燃料电池湿度控制系统的制作方法

本发明涉及燃料电池领域的技术方案，特别涉及一种燃料电池湿度控制系统。

背景技术：

燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置，具有功率密度高、能量转换效率高、工作过程安静等诸多优点受到了广泛关注，并在一定范围内取得了成功应用。

质子交换膜燃料电池由于在低温下具有良好的工作性能，是目前的开发热点，受到国内外广泛关注，要保证其性能、工作稳定性、可靠性与寿命，内部需要维持特定的温度、湿度环境；常规燃料电池主要通过反应气体外增湿来满足电极湿度需求，但增湿系统增加了系统复杂程度，提高了成本，降低了可靠性，且湿度是不可控的，可控湿度其辅助系统极为复杂，且体积庞大、功耗高，对使用环境要求苛刻，例如鼓泡增湿，无法集成在车用动力、电源等应用场景环境恶劣。

目前为了解决此类问题，行业主要采取膜增湿的方法进行外增湿，但增湿的效果是相对固定，湿度无法调节，在燃料电池发电系统在一些恶劣环境下使用，会因湿度的问题出现故障，总而降低了整个燃料电池堆的应用范围、可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种燃料电池湿度控制系统，以解决现有燃料电池进行湿度调节困难的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种燃料电池湿度控制系统，包括供空装置、膜增湿器、湿度传感器、燃料电池、第一排气歧管、第一调节阀和第二调节阀；所述供空装置的出气端与所述膜增湿器的干区进气端连接导通，所述膜增湿器的干区出气端与所述燃料电池的进气端连接导通，所述湿度传感器设于所述膜增湿器干区出气端与所述燃料电池进气端连接的通路上，所述湿度传感器用于监测送进所述燃料电池的空气湿度；所述燃料电池的出气端与所述第一排气歧管的汇集端连接导通，所述第一排气歧管的一个分流端与所述膜增湿器的湿区进气端连接导通，所述膜增湿器的湿区出气端与所述第一调节阀的进气端连接导通，所述第一排气歧管的另一个分流端与所述第二调节阀的进气端连接导通，所述第一调节阀的出气端与所述第二调节阀的出气端连接汇集输出；所述燃料电池湿度控制系统用于根据所述湿度传感器的监测结果，调节所述第一调节阀和所述第二调节阀的开度，以控制送进所述燃料电池的空气湿度维持于限定范围内。

其中，所述燃料电池湿度控制系统还包括有质量流量监测机构，所述质量流量监测机构用于监测进入所述膜增湿器干区的空气质量流量、以及所述第一排气歧管两个分流端输出的空气质量流量，所述燃料电池湿度控制系统用于根据所述质量流量监测机构的监测结果，调节所述第一调节阀和所述第二调节阀的开度，以控制送进所述燃料电池的空气流量和经所述燃料电池排出的空气流量维持于限定范围内。

其中，所述质量流量监测机构包括第一质量流量传感器和第二质量流量传感器，所述第一质量流量传感器设于所述供空装置出气端与所述膜增湿器干区进气端连接的通路上，所述第二质量流量传感器设于所述第一排气歧管分流端与所述第二调节阀连接的通路上。

其中，所述燃料电池湿度控制系统还用于根据所述质量流量监测机构的监测结果，调节所述供空装置的转速，以控制送进所述燃料电池的空气流量和经所述燃料电池排出的空气流量维持于限定范围内。

其中，所述燃料电池湿度控制系统还包括有压力监测机构，所述压力监测机构用于监测所述膜增湿器干区输出空气的压力、以及所述第一排气歧管两个分流端输出空气的压力，所述燃料电池湿度控制系统用于根据所述压力监测机构的监测结果，调节所述第一调节阀和所述第二调节阀的开度，以控制送进所述燃料电池的空气压力和经所述燃料电池排出的空气压力维持于限定范围内。

其中，所述压力监测机构包括第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器；所述第一压力传感器设于所述膜增湿器干区出气端与所述燃料电池进气端连接的通路上；所述第二压力传感器设于所述第一排气歧管分流端与所述膜增湿器湿区进气端连接的通路上；所述第三压力传感器设于所述第一排气歧管分流端与所述第二调节阀连接的通路上。

其中，所述燃料电池湿度控制系统还用于根据所述压力监测机构的监测结果，调节所述供空装置的转速，以控制送进所述燃料电池的空气压力和经所述燃料电池排出的空气压力维持于限定范围内。

其中，所述燃料电池湿度控制系统还包括有第二排气歧管和第三调节阀，所述第二排气歧管的汇集端与所述供空装置的出气端连接导通，所述第二排气歧管的一个分流端与所述膜增湿器的干区进气端连接导通，所述第二排气歧管的另一个分流端与所述第三调节阀的进气端连接导通，所述第一调节阀的出气端、所述第二调节阀的出气端、以及所述第三调节阀的出气端连接汇集输出。

其中，所述燃料电池湿度控制系统还包括有温度监测机构，所述温度监测机构用于监测进入所述燃料电池的空气温度、以及所述燃料电池排出的空气温度，所述供空装置根据所述温度监测机构的监测结果调节输入空气的温度维持于限定范围内。

其中，所述温度监测机构包括第一温度传感器和第二温度传感器；所述第一温度传感器设于所述供空装置出气端与所述膜增湿器干区进气端连接的通路上；所述第二温度传感器设于所述燃料电池出气端与所述第一排气歧管汇集端连接的通路上。

本发明的有益效果如下：

由于本发明设有膜增湿器，通过供空装置、调节阀、排气歧管、湿度传感器等的配合连接，使得所述燃料电池湿度控制系统用于根据所述湿度传感器的监测结果，调节所述第一调节阀和所述第二调节阀的开度，以控制送进所述燃料电池的空气湿度维持于限定范围内，即实现了膜增湿器的湿度调节功能，无需再使用鼓泡增湿等苛刻增湿方法，为燃料电池的轻便化发展提供了重要帮助。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明燃料电池湿度控制系统优选实施方式提供的结构示意图。

附图标记如下：

1、供空装置；

2、膜增湿器；21、干区；22、湿区；

3、湿度传感器；

4、燃料电池；

51、第一排气歧管；52、第二排气歧管；

61、第一调节阀；62、第二调节阀；63、第三调节阀；

71、第一质量流量传感器；72、第二质量流量传感器；

81、第一压力传感器；82、第二压力传感器；83、第三压力传感器；

91、第一温度传感器；92、第二温度传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

从图1可知，本发明实施例所述的燃料电池湿度控制系统，包括供空装置1、膜增湿器2、湿度传感器3、燃料电池4、第一排气歧管51、第一调节阀61和第二调节阀62；所述供空装置1的出气端与所述膜增湿器2的干区21进气端连接导通，所述膜增湿器2的干区21出气端与所述燃料电池4的进气端连接导通，所述湿度传感器3设于所述膜增湿器2干区21出气端与所述燃料电池4进气端连接的通路上，所述湿度传感器3用于监测送进所述燃料电池4的空气湿度；所述燃料电池4的出气端与所述第一排气歧管51的汇集端连接导通，所述第一排气歧管51的一个分流端与所述膜增湿器2的湿区22进气端连接导通，所述膜增湿器2的湿区22出气端与所述第一调节阀61的进气端连接导通，所述第一排气歧管51的另一个分流端与所述第二调节阀62的进气端连接导通，所述第一调节阀61的出气端与所述第二调节阀62的出气端连接汇集输出；所述燃料电池湿度控制系统用于根据所述湿度传感器3的监测结果，调节所述第一调节阀61和所述第二调节阀62的开度，以控制送进所述燃料电池4的空气湿度维持于限定范围内。

在进行应用的过程中，供空装置1将输出干燥空气，干燥空气进入膜增湿器2的干区21后，由于膜增湿器2湿区22的湿度高于干区21的湿度，所以水分在存在浓度差的情况下会从湿区22扩散至干区21，即干燥空气将沾上水分往燃料电池4进行输出，此时湿度传感器3便可实时监测送往燃料电池4的空气湿度。

若此时监测的湿度偏高，燃料电池湿度控制系统便减小第一调节阀61的开度、以及增大第二调节阀62的开度，即燃料电池4排出的湿空气将更多分流至第二调节阀62输出，分流至膜增湿器2湿区22的湿空气将减少，从而导致膜增湿器2的湿区22湿度降低，能够扩散至膜增湿器2干区21的水分也减少，以此实现空气湿度的下降调节。

若此时监测的湿度偏低，燃料电池湿度控制系统便增大第一调节阀61的开度、以及减小第二调节阀62的开度，即燃料电池4排出的湿空气将更多分流至膜增湿器2的湿区22内，分流至第二调节阀62的湿空气将减少，从而导致膜增湿器2的湿区22湿度提高，能够扩散至膜增湿器2干区21的水分也增加，以此实现空气湿度的上升调节；需要指出，为了降低第一调节阀61和第二调节阀62的调控复杂性，在需要提高空气湿度时，可以直接将第二调节阀62关闭，通过单独调整第一调节阀61的开度便可实现空气湿度的提高调节。

即本发明实施例所述的燃料电池湿度控制系统实现了膜增湿器的湿度调节功能，无需再使用鼓泡增湿等苛刻增湿方法，为燃料电池的轻便化发展提供了重要帮助。

其中，除了需要维持燃料电池系统的湿度稳定，还需要维持燃料电池系统的空气流量稳定，为实现此目的，可设置所述燃料电池湿度控制系统还包括有质量流量监测机构，所述质量流量监测机构用于监测进入所述膜增湿器2干区21的空气质量流量、以及所述第一排气歧管51两个分流端输出的空气质量流量，所述燃料电池湿度控制系统用于根据所述质量流量监测机构的监测结果，调节所述第一调节阀61和所述第二调节阀62的开度，以控制送进所述燃料电池4的空气流量和经所述燃料电池4排出的空气流量维持于限定范围内。

譬如当湿度偏高时，燃料电池湿度控制系统便减小第一调节阀61的开度、以及增大第二调节阀62的开度，则必然导致流经膜增湿器2湿区22的空气质量流量减少，为了维持流经膜增湿器2湿区22的空气质量流量稳定性，则可以根据湿度传感器3监测的结果、以及质量流量监测机构监测的结果进行综合考量，以此调节第一调节阀61和第二调节阀62的开度变化量，从而保证空气湿度和空气质量流量均处于允许的限定范围内。

需要指出，虽然在综合湿度传感器3监测的结果、以及质量流量监测机构监测的结果进行综合考量后，能够以此调节第一调节阀61和第二调节阀62的开度变化量，从而保证空气湿度和空气质量流量均处于允许的限定范围内，但是在系统限定范围较小的情况下，此种调控方式依然不能满足需求；所以为了解决此问题，可设置所述燃料电池湿度控制系统还用于根据所述质量流量监测机构的监测结果，调节所述供空装置1的转速，以控制送进所述燃料电池4的空气流量和经所述燃料电池4排出的空气流量维持于限定范围内。

譬如当第一调节阀61的开度变小，流经膜增湿器2湿区22的空气质量流量减少，此时便可加快供空装置1的转速，即在单位时间内会有更多的空气进入系统内，从而弥补了第一调节阀61开度变小导致空气质量流量减少的问题，也能使得空气质量流量的控制更为精准。

而为了进行空气质量流量的监测，一般需要设置三个传感器进行空气质量流量监测，一个传感器用于监测进入膜增湿器2干区21的空气质量流量，其余两个传感器用于监测经第一排气歧管51两个分流端输出的空气质量流量，但为节省成本、提高系统的控制稳定性，还可以采用图1所示的结构，即所述质量流量监测机构包括第一质量流量传感器71和第二质量流量传感器72，所述第一质量流量传感器71设于所述供空装置1出气端与所述膜增湿器2干区21进气端连接的通路上，所述第二质量流量传感器72设于所述第一排气歧管51分流端与所述第二调节阀62连接的通路上。

因为第一排气歧管51两个分流端输出的空气质量流量总和等于进入膜增湿器2干区21的空气质量流量，所以通过第一质量流量传感器71测得进入膜增湿器2干区21的空气质量流量为l1，通过第二质量流量传感器72测得第一排气歧管51分流端与第二调节阀62连接通路上的空气质量流量为l2，则有第一排气歧管51分流端与第一调节阀61连接通路上的空气质量流量l3＝l1-l2；即通过此方式便可使用两个传感器实现三个传感器同样的作用，为节省成本和提高系统控制稳定性提供了重要帮助。

另外，除了需要维持燃料电池系统的湿度、空气质量流量稳定，还需要维持燃料电池系统的压力稳定，为实现此目的，可设置所述燃料电池湿度控制系统还包括有压力监测机构，所述压力监测机构用于监测所述膜增湿器2干区21输出空气的压力、以及所述第一排气歧管51两个分流端输出空气的压力，所述燃料电池湿度控制系统用于根据所述压力监测机构的监测结果，调节所述第一调节阀61和所述第二调节阀62的开度，以控制送进所述燃料电池4的空气压力和经所述燃料电池4排出的空气压力维持于限定范围内。

譬如当湿度偏高时，燃料电池湿度控制系统便减小第一调节阀61的开度、以及增大第二调节阀62的开度，则必然导致流经膜增湿器2湿区22的空气压力减小，为了维持流经膜增湿器2湿区22的空气压力稳定性，则可以根据湿度传感器监测的结果、以及压力监测机构监测的结果进行综合考量，以此调节第一调节阀61和第二调节阀62的开度变化量，从而保证空气湿度和空气压力均处于允许的限定范围内。

需要指出，虽然在综合湿度传感器3监测的结果、以及压力监测机构监测的结果进行综合考量后，能够以此调节第一调节阀61和第二调节阀62的开度变化量，从而保证空气湿度和空气压力均处于允许的限定范围内，但是在系统限定范围较小的情况下，此种调控方式依然不能满足需求；所以为了解决此问题，可设置所述燃料电池湿度控制系统还用于根据所述压力监测机构的监测结果，调节所述供空装置1的转速，以控制送进所述燃料电池4的空气压力和经所述燃料电池4排出的空气压力维持于限定范围内。

譬如当第一调节阀61的开度变小，第二调节阀62的开度变大，流经膜增湿器2湿区22的空气压力将减小，此时便可提高供空装置1的转速，即在单位时间内会有更多的空气进入系统内，从而弥补了第一调节阀61开度变小导致空气压力增大的问题，也能使得空气压力的控制更为精准。

而为了进行空气质压力的监测，可以采用图1所示的结构，即所述压力监测机构包括第一压力传感器81、第二压力传感器82和第三压力传感器83；所述第一压力传感器81设于所述膜增湿器2干区21出气端与所述燃料电池4进气端连接的通路上；所述第二压力传感器82设于所述第一排气歧管51分流端与所述膜增湿器2湿区22进气端连接的通路上；所述第三压力传感器83设于所述第一排气歧管51分流端与所述第二调节阀62连接的通路上。

即通过第一压力传感器81、第二压力传感器82和第三压力传感器83便可及时得知燃料电池湿度控制系统各处的压力状况，确保燃料电池湿度控制系统进行调控更为及时准确。

再者，为了防止燃料电池湿度控制系统出现喘振现象，可采用图1所示结构，即所述燃料电池湿度控制系统还包括有第二排气歧管52和第三调节阀63，所述第二排气歧管52的汇集端与所述供空装置1的出气端连接导通，所述第二排气歧管52的一个分流端与所述膜增湿器2的干区21进气端连接导通，所述第二排气歧管52的另一个分流端与所述第三调节阀63的进气端连接导通，所述第一调节阀61的出气端、所述第二调节阀62的出气端、以及所述第三调节阀63的出气端连接汇集输出。

在正常工作情况下，第三调节阀63将保持关闭状态，而在燃料电池湿度控制系统工作在低功率区时，便可打开第三调节阀63，供空装置1输入的空气将经第三调节阀63的出气端输出，从而避免了喘振现象的出现；其中，第一调节阀61、第二调节阀62和第三调节阀63优选使用背压阀。

更进一步的，除了需要维持燃料电池系统的湿度、空气质量流量、压力稳定，还需要维持燃料电池系统的温度稳定，为实现此目的，可设置所述燃料电池湿度控制系统还包括有温度监测机构，所述温度监测机构用于监测进入所述燃料电池4的空气温度、以及所述燃料电池4排出的空气温度，所述供空装置1根据所述温度监测机构的监测结果调节输入空气的温度维持于限定范围内。

其具体设置方式可以如图1所示，即所述温度监测机构包括第一温度传感器91和第二温度传感器92；所述第一温度传感器91设于所述供空装置1出气端与所述膜增湿器2干区21进气端连接的通路上；所述第二温度传感器92设于所述燃料电池4出气端与所述第一排气歧管51汇集端连接的通路上。

所以在进行工作时，可以通过第一温度传感器91得知供空装置1输入空气的温度，可以通过第二温度传感器92得知燃料电池4输出空气的温度，不但可以保证输入空气温度的及时调节，也能避免产生液态水，为系统的稳定工作提供了重要保障。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。