一种燃料电池系统用喷水式增湿装置及控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池系统用喷水式增湿装置及控制方法。


背景技术：

2.燃料电池车是一种新能源车辆，其以燃料电池系统作为动力源，相比于传统燃油车具有能量转换效率高、无污染、能源可再生等多种优点。特别的对于氢燃料质子交换膜燃料电池汽车，其燃料为氢气与氧气，通过两种气体发生反应产生驱动车辆的能量。
3.质子交换膜燃料电池运行时电解质膜需要保持合适的含水量来维持较高的质子传导率，延长膜的使用寿命并提高电池工作效率。进入电堆的气体湿度不足会导致质子膜传导阻力增大，导致离子穿过膜的能耗增大，电池可利用能量下降；进入电堆的气体湿度过高会堵塞电堆内部气体流道，导致同一时间段内进入电堆反应区域的气体量减少，导致能量产生速率降低，从而降低电堆性能。因此需要对进入电堆入口的气体湿度进行控制。
4.目前增湿常采用外部增湿对进入电堆的气体进行加湿，常用的加湿方法有膜增湿器、轮焓增湿器、鼓泡增湿器、直接喷射。其中直接喷射通过喷射装置将水雾化为微小粒径液滴直接喷入干空气管道中，经蒸发相变与管道中的干空气混合从而将干空气加湿。直接喷射具有结构简单，成本低等优点，但其本身存在容易气化不完全液态水滴残留的问题以及干湿气体混合不均匀的问题，影响燃料电池输出性能，尤其是在冷启动、大负荷及工况变化时工作效率下降较明显。因此目前直接喷射方式仍存在一定局限性，有待于进一步发展。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种燃料电池系统用喷水式增湿装置及控制方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
6.为解决上述技术问题所采用的技术方案：
7.首先本发明提供一种燃料电池系统用喷水式增湿装置，其包括：流道管、沿空气流动方向依次间隔设置于流道管内的喷射部件和旋流部件；
8.所述旋流部件包括沿空气流动方向延伸的加热体、沿轴向螺旋设置于加热体外周的旋流片；
9.所述喷射部件包括具有朝向旋流部件一侧的喷射端的所述喷射基体，所述喷射基体设有喷射流路，所述喷射流路连通有位于喷射端的第一出口流道和第二出口流道，所述第一出口流道和第二出口流道的出口结构均为旋流状且旋向相反，所述第二出口流道出口结构与旋流片的旋向相反，所述喷射流路内设置有压力阀结构，所述压力阀结构受控于所述喷射流路的压力而控制所述第一出口流道和第二出口流道通断。
10.本燃料电池系统用喷水式增湿装置的有益效果是：在使用时，空气从流道管流过，加湿的水经喷射流路流入喷射基体内，压力阀结构根据喷射流路的水压，以切换喷射流路与第一出口流道、第二出口流道之间的通断，具体地，当水压高时，压力阀结构使得喷射流
路与第二出口流道连通，液体从第二出口流道的出口螺旋喷出，并且此时的旋流片的旋向与第二出口流道的出口结构旋向相反，液态水与干空气混合形成与旋流片反向的气液旋流，同时加热体进行加热，液滴与旋流片的高温壁面发生碰撞，使得液态水滴充分蒸发，增加水蒸气含量，提高混合气湿度，且在旋流片的作用下使得水蒸气与空气混合均匀，在大负荷工况下增强水蒸气的雾化，这样可满足加速工况和大负荷工况；当水压低时，压力阀结构使得喷射流路与第一出口流道连通，液体从第一出口流道的出口螺旋喷出，液态水与干空气混合形成与旋流片同向的气液旋流，可降低喷出的水蒸气到达旋流片时遇到的气流阻力，且在旋流片的作用下与空气充分混合，小负荷工况下降低流体阻力，加热体辅助加热干湿混合气，增强喷出水的蒸发效果，并通过旋流片使混合气混合均匀，助于电堆快速到达合适的工作温度，以实现在不同功率下改善燃料电池性能的目的。
11.当有液态水滴形成经过加热至高温的加热体和旋流片时，被高温蒸发，从而生成更多的水蒸气。
12.作为上述技术方案的进一步改进，所述压力阀结构包括柱塞、弹性件，所述柱塞滑动安装于喷射流路内，所述弹性件作用于柱塞与喷射基体之间，所述弹性件用于给所述柱塞提供复位弹力以封堵所述第二出口流道的进口、使所述第一出口流道进口与所述喷射流路连通，所述柱塞用于受喷射流路的压力而移动压缩弹性件、以封堵所述第一出口流道的进口、使所述第二出口流道与所述喷射流路连通。
13.当水蒸气需求增加时，水压增大，柱塞被水推动往前移动，压缩弹性件，柱塞移动至封堵所述第一出口流道的进口，而令第二出口流道的进口与所述喷射流路连通，此时的液态水从第二出口流道喷出，与干空气混合形成与旋流片反向的气液旋流；而当水量需求降低时，水压降低，柱塞在弹性件的弹力下，柱塞往回移动至封堵所述第二出口流道的进口，而令所述第一出口流道的进口与所述喷射流路连通，液态水从第一出口流道喷出，与干空气混合形成与旋流片同向的气液旋流，进而实现了压力阀结构随喷射流路内部水压而实现自动切换的功能。
14.作为上述技术方案的进一步改进，所述柱塞滑动密封套设于喷射流路端部，所述柱塞设置有贯通两端的中心流道，所述第二出口流道的进口与第一出口流道的进口沿空气流动方向呈间隔设于喷射流路内壁，所述弹性件设置于喷射流路的内端与柱塞内端之间。
15.本实施例中的喷射流路通过中心流道与第一出口流道连通，具体地：在喷射流路中的水压降低至设定低值时，此时的柱塞在弹性件的弹力下，柱塞被往回推动至复位状态，此时的柱塞的内端也就是前端远离喷射流路的内端，使得柱塞前端与喷射流路的内端形成的空腔与第一出口流道连通，这样中心流道通过该空腔与第一出口流道连通，水依次流经喷射流路、中心流道、空腔和第一出口流道。而当喷射流路中的水压升至设定高值时，柱塞被水推动往前移动，压缩弹性件，柱塞的前端越过第一出口流道的进口，而柱塞的周壁封堵第一出口流道的进口，而柱塞的后端也越过第二出口流道的进口，此时的喷射流路与第二出口流道连通。
16.作为上述技术方案的进一步改进，在所述喷射流路内端设置有台阶凹槽，而在所述柱塞的内端设置有与台阶凹槽滑动匹配的台阶凸起，所述台阶凸起伸入所述台阶凹槽而封堵所述第一出口流道的进口，所述弹性件设置于台阶凹槽内。
17.台阶凹槽一来可对弹性件起到限位安装的作用，弹性件一般采用弹簧结构，二来
使得柱塞的前后两端面的面积形成差异，随着水压增加，而面积差异而产生压力差会克服弹性件的弹力，弹性件被压缩。
18.作为上述技术方案的进一步改进，所述第一出口流道和第二出口流道均设置有多个出口结构，每个出口流道上的多个出口结构呈环形间隔设置，多个出口结构可提高喷水量。
19.作为上述技术方案的进一步改进，所述加热体沿轴向间隔设置有两个固定件，两个固定件分别为正、负电极，所述加热体通过两个固定件悬架于流道管内，其中加热体与流道管同轴设置。并且两个固定件与流道管接触位置有绝缘材料保护，防止导电。
20.作为上述技术方案的进一步改进，所述喷射基体的顶部通过固定体与流道管连接。喷射基体与加热体也同轴设置。
21.作为上述技术方案的进一步改进，在所述流道管的出口安装有温度传感器、湿度传感器和流量传感器。温度传感器用于检测混合气的温度，而湿度传感器用于检测混合气的湿度，流量传感器用于检测混合气的流量，并配合控制装置实现自动调节控制。
22.作为上述技术方案的进一步改进，所述流道管的外周包裹有隔热材料。提高热量的利用率，其中加热体为导热性好、耐高温的材料制成，加热体内部设置有电加热软件；旋流片为导热性好、耐高温的材料制成的旋流片状结构
23.此外本发明还提供一种燃料电池系统用喷水式增湿控制方法，其采用上述的增湿装置，所述流道管的进口连接于空气供给系统，所述流道管的出口连接于电堆，喷射流路的进口连接于供水系统，具体控制方法如下：
24.在冷启动工况、小负荷稳态工况、中等负荷稳态工况时，空气流量较小，需要水蒸气量较小，压力阀结构使喷射流路与第一出口流道连通，少量水从第一出口流道螺旋喷出至旋流部件，在旋流片的作用下水与干空气充分混合，同时加热体通电对气液旋流进行加热，增强喷出水的蒸发效果，其中水喷出旋向与旋流片旋向相同，降低水蒸气到达旋流片时遇到的气流阻力，对于冷启动工况，电堆温度很低，加大加热体的发热量，使气流温度大于平常的温度，将气液旋流加热达到合适进入电堆的气体温度与湿度，使电堆吸收更多热量，使电堆快速提升到高效的工作温度；
25.在大负荷稳态工况时，空气流量变大，混合气湿度下降，需要水量较多，加热体升至某一合适的高温，喷射流路内的水压增加，压力阀结构喷射流路与第二出口流道连通，水从第二出口流道螺旋喷出至旋流部件，其中水喷出旋向与旋流片旋向相反，水滴与可旋流片的高温壁面发生碰撞，使得水滴充分蒸发，增加水蒸气含量，水蒸气与空气混合均匀，提升电堆性能；
26.在加速工况或减速工况时，空气流量分别缓慢增加或降低，需要水蒸气量增加或降低，当喷射水压缓慢增加时，压力阀结构使得喷射流路从与第一出口流道连通连续变换至与第二出口流道连通；当喷射水压缓慢降低时，压力阀结构使得喷射流路从与第二出口流道连通连续变换至与第一出口流道连通，同时加热体的加热温度跟随变化，使得混合气湿度和温度保持在合适范围内，并使混合气混合均匀，以适应整个工况的变化过程的电堆工作情况。
27.本发明的有益效果是：解决液态水滴残留及干湿气体混合不均匀的问题；提高冷启动、大功率及变工况时燃料电池系统工作效率。
附图说明
28.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明；
29.图1是本发明所提供的燃料电池系统用喷水式增湿装置，其一实施例的结构示意图；
30.图2是本发明所提供的喷射部件，其一实施例的水从第一出口流道喷出时的示意图；
31.图3是本发明所提供的喷射部件，其一实施例的水从第二出口流道喷出时的示意图；
32.图4是本发明所提供的燃料电池系统用喷水式增湿装置，其一实施例的配套控制装置使用示意图。
具体实施方式
33.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.在本发明的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
36.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
37.参照图1～图4，本发明的燃料电池系统用喷水式增湿装置作出如下实施例：
38.本实施例的燃料电池系统用喷水式增湿装置包括流道管100、喷射部件200、旋流部件300、空气供给系统500、电堆600、供水系统、控制装置700、控制器800，流道管100呈前后延伸设置，其中氢气供给、冷却系统、dc/dc、空气压缩机等动力部件未示意，而控制装置700包括处理器cpu、只读存储器rom、随机存储器ram等的微计算机及系统中的传感器及其他子系统未示意，用于控制整个燃料电池系统运行，空气供给系统500从大气中获取的氧气经空气供给系统处理后供给入流道管100，空气在流道管100中经喷射部件200喷出的水加湿后进入电堆600，流道管100的后进气端口与空气供给系统500连接，而流道管100的前出气端口与电堆600连接，经控制装置700调节到设定压力的水进入喷射部件200，供水水箱及水流管道未示意。
39.其中，本实施例的喷射部件200与旋流部件300沿流道管100内部空气流动的方向依次间隔安装于流道管100中。
40.本实施例的旋流部件300包括有加热体310和旋流片320，其中加热体310呈前后延伸，加热体310与流道管100同轴设置，旋流片320螺旋安装于加热体310的外周，加热体310
内部安装有电加热元件，通过电加热元件实现加热体310的加热，本实施例中的旋流片320为导热性好、耐高温的材料制成的旋流片状结构，而加热体310为导热性好、耐高温的材料制成，当空气与湿气流过旋流部件300时，会生成旋流状气流，使空气与湿气形成的混合气混合更加均匀，当有液态水滴形成经过加热至高温的旋流部件300时，被高温蒸发，从而生成更多的水蒸气。
41.对于旋流部件300的安装固定，本实施例的加热体310上部连接有两个固定件311，两个固定件311呈前后间隔设置，加热体310通过固定件311悬架于流道管100的中心位置。
42.其中，两个固定件311还具有正负电极的作用，为加热体310通电加热，并且两个固定件311与流道管100接触位置有绝缘材料保护，防止导电。
43.本实施例的喷射部件200包括喷射基体210，喷射基体210也呈前后延伸，喷射基体210的前端为喷射端，喷射端朝向旋流部件300，在喷射基体210内设置有喷射流路211，喷射流路211呈前后延伸设置，在喷射基体210的喷射端设置有第一出口流道212与第二出口流道213，其中喷射流路211通过压力阀结构400与第一出口流道212、第二出口流道213实现通断。
44.并且本实施例的第一出口流道212与第二出口流道213均设有旋流状的出口结构，第一出口流道212上的出口结构与第二出口流道213上的出口结构的旋向相反，而第二出口流道213的出口结构就与旋流片320的旋向相反，本实施例的喷射端呈锥状，第一出口流道212上的出口结构位于喷射端中部位置，而第二出口流道213上的出口结构位于喷射端的外沿位置。
45.本实施例中的压力阀结构400受控于所述喷射流路211的水压，如果水压升至设定高值时，喷射流路211与第二出口流道213连通，而喷射流路211与第一出口流道212断开，如果水压降至设定低值时，喷射流路211与第一出口流道212连通，而喷射流路211与第二出口流道213断开。
46.也就是说，空气从流道管100流过，加湿的水经喷射流路211流入喷射基体210内，压力阀结构400根据喷射流路211的水压，以切换喷射流路211与第一出口流道212、第二出口流道213之间的通断，具体地，当水压高时，压力阀结构400使得喷射流路211与第二出口流道213连通，液体从第二出口流道213的出口螺旋喷出，并且此时的旋流片320的旋向与第二出口流道213的出口结构旋向相反，液态水与干空气混合形成与旋流片320反向的气液旋流，同时加热体310进行加热，液滴与旋流片320的高温壁面发生碰撞，使得液态水滴充分蒸发，增加水蒸气含量，提高混合气湿度，且在旋流片320的作用下使得水蒸气与空气混合均匀，在大负荷工况下增强水蒸气的雾化，这样可满足加速工况和大负荷工况；当水压低时，压力阀结构400使得喷射流路211与第一出口流道212连通，液体从第一出口流道212的出口螺旋喷出，液态水与干空气混合形成与旋流片320同向的气液旋流，可降低喷出的水蒸气到达旋流片320时遇到的气流阻力，且在旋流片的作用下与空气充分混合，小负荷工况下降低流体阻力，加热体310辅助加热干湿混合气，增强喷出水的蒸发效果，并通过旋流片320使混合气混合均匀，助于电堆600快速到达合适的工作温度，以实现在不同功率下改善燃料电池性能的目的
47.本实施例中的压力阀结构400包括柱塞410和弹性件420，柱塞410可滑动地安装在喷射流路211内，弹性件420就作用于柱塞410，弹性件420所提供的复位弹力，使得柱塞410
保持于封堵所述第二出口流道213的进口、而令喷射流路211与第一出口流道212的进口连通的位置，如果喷射流路211内的水压大，水压可推动柱塞410移动，并让弹性件420压缩，使得柱塞410移动至封堵所述第一出口流道212的进口、而令所述喷射流路211与第二出口流道213连通的位置。
48.也就是说，当水蒸气需求增加时，水压增大，柱塞410被水推动往前移动，压缩弹性件420，柱塞410移动至封堵所述第一出口流道212的进口，而令第二出口流道213的进口与所述喷射流路211连通，此时的液态水从第二出口流道213喷出，与干空气混合形成与旋流片320反向的气液旋流；而当水量需求降低时，水压降低，柱塞410在弹性件420的弹力下，柱塞410往回移动至封堵所述第二出口流道213的进口，而令所述第一出口流道212的进口与所述喷射流路211连通，液态水从第一出口流道212喷出，与干空气混合形成与旋流片320同向的气液旋流，进而实现了压力阀结构400随喷射流路211内部水压而实现自动切换的功能。
49.更具体地；本实施例的柱塞410可滑动地密封套设在喷射流路211的端部内，柱塞410设有前后延伸的中心流道411，中心流道411贯通柱塞410的两端，喷射流路211的前端呈封堵设置，第二出口流道213的进口和第一出口流道212的进口沿喷射流路211内部空气流动方向，呈间隔设置于喷射流路211的内壁，所述弹性件420安装于喷射流路211的前端与柱塞410的前端之间。
50.本实施例中的喷射流路211通过中心流道411与第一出口流道212连通，具体地：在喷射流路211中的水压降低至设定低值时，此时的柱塞410在弹性件420的弹力下，柱塞410被往回推动至复位状态，此时的柱塞410的内端也就是前端远离喷射流路211的内端，使得柱塞410前端与喷射流路211的内端形成的空腔与第一出口流道212连通，这样中心流道411通过该空腔与第一出口流道212连通，水依次流经喷射流路211、中心流道411、空腔和第一出口流道212。而当喷射流路211中的水压升至设定高值时，柱塞410被水推动往前移动，压缩弹性件420，柱塞410的前端越过第一出口流道212的进口，而柱塞410的周壁封堵第一出口流道212的进口，而柱塞410的后端也越过第二出口流道213的进口，此时的喷射流路211与第二出口流道213连通。
51.并且，为了形成压力差，喷射流路211的前端设有台阶凹槽214，而柱塞410的前端设有台阶凸起412，台阶凸起412滑动匹配地套设于台阶凹槽214中，弹性件420安装于台阶凹槽214中，台阶凹槽214一来可对弹性件420起到限位安装的作用，弹性件420一般采用弹簧结构，二来使得柱塞410的前后两端面的面积形成差异，随着水压增加，而面积差异而产生压力差会克服弹性件420的弹力，弹性件420被压缩。
52.本实施例的台阶凸起412伸入至所述台阶凹槽214内部时，即可封堵所述第一出口流道212的进口。
53.进一步地，本实施中的第一出口流道212的出口结构设置有多个，而第二出口流道213的出口结构也设有多个，每个出口流道上的出口结构都呈环形间隔设置，多个出口结构可提高喷水量。
54.更进一步地，在所述流道管100的出口处设置有温度传感器110、湿度传感器120和流量传感器130，温度传感器110用于检测混合气的温度，而湿度传感器120用于检测混合气的湿度，流量传感器130用于检测混合气的流量，并配合控制装置700和控制器800实现自动
调节控制
55.此外本发明还提供一种燃料电池系统用喷水式增湿控制方法，具体控制方法如下：
56.在冷启动工况时，尤其是在冬季，电堆600温度很低，导致燃料电池性能迅速下降，此时由传感器感知温度、流量及湿度信息，旋流部件300中的加热体310通电辅助加热混合气，并增强喷射部件200喷出水的蒸发效果，达到合适进入电堆600的气体温度与湿度，有助于电堆600快速到达合适的工作温度，提升电堆600工作性能；
57.在小负荷稳态工况、中等负荷稳态工况时，由流量传感器测得空气流量较小，需要水蒸气量较小，喷射水可在流道管100内完全细化为微小液滴，因此控制器700控制下喷射部件200喷射压力较低，水进入喷射流路211，下一步水从柱塞410的中心流道411流入，从第一出口流道212喷入流道管100，由于第一出口流道212旋向与旋流片320旋向相同，可降低喷出的水蒸气到达旋流片320时遇到的气流阻力，且在旋流片320的作用下与空气充分混合，进入电堆60，此时旋流部件300的温度由温度传感器110和控制装置700控制；
58.在大负荷稳态工况时，由传感器测得空气流量变大，混合气湿度下降，需要水量较多，在控制器800控制下喷射部件200喷射压力增大，可旋流部件300温度上升，随着水压增加，由于柱塞410两端面的面积差异而产生压力差并克服弹性件420的弹力，弹性件420被压缩，柱塞410移动至第一出口流道212被柱塞410关闭，第二出口流道213与喷射流路211连通，此时水从第二出口流道213喷入流道管100，由于喷射压力增大，喷射量较大，液滴细化不完全，残留大颗液滴增多，影响增湿性能。此时控制器800将加热体310升至某一合适的高温，由于第二出口流道213的旋向与旋流片320旋向相反，使得喷射出的水滴的旋向与旋流片320旋向相反，因此残留大颗液滴与旋流部件300的高温壁面发生碰撞，使得液态水滴充分蒸发，增加水蒸气含量，提高混合气湿度，且在旋流片320的作用下使得水蒸气与空气混合均匀，提升电堆600性能。
59.在处于加速工况或减速工况时，由流量传感器测得空气流量分别缓慢增加或降低，需要水蒸气量增加或降低，因此在控制器800控制下喷射部件200喷射压力增加或降低。当喷射压缓慢力增加时，柱塞410两侧的压力差克服弹性件420弹力，柱塞410因此缓慢移动，此时喷射流路211与第一出口流道212完全连通，第二出口流道213从关闭缓慢转变为第一出口流道212与液体第二出口流道213同时部分开启；进水压力继续增加，柱塞410继续沿同方向移动，第二出口流道213完全开启，液第一出口流道212关闭。由于此变换过程是连续变化的，因此可以适应整个过程的电堆工作情况。喷射部件200喷射出的微小液滴旋向由与旋流片320相同逐渐转变为相反，残留大颗液态水滴逐渐增加。在此过程中，逐渐加热旋流片320，可使生成的液态水滴即时蒸发为水蒸气，并与空气混合形成旋流状混合气，进行充分混合。并通过温度传感器110、湿度传感器120反馈通过控制器800将湿度和温度控制在合适范围。
60.如处于加速工况或减速工况时，由于第一出口流道212和第二出口流道213的开度是随电堆工作功率连续变化的，因此本发明提出的喷水式增湿装置的工作状态可以在柱塞410位置变化范围内的任一电堆功率固定，在喷射部件200和旋流部件300的配合工作下使得混合气湿度和温度保持在合适范围内，并使混合气混合均匀。
61.以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施
例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。