用于燃料电池的冷凝增湿器、冷凝增湿组件及控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池系统开发技术领域，尤其是涉及一种用于燃料电池的冷凝增湿器、冷凝增湿组件及控制方法。


背景技术：

2.相关技术中指出，燃料电池系统在高电流密度的发电工况下，压缩空气流量高，电堆阴极产水量增多。且电化学反应区域向氧气浓度高的区域移动，因此阴极中部的水含量过高，过多的水堵塞燃料电池气体扩散层微孔，反应气不能与催化层、质子膜等充分接触，燃料电池发电性能下降，同时还会因为水淹造成的阴极反应气缺气，发生氢泵效应，阴极产生氢氧混合气体，易发生危险。
3.阴极内部空气湿度较大,且有液态水析出，因此阴极中部存在如下的水动态平衡：
[0004][0005]
尾气冷凝会使阴极尾部大量的气态水向液态水转化，那么就会促进阴极中部的液态水转化为气态水，向尾部迁移，大幅度缓解液态水堵塞扩散层微孔，促进阴极排水。
[0006]
针对高电流密度下的水淹问题，目前传统的解决方案集中在如何提升进气温度和空气流速来解决水淹问题，但这样做就导致：
[0007]
(1)提升空气流速，导致空压机负荷过高，徒增能耗
[0008]
(2)提升进气温度，电堆冷却系统控制难度增加，且如果控制不当，会导致质子交换膜等核心零部件产生永久性损伤。


技术实现要素：

[0009]
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明在于提出一种用于燃料电池的冷凝增湿器，所述冷凝增湿器的内部结构简单，且结构紧凑，节省了安装空间。
[0010]
本发明还提出一种用于燃料电池的冷凝增湿组件。
[0011]
本发明还提出一种冷凝增湿组件的控制方法。
[0012]
根据本发明第一方面用于燃料电池的冷凝增湿器,包括：壳体，所述壳体内形成有间隔布置的冷凝腔和增湿腔，所述壳体内形成有连通所述冷凝腔和所述增湿腔的通过口，所述壳体上形成有尾气进口、尾气出口、空气进口和空气出口，所述尾气进口与所述冷凝腔相连通，所述尾气出口、所述空气进口和所述空气出口与所述增湿腔连通；冷凝管，所述冷凝管设在所述冷凝腔内。
[0013]
根据本发明的用于燃料电池的冷凝增湿器，通过设置连通的冷凝腔和增湿腔，简化了用于燃料电池的冷凝增湿器的内部结构，便于装配，方便使用，整体结构更加紧凑，减少了安装空间，冷凝腔内的冷凝水可用于增湿，这样，节省了资源，避免了资源的浪费。
[0014]
在一些实施例中，所述冷凝腔形成于所述增湿腔的顶部，所述通过口形成于所述冷凝腔的底部。
[0015]
在一些实施例中，所述尾气出口和所述空气进口均形成于所述壳体的顶部，所述空气出口形成于所述壳体的下部，且所述空气进口和所述空气出口分别形成于所述壳体的沿长度方向的两端。
[0016]
根据本发明第二方面的用于燃料电池的冷凝增湿组件，包括根据本发明上述第一方面的用于燃料电池的冷凝增湿器，所述冷凝增湿器的所述尾气进口适于与所述燃料电池阴极的尾气排出口相连通，所述冷凝增湿器的所述空气出口适于与所述燃料电池阴极的所述空气入口相连通，所述冷凝增湿器的所述空气进口适于与空气气源相连；冷媒管路，所述冷媒管路与所述冷凝管路相连，所述冷媒管路上串接有用于控制所述冷凝管路通断的控制阀。
[0017]
根据本发明的用于燃料电池的冷凝增湿组件，通过设置上述第一方面实施例的用于燃料电池的冷凝增湿器，从而提高了用于燃料电池的冷凝增湿组件的整体性能，节省了资源，保证了用于燃料电池的冷凝增湿组件的稳定性。
[0018]
进一步地，用于燃料电池的冷凝增湿组件还包括：控制器，所述控制器与所述燃料电池和所述控制阀通讯连接，所述控制器在所述燃料电池达到第一预设条件时启动所述控制阀，所述控制器在所述燃料电池达到第二预设条件时关闭所述控制阀。
[0019]
进一步地，所述第一预设条件包括：所述阴极的尾气温度高于设定温度上阈值。
[0020]
进一步地，所述第二预设条件包括：所述燃料电池的电流密度大于预设电流密度下阈值，和/或所述阴极的尾气温度低于设定温度下阈值。
[0021]
更进一步地，所述阴极的尾气在所述设定温度下阈值时的含湿量大于所述空气入口的进气含湿量，
[0022]
其中，所述设定温度下阈值t满足：
[0023]
lgpw＝-2.1794+2.593
×
10-2
(t-273)-9.1837
×
10-5
(t-273)2+1.4454
×
10-7
(t-273)3，
[0024]
pw＝(w*p)/(0.621945+w)，
[0025]
其中，pw为尾气水蒸气分压，w为进气含湿量，p为尾气压力。
[0026]
更进一步地，所述空气进口位置连接有中冷器，所述中冷器内设有换热管，所述换热管与所述冷凝管并联设置，所述控制阀为三通阀，所述三通阀的第一接口和第二接口分别与所述换热管和所述冷凝管相连。
[0027]
根据本发明第三方面的冷凝增湿组件的控制方法，所述冷凝增湿组件为根据本发明第二方面的用于燃料电池的冷凝增湿组件，所述控制方法包括：在所述燃料电池的电流密度大于预设电流密度上阈值时，开启所述控制阀；在所述燃料电池的阴极的尾气温度低于设定温度下阈值时，关闭所述控制阀。
[0028]
根据本发明的冷凝增湿组件的控制方法，通过将该控制方法应用于上述第二方面的用于燃料电池的冷凝增湿组件，从而提高了冷凝增湿组件的功能性，节约资源。
[0029]
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0030]
图1是根据本发明实施例的用于燃料电池的冷凝增湿器的示意图；
[0031]
图2是图1中所示的上壳体的示意图；
[0032]
图3是图2中所示的上壳体的俯视图的示意图；
[0033]
图4是图2中所示的上壳体的仰视图的示意图；
[0034]
图5是冷凝增湿组件的示意图；
[0035]
图6是冷媒管路的示意图。
[0036]
附图标记：
[0037]
冷凝增湿器100：
[0038]
壳体1，尾气进口11，尾气出口12，空气进口13，空气出口14，冷媒入口15，冷媒出口16，上壳体17，下壳体18，
[0039]
冷凝管2，
[0040]
冷凝腔3，通过口31，
[0041]
增湿腔4，
[0042]
冷凝增湿组件1000，
[0043]
氢气管路200，减压阀201，控氢电磁阀202，氢气喷射器203，引射器204，氢循环泵205，氢水分离器206，排水电磁阀207，
[0044]
空气增湿管路300，空气过滤器301，传感器302，空压机303，
[0045]
中冷器304，冷却液入口3041，冷却液出口3042，旁通阀305，
[0046]
尾气排放管路400，背压阀401，
[0047]
冷媒管路500，输送泵501，主散热器502，其他散热负载503，三通阀504，
[0048]
燃料电池600，阳极601，阴极602，
[0049]
混合排放点700。
具体实施方式
[0050]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0051]
下面参考图1-图6描述根据本发明第一方面实施例的用于燃料电池600的冷凝增湿器100。
[0052]
如图1所示，根据本发明第一方面实施例的用于燃料电池600的冷凝增湿器100，包括：壳体1和冷凝管2。
[0053]
具体地，壳体1内形成有间隔布置的冷凝腔3和增湿腔4，壳体1内形成有连通冷凝腔3和增湿腔4的通过口31，壳体1上形成有尾气进口11、尾气出口12、空气进口13和空气出口14，尾气进口11与冷凝腔3相连通，尾气出口12、空气进口13和空气出口14与增湿腔4连通，冷凝管2设在冷凝腔3内，空气由空气进口13进入，空气出口14排出，尾气由尾气进口11进入，尾气出口12排出。由此，壳体1结构简单，冷凝腔3和增湿腔4的设计巧妙。
[0054]
当使用冷凝增湿器100的时候，空气由空气进口13进入增湿腔4内，空气在增湿腔4内被增湿，增湿后的空气由空气出口14排出，排出的空气进入燃料电池600的阴极602，燃料电池600的阴极602发生氧还原反应，氧还原反应产生的尾气通过尾气进口11进入冷凝腔3内，尾气在冷凝腔3内被冷凝，冷凝后的尾气由尾气出口12排出。
[0055]
根据本发明实施例的用于燃料电池600的冷凝增湿器100，通过设置连通的冷凝腔3和增湿腔4，简化了用于燃料电池600的冷凝增湿器100的内部结构，便于装配，方便使用，整体结构更加紧凑，减少了安装空间，冷凝腔3内的冷凝水可用于增湿，这样，节省了资源，避免了资源的浪费。
[0056]
在本发明的一些实施例中，冷凝腔3形成于增湿腔4的顶部，通过口31形成于冷凝腔3的底部。如图1所示，壳体1包括上壳体17和下壳体18，冷凝腔3形成于上壳体17内，增湿腔4形成于下壳体18内，增湿腔4的顶部形成有冷凝腔3，冷凝腔3的底部形成有通过口31，通过口31连通冷凝腔3和增湿腔4，冷凝腔3的结构简单，冷凝腔3内产生的冷凝水可以通过通过口31进入增湿腔4内，用于对通入增湿腔4内的空气进行增湿，避免了资源的浪费。
[0057]
可选地，通过口31可以形成为矩形、圆形、椭圆形、六边形等等。
[0058]
在本发明的一些实施例中，尾气出口12和空气进口13均形成于壳体1的顶部，空气出口14形成于壳体1的下部，且空气进口13和空气出口14分别形成于壳体1的沿长度方向的两端。如图1所示，壳体1的顶部形成有尾气出口12和空气进口13，且空气进口13形成于壳体1的左端的顶部，壳体1的右端的下部形成有空气出口14，空气由空气进口13进入增湿腔4内，然后增湿的空气由空气出口14排出。由此，冷凝增湿器100的结构紧凑，节省了安装的空间。
[0059]
优选地，空气进口13和空气出口14之间可以采用nafion膜管(全氟磺酸隔膜管)相连通。nafion膜管的化学稳定性和热稳定性好、电压降低、电导率高、机械强度高。
[0060]
在本发明的一些实施例中，冷凝管2在冷凝腔3内迂回延伸。如图2-图4所示，冷凝腔3的顶部形成有冷媒入口15和冷媒出口16，冷凝管2的一端与冷媒入口15相连通，冷凝管2的另一端与冷媒出口16相连通，冷凝管2在冷凝腔3内迂回延伸。由此，冷凝腔3的结构简单，便于制造，且迂回延伸的冷凝管2增加了冷凝的面积，提高了冷凝的效果，优化了冷凝腔3的内部结构。
[0061]
根据本发明第二方面实施例的用于燃料电池的冷凝增湿组件1000，包括根据本发明上述第一方面实施例的冷凝增湿器100，冷凝增湿器100的尾气进口11适于与燃料电池阴极602的尾气排出口相连通，冷凝增湿器100的空气出口14适于与燃料电池阴极602的空气入口相连通，冷凝增湿器100的空气进口13适于与空气气源相连，冷媒管路500与冷凝管路相连，冷媒管路500上串接有用于控制冷凝管路通断的控制阀。解决了燃料电池600的水淹问题，保护了核心零部件，减少了空压机303的功耗。
[0062]
根据本发明的用于燃料电池600的冷凝增湿组件1000，通过设置上述第一方面实施例的用于燃料电池的冷凝增湿器100，从而提高了用于燃料电池600的冷凝增湿组件1000的整体性能，节省了资源，保证了用于燃料电池的冷凝增湿组件1000的稳定性。。
[0063]
参照图5所示，燃料电池600包括阴极602，阴极602具有空气入口和尾气排出口，冷凝增湿器100的尾气进口11与燃料电池600阴极602的尾气排出口相连通，冷凝增湿器100的空气出口14与燃料电池600阴极602的空气入口相连通，冷凝增湿器100的空气进口13适于与空气气源相连，冷媒管路500与冷凝管2路相连，冷媒管路500上串接有用于控制冷凝管路500的控制阀。
[0064]
当用于燃料电池的冷凝增湿组件1000工作时，空压机303将空气通入冷凝增湿器100的增湿腔4内，空气在增湿腔4内被增湿，然后空气从冷凝增湿器100的空气出口14通过
燃料电池600阴极602的空气入口进入燃料电池600的阴极602，燃料电池600的阴极602发生电化学还原反应，未反应的空气和反应生成气通过阴极602的尾气排出口排出进入冷凝增湿器100的冷凝腔3内，输送泵501向冷凝管2路泵送冷媒，冷媒由冷媒入口15进入冷凝管2，然后由冷媒出口16排出，用于对冷凝腔3内的尾气降温冷却。由此，冷凝增湿组件1000组成简洁，不易发生故障，便于使用，且生产成本低。
[0065]
可选地，冷媒可以使用冷却液，流动性好，吸热快，吸热效果好。
[0066]
在本发明的一些实施例中，用于燃料电池的冷凝增湿组件1000还包括：控制器，控制器与燃料电池600和控制阀通讯连接，控制器在燃料电池600达到第一预设条件时启动控制阀，控制器在燃料电池600达到第二预设条件时关闭控制阀。也就是说，控制器用于控制控制阀，控制器通过燃料电池600的电流密度判断和启停控制阀，当燃料电池600符合第一预设条件时，控制器启动控制阀，当燃料电池600符合第二预设条件时，控制器关闭控制阀。由此，冷凝增湿组件1000可以通过控制器控制控制阀的启停，在必要时输送冷媒对尾气和空气进行降温冷凝，促进燃料电池600阴极排水。
[0067]
在一些实施例中，第一预设条件包括：燃料电池600的电流密度大于预设电流密度上阈值。当达到第一预设条件时，控制器启动控制阀，冷媒进入冷凝腔3中的冷凝管2。由此，冷凝增湿组件1000组成简单，便于使用。
[0068]
具体地，采用普通电堆台架测试，称为a测试，得到的极化曲线为a曲线；在普通电堆测试台架排气端增设冷却风扇组及换热器，在冷却风扇组工作的条件下测试，称为b测试，测得的极化曲线b曲线；a曲线与b曲线对比，取a与b的分界点(a与b曲线在低、中电流密度发电工况下会重合，在高电流密度下会分开)，由此可测得第一预设条件。
[0069]
这里需要说明的是，极化曲线为本领技术人员所知的。
[0070]
在一些实施例中，第二预设条件包括：燃料电池600的阴极602的尾气温度低于设定温度下阈值。当达到第二预设条件时，控制器关闭控制阀，冷凝管2中的冷媒停止流动。由此，冷凝增湿组件1000的控制器的预设条件合理，冷凝增湿组件1000的组成简洁，使用方便。
[0071]
进一步地，阴极602的尾气在设定温度下阈值时的含湿量大于空气入口的进气含湿量。
[0072]
在本发明的一些实施例中，设定温度下阈值t满足：
[0073]
lgpw＝-2.1794+2.593
×
10-2
(t-273)-9.1837
×
10-5
(t-273)2+1.4454
×
10-7
(t-273)3，
[0074]
pw＝(w*p)/(0.621945+w)，
[0075]
其中，pw为尾气水蒸气分压，w为进气含湿量，p为尾气压力。
[0076]
具体地，利用电堆台架测试标定的进气相对湿度，温度、压力相关曲线。根据下式：
[0077][0078]
计算得进气水蒸气饱和压力pws，再通过计算进气水蒸气分压，其中，为进气相对湿度，pw为尾气水蒸气分压，然后通过得到进气含湿量，其中w为进气含湿量，p为尾气压力。
[0079]
尾气相对湿度为100％，尾气含湿量大于等于进气含湿量，根据下式：
[0080]
pw＝(w*p)/(0.621945+w)，
[0081]
得到pw，其中，pw为尾气水蒸气分压，w为进气含湿量，p为尾气压力。
[0082]
再根据下式：
[0083]
lgpw＝-2.1794+2.593
×
10-2
(t-273)-9.1837
×
10-5
(t-273)2+1.4454
×
10-7
(t-273)3，
[0084]
得到设定温度下阈值t。
[0085]
在本发明的一些实施例中，空气进口13位置连接有中冷器304，中冷器304内设有换热管，换热管与冷凝管2并联设置，这样，不需要单独开发冷却回路，节省了冷凝增湿器100的内部空间，降低了冷凝增湿器100对安装空间的要求，缩小了冷凝增湿器100的安装体积，节约了生产成本。
[0086]
可选地，控制阀为三通阀504，三通阀504的第一接口和第二接口分别与换热管和冷凝管2相连。这样，便于三通阀504的控制，简化了冷媒管路500的连接方式。
[0087]
根据本发明第三方面实施例的冷凝增湿组件1000的控制方法，所述冷凝增湿组件1000为本发明第二方面实施例的用于燃料电池600的冷凝增湿组件1000，控制方法包括：在燃料电池600的电流密度大于预设电流密度上阈值时，开启控制阀；在燃料电池600的阴极602的尾气温度低于设定温度下阈值时，关闭控制阀。
[0088]
根据本发明实施例的冷凝增湿组件1000的控制方法，通过将该控制方法应用于上述第二方面的用于燃料电池的冷凝增湿组件1000，从而提高了冷凝增湿组件1000的功能性，节约资源。
[0089]
下面将参考图1-图6描述根据本发明一个具体实施例的用于燃料电池600的冷凝增湿组件1000。
[0090]
参照图5所示，用于燃料电池600的冷凝增湿组件1000包括控制器、氢气管路200、空气进气管路300、尾气冷凝管路、尾气排放管路400、冷媒管路500、冷凝增湿器100和燃料电池600，氢气管路200与燃料电池600的阳极601相连，空气增湿管路300与冷凝增湿器100的空气进口13相连，尾气冷凝管路分别与空气出口14和尾气进口11相连，尾气排放管路400与尾气出口12相连。
[0091]
具体地，氢气管路200上设置有：减压阀201、控氢电磁阀202、氢气喷射器203、引射器204和氢循环泵205，由于燃料电池600的阴极水迁移使燃料电池600的阳极601内含水，氢气管路200上还设有氢水分离器206用于分离水和未反应的氢气，氢气进入氢循环泵205再次使用，水通过排水电磁阀207输送至混合排放点700。空气进气管路300包括：空气过滤器301、传感器302、空压机303、中冷器304和旁通阀305，多余的空气通过旁通阀305流动至混合排放点700，中冷器304包括：冷却液入口3041和冷却液出口3042，冷却液入口3041和冷却液出口3042均与输送泵501相连。
[0092]
尾气冷凝管路则是增湿后的空气进入燃料电池600的阴极602发生还原反应，还原反应产生的的尾气通过尾气冷凝管2路进入冷凝增湿器100的冷凝腔3内，然后进入尾气排放管路400，尾气排放管路400包括节气门或者背压阀401，可以用于保持尾气排放管路400内有一恒定的压力，便于尾气排放至混合排放点700。冷媒管路500包括输送泵501、主散热器502、其他散热负载503和三通阀504。燃料电池600具有阳极601和阴极602，阳极601通入
氢气发生氧化反应，阴极602通入空气发生还原反应。
[0093]
冷凝增湿器100具有壳体1和冷凝管2，冷凝腔3和增湿腔4均形成于壳体1内，且冷凝腔3和增湿腔4之间通过通过口31相连通，冷凝腔3的顶部形成有冷媒入口15、冷媒出口16和尾气进口11，壳体1的顶部形成有尾气出口12，壳体1左端的顶部形成有空气进口13，壳体1右端的底部形成有空气出口14，空气进口13和空气出口14之间通过nafion膜管相连通，冷凝增湿器100的结构简单，便于装配。
[0094]
当用于燃料电池的冷凝增湿组件1000工作时，向空气增湿管路300内通入空气，空气经过空气过滤器301、空压机303和中冷器304进入冷凝增湿器100的增湿腔4内，然后进入燃料电池600的阴极602，同时，向氢气管路200内通入氢气，氢气经过减压阀201、控氢电磁阀202、氢气喷射器203和引射器204进入燃料电池600的阳极601，此时，燃料电池600内发生氧化还原反应，氧化还原反应会产生水和尾气。
[0095]
阴极602产生的尾气通入冷凝腔3内，若燃料电池600处于高电流发电工况，会产生大量的水和高温尾气，当燃料电池600的电流密度大于预设电流密度上阈值时，控制器开启三通阀504，冷媒进入冷凝腔3中的冷凝管2，高温尾气在冷凝腔3内降温冷却，高温尾气内的水蒸汽遇冷凝结为冷凝水，由于冷凝腔3与增湿腔4相连通，冷凝水从冷凝腔3进入增湿腔4内，当不需要冷凝时，高温的尾气将冷凝水转化为水蒸汽，可以用于空气的增湿，从而实现冷凝水的回收利用。
[0096]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0097]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0098]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0099]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0100]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不
脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。