燃料电池进气增湿控制装置、燃料电池及车辆的制作方法

1.本发明属于燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池进气增湿控制装置、燃料电池及车辆。


背景技术：

2.燃料电池发动机对于空气进气有一定湿度需求，即进气的空气需要增湿，并且湿度需要控制在一定范围内。
3.目前的燃料电池发动机空气进气增湿方案主要为增湿器增湿，即利用电堆排出的湿空气经过增湿器内部膜管，水蒸气透过膜管与入堆的干空气混合给以使干空气增湿。
4.目前增湿器的成本费用较高，且制造技术要求较高；
5.目前增湿器体积大，燃料电池整机体积较大，对整车的紧凑型布置不够友好；
6.目前增湿器为开环控制，偏向于纯机械件，增湿效果无闭环控制；
7.目前增湿需要水箱存液态水，存在低温结冰问题。


技术实现要素：

8.针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种燃料电池进气增湿控制装置、燃料电池及车辆，至少部分的解决现有技术中存在的低温结冰问题。
9.第一方面，本公开实施例提供了一种燃料电池进气增湿控制装置，包括：膨胀机、分水件和比例阀；所述膨胀机包括压轮和涡轮，压轮的出气口与燃料电池电堆的进气口连通，涡轮的进气口与燃料电池出气口连通，涡轮的出气口与分水器的进气口连通，进入分水器的气体经液气分离后得到液体和气体，液体经比例阀流入压轮的进气口对进入压轮的空气增湿，气体经尾排排出。
10.可选的，通过控制比例阀开度控制进入压轮的液体流量，从而控制进气湿度。
11.可选的，所述分水件为离心式。
12.可选的，液体经过压轮高速旋转的叶片而细化为液滴，液滴吸收压轮出口的气体热量而汽化。
13.可选的，进入压轮的液体质量流量根据进堆的目标露点温度计算得到。
14.可选的，根据进堆的目标露点温度计算公式为：
15.lgpw＝7.07406-(1657.46/(t+227.02))，
16.d＝0.622pw/(p-pw)，
17.mw＝q*d，
18.其中，pw为水蒸气分压力，t为进堆目标露点温度，d为含湿量，p为进堆湿空气总压力，q为进堆干空气流量，mw为控制进入压轮的液体质量流量。
19.可选的，所述压轮的出气口设置压力传感器。
20.可选的，所述压轮的进气口与空滤连通，所述空滤和压轮的进气口之间设置流量计。
21.第二方面，本公开实施例还提供了一种燃料电池，包括：第一方面任一所述的燃料电池进气增湿控制装置。
22.第三方面，本公开实施例还提供了一种车辆，包括：第一方面任一所述的燃料电池进气增湿控制装置。
23.本发明提供的燃料电池进气增湿控制装置、燃料电池及车辆。其中该燃料电池进气增湿控制装置，通过在膨胀机的压轮和涡轮之间设置管路，使用涡轮排出的液体对进入压轮的空气进行加湿，不需要设置水箱存液态水，从而解决了低温结冰的目的。
24.而省去外部增湿器，达到成本低、体积小、结构简单且增湿可控的目的；
25.增湿的同时降低了空压机出口温度，达到节省散热所需能量的目的；
26.采用比例阀对液体进行控制，实现增湿效果闭环控制的目的。
附图说明
27.通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
28.图1为本公开实施例提供的燃料电池进气增湿控制装置的结构框图。
具体实施方式
29.下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
30.应当明确，以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
31.需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
32.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图示中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
33.另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
34.为了便于理解，如图1所示，本实施例公开了一种燃料电池进气增湿控制装置，包括：膨胀机、分水件和比例阀；所述膨胀机包括压轮和涡轮，压轮的出气口与燃料电池电堆的进气口连通，涡轮的进气口与燃料电池出气口连通，涡轮的出气口与分水器的进气口连通，进入分水器的气体经液气分离后得到液体和气体，液体经比例阀流入压轮的进气口对进入压轮的空气增湿，气体经尾排排出。
35.可选的，通过控制比例阀开度控制进入压轮的液体流量，从而控制进气湿度。
36.可选的，所述分水件为离心式。
37.可选的，液体经过压轮高速旋转的叶片而细化为液滴，液滴吸收压轮出口的气体热量而汽化。
38.可选的，进入压轮的液体质量流量根据进堆的目标露点温度计算得到。
39.膨胀机涡轮出口连接一个分水件，分水件可以为离心式的或其他形式，其功能为将膨胀机涡轮排出的尾气进行气液分离，气体排放到尾排大气中，液态水(水雾或者小液滴)通过一个支路到压轮进气口，并在此支路上添加一个比例阀，通过控制不同开度以控制涡轮到压轮的液态水流量，液态水(水雾或者小液滴)经过压轮高速旋转的叶片而进一步细化为更小的小液滴，并吸收压轮出口的高温气体热量而气化，增加了压轮出口空气湿度的同时降低了温度。
40.可选的，根据进堆的目标露点温度计算公式为：
41.lgpw＝7.07406-(1657.46/(t+227.02))，
42.d＝0.622pw/(p-pw)，
43.mw＝q*d，
44.其中，pw为水蒸气分压力，单位为kpaa；t为进堆目标露点温度，单位为℃；d为含湿量，单位为kg/kg；p为进堆湿空气总压力，单位为kpaa；q为进堆干空气流量，单位为kg/s；mw为控制进入压轮的液体质量流量，单位为kg/s。
45.可选的，所述压轮的出气口设置压力传感器。
46.可选的，所述压轮的进气口与空滤连通，所述空滤和压轮的进气口之间设置流量计。
47.利用尾排水再循环方式，涡轮排气口与压轮进气口增加一条支路，通过汽水分离器将液态水与尾排空气分离开，同时通过比例阀开度控制进入空压机的液态水(水雾或者小液滴)流量，以达到控制进气湿度的目的。
48.本实施例还公开了一种燃料电池，包括：本实施例公开的燃料电池进气增湿控制装置。
49.本实施例还公开了一种车辆，包括：本实施例公开的燃料电池进气增湿控制装置。
50.本实施例的燃料电池进气增湿控制装置覆盖冷启动工况，冷启动工况同样可以增湿。
51.以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本公开为必须采用上述具体的细节来实现。
52.在本公开中，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。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
53.另外，如在此使用的，在以“至少一个”开始的项的列举中使用的“或”指示分离的列举，以便例如“a、b或c的至少一个”的列举意味着a或b或c，或ab或ac或bc，或abc(即a和b和c)。此外，措辞“示例的”不意味着描述的例子是优选的或者比其他例子更好。
54.还需要指出的是，在本公开的系统和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本公开的等效方案。
55.可以不脱离由所附权利要求定义的教导的技术而进行对在此所述的技术的各种改变、替换和更改。此外，本公开的权利要求的范围不限于以上所述的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法和动作的具体方面。可以利用与在此所述的相应方面进行基本相同的功能或者实现基本相同的结果的当前存在的或者稍后要开发的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法或动作。因而，所附权利要求包括在其范围内的这样的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法或动作。
56.提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本公开。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本公开的范围。因此，本公开不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
57.为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本公开的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

技术特征：
1.一种燃料电池进气增湿控制装置，其特征在于，包括：膨胀机、分水件和比例阀；所述膨胀机包括压轮和涡轮，压轮的出气口与燃料电池电堆的进气口连通，涡轮的进气口与燃料电池出气口连通，涡轮的出气口与分水器的进气口连通，进入分水器的气体经液气分离后得到液体和气体，液体经比例阀流入压轮的进气口对进入压轮的空气增湿，气体经尾排排出。2.根据权利要求1所述的燃料电池进气增湿控制装置，其特征在于，通过控制比例阀开度控制进入压轮的液体流量，从而控制进气湿度。3.根据权利要求1所述的燃料电池进气增湿控制装置，其特征在于，所述分水件为离心式。4.根据权利要求1所述的燃料电池进气增湿控制装置，其特征在于，液体经过压轮高速旋转的叶片而细化为液滴，液滴吸收压轮出口的气体热量而汽化。5.根据权利要求1所述的燃料电池进气增湿控制装置，其特征在于，进入压轮的液体质量流量根据进堆的目标露点温度计算得到。6.根据权利要求5所述的燃料电池进气增湿控制装置，其特征在于，根据进堆的目标露点温度计算公式为：lgp
w
＝7.07406-(1657.46/(t+227.02))，d＝0.622p
w
/(p-p
w
)，m
w
＝q*d，其中，p
w
为水蒸气分压力，t为进堆目标露点温度，d为含湿量，p为进堆湿空气总压力，q为进堆干空气流量，m
w
为控制进入压轮的液体质量流量。7.根据权利要求1所述的燃料电池进气增湿控制装置，其特征在于，所述压轮的出气口设置压力传感器。8.根据权利要求1所述的燃料电池进气增湿控制装置，其特征在于，所述压轮的进气口与空滤连通，所述空滤和压轮的进气口之间设置流量计。9.一种燃料电池，其特征在于，包括：权利要求1至8任一所述的燃料电池进气增湿控制装置。10.一种车辆，其特征在于，包括：权利要求1至8任一所述的燃料电池进气增湿控制装置。

技术总结
本发明提供了一种燃料电池进气增湿控制装置、燃料电池及车辆。其中，燃料电池进气增湿控制装置，包括：膨胀机、分水件和比例阀；所述膨胀机包括压轮和涡轮，压轮的出气口与燃料电池电堆的进气口连通，涡轮的进气口与燃料电池出气口连通，涡轮的出气口与分水器的进气口连通，进入分水器的气体经液气分离后得到液体和气体，液体经比例阀流入压轮的进气口对进入压轮的空气增湿，气体经尾排排出。通过在膨胀机的压轮和涡轮之间设置管路，使用涡轮排出的液体对进入压轮的空气进行加湿，不需要设置水箱存液态水，从而解决了低温结冰的目的。从而解决了低温结冰的目的。从而解决了低温结冰的目的。


技术研发人员：齐红环 李阳 张潇丹 王肖奎 渠海洋 祁梓仟 方川 司宗正
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：2023.06.27
技术公布日：2023/9/7