一种半自增湿燃料电池系统及发电设备的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池的供气系统技术领域，尤其涉及一种半自增湿燃料电池系统及发电设备。


背景技术：

2.燃料电池系统功率决定车辆动力系统的输出能力，随着燃料电池行业的迅速发展，燃料电池系统功率越来越大，现在主流的燃料电池系统功率为100kw左右，但是整车需求功率，尤其是重卡及矿卡的超大功率燃料电池需求功率大于200kw，甚至300kw。超大功率燃料电池系统带来优秀的动力性能，但是会导致燃料电池电堆阴极空气湿度不足的问题。目前一般是采用更大增湿效果的增湿器，这样增湿器的体积、重量就很大，不利于燃料电池系统的集成布置，另外一方面增湿器越大，干侧空气和湿侧空气窜漏量就越大，不利于燃料电池的性能和寿命。


技术实现要素：

3.有鉴于此，为了解决超大功率燃料电池系统电堆阴极空气湿度不足的问题，本实用新型的实施例提供了一种半自增湿燃料电池系统及发电设备。
4.本实用新型的实施例提供一种半自增湿燃料电池系统，包括：
5.一种半自增湿燃料电池系统，其特征在于，包括：
6.电堆；
7.空气管路，其连接所述电堆以对所述电堆输入空气，且所述空气管路上设有增湿器；
8.气水分离器，其用以实现所述电堆内部排出的空气的气水分离；
9.以及加湿管路，其连接所述气水分离器和所述空气管路，所述加湿管路上设有第一水泵，所述加湿管路用于将所述气水分离器分离出的液态水输送至所述空气管路。
10.进一步地，所述加湿管路上于所述第一水泵的下游依次设有储水室和第二水泵。
11.进一步地，所述储水室内部设有液位计，所述第一水泵与所述液位计连接。
12.进一步地，所述空气管路上沿着气流方向依次设有压缩机和中冷器。
13.进一步地，所述空气管路的进气口设有压力传感器。
14.进一步地，所述空气管路于所述压缩机的上游设有空气过滤器、流量传感器和第一温度传感器。
15.进一步地，所述空气管路上位于所述压缩机和所述中冷器之间设有第二温度传感器，所述加湿管路连接所述第二温度传感器和所述中冷器之间的空气管路。
16.进一步地，还包括排气管路，所述气水分离器的排气口与所述增湿器连通，并通过所述排气管路与外环境连通。
17.进一步地，还包括空气旁路，其一端连接所述空气管路、另一端连接所述排气管路，且所述空气旁路上设有阀件。
18.并且，本实用新型的实施例还提供了一种发电设备，应用上述的半自增湿燃料电池系统。
19.本实用新型的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本实用新型的一种半自增湿燃料电池系统及发电设备，利用气水分离器对燃料电池内部反应产生的湿空气进行气水分离，并通过加湿管路将分离出的液态水输送至空气管路中对空气进行加湿，辅助增湿器对超大功率燃料电池系统电堆阴极的空气加湿，可以大幅度降低超大功率燃料电池系统增湿器要求，选用的增湿器体积和重量小，有利于系统集成布置；同时减少了增湿器干侧空气和湿侧空气窜漏量，提高了燃料电池的性能和寿命。
附图说明
20.图1是本实用新型实一种半自增湿燃料电池系统的示意图。
21.图中：1-电堆、2-空气管路、3-加湿管路、4-气水分离器、5-排气管路、6-旁通管路、7-压缩机、8-中冷器、9-增湿器、10-空气过滤器、11-压力传感器、12-流量温度一体传感器、13-第二温度计、14-第一水泵、15-储水室、16-第二水泵、17-截止阀、18-背压阀、19-节气门、20-旁通阀。
具体实施方式
22.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。下面介绍的是本实用新型的多个可能实施例中的较优的一个，旨在提供对本实用新型的基本了解，但并不旨在确认本实用新型的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。
23.在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
24.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
25.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
26.在本实用新型的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接；可以是机械连接,也可以是电连接；可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
27.请参考图1，本实用新型的实施例提供了一种半自增湿燃料电池系统，应用于燃料电池的电堆1的阴极的氧气供应，该半自增湿燃料电池系统主要包括电堆1、空气管路2、气水分离器4和加湿管路3。
28.所述空气管路2与所述电堆1阴极的进气口连接，用于对所述电堆1的阴极输入压缩空气，进而为所述电堆1供应其反应所需的氧气。所述空气管路2上设有增湿器9，所述增湿器9用于对进入所述电堆1前的空气进行加湿来调节输入所述电堆1的氧气的湿度。
29.所述空气管路2一般由压缩机7和中冷器8组成，其中所述压缩机7对由外部输入的空气进行增压，由于增压会导致空气的温度升高，所述中冷器8对升温后的空气进行降温冷却，满足所述电堆1工作所需氧气的温度要求。
30.同时，所述增湿器9设置于所述中冷器8的下游，靠近所述电堆1阴极的进气口，经过所述增湿器9加湿后的空气直接进入所述电堆1。
31.继续如图1所示，本实施例中所述空气管路2上位于所述压缩机7的上游设有空气过滤器10、压力传感器11、流量传感器和第一温度传感器。所述空气管路2上位于所述中冷器8的下游设有一阀件节气门19。所述压力传感器11设置于所述空气管路2的进气口，可通过所述压力传感器11检测气压，进而根据气体确定水完全气化的温度。所述空气过滤器10对进入所述压缩机7前的空气进行过滤。所述流量传感器和第一温度传感器一体设置，具体为流量温度一体传感器12，可对进入所述空气管路2的空气流量和温度进行监测。
32.所述气水分离器4分别连接所述电堆1的排气口和所述加湿管路3。所述气水分离器4将所述电堆1内部反应产生的湿空气进行气水分离形成液态水和空气，其中液态水由所述加湿管路3输送至所述空气管路2，为所述空气管路2内部的空气加湿。
33.具体的，所述加湿管路3上设有第一水泵14，所述气水分离器4分离出的液态水首先暂时储存于其内置储水空间内，所述第一水泵14再将所述气水分离器4内部存储的液态水抽吸进入所述加湿管路3，并沿着所述加湿管路3进入所述空气管路2。
34.作为优选的技术方案，所述加湿管路3上于所述第一水泵14的下游依次设有储水室15和第二水泵16。并且所述加湿管路3上位于所述第一水泵14和所述储水室15之间还设有阀件截止阀17。其中所述第一水泵14将所述气水分离器4分离出的液态水抽吸至所述储水室15内储存，然后在需要对所述空气管路2内的空气加湿时再通过所述第二水泵16将所述储水室15内的液态水抽吸至所述空气管路2内。
35.并且由于主要通过储水室15进行储水，在选择所述气水分离器4时，应该选择内部内置储水空间较小的型号，如本实施例中内置储水空间为100ml。这样一方面有利于燃料电池系统小型化，另一方面在冬天分离出的水冻成冰时，不影响所述电堆1出口空气正常通过所述气水分离器4。在冬天，所述气水分离器4分离出的液态水温度较高，在液态水流过所述加湿管路3时具有加热功能，避免所述加湿管路3冻结。
36.进一步的，所述储水室15内部设有液位计，所述第一水泵14与所述液位计连接，所述第一水泵14受控于所述液位计，所述液位计可自动监测所述储水室15内水位，在所述储水室15水位低于预定的最低水位时，所述截止阀17开启，所述第一水泵14启动工作；在所述储水室15水位高于预定的最高水位时，所述第一水泵14停止工作，所述截止阀17关闭。
37.此外，本实施例中该半自增湿燃料电池系统还包括排气管路5和空气旁路6。
38.所述气水分离器4的排气口与所述增湿器9连通，所述排气管路5连接所述增湿器9，使所述气水分离器4的排气口通过所述排气管路5与外环境连通。且所述排气管路5上设有阀件背压阀18。经由所述气水分离器4分离出的气体流过所述增湿器9后通过所述排气管路5排出。
39.所述空气旁路6一端连接所述空气管路2、另一端连接所述排气管路5，且所述空气旁路6上设有阀件旁通阀20。通过所述空气旁路6可将所述空气管路2内的空气引入所述排气管路5，在所述电堆1开关机时利用空气稀释所述排气管路5内残留的氢气，提高安全性。
40.上述半自增湿燃料电池系统主要应用于功率大于200kw，甚至300kw的超大功率燃料电池，在燃料电池工作时，首先通过压力传感器11检测出的气压，通过查询气压与水完全气化的对应的表格确定水完全气化的温度t1。然后通过第二温度传感器13检测由所述空气机7压缩后的空气的温度t，在t＜t1时，所述第二水泵16不工作，所述空气管路2内的空气通过所述增湿器9进行增湿后进入所述电堆1；而在t≥t1，则所述第二水泵16工作，所述储水室15内的液态水流入所述空气管路2，与所述空气管路2内的压缩空气进行混合，此时，进入所述电堆1的空气通过所述加湿管路3及增湿器9共同增湿。
41.在上述半自增湿燃料电池系统的基础上，本实用新型的实施例还提供了一种发电设备，包括上述半自增湿燃料电池系统。将本实施例中的半自增湿燃料电池系统应用到发电设备上，如重型卡车或矿用卡车等动力性能要求较高的车辆上，满足发电设备行驶时燃料电池工作所需的氧气供应湿度条件，提高燃料电池性能和寿命。
42.在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解的是，它们是相对的概念，可以根据使用、放置的不同方式而相应地变化，所述方位词的使用不应限制本技术请求保护的范围。
43.在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
44.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种半自增湿燃料电池系统，其特征在于，包括：电堆；空气管路，其连接所述电堆以对所述电堆输入空气，且所述空气管路上设有增湿器；气水分离器，其用以实现所述电堆内部排出的空气的气水分离；以及加湿管路，其连接所述气水分离器和所述空气管路，所述加湿管路上设有第一水泵，所述加湿管路用于将所述气水分离器分离出的液态水输送至所述空气管路，且所述加湿管路上于所述第一水泵的下游依次设有储水室和第二水泵。2.如权利要求1所述的一种半自增湿燃料电池系统，其特征在于：所述储水室内部设有液位计，所述第一水泵与所述液位计连接。3.如权利要求1所述的一种半自增湿燃料电池系统，其特征在于：所述空气管路上沿着气流方向依次设有压缩机和中冷器。4.如权利要求3所述的一种半自增湿燃料电池系统，其特征在于：所述空气管路的进气口设有压力传感器。5.如权利要求3所述的一种半自增湿燃料电池系统，其特征在于：所述空气管路于所述压缩机的上游设有空气过滤器、流量传感器和第一温度传感器。6.如权利要求3所述的一种半自增湿燃料电池系统，其特征在于：所述空气管路上位于所述压缩机和所述中冷器之间设有第二温度传感器，所述加湿管路连接所述第二温度传感器和所述中冷器之间的空气管路。7.如权利要求1所述的一种半自增湿燃料电池系统，其特征在于：还包括排气管路，所述气水分离器的排气口与所述增湿器连通，并通过所述排气管路与外环境连通。8.如权利要求7所述的一种半自增湿燃料电池系统，其特征在于：还包括空气旁路，其一端连接所述空气管路、另一端连接所述排气管路，且所述空气旁路上设有阀件。9.一种发电设备，其特征在于，包括如权利要求1～8任意一项所述的一种半自增湿燃料电池系统。

技术总结
本实用新型提供一种半自增湿燃料电池系统及发电设备，该系统包括：电堆；空气管路，其连接电堆以对电堆输入空气，且空气管路上设有增湿器；气水分离器，其用以实现电堆内部排出的空气的气水分离；以及加湿管路，其连接气水分离器和空气管路，加湿管路上设有第一水泵，加湿管路用于将气水分离器分离出的液态水输送至空气管路。本实用新型的有益效果：辅助增湿器对超大功率燃料电池系统电堆阴极的空气加湿，可以大幅度降低超大功率燃料电池系统增湿器要求，选用的增湿器体积和重量小，有利于系统集成布置；同时减少了增湿器干侧空气和湿侧空气窜漏量，提高了燃料电池的性能和寿命。提高了燃料电池的性能和寿命。提高了燃料电池的性能和寿命。


技术研发人员：吕登辉 郝义国 张江龙 薛东彪
受保护的技术使用者：武汉格罗夫氢能汽车有限公司
技术研发日：2022.11.23
技术公布日：2023/8/5