尾排三通阀的第一输出端，利用空压机输出的压缩空气加热储水腔；s3：开启燃料电池电堆，启动所述空压机和水泵，根据燃料电池电堆的空气需求量控制所述三通阀的第一输出端和第二输出端的开度，并根据所述水温t和第二温度阈值t2的偏差控制所述尾排三通阀的第一输出端和第二输出端的开度。8.一种燃料电池喷雾增湿系统的控制方法，其特征在于，所述燃料电池喷雾增湿系统选自权利要求1-6任一项，所述储水罐上还设置有临时加热装置，所述控制方法包括以下步骤：s1’：通过温度传感器采集储水腔的水温t，并将其与第一温度阈值t1对比，若水温t低于第一温度阈值t1，则执行步骤s2’；否则，执行步骤s31；s2’：保持燃料电池电堆处于关闭状态，启动所述空压机，开启所述三通阀的第二输出端及尾排三通阀的第一输出端，利用空压机输出的压缩空气加热储水腔；同时，启动所述临时加热装置辅助加热；s31：开启燃料电池电堆，启动所述空压机和水泵，根据燃料电池电堆的空气需求量控制所述三通阀的第一输出端和第二输出端的开度，并根据所述水温t和第二温度阈值t2的偏差控制所述尾排三通阀的第一输出端和第二输出端的开度；继续执行步骤s32；s32：通过温度传感器采集储水腔的水温t，并将其与第三温度阈值t3对比，若水温t高
于第三温度阈值t3，关闭所述临时加热装置；否则，启动所述临时加热装置辅助加热。9.根据权利要求8所述的一种燃料电池喷雾增湿系统的控制方法，其特征在于，所述第三温度阈值t3不低于所述第一温度阈值t1，不高于第二温度阈值t2。

技术总结
本发明提供了一种燃料电池喷雾增湿系统及控制方法。该喷雾增湿系统包括依次设置在燃料电池空气进气管路上的空压机、三通阀、喷雾蒸发腔，以及设置在增湿旁路上的尾排三通阀、储水罐、水泵；所述三通阀的输入端与空压机的输出端连通，第一输出端与喷雾蒸发腔的输入端连通，第二输出端与尾排三通阀的输入端连通；储水罐包括外层的加热腔及内层的储水腔，所述尾排三通阀的第一输出端与储水罐的所述加热腔连通，第二输出端与燃料电池的尾排管路连通；储水罐的储水腔通过所述水泵与喷雾蒸发腔的液体入口连通。本发明的喷雾增湿系统利用空压机输出的压缩空气将水温维持在较高水平，确保水在喷雾蒸发过程中充分气化，从而取得良好的空气增湿效果。的空气增湿效果。的空气增湿效果。


技术研发人员：请求不公布姓名 吕腾飞 槐佳 赵兴旺 王鹏 李飞强
受保护的技术使用者：北京亿华通科技股份有限公司
技术研发日：2023.08.09
技术公布日：2023/9/22