一种燃料电池的喷雾增湿系统及燃料电池的制作方法

本发明涉及燃料电池，具体涉及一种燃料电池的喷雾增湿系统及燃料电池。

背景技术：

1、随着燃料电池发动机在汽车产业市场推广越来越大，燃料电池发动机的环境友好的重要性愈显突出，燃料电池发动机的体积功率密度和质量功率密度较内燃机的优势还不明显，空气系统在燃料电池发动机结构中的占比较大，对于质量功率密度和体积功率密度的影响至关重要。

2、燃料电池的在反应过工程中，需要质子交换膜需维持一定的湿度以保证质子交换膜处于合适的水饱和状态,保持较高的电导,保证较高的反应效率。因此需要要求反应空气携带一定的水蒸气进入电堆。在空气系统中，为了保证入堆空气的湿度合适，均有加湿系统。由于每个产品的边界不同、性能不同及技术路线不同，就需要不同结构形式、不同性能的增湿器满足产品的性能需求，从而导致增湿器在开发过程中属于定制化开发，最终导致开发成本高、周期长、一致性差等问题。

3、现有市场上使用最多的加湿系统为膜管物理增湿系统，增湿器为特殊材料做成细膜管，膜管内外形成独立的干湿通道，通过回收燃料电池反应后气体中的水分和热量，使其在膜管内外两侧进行湿热交换，从而达到电堆所需的温度和湿度。

4、随着终端市场客户对于燃料电池的输出功率要求越来越大，单个燃料电池发动机的单电池的数量要求越来越多，参与反应的空气的流量越来越大，就需要更多的水蒸气保证电堆里的质子交换膜维持在合适的湿度。但是现有增湿器的膜管的膜水传递效率维持不变的基础上，就需要更大的膜水传递表面积，从而导致增湿器本体的体积越来越大，严重影响质量功率密度和体积功率密度，同时加大燃料电池发动机的布置难度，即使采用更大体积的增湿器来解决膜水传递效率的问题，还会存在如何保证高的透气性和高湿度传递效率，同时还需要保证一定的跨膜压力差从而保证增湿器的增湿能力，跨膜压力差与透气性等的结构的矛盾导致可靠性较差的问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种燃料电池的喷雾增湿系统，包括喷雾增湿装置，所述喷雾增湿装置设置有进口和出口，所述喷雾增湿装置沿进口和出口的方向依次设置有混合腔、热换腔和中冷腔，干空气和去离子水由进口进入所述混合腔经过一次混合加湿，再进入所述换热腔中进行二次加湿后，进入所述中冷腔中进行换热至目标的温度范围内再由出口进入电堆中。

2、优选的：所述混合腔连接有喷射装置，喷射装置用于向混合腔内喷入去离子水。

3、优选的：所述换热腔连接加热器，所述加热器加热的冷却液流入换热腔中与换热腔中的气流进行换热。

4、优选的：所述中冷腔连接电堆的热管理系统，对换热腔内增湿后的气体进行换热。

5、优选的：所述喷雾增湿装置中气体的出口还设置有储水腔和排水阀，根据储水腔中液体的储存量进行打开排水阀将水排除。

6、优选的：所述加热器和换热腔之间设置有温度传感器，当温度传感器探测温度低于目标的温度范围时，所述加热器开启。

7、优选的：所述喷雾增湿装置采用金属材料焊接或机加工方式制成。

8、优选的：所述喷雾增湿装置中进口的高度大于出口的高度。

9、一种燃料电池，包括喷雾增湿系统。

10、优选的：所述燃料电池还包括电堆，所述电堆通过管路连接喷雾增湿装置，喷雾增湿装置还通过管路连接空压机，空压机通过管路连接流量计和空滤，所述电堆通过管路连接尾排节气门,尾排节气门通过管路连接混排，混排连接尾排管路和排水管。

11、本发明的技术效果和优点：

12、1、本发明中，干空气进入混合腔与喷射装置喷入的去离子水一次混合加湿，通过气流带动进入换热腔中进行换热，将气流中的去离子水进行加热汽化，达到二次增湿后，再进入中冷腔中进行换热，保证入堆空气在目标的温度范围内，保持燃料电池正常工作。

13、2、本发明中，喷雾增湿装置中，通过外接加热器加热换热用的防冻液，单位时间内，在气流作用下进入热换腔内的去离子水汽化效率更高，水蒸气的量增大，使得进入电堆内的水蒸气增多，能够调节进入电堆内水蒸气的量，保证电堆内的质子交换膜处于合适的水饱和状态,保持较高的电导,保证较高的反应效率。

14、3、本发明中，通过设置的喷雾增湿装置调节进入电堆内水蒸气的量，相对于现有增湿器中，通过增大膜水传递表面积导致增湿器本体的体积增大的方式，能够大幅度提升系统的质量功率密度和体积功率密度，同时降低燃料电池发动机的布置难度。

技术特征：

1.一种燃料电池的喷雾增湿系统，包括喷雾增湿装置，其特征在于，所述喷雾增湿装置设置有进口和出口，所述喷雾增湿装置沿进口和出口的方向依次设置有混合腔、热换腔和中冷腔，干空气和去离子水由进口进入所述混合腔经过一次混合加湿，再进入所述换热腔中进行二次加湿后，进入所述中冷腔中进行换热至目标的温度范围内再由出口进入电堆中。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池的喷雾增湿系统，其特征在于，所述混合腔连接有喷射装置，喷射装置用于向混合腔内喷入去离子水。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池的喷雾增湿系统，其特征在于，所述换热腔连接加热器，所述加热器加热的冷却液流入换热腔中与换热腔中的气流进行换热。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池的喷雾增湿系统，其特征在于，所述中冷腔连接电堆的热管理系统，对换热腔内增湿后的气体进行换热。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池的喷雾增湿系统，其特征在于，所述喷雾增湿装置中气体的出口还设置有储水腔和排水阀，根据储水腔中液体的储存量进行打开排水阀将水排除。

6.根据权利要求3所述的一种燃料电池的喷雾增湿系统，其特征在于，所述加热器和换热腔之间设置有温度传感器，当温度传感器探测温度低于目标的温度范围时，所述加热器开启。

7.根据权利要求1所述的一种燃料电池的喷雾增湿系统，其特征在于，所述喷雾增湿装置采用金属材料焊接或机加工方式制成。

8.根据权利要求7所述的一种燃料电池的喷雾增湿系统，其特征在于，所述喷雾增湿装置中进口的高度大于出口的高度。

9.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的喷雾增湿系统。

10.根据权利要求9所述的一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池还包括电堆，所述电堆通过管路连接喷雾增湿装置，喷雾增湿装置还通过管路连接空压机，空压机通过管路连接流量计和空滤，所述电堆通过管路连接尾排节气门,尾排节气门通过管路连接混排，混排连接尾排管路和排水管。

技术总结
本发明公开了一种燃料电池的喷雾增湿系统及燃料电池，包括喷雾增湿装置，所述喷雾增湿装置设置有进口和出口，所述喷雾增湿装置沿进口和出口的方向依次设置有混合腔、热换腔和中冷腔，干空气和去离子水由进口进入所述混合腔经过一次混合加湿，再进入所述换热腔中进行二次加湿后，进入所述中冷腔中进行换热至目标的温度范围内再由出口进入电堆中，本发明中，干空气进入混合腔与喷射装置喷入的去离子水一次混合加湿，通过气流带动进入换热腔中进行换热，将气流中的去离子水进行加热汽化，达到二次增湿后，再进入中冷腔中进行换热，保证入堆空气在目标的温度范围内，保持燃料电池正常工作。

技术研发人员：马宏,鹿亚梅,白光金,董志亮,李阳,方川
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：
技术公布日：2024/4/22