一种具有喷射雾化增湿功能的氢燃料电池用空压机的制作方法

1.本实用新型属于氢燃料电池用空压机空气增湿技术领域，具体的说，涉及一种具有喷射雾化增湿功能的氢燃料电池用空压机。


背景技术：

2.在氢燃料电池技术领域，由于质子交换膜氢燃料电池(亦质子交换膜氢燃料电池)是一种将氢氧反应气体的化学能直接转化成电能的装置，具有能量转换率高、污染物排放低、操作温度低等优点，是一种极具发展前景的清洁能源技术。
3.目前广泛采用的质子交换膜的质子导通率与其水合度密切相关，若膜中的水含量不足或膜失水，质子传导阻力迅速增加，会导致电池性能的衰减，甚至引起膜的穿孔；若膜电极中含水量过高且无法排出，会进一步阻碍反应气体的传质，并造成催化剂的腐蚀和流失，加速氢燃料电池性能及寿命的衰减；可见，质子交换膜的保湿需求和氢燃料电池的排水需求互相矛盾，合理的控制方案则须实现两者的平衡；为了避免质子交换膜脱水，目前商业化的氢燃料电池系统中会额外加设増湿器将反应气体进行増湿，但増湿器的存在增加了系统体积和复杂度，而且目前膜增湿器技术主要由国外市场垄断，成本昂贵。
4.为解决上述问题，现有技术中公开了一种空压机加湿装置，如专利号为：202010896652.3，公开了一种质子交换膜氢燃料电池系统用空压机加湿装置，包括：氢燃料电池；高压氢气瓶，连接所述氢燃料电池的氢气进口；水泵，连接所述氢燃料电池的尾排纯水出水口；空气压缩机，所述空气压缩机的排气口连接所述氢燃料电池的空气进口；雾化喷嘴，设置在所述空气压缩机的进气端，并连接所述水泵。
5.上述该类现有的空压机加湿装置利用氢燃料电池电堆反应完产生的尾排纯水，回收利用，然后利用水泵通过雾化喷嘴喷回空气压缩机的进气端，以此来增加空气的湿度、降低空气的温度，但是该类空压机加湿装置的压缩机为一级空压机，其整体结构简单，只能对输送至氢燃料电池电堆内的空气进行一次增压，并且增压完成后的空气由于水的存在是空气的温度低，影响使用，并且大量水雾预冷发生凝聚形成水滴，其水滴进入氢燃料电池的电堆内后会阻碍反应气体的传质，造成催化剂的腐蚀和流失，进而大大降低使用效果。


技术实现要素：

6.本实用新型要解决的主要技术问题是提供一种具有喷射雾化增湿功能的氢燃料电池用空压机，用以解决传统技术中因为增湿器，空压机，中冷器等关键辅件体积大，集成度差，成本昂贵的问题，同时能够对空气进行增压、冷却、增湿的作用，同时还能提高空压机的效率，降低氢燃料电池系统周边部件的能耗。
7.为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：
8.一种具有喷射雾化增湿功能的氢燃料电池用空压机，包括空压机，空压机的排气口与氢燃料电池的空气进口连通，空压机的进气口处设置有用于检测空气组成状态的检测组件，空压机的空压机入口与氢燃料电池的空气进口之间的管路上设置有雾化加湿装置。
9.以下是本实用新型对上述技术方案的进一步优化：
10.空压机为二级增压空压机，其具体结构包括空压机外壳，空压机外壳的两侧分别设置有一级增压装置和二级增压装置，空压机入口开设在一级增压装置上，空压机入口的外端连通有进气管路，进气管路与外设进气过滤组件连通。
11.进一步优化：空压机的一侧设置有连接管，连接管的一端与一级增压装置的出气端连通，连接管的另一端与二级增压装置的二级压气机入口连通。
12.进一步优化：雾化加湿装置包括喷射雾化器，喷射雾化器内的喷射介质为氢燃料电池的产物。
13.进一步优化：喷射雾化器固定安装在连接管的外壁上，喷射雾化器的喷嘴与连接管内的气流通道连通。
14.进一步优化：喷射雾化器的喷雾角度与连接管内的气流运动方向同向或垂直。
15.进一步优化：喷射雾化器的控制端与ecu控制器的输出端电性连接，ecu控制器输出信号用于控制喷射雾化器的喷射量。
16.进一步优化：空压机的二级增压装置的排气口通过连通管路与氢燃料电池的空气进口连通，连通管路上设置有用于对连通管路内过饱和的水气进行分离的水气分离装置。
17.进一步优化：检测组件包括安装在进气管路上的流量传感器、温度传感器和湿度传感器。
18.进一步优化：所述流量传感器、温度传感器、湿度传感器的输出端分别与ecu控制器的输入端电性连接。
19.本实用新型采用上述技术方案，构思巧妙，结构合理，可以将传统燃料电池系统中的空压机，增湿器，中冷器进行集成，用以解决传统技术中因为空压机，增湿器，中冷器等关键辅件体积大，集成度差，成本昂贵的问题，并且能够对输送至氢燃料电池内的空气进行增压、冷却、增湿，使高压湿润空气湿润质子交换膜，提高氢燃料电池的整体性能，同时还能提高空压机的效率，降低氢燃料电池系统的寄生能耗，提高使用效果。
20.并且能够对空气中的过饱和水气进行分离，减少空气中掺杂的多余液态水，使输送至氢燃料电池内的空气为湿润空气，进而能够完全防止“水淹”氢燃料电池电堆的现象发生。
21.并且整体工作均由ecu控制器进行控制，使其整体自动化程度高，方便使用效果，大大提高使用效果。
22.下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
附图说明
23.图1为本实用新型实施例的总体结构示意图；
24.图2为本实用新型实施例中工作状态的示意图。
25.图中：1
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空压机；2
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空压机入口；3
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一级压气机叶轮；4
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一级压气机扩压区；5
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一级压气机壳流道；6
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一级压气机壳；7
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连接管；8
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喷射雾化器；9
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二级压气机入口；10
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二级压气机壳；11
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二级压气机叶轮；12
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二级压气机扩压区；13
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二级压气机壳流道；14
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高速电机；15
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进气管路；16
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流量传感器；17
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温度传感器；18
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湿度传感器。
具体实施方式
26.实施例：请参阅图1
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2，一种具有喷射雾化增湿功能的氢燃料电池用空压机，包括空压机1，所述空压机1的排气口与氢燃料电池的空气进口连通，所述空压机1的进气口处设置有用于检测空气组成状态的检测组件，空压机1的空压机入口2与氢燃料电池的空气进口之间的管路上设置有雾化加湿装置。
27.所述空压机1的进气口外设置有进气过滤组件，所述进气过滤组件用于过滤空气中的杂质、微粒等有害物质。
28.所述进气过滤组件为现有技术，可由市面上直接购买获得。
29.这样设计，在使用时，其外界空气首先经过进气过滤组件，进气过滤组件用于将空气中的杂质、微粒等有害物进行净化，并获得净化空气a，净化空气a进入空压机1内，此时通过检测组件可用于检测空气的组成状态，而后通过空压机1将空气进行加压和升温，此时雾化加湿装置与空压机1内的空气进行混合，用于加湿空气，而后在将加湿空气输送至氢燃料电池的空气进口内，实现为氢燃料电池进行供气。
30.所述空压机1为二级增压空压机，其具体结构包括空压机外壳，所述空压机外壳的两侧分别设置有一级增压装置和二级增压装置。
31.所述一级增压装置包括设置在空压机1一侧的一级压气机壳6，一级压气机壳6内转动设置有一级压气机叶轮3。
32.所述一级压气机壳6内开设有一级压气机壳流道5，所述一级压气机壳流道5内布设有一级压气机扩压区4。
33.所述二级增压装置包括设置在空压机1一侧的二级压气机壳10，所述二级压气机壳10内转动设置有二级压气机叶轮11。
34.所述二级压气机壳10内开设有二级压气机壳流道13，所述二级压气机壳流道13内布设有二级压气机扩压区12。
35.所述一级压气机叶轮3和二级压气机叶轮11分别由一高速电机14驱动转动。
36.所述高速电机14设置在空压机外壳内，且高速电机14具有两个动力输出轴，所述高速电机14的两个动力输出轴分别与一级压气机叶轮3和二级压气机叶轮11传动连接。
37.所述空压机入口2设置在一级增压装置的一级压气机壳6上，所述空压机入口2与一级压气机壳流道5连通。
38.所述空压机入口2的外端连通有进气管路15，所述进气管路15与外设进气过滤组件连通。
39.所述外设进气过滤组件过滤完成的空气通过进气管路15和空压机入口2进入空压机1的一级增压装置内。
40.所述空压机1的一侧设置有连接管7，所述连接管7的一端与空压机1一级增压装置的出气端连通，所述连接管7的另一端与空压机1的二级增压装置的二级压气机入口9连通。
41.所述空压机1工作用于将过滤完成的空气吸入一级增压装置内，此时空气在一级增压装置内进行加压和升温，而后通过一级增压装置的出气端输送至连接管7内，而后通过连接管7的引导使一级增压后的空气进入二级增压装置内进行再次加压和升温。
42.这样设计，可通过连接管7将空压机1的一级增压装置和二级增压装置串联起来，进而通过空压机1能够对空气实现多次加压，以提高输送至氢燃料电池内的空气压力和温
度，方便使用。
43.所述空压机1工作用于将过滤完成的空气经过进气管路15吸入到空压机1的空压机入口2内，然后该空气被高速旋转的一级压气机叶轮3吸入到一级增压装置内进行压缩做功；在这个过程中空气的温度升高，密度增加，压力升高，流速增大，该经一级压缩的空气经过一级压气机扩压区4进入到一级压气机壳流道5内，此时一级压气机壳流道5内的空气压力达到70kpa，温度为80℃,此时空气的状态为空气b；
44.然后该空气b经过一级增压装置的出气端进入连接管7内，由于气流受到连接管7的约束和转向，使该空气b在连接管7中扰动剧烈。
45.所述雾化加湿装置包括安装在连接管7外壁上的喷射雾化器8，所述喷射雾化器8的喷嘴与连接管7内的气流通道连通，所述喷射雾化器8内的喷射介质为氢燃料电池系统的产物。
46.所述氢燃料电池系统的产物为水，进而喷射雾化器8内的喷射介质为水。
47.所述喷射雾化器8布设的喷雾角度与连接管7内的气流运动方向同向。
48.所述喷射雾化器8的控制端与ecu控制器的输出端电性连接，所述ecu控制器输出信号用于控制喷射雾化器8的喷射量和水的雾化量。
49.这样设计，其喷射雾化器8接收到来自ecu控制器的电信号，按照ecu控制器计算的雾化水量进行定量雾化喷射。
50.所述喷射雾化器8是电信号控制喷射量的高压喷射雾化器；也可以是类似文丘里管类型的机械类雾化器。
51.所述喷射雾化器8的外端通过连通管路与外设水箱的出水口连通。
52.所述氢燃料电池的尾排纯水通过连通管路与外设水箱的进水口连通。
53.所述氢燃料电池工作产生的尾排纯水通过连通管路输送至外设水箱内，所述喷射雾化器8工作可用于吸取外设水箱内的水并输送至连接管7内。
54.这样设计，其喷射雾化器8喷射后的雾化液滴在高温，高压和扰动剧烈的气流带动下迅速汽化并混合均匀，此时由于水的比热容比空气要大得多，因此连接管7内的空气b被迅速降温，同时空气湿度达到100%，并且空气b中经混合后掺杂了部分雾化小水滴，此时该连接管7内的空气状态为空气c。
55.空气c经过连接管7进入到二级压气机入口9内，然后再次被高速旋转的二级压气机叶轮11吸入到二级增压装置内，并进行再次压缩做功。
56.在这个过程中由于外界电机做功的原因，空气c的温度再次升高，密度继续增加，压力继续升高，流速继续增大；而在整个高压级压缩的过程中，空气c中的雾化液滴吸收外部热量继续汽化，最终使二级压气机壳流道13内的气流温度达到85℃,压力为150kpa,湿度为100%，此时该空气的状态为空气d。
57.同时，由于雾化水的冷却降温作用，使二级增压装置进口气体温度和出口温度都有大幅度降低，起到了中冷器的作用，使压气机的效率有所提升。
58.而后空气d通过连通管路输送至氢燃料电池内。
59.所述空压机1的二级增压装置的排气口通过连通管路与氢燃料电池的空气进口连通。
60.所述空压机1二级增压装置内的空气d通过排气口排出并通过通过连通管路输送
至氢燃料电池内。
61.所述二级增压装置的排气口与氢燃料电池的空气进口之间连通的连通管路上设置有用于对连通管路内过饱和的水气进行分离的水气分离装置。
62.这样设计，连通管路内的空气d中会掺杂有多余的液态水，所述连通管路上的水气分离装置，能够将空气d中可能存在的液态水滴完全去除，防止“水淹”氢燃料电池的电堆现象发生。
63.并且为了闭环控制空气的湿度，在进入氢燃料电池的电堆之前的连通管路上需要再次布置湿度传感器，当检测到空气湿度低于期望值时可以通过修正喷射雾化器8的喷射量使空气湿度满足要求。
64.而增压增湿空气进入氢燃料电池的电堆后将反应生产水，该水扫出电堆，并输送至外设水箱内，反应后的低氧空气可以排放至大气中。
65.所述检测组件包括安装在进气管路15上的流量传感器16、温度传感器17、湿度传感器18，所述流量传感器16、温度传感器17、湿度传感器18的输出端分别与ecu控制器的输入端电性连接。
66.所述流量传感器16用于检测进入进气管路15内的空气流量，并将该检测数据实时发送至ecu控制器。
67.所述温度传感器17用于检测进入进气管路15内的空气温度，并将该检测数据实时发送至ecu控制器。
68.所述湿度传感器18用于检测进入进气管路15内的空气湿度，并将该检测数据实时发送至ecu控制器。
69.这样设计，可通过流量传感器16、温度传感器17、湿度传感器18能够用于时刻检测进入进气管路15内空气的组成状态，并将该检测信号时刻发送至ecu控制器，所述ecu 计算此刻流量情况下，使空气在80℃，相对压力150kpa时，需要的喷水量。
70.在使用时，空压机1工作用于将过滤完成的空气经过进气管路15吸入到空压机1的空压机入口2内，此时流量传感器16、温度传感器17、湿度传感器18能够用于时刻检测进气的空气组成状态，并将该检测信号时刻发送至ecu控制器，所述ecu 计算此刻流量情况下，使空气在80℃，相对压力150kpa时，需要的喷水量。
71.而后该空气被高速旋转的一级压气机叶轮3吸入到一级增压装置内进行压缩做功；在这个过程中空气的温度升高，密度增加，压力升高，流速增大，该经一级压缩的空气经过一级压气机扩压区4进入到一级压气机壳流道5内，此时一级压气机壳流道5内的空气压力达到70kpa，温度为80℃,此时空气的状态为空气b。
72.然后该空气b经过一级增压装置的出气端进入连接管7内，由于气流受到连接管7的约束和转向，使该空气b在连接管7中扰动剧烈。
73.此时喷射雾化器8接收到来自ecu控制器的电信号，按照计算的雾化水量进行定量雾化喷射。
74.喷射雾化器8喷射后的雾化液滴在高温，高压和扰动剧烈的气流带动下迅速汽化并混合均匀，此时由于水的比热容比空气要大得多，因此连接管7内的空气b被迅速降温，同时空气湿度达到100%，并且空气b中经混合后掺杂了部分雾化小水滴，此时该连接管7内的空气状态为空气c。
75.空气c经过连接管7进入到二级压气机入口9内，然后再次被高速旋转的二级压气机叶轮11吸入到二级增压装置内，并进行再次压缩做功。
76.在这个过程中由于外界电机做功的原因，空气c的温度再次升高，密度继续增加，压力继续升高，流速继续增大；而在整个高压级压缩的过程中，空气c中的雾化液滴吸收外部热量继续汽化，最终使二级压气机壳流道13内的气流温度达到85℃,压力为150kpa,湿度为100%，此时该空气的状态为空气d。
77.同时，由于雾化水的冷却降温作用，使二级增压装置进口气体温度和出口温度都有大幅度降低，起到了中冷器的作用，使压气机的效率有所提升。
78.而后空气d通过二级增压装置的排气口排出并进入连通管路内，此时连通管路内的空气d中会掺杂有多余的液态水，所述连通管路上的水气分离装置，能够将空气d中可能存在的液态水滴完全去除，防止“水淹”氢燃料电池的电堆现象发生。
79.并且为了闭环控制空气的湿度，在进入氢燃料电池的电堆之前的连通管路上需要再次布置湿度传感器，当检测到空气湿度低于期望值时可以通过修正喷射雾化器8的喷射量使空气湿度满足要求。
80.而增压增湿空气进入氢燃料电池的电堆后将反应生产水，该水扫出电堆，并输送至外设水箱内，反应后的低氧空气可以排放至大气中。
81.在本实施例外，所述喷射雾化器8还可以布设在空气增压之前，也就是说，喷射雾化器8还可以布设在空压机1的空压机入口2处。
82.在本实施例外，对于两级或者多级增压的空压机，所述喷射雾化器8还可以布设在两级增压空压机之间的连通管上。
83.在本实施例外，所述喷射雾化器8布设的喷雾角度与连接管7内的气流运动方向垂直。
84.在本实施例外，所述喷射雾化器8的喷嘴还可以布设在气流通道的一个侧面上。
85.对于本领域的普通技术人员而言，根据本实用新型的教导，在不脱离本实用新型的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本实用新型的保护范围之内。