燃料电池增湿系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种燃料电池增湿系统及控制方法，能够缓解“膜干”的问题，提高燃料电池系统瞬变工况应对能力，提高了电堆性能和寿命。该系统包括：燃料电池电堆，设置有电堆阴极进口和电堆阴极出口；膜增湿器，包括湿度传感器、电控涡轮风扇、液态水喷射机构、干侧流道和湿侧流道；干侧流道与湿侧流道之间设置有加湿膜；湿度传感器设置于干空气出口处；液态水喷射机构设置于湿侧流道上；电控涡轮风扇设置于湿侧流道内；空压机，用于将干空气吹入干侧流道；增湿控制器，与湿度传感器、液态水喷射机构以及电控涡轮风扇均电连接，用于接收检测到的干空气出口的空气湿度，并发送控制信号。并发送控制信号。并发送控制信号。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池增湿系统及控制方法


[0001]本专利技术涉及质子交换膜燃料电池发动机增湿器
，尤其涉及一种燃料电池增湿系统及控制方法。

技术介绍

[0002]在质子交换膜燃料电池中，保持电解质膜合适的膜水含量，有助于维持较高的质子传导率，提高电池发电效率，延长膜的使用寿命。合适的膜水含量一般通过增湿器对进入电堆的干空气进行增湿来保持。从增湿方式角度增湿器可以分为内部增湿和外部增湿。相关技术中，主要采用外增湿器对电堆阴极进口的空气进行增湿。平板膜式增湿器是常见的一种外增湿器，其利用电堆阴极反应生成的湿热气体对进入电堆阴极的干燥气体进行增湿。然而，在燃料电池处于低电流密度，特别是启动阶段，或者急加速个瞬变工况下，增湿系统加湿效果差，极易发生“膜干”状况，降低燃料电池性能及寿命。

技术实现思路

[0003]为了解决上述技术问题的至少之一，本专利技术提出一种燃料电池增湿系统及控制方法，能够有效缓解“膜干”的问题，实现干侧流道内空气湿度的快速响应，提高燃料电池系统瞬变工况应对能力，从而提高了电堆性能和寿命。
[0004]第一方面，本专利技术实施例提供了一种燃料电池增湿系统，包括：
[0005]燃料电池电堆，所述燃料电池电堆设置有电堆阴极进口和电堆阴极出口；
[0006]膜增湿器，所述膜增湿器包括湿度传感器、电控涡轮风扇、液态水喷射机构、干侧流道以及湿侧流道，所述干侧流道设置有干空气出口和干空气入口，所述湿侧流道设置有湿空气入口和湿空气出口，所述电堆阴极进口与所述干空气出口连接，所述电堆阴极出口与所述湿空气入口连接，所述湿空气出口用于排出所述湿侧流道内的尾气；所述干侧流道与所述湿侧流道内的空气对流，且所述干侧流道与所述湿侧流道之间设置有加湿膜；所述湿度传感器设置于所述干空气出口处，所述湿度传感器用于采集进入所述燃料电池电堆的空气湿度；所述液态水喷射机构设置于所述湿侧流道上，所述液态水喷射机构用于根据控制信号为所述湿侧流道内的空气提供水分；所述电控涡轮风扇设置于所述湿侧流道内，所述电控涡轮风扇用于将所述液态水喷射机构的液态水液滴破碎并吹入所述湿侧流道；
[0007]空压机，所述空压机用于将干空气吹入所述干侧流道；
[0008]增湿控制器，所述增湿控制器与所述湿度传感器、所述液态水喷射机构以及所述电控涡轮风扇均电连接，所述增湿控制器用于接收所述湿度传感器检测到的所述干空气出口的空气湿度，以及发送控制信号。
[0009]根据本专利技术的一种燃料电池增湿系统，至少具有如下有益效果：本专利技术提供的燃料电池增湿系统包括燃料电池电堆、膜增湿器、空压机以及增湿控制器。其中，燃料电池电堆设置有电堆阴极进口和电堆阴极出口。膜增湿器包括湿度传感器、电控涡轮风扇以及液态水喷射机构。同时，膜增湿器设置有干侧流道和湿侧流道。空压机与干侧流道的干空气入
口连接，将干空气吹入干侧流道。干侧流道与湿侧流道之间设置有加湿膜，湿侧流道内的湿空气能够通过加湿膜，通过空气对流将水分传输给干侧流道内的干空气，实现干侧流道内空气的加湿。干侧流道的干空气出口与电堆阴极进口连接，将经过加湿的干侧流道内的空气传输到燃料电池阴极进行反应。经过反应后的湿尾气通过电堆阴极出口排出燃料电池外，电堆阴极出口与湿侧流道的湿空气入口连接，将湿尾气排出到湿侧流道。湿侧流道内的湿尾气通过加湿膜，在空气对流的作用下，为干侧流道内部的干空气进行加湿，然后湿侧流道内的湿尾气通过湿侧流道上的湿空气出口排出，从而实现了对干侧流道内干空气的加湿。进一步地，增湿控制器与湿度传感器、液态水喷射机构以及电控涡轮风扇均电连接。湿度传感器设置在干侧流道的干空气出口处，能够实时获取输入燃料电池的空气湿度，并反馈到增湿控制器。增湿控制器通过实时获取的输入燃料电池的空气湿度与期望的燃料电池处的空气湿度需求之间的距离，对液态水喷射机构和电控涡轮风扇发送控制信号，通过控制液态水喷射机构的输出以及电控涡轮风扇的转速，实现对干侧流道内空气湿度的调节。并且，通过湿度传感器、增湿控制器、液态水喷射机构以及电控涡轮风扇之间形成的控制闭环，能够实现干侧流道内空气湿度的快速响应，提高燃料电池系统瞬变工况应对能力，从而有效缓解“膜干”的问题，提高了电堆性能和寿命。
[0010]根据本专利技术的一些实施例，所述膜增湿器还包括：
[0011]进气阀，所述进气阀设置于所述湿侧流道的湿空气入口处，所述进气阀用于所述湿侧流道进行排水时提供气流；
[0012]排水阀，所述排水阀设置于所述湿侧流道出口处，用于排出所述湿侧流道内的液态水。
[0013]根据本专利技术的一些实施例，所述膜增湿器还包括：
[0014]膜增湿器壳体，所述膜增湿器壳体在所述排水阀处局部内凹，用于排出所述湿侧流道内的液态水。
[0015]根据本专利技术的一些实施例，所述液态水喷射机构包括：
[0016]集成水箱，所述集成水箱用于储存液态水；
[0017]传输导管，所述传输导管与所述集成水箱连接，用于传输所述集成水箱内的液态水；
[0018]加热模块，所述加热模块设置于所述传输导管上，用于加热所述传输导管内的液态水；
[0019]高压喷嘴，所述高压喷嘴的入水口与所述传输导管连接；所述高压喷嘴的出水口设置于所述湿侧流道内，用于将所述传输导管传输的液态水喷射到所述湿侧流道内。
[0020]根据本专利技术的一些实施例，所述集成水箱包括：
[0021]储水箱，所述储水箱用于存储液态水；
[0022]高压液轨，所述高压液轨与所述储水箱连接，用于传输高压的液态水；
[0023]微型泵，所述微型泵设置于所述高压液轨上，用于产生高压的液态水。
[0024]根据本专利技术的一些实施例，所述进气阀和所述排水阀均与所述增湿控制器电连接，所述增湿控制器通过电磁控制所述进气阀和所述排水阀的开关状态。
[0025]第二方面，本专利技术实施例还提供了一种燃料电池增湿控制方法，所述方法包括：
[0026]获取燃料电池电堆的湿度需求曲线；
[0027]获取湿度传感器采集到的实时空气湿度曲线，其中，所述湿度传感器设置于干空气出口处；
[0028]根据所述湿度需求曲线与所述实时空气湿度曲线之间的误差，控制液态水喷射机构的液态水输出以及电控涡轮风扇转速。
[0029]根据本专利技术的一些实施例，所述根据所述湿度需求曲线与所述实时空气湿度曲线之间的误差，控制液态水喷射机构的液态水输出以及电控涡轮风扇转速，包括：
[0030]根据所述湿度需求曲线与所述实时空气湿度曲线，计算得到所述液态水喷射机构的调节量以及电控涡轮风扇旋转速度；
[0031]根据所述调节量以及所述电控涡轮风扇旋转速度，控制所述液态水喷射机构调节液态水的输出，并调节所述电控涡轮风扇旋转速度。
[0032]根据本专利技术的一些实施例，所述计算得到所述液态水喷射机构的调节量以及电控涡轮风扇旋转速度，包括：
[0033]通过计算得到所述液态水喷射机构应调节的喷水量、水温以及电控涡轮风扇旋转速度。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池增湿系统，其特征在于，包括：燃料电池电堆，所述燃料电池电堆设置有电堆阴极进口和电堆阴极出口；膜增湿器，所述膜增湿器包括湿度传感器、电控涡轮风扇、液态水喷射机构、干侧流道以及湿侧流道，所述干侧流道设置有干空气出口和干空气入口，所述湿侧流道设置有湿空气入口和湿空气出口，所述电堆阴极进口与所述干空气出口连接，所述电堆阴极出口与所述湿空气入口连接，所述湿空气出口用于排出所述湿侧流道内的尾气；所述干侧流道与所述湿侧流道内的空气对流，且所述干侧流道与所述湿侧流道之间设置有加湿膜；所述湿度传感器设置于所述干空气出口处，所述湿度传感器用于采集进入所述燃料电池电堆的空气湿度；所述液态水喷射机构设置于所述湿侧流道上，所述液态水喷射机构用于根据控制信号为所述湿侧流道内的空气提供水分；所述电控涡轮风扇设置于所述湿侧流道内，所述电控涡轮风扇用于将所述液态水喷射机构的液态水液滴破碎并吹入所述湿侧流道；空压机，所述空压机用于将干空气吹入所述干侧流道；增湿控制器，所述增湿控制器与所述湿度传感器、所述液态水喷射机构以及所述电控涡轮风扇均电连接，所述增湿控制器用于接收所述湿度传感器检测到的所述干空气出口的空气湿度，以及发送控制信号。2.根据权利要求1所述的燃料电池增湿系统，其特征在于，所述膜增湿器还包括：进气阀，所述进气阀设置于所述湿侧流道的湿空气入口处，所述进气阀用于所述湿侧流道进行排水时提供气流；排水阀，所述排水阀设置于所述湿侧流道出口处，用于排出所述湿侧流道内的液态水。3.根据权利要求2所述的燃料电池增湿系统，其特征在于，所述膜增湿器还包括：膜增湿器壳体，所述膜增湿器壳体在所述排水阀处局部内凹，用于排出所述湿侧流道内的液态水。4.根据权利要求1所述的燃料电池增湿系统，其特征在于，所述液态水喷射机构包括：集成水箱，所述集成水箱用于储存液态水；传输导管，所述传输导管与所述集成水箱连接，用于传输所述集成水箱内的液态水；加热模块，所述加热模块设置于...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢炽华，李永超，吴海涛，周辉，刘志恩，彭辅明，万劲星，李晨雨，
申请(专利权)人：佛山仙湖实验室，
类型：发明
国别省市：