一种用于燃料电池的空侧喷雾增湿系统的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于燃料电池的空侧喷雾增湿系统。


背景技术：

2.在燃料电池运行过程中，氢气和空气进入电池后会发生氧化还原反应，产生电流和水。如果电解质膜过于干燥，就会影响电解质膜对水分子的通透性，导致氢气和空气在电解质膜上堆积，使得反应速率下降，影响燃料电池的电化学性能。为了保持电解质膜的通透性和反应速率，在燃料电池运行中需要增加一定的湿度，提高水分子在电解质膜中的扩散速率，并保持电解质膜的透气性。
3.目前，燃料电池业界大多采用膜管增湿器来对进入电堆前的空气进行外部增湿。然而，膜管增湿器的体积较大、成本较高，且随使用时间的增加，膜管增湿器的加湿性会出现劣化。由于膜管增湿器是一种被动增湿的装置，难以实现对增湿量的精确控制。
4.喷雾增湿装置作为膜管增湿器的替代方式，现有现有的喷雾增湿装置存在空气经喷雾增湿及中冷器后温度下降明显，出现液态水或者入堆湿度偏离目标值的情况，不利于电堆的性能及耐久性。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种用于燃料电池的空侧喷雾增湿系统，用以解决现有技术喷雾增湿后易出现液态水或者入堆湿度偏离目标的问题。
6.一方面，本发明实施例提供了一种用于燃料电池的空侧喷雾增湿系统，包括流量调节阀、中冷器、喷雾增湿腔、膨胀机、尾排节气门、分水件、恒温储水罐、水泵、控制器；其中，
7.电堆的空气进口依次经中冷器的支路一、喷雾增湿腔接膨胀机的压轮腔出口，其空气尾气出口依次经尾排节气门、膨胀机的涡轮腔、分水件、恒温储水罐、水泵接喷雾增湿腔内雾化喷头的供水端；中冷器的支路二进口处安装有流量调节阀；
8.控制器，用于在燃料电池处于运行状态时，根据燃料电池的目标工况点控制水泵转速，实现喷雾量的控制；以及，根据燃料电池的目标工况点确定流量调节阀的前馈，对中冷器流量调节阀执行包含该前馈的pi控制，以使目标工况点改变前后入堆空气温度始终处于目标温度。
9.上述技术方案的有益效果如下：提供了一种集成可控流量中冷器及喷雾增湿的燃料电池空侧系统。在燃料电池的中冷器冷却管路中集成了流量调节阀，实现中冷器换热量可调功能，解决了空气在喷雾增湿后出现入堆空气温度过低出现液态水或者入堆湿度偏离目标的问题，实现喷雾增湿系统入堆温度和入堆湿度的闭环控制，有助于解决由膜干导致的燃料电池性能降低及寿命衰减问题。
10.基于上述系统的进一步改进，恒温储水罐配备有第一液位传感器和第一排水阀；
并且，
11.第一液位传感器布设于恒温储水罐内，用于获取恒温储水罐内液位高度；第一排水阀安装于恒温储水罐底部；
12.控制器，还用于在接收到燃料电池的关机指令后，开启第一排水阀进行排水，直到根据第一液位传感器数据识别恒温储水罐内液态水排空后，关闭第一排水阀。
13.进一步，该用于燃料电池的空侧喷雾增湿系统还包括：
14.空气过滤器，设于膨胀机的空气进口前端；
15.流量计，设于空气过滤器、膨胀机之间，用于获取进入膨胀机压轮腔的气体流量。
16.进一步，该用于燃料电池的空侧喷雾增湿系统还包括气体温度传感器；其中，
17.气体温度传感器，设于中冷器的支路一出口端管道内壁上，用于获取入堆空气的实际温度，发送至控制器；
18.中冷器的支路二设于燃料电池的冷却液外循环支路上。
19.进一步，控制器执行如下程序完成入堆空气温度调节功能：
20.识别燃料电池是否处于运行状态，如果是，执行下一步，否则，继续下一设定时刻的识别；
21.识别恒温储水罐内液位高度是否达到设定值，如果是，直接执行下一步，否则，先对恒温储水罐进行补水，直到其液位高度达到设定值再执行下一步；
22.根据燃料电池的目标工况点控制水泵转速，实现喷雾量的控制；其中，所述目标工况点包括目标功率、目标电流、目标电压中的一个；
23.根据燃料电池的目标工况点确定流量调节阀的前馈；
24.对中冷器流量调节阀执行包含该前馈的pi控制，以使目标工况点改变前后入堆空气温度始终处于目标温度。
25.进一步，喷雾增湿腔配备有第二液位传感器和第二排水阀；并且，
26.喷雾增湿腔的空气出口处设有缩径处理的截流口，该截流口的尺寸使得液态水在该截流口处发生碰壁并在重力的作用下集中于喷雾增湿腔的底部并通过第二排水阀排出；
27.第二液位传感器布设于喷雾增湿腔内，用于获取喷雾增湿腔内液位高度；第二排水阀安装于喷雾增湿腔的底部。
28.进一步，增湿控制器，还用于在燃料电池处于运行状态时，定时监测第二液位传感器数据是否超过设定液位，如果是，开启第二排水阀，使得增湿过程中喷雾增湿腔内始终处于设定液位；以及，在接收到燃料电池的关机指令后，开启第二排水阀，以将喷雾增湿腔内液态水排空。
29.进一步，喷雾增湿腔还配备有导流翅片；其中，
30.导流翅片安装于喷雾增湿腔内部，且位于雾化喷嘴的下方。
31.进一步，导流翅片也是电热翅片，用于通电后为喷雾增湿腔内部内液态水提供额外的气化能量。
32.进一步，冬季使用时，控制器执行如下程序以完成入堆空气温湿度调控功能：
33.对恒温储水罐进行注水；
34.在接收到燃料电池的启动指令后，先启动恒温储水罐内的电加热装置，使得储水罐内的水处于恒温状态；
35.启动水泵、喷雾增湿腔中的雾化喷头，并关闭流量调节阀；
36.监测到喷雾增湿腔内第二液位传感器数据达到设定水位后，向燃料电池控制器发出启动燃料电池氢侧支路的指令，并启动膨胀机、尾排节气门、第二排水阀，使得喷雾增湿腔内始终处于设定液位，直到燃料电池启动成功，启动流量调节阀；
37.在燃料电池处于运行状态时，根据燃料电池的目标工况点控制水泵转速，实现喷雾量的控制；
38.根据燃料电池的目标工况点确定流量调节阀的前馈；
39.对中冷器流量调节阀执行包含该前馈的pi控制，以使目标工况点改变前后入堆空气温度始终处于目标温度；
40.接收到燃料电池发出的关闭指令后，先关闭膨胀机、喷雾增湿腔内雾化喷头，启动第一排水阀、第二排水阀排水；
41.根据第二液位传感器识别喷雾增湿腔内液态水排尽后，关闭第二排水阀；
42.根据第一液位传感器数据识别恒温储水罐液态水排尽后，关闭第一排水阀；
43.关闭水泵、尾排节气门、流量调节阀。
44.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
45.1、相比现有的中冷器温度调节方案，上述方案可有效地解决喷雾增湿经中冷后出现的空气入堆温度和湿度偏离目标的问题，并有效阻止大液滴进入电堆，提高了燃料电池的性能和寿命。
46.2、通过主动、闭环的增湿控制技术，有效解决了膜干导致的燃料电池性能降低和寿命衰减问题。
47.3、冬季使用时，可有效地保证燃料电池的工作性能。
48.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。
附图说明
49.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。
50.图1示出了实施例1空气加热装置组成示意图；
51.图2示出了实施例2空气加热装置组成示意图。
具体实施方式
52.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。
53.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。
54.实施例1
55.本发明的一个实施例，公开了一种用于燃料电池的空侧喷雾增湿系统，如图1所示，包括流量调节阀、中冷器、喷雾增湿腔、膨胀机、尾排节气门、分水件、恒温储水罐、水泵、控制器。
56.电堆的空气进口依次经中冷器的支路一、喷雾增湿腔接膨胀机的压轮腔出口，其空气尾气出口依次经尾排节气门、膨胀机的涡轮腔、分水件、恒温储水罐、水泵接喷雾增湿腔内雾化喷头的供水端。中冷器的支路二进口处安装有流量调节阀，用于输入设定温度的防冻液或者燃料电池冷却液。
57.控制器，用于在燃料电池处于运行状态时，根据燃料电池的目标工况点控制水泵转速(通过查阅燃料电池工作手册或采用现有技术进行控制，例如申请号n202211360342.5、202010941770.1等的中国专利)，实现喷雾量的控制；以及，根据燃料电池的目标工况点确定流量调节阀的前馈(通过实验室标定获得)，对中冷器流量调节阀执行包含该前馈的pi控制(示例性地，包含前馈的pi控制参见申请号202010911404.1的中国专利)，以使目标工况点改变前后入堆空气温度始终处于目标温度。
58.需说明的是，包含前馈的pi控制的输入为入堆空气的实际温度、目标温度，其输出为流量调节阀的开度，控制器根据该输出控制流量调节阀的状态。
59.实施时，该系统集成了可控流量中冷器与喷雾增湿装置。主要是一种与中冷器、喷雾增湿相关的空气子系统或电气系统。其中，中冷器冷却管路增加流量调节阀，喷雾增湿装置主要包括雾化喷头、水泵、恒温储水箱等，恒温储水箱的水主要来自于电堆尾排水。
60.与现有技术相比，本实施例提供了一种集成可控流量中冷器及喷雾增湿的燃料电池空侧系统。在燃料电池的中冷器冷却管路中集成了流量调节阀，实现中冷器换热量可调功能，解决了空气在喷雾增湿后出现入堆空气温度过低出现液态水或者入堆湿度偏离目标的问题，实现喷雾增湿系统入堆温度和入堆湿度的闭环控制，有助于解决由膜干导致的燃料电池性能降低及寿命衰减问题。
61.实施例2
62.在实施例1的基础上进行改进，恒温储水罐配备有第一液位传感器和第一排水阀。
63.第一液位传感器布设于恒温储水罐内，用于获取恒温储水罐内液位高度；第一排水阀安装于恒温储水罐底部，如图2所示。
64.控制器，还用于在接收到燃料电池的关机指令后，开启第一排水阀进行排水，直到根据第一液位传感器数据识别恒温储水罐内液态水排空后，关闭第一排水阀。
65.优选地，该用于燃料电池的空侧喷雾增湿系统还包括空气过滤器、流量计。
66.空气过滤器，设于膨胀机的空气进口前端，用于过滤空气中的灰尘、杂质以及细菌。
67.流量计，设于空气过滤器、膨胀机之间，用于获取进入膨胀机压轮腔的气体流量。
68.优选地，该用于燃料电池的空侧喷雾增湿系统还包括气体温度传感器。其中，该气体温度传感器，设于中冷器的支路一出口端管道内壁上，用于获取入堆空气的实际温度，发
送至控制器。
69.中冷器的支路二设于燃料电池的冷却液外循环支路上。
70.优选地，控制器执行如下程序完成入堆空气温度调节功能：
71.s1.识别燃料电池是否处于运行状态，如果是，执行下一步，否则，继续下一设定时刻的识别；
72.s2.识别恒温储水罐内液位高度是否达到设定值，如果是，直接执行下一步，否则，先对恒温储水罐进行补水，直到其液位高度达到设定值再执行下一步；
73.s3.根据燃料电池的目标工况点控制水泵转速，实现喷雾量的控制；其中，所述目标工况点包括目标功率、目标电流、目标电压中的一个，可通过查燃料电池工作表或进行实验室标定获得；
74.s4.根据燃料电池的目标工况点确定流量调节阀的前馈；
75.s5.对中冷器流量调节阀执行包含该前馈的pi控制，以使目标工况点改变前后入堆空气温度始终处于目标温度。
76.优选地，喷雾增湿腔配备有第二液位传感器和第二排水阀。并且，喷雾增湿腔的空气出口处设有缩径处理的截流口，该截流口的尺寸使得液态水在该截流口处发生碰壁并在重力的作用下集中于喷雾增湿腔的底部并通过第二排水阀排出。
77.第二液位传感器布设于喷雾增湿腔内，用于获取喷雾增湿腔内液位高度。第二排水阀安装于喷雾增湿腔的底部。
78.优选地，增湿控制器，还用于在燃料电池处于运行状态时，定时监测第二液位传感器数据是否超过设定液位，如果是，开启第二排水阀，使得增湿过程中喷雾增湿腔内始终处于设定液位；以及，在接收到燃料电池的关机指令后，开启第二排水阀，以将喷雾增湿腔内液态水排空。
79.优选地，喷雾增湿腔还配备有导流翅片。其中，导流翅片安装于喷雾增湿腔内部，且位于雾化喷嘴的下方。
80.优选地，导流翅片也是电热翅片，用于通电后为喷雾增湿腔内部内液态水提供额外的气化能量。
81.优选地，冬季使用时，控制器执行如下程序以完成燃料电池启动过程中的入堆空气温湿度调控功能：
82.s1’.对恒温储水罐进行注水；
83.s2’.在接收到燃料电池的启动指令后，先启动恒温储水罐内的电加热装置，使得储水罐内的水处于恒温状态；
84.s3’.启动水泵、喷雾增湿腔中的雾化喷头，并关闭流量调节阀；
85.s4’.监测到喷雾增湿腔内第二液位传感器数据达到设定水位后，向燃料电池控制器发出启动燃料电池氢侧支路的指令，并启动膨胀机、尾排节气门、第二排水阀，使得喷雾增湿腔内始终处于设定液位，直到燃料电池启动成功，启动流量调节阀；
86.s5’.在燃料电池处于运行状态时，根据燃料电池的目标工况点控制水泵转速，实现喷雾量的控制；
87.s6’.根据燃料电池的目标工况点确定流量调节阀的前馈；
88.s7’.对中冷器流量调节阀执行包含该前馈的pi控制，以使目标工况点改变前后入
堆空气温度始终处于目标温度；
89.s8’.接收到燃料电池发出的关闭指令后，先关闭膨胀机、喷雾增湿腔内雾化喷头，启动第一排水阀、第二排水阀排水；
90.s9’.根据第二液位传感器识别喷雾增湿腔内液态水排尽后，关闭第二排水阀；
91.s10’.根据第一液位传感器数据识别恒温储水罐液态水排尽后，关闭第一排水阀；
92.s11’.关闭水泵、尾排节气门、流量调节阀。
93.与现有技术相比，本实施例提供的用于燃料电池的空侧喷雾增湿系统具有如下有益效果：
94.1、相比现有的中冷器温度调节方案，上述方案可有效地解决喷雾增湿经中冷后出现的空气入堆温度和湿度偏离目标的问题，并有效阻止大液滴进入电堆，提高了燃料电池的性能和寿命。
95.2、通过主动、闭环的增湿控制技术，有效解决了膜干导致的燃料电池性能降低和寿命衰减问题。
96.3、冬季使用时，可有效地保证燃料电池的工作性能。
97.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：
1.一种用于燃料电池的空侧喷雾增湿系统，其特征在于，包括流量调节阀、中冷器、喷雾增湿腔、膨胀机、尾排节气门、分水件、恒温储水罐、水泵、控制器；其中，电堆的空气进口依次经中冷器的支路一、喷雾增湿腔接膨胀机的压轮腔出口，其空气尾气出口依次经尾排节气门、膨胀机的涡轮腔、分水件、恒温储水罐、水泵接喷雾增湿腔内雾化喷头的供水端；中冷器的支路二进口处安装有流量调节阀；控制器，用于在燃料电池处于运行状态时，根据燃料电池的目标工况点控制水泵转速，实现喷雾量的控制；以及，根据燃料电池的目标工况点确定流量调节阀的前馈，对中冷器流量调节阀执行包含该前馈的pi控制，以使目标工况点改变前后入堆空气温度始终处于目标温度。2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的空侧喷雾增湿系统，其特征在于，恒温储水罐配备有第一液位传感器和第一排水阀；并且，第一液位传感器布设于恒温储水罐内，用于获取恒温储水罐内液位高度；第一排水阀安装于恒温储水罐底部；控制器，还用于在接收到燃料电池的关机指令后，开启第一排水阀进行排水，直到根据第一液位传感器数据识别恒温储水罐内液态水排空后，关闭第一排水阀。3.根据权利要求1或2所述的用于燃料电池的空侧喷雾增湿系统，其特征在于，还包括：空气过滤器，设于膨胀机的空气进口前端；流量计，设于空气过滤器、膨胀机之间，用于获取进入膨胀机压轮腔的气体流量。4.根据权利要求3所述的用于燃料电池的空侧喷雾增湿系统，其特征在于，还包括气体温度传感器；其中，气体温度传感器，设于中冷器的支路一出口端管道内壁上，用于获取入堆空气的实际温度，发送至控制器；中冷器的支路二设于燃料电池的冷却液外循环支路上。5.根据权利要求4所述的用于燃料电池的空侧喷雾增湿系统，其特征在于，控制器执行如下程序完成入堆空气温度调节功能：识别燃料电池是否处于运行状态，如果是，执行下一步，否则，继续下一设定时刻的识别；识别恒温储水罐内液位高度是否达到设定值，如果是，直接执行下一步，否则，先对恒温储水罐进行补水，直到其液位高度达到设定值再执行下一步；根据燃料电池的目标工况点控制水泵转速，实现喷雾量的控制；其中，所述目标工况点包括目标功率、目标电流、目标电压中的一个；根据燃料电池的目标工况点确定流量调节阀的前馈；对中冷器流量调节阀执行包含该前馈的pi控制，以使目标工况点改变前后入堆空气温度始终处于目标温度。6.根据权利要求5所述的用于燃料电池的空侧喷雾增湿系统，其特征在于，喷雾增湿腔配备有第二液位传感器和第二排水阀；并且，喷雾增湿腔的空气出口处设有缩径处理的截流口，该截流口的尺寸使得液态水在该截流口处发生碰壁并在重力的作用下集中于喷雾增湿腔的底部并通过第二排水阀排出；第二液位传感器布设于喷雾增湿腔内，用于获取喷雾增湿腔内液位高度；第二排水阀
安装于喷雾增湿腔的底部。7.根据权利要求6所述的用于燃料电池的空侧喷雾增湿系统，其特征在于，增湿控制器，还用于在燃料电池处于运行状态时，定时监测第二液位传感器数据是否超过设定液位，如果是，开启第二排水阀，使得增湿过程中喷雾增湿腔内始终处于设定液位；以及，在接收到燃料电池的关机指令后，开启第二排水阀，以将喷雾增湿腔内液态水排空。8.根据权利要求4-7任一项所述的用于燃料电池的空侧喷雾增湿系统，其特征在于，喷雾增湿腔还配备有导流翅片；其中，导流翅片安装于喷雾增湿腔内部，且位于雾化喷嘴的下方。9.根据权利要求8所述的用于燃料电池的空侧喷雾增湿系统，其特征在于，导流翅片也是电热翅片，用于通电后为喷雾增湿腔内部内液态水提供额外的气化能量。10.根据权利要求7所述的用于燃料电池的空侧喷雾增湿系统，其特征在于，冬季使用时，控制器执行如下程序以完成入堆空气温湿度调控功能：对恒温储水罐进行注水；在接收到燃料电池的启动指令后，先启动恒温储水罐内的电加热装置，使得储水罐内的水处于恒温状态；启动水泵、喷雾增湿腔中的雾化喷头，并关闭流量调节阀；监测到喷雾增湿腔内第二液位传感器数据达到设定水位后，向燃料电池控制器发出启动燃料电池氢侧支路的指令，并启动膨胀机、尾排节气门、第二排水阀，使得喷雾增湿腔内始终处于设定液位，直到燃料电池启动成功，启动流量调节阀；在燃料电池处于运行状态时，根据燃料电池的目标工况点控制水泵转速，实现喷雾量的控制；根据燃料电池的目标工况点确定流量调节阀的前馈；对中冷器流量调节阀执行包含该前馈的pi控制，以使目标工况点改变前后入堆空气温度始终处于目标温度；接收到燃料电池发出的关闭指令后，先关闭膨胀机、喷雾增湿腔内雾化喷头，启动第一排水阀、第二排水阀排水；根据第二液位传感器识别喷雾增湿腔内液态水排尽后，关闭第二排水阀；根据第一液位传感器数据识别恒温储水罐液态水排尽后，关闭第一排水阀；关闭水泵、尾排节气门、流量调节阀。

技术总结
本发明提供了一种用于燃料电池的空侧喷雾增湿系统，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术喷雾增湿后易出现液态水或者入堆湿度偏离目标的问题。该系统包括流量调节阀、中冷器、喷雾增湿腔、膨胀机、尾排节气门、分水件、恒温储水罐、水泵、控制器。电堆的空气进口依次经中冷器的支路一、喷雾增湿腔接膨胀机的压轮腔，其空气尾气出口依次经尾排节气门、膨胀机的涡轮腔、分水件、恒温储水罐、水泵接喷雾增湿腔内雾化喷头。中冷器的支路二进口设有流量调节阀。控制器，用于在燃料电池运行状态时，根据燃料电池的目标工况点控制水泵转速，并确定流量调节阀的前馈，对中冷器流量调节阀执行包含该前馈的PI控制，以保证入堆空气温度始终处于设定范围。设定范围。设定范围。


技术研发人员：槐佳 方川 赵兴旺 王鹏 司宗正 渠海洋
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：2023.06.30
技术公布日：2023/10/6