质子交换膜燃料电堆增湿装置及发动机的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电堆增湿技术领域，尤其是涉及一种质子交换膜燃料电堆增湿装置及发动机。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池发动机运行不仅要求有稳定的空气入堆压力、流量，同时也需要进堆空气达到相应的湿度，入堆湿度过低，会引起质子交换膜过干，电堆电压降低，影响电堆性能，长时间会影响电堆的寿命。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本实用新型的第一个目的是提供一种质子交换膜燃料电堆增湿装置，旨在解决现有技术中燃料电堆的质子交换膜过干造成电堆电压低，影响电堆性能及寿命的问题。
4.本实用新型的第二个目的是提供一种发动机。
5.为了实现上述第一个目的，本实用新型提供了如下方案：
6.一种质子交换膜燃料电堆增湿装置，包括增湿器、气液分离器、第一湿度检测器和第一调节阀；
7.所述增湿器的干侧入口为空气入口，所述增湿器的干侧出口与电堆的入口之间通过进气管连通，所述第一湿度检测器用于检测所述进气管内的湿度；
8.所述气液分离器的入口用于输入所述电堆的出口输出的尾气，所述气液分离器的气体出口与所述进气管通过所述第一调节阀连通，且所述气液分离器的气体出口位于所述增湿器的干侧出口及所述第一湿度检测器之间，所述气液分离器的液体出口用于液体排出；
9.当所述第一湿度检测器检测到的湿度大于预设湿度值时，所述第一调节阀关闭；当所述第一湿度检测器检测到的湿度小于所述预设湿度值时，所述第一调节阀打开。
10.在一个具体的实施方案中，所述质子交换膜燃料电堆增湿装置还包括第二调节阀；
11.所述电堆的出口与所述增湿器的湿侧入口连通，所述增湿器的湿侧出口与所述气液分离器的入口连通，所述第二调节阀的入口与所述气液分离器的液体出口连通，所述第二调节阀的出口与大气连通；
12.或者
13.所述电堆的出口与所述气液分离器的入口连通，所述第二调节阀的入口与所述气液分离器的液体出口连通，所述第二调节阀的出口与所述增湿器的湿侧入口连通，所述增湿器的湿侧出口与大气连通。
14.在另一个具体的实施方案中，所述第二调节阀和所述第一调节阀的开度均可调；
15.当进入所述电堆内的湿度小于所述预设湿度值时，所述第一调节阀开度增大，所
述第二调节阀的开度变小；
16.当所述燃料电池发动机吹扫或者出现故障紧急停机时，所述第一调节阀全关，所述第二调节阀全开；
17.当所述燃料电池发动机停机时，所述第一调节阀和所述第二调节阀全关。
18.在另一个具体的实施方案中，所述第一调节阀和所述第二调节阀均为电磁阀。
19.在另一个具体的实施方案中，所述第一湿度检测器为温压湿一体传感器。
20.在另一个具体的实施方案中，所述质子交换膜燃料电堆增湿装置还包括控制器；
21.所述控制器分别与所述第一调节阀、所述第二调节阀及所述第一湿度检测器信号连接。
22.在另一个具体的实施方案中，所述质子交换膜燃料电堆增湿装置还包括出气管；
23.所述电堆的出口与所述增湿器的入口通过所述出气管连通。
24.在另一个具体的实施方案中，所述质子交换膜燃料电堆增湿装置还包括第二湿度检测器；
25.所述第二湿度检测器安装在所述出气管上，用于检测所述出气管内的气体湿度。
26.在另一个具体的实施方案中，所述第二湿度检测器为温压湿一体传感器。
27.根据本实用新型的各个实施方案可以根据需要任意组合，这些组合之后所得的实施方案也在本实用新型范围内，是本实用新型具体实施方式的一部分。
28.本实用新型提供的质子交换膜燃料电堆增湿装置，使用时，空气从增湿器的干侧入口进入增湿器，并从增湿器的干侧出口进入电堆内，电堆反应后生成的尾气进入气液分离器进行气液分离，当第一湿度检测器检测到的湿度大于预设湿度值，即满足湿度要求时，第一调节阀关闭，使得气液分离器内的气液全部随着液体出口排出；当第一湿度检测器检测到的湿度小于预设湿度值，即小于湿度要求时，第一调节阀打开，使得气液分离器内湿的气体进入进气管内，并通过增湿器喷射到电堆内，提高了电堆的湿度，避免了质子交换膜过干导致的电堆电压低，影响电堆性能及寿命的问题。
29.为了实现上述第二个目的，本实用新型提供了如下方案：
30.一种发动机，包括如上述中任一项所述的质子交换膜燃料电堆增湿装置。
31.由于本实用新型提供的发动机包括上述任意一项中的质子交换膜燃料电堆增湿装置，因此，质子交换膜燃料电堆增湿装置所具有的有益效果均是本实用新型公开的发动机所包含的。
附图说明
32.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出新颖性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为本实用新型提供的质子交换膜燃料电堆增湿装置的示意图。
34.其中，图1中：
35.增湿器1、气液分离器2、第一湿度检测器3、第一调节阀4、电堆5、进气管6、第二调节阀7、出气管8、第二湿度检测器9。
具体实施方式
36.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
37.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶面”、“底面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或元件必须具有特定方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
38.如图1所示，本实用新型第一方面提供了一种质子交换膜燃料电堆增湿装置，解决了现有技术中燃料电堆5的质子交换膜过干造成电堆5电压低，影响电堆5性能及寿命的问题。
39.具体地，质子交换膜燃料电堆增湿装置包括增湿器1、气液分离器2、第一湿度检测器3和第一调节阀4。
40.增湿器1的干侧入口为空气入口，增湿器1的干侧出口与电堆5的入口之间通过进气管6连通，第一湿度检测器3用于检测进气管6内的湿度。
41.气液分离器2的入口用于输入电堆5的出口输出的尾气，气液分离器2的气体出口与进气管6通过第一调节阀4连通，且气液分离器2的气体出口位于增湿器1的干侧出口及第一湿度检测器3之间，气液分离器2的液体出口用于液体排出。
42.需要说明的是，气液分离器2可以设置在电堆5的出口与增湿器1的湿侧入口之间，也可以设置在增湿器1的湿侧出口与大气之间。
43.当第一湿度检测器3检测到的湿度大于预设湿度值时，第一调节阀4关闭；当第一湿度检测器3检测到的湿度小于预设湿度值时，第一调节阀4打开。
44.需要说明的是，预设湿度值是指满足进电堆5湿度要求的湿度值。
45.本实用新型提供的质子交换膜燃料电堆增湿装置，使用时，空气从增湿器1的干侧入口进入增湿器1，并从增湿器1的干侧出口进入电堆5内，电堆5反应后生成的尾气进入气液分离器2进行气液分离，当第一湿度检测器3检测到的湿度大于预设湿度值，即满足湿度要求时，第一调节阀4关闭，使得气液分离器2内的气液全部随着液体出口排出；当第一湿度检测器3检测到的湿度小于预设湿度值，即小于湿度要求时，第一调节阀4打开，使得气液分离器2内湿的气体进入进气管6内，并通过增湿器1喷射到电堆5内，提高了电堆5的湿度，避免了质子交换膜过干导致的电堆5电压低，影响电堆5性能及寿命的问题。
46.另外，本实用新型中，空气中的氧气进入电堆5与氢气反应生成水，以气水混合状态进入增湿器1的湿侧，一小部分水渗透至增湿器1的干侧对进堆空气加湿，大部分气体和水分排至尾排管路，由于温度降低，一部分会冷凝生成液态水，一部分仍以气态水进入尾排，此时的气体湿度较高，可利用其高湿度对进堆空气进一步加湿，从而满足燃料电池堆对进堆空气的湿度要求，弥补目前在增湿器1增湿能力不足的缺点。
47.在一些实施例中，质子交换膜燃料电堆增湿装置还包括第二调节阀7。
48.当气液分离器2位于电堆5及增湿器1的湿侧入口之间时，电堆5的出口与增湿器1
的湿侧入口连通，增湿器1的湿侧出口与气液分离器2的入口连通，第二调节阀7的入口与气液分离器2的液体出口连通，第二调节阀7的出口与大气连通。
49.当气液分离器2位于增湿器1的湿侧出口与大气之间时，电堆5的出口与气液分离器2的入口连通，第二调节阀7的入口与气液分离器2的液体出口连通，第二调节阀7的出口与增湿器1的湿侧入口连通，增湿器1的湿侧出口与大气连通。
50.第二调节阀7关闭时，可以提高通过第一调节阀4的气体的湿度。
51.在一些实施例中，第二调节阀7和第一调节阀4的开度均可调，当进入电堆5内的湿度小于预设湿度值时，第一调节阀4开度增大，第二调节阀7的开度变小，以实现进入进气管6的湿度的调节。
52.当燃料电池发动机吹扫时，第一调节阀4全关，第二调节阀7全开，电堆5的出口排出的水和气体全部经过增湿器1湿侧排至尾排。
53.当燃料电池发动机出现故障紧急停机时，第一调节阀4全关，第二调节阀7全开。
54.当燃料电池发动机停机时，第一调节阀4和第二调节阀7全关。
55.进一步地，本实用新型公开了第一调节阀4和第二调节阀7均为电磁阀，便于电控实现第一调节阀4及第二调节阀7开度的调节。
56.更进一步地，本实用新型公开了质子交换膜燃料电堆增湿装置还包括控制器，控制器与第一调节阀4、第二调节阀7及第一湿度检测器3信号连接。第一湿度检测器3给控制器传递检测到的湿度信号，控制器根据检测到的湿度与电堆5所需湿度进行比较，当检测到的湿度小于电堆5所需湿度时，控制器控制第一调节阀4的开度变大，第二调节阀7的开度减小，直到检测到的湿度大于电堆5所需湿度。
57.需要说明的是，控制器可以是单独设置的控制器，也可以是整车控制器。
58.为了便于实现电堆5的入口处湿度、压力及温度的检测，本实用新型公开了第一湿度检测器3为温压湿一体传感器。需要说明的是，温压湿一体传感器仅是本实用新型的一个优选实施方式，在实际应用中，也可以设置温度传感器、湿度传感器及压力传感器为单独的传感器，分别实现进气管6内温度、湿度及压力的检测。
59.在一些实施例中，质子交换膜燃料电堆增湿装置还包括出气管8，电堆5的出口与增湿器1的入口通过出气管8连通。
60.进一步地，本实用新型公开了质子交换膜燃料电堆增湿装置还包括第二湿度检测器9，第二湿度检测器9安装在出气管8上，用于检测出气管8内的气体湿度。第二湿度检测器9与控制器信号连接，便于控制器及时获取电堆5排出的尾气湿度，以便于控制第一调节阀4和第二调节阀7的开度。
61.进一步地，本实用新型公开了第二湿度检测器9为温压湿一体传感器，以实现电堆5的出口处湿度、温度及压力的检测。需要说明的是，温压湿一体传感器仅是本实用新型的一个优选实施方式，在实际应用中，也可以设置温度传感器、湿度传感器及压力传感器为单独的传感器，分别实现进气管6内温度、湿度及压力的检测。
62.本实用新型具有如下优点：
63.(1)本实用新型将增湿器1湿侧出口的湿气循环至空气电堆5入口对电堆5进行增湿，可在增湿器1本身增湿能力弱时提高进堆空气的湿度，满足电堆5的湿度要求，从而提高电堆5的性能，延长电堆5的使用寿命；
64.(2)相对于现有技术中通过增加膜管数量来提高增湿效率，造成的增湿装置体积增大，本实用新型不需要增加膜管数量，因此，能够有效减小增湿器1的体积，降低增湿器1在燃料电池的发动机上的布置难度，同时可降低增湿器1的成本。
65.本实用新型第二方面提供了一种发动机，包括如上述中任一项实施例中的质子交换膜燃料电堆增湿装置。
66.由于本实用新型提供的发动机包括上述任意一项实施例中的质子交换膜燃料电堆增湿装置，因此，质子交换膜燃料电堆增湿装置所具有的有益效果均是本实用新型公开的发动机所包含的。
67.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
68.本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。