一种加湿特性实时响应的加湿装置、燃料电池及控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种加湿特性实时响应的加湿装置、燃料电池及控制方法。


背景技术：

2.现在的板式增湿器外形尺寸是固定的，在一定的输入条件下，加湿特性是固定的。
3.例如，专利文献cn110828860a公开了一种特性可调的燃料电池系统用增湿器，包括前端盖、后端盖、增湿腔体、前封装胶体、后封装胶体、若干中空纤维膜管和旁通管路；前端盖、增湿腔体和后端盖依次相连；中空纤维膜管均匀分布于增湿腔体的内部，前封装胶体固定于增湿腔体的前端，前端盖和前封装胶体形成前端腔体，后装胶体固定于增湿腔体的后端，后端盖和后封装胶体形成后端腔体。但是，该专利需要更换旁通管路，不能实时响应。
4.专利文献cn211265626u一种燃料电池电堆湿度控制系统，包括与燃料电池电堆连接的加湿器，空气依次通过加湿器的第一入口、加湿器的第一出口、燃料电池电堆的阴极气体进气口、燃料电池电堆的阴极气体排气口、加湿器的第二入口到达加湿器的第二出口，加湿器的第一入口通过阀体与燃料电池电堆的阴极气体进气口连通，加湿器的第一出口与燃料电池电堆的阴极气体进气口之间设有阀体，燃料电池电堆的阴极气体排气口与加湿器的第二入口之间设有控制器，控制器与阀体电气连接，控制器包含湿度传感单元。但是，该专利分流加压降温后的干空气没有加湿，加大了系统对空压机和中冷器的需求。
5.现有技术没有一种增湿器能够实现实时响应。
6.此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。


技术实现要素：

7.现有技术中的板式增湿器外形尺寸是固定的，在一定的输入条件下，加湿特性是固定的。为了匹配不同的电堆加湿需求，通过增加或减少隔板数量来调节加湿特性，产生不同的外型尺寸。这使得增湿器的使用不方便，尤其不能够基于电堆的湿度需求进行实时的湿度调节。
8.本发明希望提供一种加湿装置，能够不改变产品外形尺寸，通过电磁调节阀实时调节进入增湿器的水含量大小来实现不同的加湿特性。本发明不仅匹配不同的电堆需求，更能在电堆运行中，实时响应，输送电堆实时需要的空气特性。
9.针对现有技术之不足，本发明提供了一种加湿特性实时响应的加湿装置，至少包括增湿器、湿度感应单元和控制单元，还包括调节单元。控制单元与湿度感应单元和调节单元分别连接，所述湿度感应单元设置于所述增湿器第一出口与电堆入口之间并向所述控制单元实时反馈湿度数据，所述调节单元设置在所述增湿器第二入口与电堆出口之间，其中，
响应于由所述控制单元基于实时的湿度数据与湿度范围的比较结果发出的控制指令，所述调节单元按照调节由气水分离器输送至增湿器的液态水的水流量的方式来调节所述增湿器的液态含水量。
10.本发明的优势在于，不需要考虑增湿器的尺寸，也不需要调节增湿器内的管道，也不需要设置大规格空压和中冷器。本发明通过对电堆排出的气液混合湿空气进行气水分离，控制进入增湿器的水含量，并在增湿器干空气出口增加湿度感应单元，实时响应，微调加湿特性。
11.优选地，所述调节单元至少包括气水分离器和与控制单元连接的流量调节阀，所述气水分离器的入口与电堆出口连接以将电堆排出的气液混合物进行气液分离，所述气水分离器的气、液出口均与所述增湿器的第二入口连接，并且所述气水分离器的液出口通过所述流量调节阀与排水口连接，从而在所述流量调节阀的流量变化的情况下，所述气水分离器输送至所述增湿器的液态水的水流量也随之变化。
12.如此设置，通过气水分离器将电堆排出的气液混合物进行气液分离，能够控制进入增湿器的流量，排出多余的水分。
13.优选地，所述调节单元还包括与所述控制单元连接的第一电磁调节阀，所述第一电磁调节阀的一端分别与电堆出口和所述气水分离器的入口连接，所述第一电磁调节阀的另一端与所述增湿器第二入口连接，所述控制单元基于控制所述第一电磁调节阀的导通状态来调节所述电堆输送至所述增湿器的液态水含量。在需要电堆排出的水分全部进入增湿器时，再通过气水分离器进行气液分离就属于多余的操作，也会延长液态水额路径，延长液态水的输送时间。此时，设置第一电磁调节阀，能够使得电堆排出的气液混合物缩短路径进入增湿器，提高气液混合物的运输效率。
14.优选地，在第一电磁调节阀导通的状态下，所述电堆出口与所述增湿器第二入口之间的第一压差大于所述电堆出口与流量调节阀之间的第二压差，从而所述电堆排出的气液混合物以不经过气水分离器的路径输送至所述增湿器，在第一电磁调节阀关闭的状态下，电堆排出的气液混合物输送至气水分离器。本发明利用压差，使得即使不在气水分离器的管路上设置控制阀，也能够使得气液混合物直接通过较短路径进入增湿器。
15.优选地，所述气水分离器还包括第二电磁调节阀，所述第二电磁调节阀设置在所述气水分离器的入口处，响应于控制单元的控制指令，所述第二电磁调节阀导通或关闭气水分离器入口的管路。通过设置第二电磁调节阀，能够完全避免气液混合物进入气水分离器。并且，设置第二电磁调节阀，能够减少气水分离器的压力对气液混合物的路径的干扰。
16.优选地，在所述湿度感应单元的实时湿度数据低于所述电堆的湿度范围的情况下，调节单元中的流量调节阀基于控制单元的控制指令增大流量，或者，控制单元控制第一电磁调节阀导通，电堆排出的气液混合物以不经过气水分离器的路径输送至所述增湿器。
17.优选地，在所述湿度感应单元的实时湿度数据高于所述电堆的湿度范围的情况下，第一电磁调节阀关闭，调节单元中的流量调节阀基于控制单元的控制指令减小流量。
18.本发明的湿度感应单元设置在电堆入口处，能够测量到准确的湿度数据，减少了电堆内电化学反应对湿度的干扰，提高了增湿器提供的湿度的测量准确性。本发明通过调节气水分离器的流量调节阀，使得进入增湿器的液态水含量能够准确控制，调节湿度的效率更高，实现实时调节以及微调节。
19.本发明还提供一种加湿特性实时响应的加湿装置的控制方法，所述方法至少包括：
20.湿度感应单元实时采集所述增湿器第一出口与电堆入口之间的湿度数据并反馈至控制单元，响应于由所述控制单元基于实时的湿度数据与湿度范围的比较结果发出的控制指令，所述调节单元按照调节由气水分离器输送至增湿器的液态水的水流量的方式来调节所述增湿器的液态含水量。
21.优选地，所述方法还包括：在所述湿度感应单元的实时湿度数据低于所述电堆的湿度范围的情况下，调节单元中的流量调节阀基于控制单元的控制指令增大流量，或者，
22.控制单元控制第一电磁调节阀导通，电堆排出的气液混合物以不经过气水分离器的路径输送至所述增湿器。
23.优选地，所述方法还包括：在所述湿度感应单元的实时湿度数据高于所述电堆的湿度范围的情况下，第一电磁调节阀关闭，调节单元中的流量调节阀基于控制单元的控制指令减小流量。
24.本发明的控制方法不需要人为操作，控制单元能够根据实时湿度的变化以及预设湿度范围进行自动调节，提高了工作效率，并且湿度的调节方便，响应快。
25.本发明还提供一种包括加湿装置的燃料电池，至少包括增湿器、湿度感应单元、控制单元和电堆，还包括调节单元，控制单元与湿度感应单元和所述调节单元分别连接。所述调节单元至少包括气水分离器和与控制单元连接的流量调节阀，所述气水分离器的入口与电堆出口连接以将电堆排出的气液混合物进行气液分离，所述气水分离器的气、液出口均与所述增湿器的第二入口连接，并且所述气水分离器的液出口通过所述流量调节阀与排水口连接，响应于由所述控制单元基于实时的湿度数据与电堆的湿度范围的比较结果发出的控制指令，所述流量调节阀调节自身的流量变化，使得所述气水分离器输送至所述增湿器的液态水的水流量也随之变化。
26.本发明的燃料电池，通过实时控制增湿器的湿度来维持稳定的湿度环境，使得燃料电池的电化学反应效率稳定，燃料电池处于一种稳定的运行状态。由于燃料电池排出的气液混合物中的气体通过气水分离器分离并且全部进入增湿器，再通过增湿器形成湿空气循环进入电堆中，实现了气体的重复利用，使得燃料电池中的气体形成循环气体，既提高了气体的利用率，减少了气体的浪费，又维持了燃料电池的稳定运行，燃料电池的运行效率更高。
附图说明
27.图1是本发明提供的一种优选的加湿装置的简化模块连接关系示意图；
28.图2是本发明提供的另一种优选的加湿装置的简化模块连接关系示意图。
29.附图标记列表
30.1：增湿器；2：湿度感应单元；3：控制单元；4：电堆；5：第一电磁调节阀；6：第二电磁调节阀；7：气水分离器；8：流量调节阀；10：三通连接件；11：第一入口；12：第一出口；13：第二入口；14：第二出口；15：输入管路；16：输出管路；17：湿气入口；18：排出口；91：第一管路；92：第二管路；93：第三管路。
具体实施方式
31.下面结合附图进行详细说明。
32.针对现有技术的不足，本发明提供一种加湿特性实时响应的加湿装置及方法。本发明还提供一种能够实时调节湿度的燃料电池电堆。本发明还提供一种加湿特性实时响应的加湿装置、燃料电池及控制方法。
33.如图2所示，本发明提供一种加湿特性实时响应的加湿装置，至少包括增湿器1、湿度感应单元和控制单元，还包括调节单元。增湿器1的第一入口11为空气入口。进入增湿器1的空气可以为湿空气，也可以为干空气。从增湿器1的第一入口11进入的空气优选为干空气。增湿器1的第一出口12为排出湿空气的出口。
34.增湿器1的第二入口13为进入湿空气或液态水的入口。增湿器的第二出口14为用于排出液态水、空气和/或多余湿气的排出口。
35.增湿器1的第一出口12与电堆4的湿气入口17之间设置有输入管路15。湿度感应单元2设置在输入管路15上。湿度感应单元2与控制单元3以有线或无线的方式建立信息连接，并且向控制单元3实时反馈湿度数据。湿度感应单元2包括至少一个湿度传感器。本发明的湿度感应单元设置在电堆的湿气入口17处，能够测量到准确的湿度数据，减少了电堆内电化学反应对湿度的干扰，提高了增湿器提供的湿度的测量准确性。
36.本发明中的控制单元可以是服务器、专用集成芯片、单片机、计算机、处理器中的一种或几种。
37.电堆4的排出口18与输出管路16的一端连接。输出管路16的另一端与增湿器1的第二入口13连接，或者通过调节单元与增湿器1的第二出口14共同连接排出管路。优选地，调节单元与输出管路16连接。
38.如图1所示，调节单元至少包括气水分离器7。气水分离器7的入口与电堆4的排出口18连接。气水分离器7的气出口通过第一管路91与增湿器1的第二入口13连接，使得电堆排出的未反应气体或者气态水从第一管路91输入增湿器1中。气水分离器7的液出口通过第二管路92与增湿器1的第二入口13连接，从而将经过分离出的液态水输送至增湿器1中。优选地，气水分离器7的液出口还设置有流量调节阀8。流量调节阀8通过第三管路93将通过流量调节阀8的液态水排出。优选地，第三管路93与增湿器1的第二出口14共用一个排水管。
39.第二管路92的一端设置在气水分离器7的液出口与流量调节阀8之间，使得气水分离器分离出的液态水能够通过第二管路92输入增湿器1，或者通过与流量调节阀8连接的第三管路93排出。设置流量调节阀8的作用在于，能够以调节通过流量调节阀8的液态水的流量的方式调节从第二入口13输入增湿器1的液态水的输入量。在流量调节阀8的流量被设置为一定量的情况下，当气水分离器的液出口排出的液态水的流量大于流量调节阀8的流量时，超出流量调节阀8的流量值的液态水部分能够通过第二管路92输入增湿器1中。因此，控制单元3通过调节流量调节阀8的流量值，能够调节气水分离器7的液出口与增湿器1之间的第二管路92的水流量。当流量调节阀8关闭时，气水分离器7的液出口排出的液态水全部通过第二管路92输入增湿器1中。
40.本发明中，流量调节阀8优选为能够进行流量调节的电磁阀。气水分离器7的液出口通过流量调节阀8与排水口连接。流量调节阀8与气水分离器7的液出口连接，就能够控制排出的液态水的水流量，间接控制流向增湿器的液态水的量。优选的，气水分离器7的出口
设有三通接口。三通接口的第一端连接液出口，第二端通过管道连接增湿器的第二入口，第三端与流量调节阀8连接。如此设置，当流量调节阀8的流量值调大时，则流入增湿器1中的液态水就会减少。当流量调节阀8的流量值调小时，则流入增湿器1中的液态水就会增大。控制单元3通过实时控制流量调节阀8的流量变化，改变气水分离器7输送至增湿器1的液态水的水流量。
41.响应于由控制单元基于实时的湿度数据与湿度范围的比较结果发出的控制指令，调节单元3按照调节由气水分离器7输送至增湿器1的液态水的水流量的方式来调节增湿器1的液态含水量。如此设置，虽然液态水是由气水分离器分离得到，但是输送至增湿器的水的流量大小是可控的，从而通过输入的水量来调节增湿器对气体的增湿水含量。控制单元3通过对湿度感应单元的实时数据的实时响应，来调节输入增湿器的水含量从而使得输出的气体的湿度达到电堆所需要的湿度范围。通过控制单元的实时控制和实时调节湿度，本发明减少了调节增湿器的人工步骤，调节速度快，延迟短，调节效率高。
42.优选地，调节单元还包括与控制单元3连接的第一电磁调节阀5。第一电磁调节阀5以有线和/或无线的方式与控制单元3连接，向控制单元发送工作状态信息或者响应于控制单元3的控制指令来调节自身的工作状态。第一电磁调节阀5设置在输出管路16上。第一电磁调节阀5的一端通过三通连接件10分别与电堆4的排出口18和气水分离器7的入口连接。第一电磁调节阀5的另一端与增湿器1的第二入口13连接。
43.控制单元3基于控制第一电磁调节阀5的导通状态来调节电堆4输送至增湿器1的液态水含量。
44.优选地，如图1所示，气水分离器7还包括第二电磁调节阀6。第二电磁调节阀6与控制单元3连接以接收控制单元的控制指令，并向控制单元反馈当前的工作状态。第二电磁调节阀6设置在气水分离器7的入口处。第二电磁调节阀6的一端与气水分离器7的入口连接，另一端通过三通连接件1o与第一电磁调节阀5和电堆的排出口18连接。
45.实时响应于控制单元3的控制指令，第二电磁调节阀6导通或关闭气水分离器7入口的管路。
46.当湿度感应单元2反馈的湿度数据与预设的电堆的湿度范围相比较低，需要大量的液态水时，控制单元能够控制第一电磁调节阀5打开，并且控制第二电磁调节阀6关闭，使得增湿器在短时间内输入大量的液态水。在第一电磁调节阀5关闭且第二电磁调节阀6导通的状态下，电堆4排出的气液混合物才会输送至气水分离器7。
47.在图1中，由第二管路92中的液态水是由气水分离步骤分离得到的，液态水在第二入口13处与由第一管路91输入的气体共同进入增湿器1。即部分液态水和气体在第二入口13处又形成了气液混合物，这明显使得气水分离器做出了大量无效的气水分离工作，不利于加湿装置的节能，也降低了调节单元中气水分离器的工作效率。
48.为了克服上述缺陷，本发明将图1中的调节单元的管路结构改进为如图2所示的调节单元的管路结构。如图2所示，在气水分离器7的管路设置中，不设置第二管路92，也不设置第二电磁调节阀6，保留其余管路结构。
49.当流量调节阀8关闭且第一电磁调节阀5导通时，由电堆4的排出口18排出的液态水、未反应的气体和气态水通过输出管路16和第一电磁调节阀5输入增湿器1的第二入口13。
50.当流量调节阀8关闭且第一电磁调节阀5也关闭时，由电堆4的排出口18排出的液态水、未反应的气体和气态水进入气水分离器7并且从气出口排出，通过第一管路91输入增湿器1的第二入口13。此时，气水分离器不具有气水分离的作用，相当于一个传输管路并具有传输管路的作用。
51.当第一电磁调节阀5关闭，流量调节阀8打开且基于控制单元3的控制指令设置限定的流量值时，流量调节阀8将气水分离器7分离出的液态水通过第三管路93排出。
52.其中，当气水分离器的液出口排出的液态水的流量小于或者等于流量调节阀8的限定流量值时，气水分离器7能够进行气水分离作用，使得液态水通过流量调节阀8和第三管路93排出，气态水和未反应的气体通过气出口从第一管路91进入增湿器1。
53.当气水分离器的液出口排出的液态水的流量大于流量调节阀8的限定流量时，气水分离器只能基于流量调节阀8的限定流量排出等量的液态水，气水分离器内多余的液态水与气态水、未反应气体混合在一起，无法进行气水分离，因此减少了气水分离器的无效的气水分离工作，提高了气水分离器的工作效率。在气水分离器7中，超出流量调节阀8的限定流量值部分的液态水与气态水、未反应的气体共同从气水分离器7的气出口流出，并且通过第一管路91输入增湿器1。
54.本发明的图2中，通过取消第二管路92和第二流量调节阀6，控制单元只需要控制第一电磁调节阀5和流量调节阀8两个阀门部件就能够实现调控增湿器的输入液态水的流量的效果，简化了加湿装置的管路结构，降低了控制单元3对管路及其流量的控制复杂程度，也减少了气水分离器分离液态水的无效气水分离的工作。
55.本发明的加湿装置的控制方法如下所示。
56.第一种控制方法：
57.干空气进口通过增湿器1的第一入口11进入并增湿。湿度感应单元2反馈实时湿度数据给控制单元3。
58.响应于由控制单元基于实时的湿度数据，控制单元3判定当前的湿度数据是否在电堆4的湿度范围内。湿度范围可以是预设的，也可以是由电堆根据自身当前的发电情况确定并发送至控制单元的。
59.响应于由控制单元基于实时的湿度数据与湿度范围的比较结果发出的控制指令，调节单元按照调节由气水分离器输送至增湿器的液态水的水流量的方式来调节增湿器的液态含水量。
60.控制单元3通过控制第一电磁调节阀5的开度，确定液态水是否需要全部进入增湿器1。
61.当湿度数据远远低于电堆的湿度范围时，控制单元3判定需要液态水全部进入增湿器。若存在第一电磁调节阀5，控制单元3控制第一电磁调节阀5打开并导通，同时关闭流量调节阀8。由于电堆与增湿器之间的压力差的存在，湿空气和液态水混合体不会进入气水分离器7，会全部进增湿器。若不存在第一电磁调节阀5，控制单元3控制调节单元中的流量调节阀8减小自身的水流量，甚至关闭流量调节阀8，使得全部液态水进入增湿器1。
62.当湿度数据在电堆的湿度范围内时，控制单元3判定部分液态水进入增湿器。若存在第一电磁调节阀5，控制单元3控制电磁调节阀5处于关闭状态，控制流量调节阀8处于打开状态。湿空气和液态水混合体通过气水分离器7分离气态湿空气和液态水。控制单元3实
时调节电磁水流量调节阀8，从而实时调节进入增湿器1的液态水含量，使得增湿器实时输出与电堆匹配的空气特性。
63.当湿度感应单元2的实时湿度数据高于电堆4的湿度范围时，若第一电磁调节阀5此时处于导通状态，则控制单元3关闭第一电磁调节阀5。湿空气和液态水混合体通过气水分离器7分离气态湿空气和液态水。控制单元控制调节单元中的流量调节阀8增大通过自身的水流量，使得进入增湿器的液态水减少。
64.第二种控制方法：
65.干空气进口通过增湿器1的第一入口11进入并增湿。湿度感应单元2反馈实时湿度数据给控制单元3。
66.响应于由控制单元基于实时的湿度数据，控制单元3判定当前的湿度数据是否在电堆4所需要的湿度范围内。湿度范围可以是预设的，也可以是由电堆根据自身当前的发电情况确定并发送至控制单元的。
67.响应于由控制单元基于实时的湿度数据与湿度范围的比较结果发出的控制指令，调节单元按照调节由气水分离器输送至增湿器的液态水的水流量的方式来调节增湿器的液态含水量。
68.控制单元3通过确定液态水是否需要全部进入增湿器1的判定结果来控制第一电磁调节阀5的开度。
69.当湿度数据远远低于电堆的湿度范围时，控制单元3判定需要液态水全部进入增湿器。若存在第一电磁调节阀5，控制单元3控制第一电磁调节阀5打开并导通，同时控制关闭第二电磁调节阀6。电堆排出的湿空气和液态水混合体不会进入气水分离器7，会全部进增湿器。
70.当湿度数据在电堆的湿度范围内时，控制单元3判定需要一部分液态水进入增湿器。若存在第一电磁调节阀5，控制单元3关闭电磁调节阀5，同时控制打开第二电磁调节阀6。湿空气和液态水混合体通过气水分离器7分离气态湿空气和液态水。控制单元3实时调节电磁水流量调节阀8，从而实时调节进入增湿器1的液态水含量，使得增湿器实时输出与电堆匹配的空气特性。
71.当湿度感应单元2的实时湿度数据高于电堆4的湿度范围时，若第一电磁调节阀5此时处于导通状态，则控制单元3关闭第一电磁调节阀5，同时控制打开第二电磁调节阀6。湿空气和液态水混合体通过气水分离器7分离气态湿空气和液态水。控制单元实时控制调节单元中的流量调节阀8的流量大小，使得湿度数据恢复至电堆需要的湿度范围。
72.本发明的燃料电池包括本发明的加湿装置。通过对增湿器的湿度特性的实时响应，本发明的电堆能够处于稳定的湿度环境，从而提高电化学反应的效率，本发明通过利用气水分离器将电堆排出的气液进行分离，使得气体再次进入增湿器并且以湿度恰当的湿空气循环进入电堆，实现了废气的利用，减少了多余反应气体的浪费。不用如此，相比于采用干空气来形成湿度恰当的湿空气，本发明将电堆排出的气体与水分在增湿器中形成湿空气的优势还在于，电堆排出的气体为电化学反应剩余的多余反应气体，再次循环进行电堆依然能够继续发生电化学反应，从而进一步提高反应气体的利用效率。因此，本发的燃料电池通过实时的湿度响应能够实现反应气体不浪费、运行稳定、高效的良好效果。
73.需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开
内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。