本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種基于霧化增濕方式的燃料電池系統(tǒng)及其濕度調(diào)節(jié)方法。

背景技術(shù)：

1、在燃料電池系統(tǒng)中，空氣入口加濕是解決電堆水熱管理的重要途徑，現(xiàn)有技術(shù)中主要有鼓泡加濕、膜加濕等方式，但在車(chē)載應(yīng)用場(chǎng)景，仍然以膜加濕為主，鼓泡加濕方式多適用于實(shí)驗(yàn)室。

2、膜加濕方式的原理是空氣出口的加濕氣體通過(guò)膜反滲透進(jìn)空氣入口，為空氣入口處的空氣增濕。膜加濕方式屬于被動(dòng)控制，濕度的調(diào)節(jié)取決于膜管的數(shù)量。對(duì)于車(chē)載變載工況，不同工況所需濕度不同，因此膜加濕方式不能友好的適應(yīng)車(chē)載變載工況。因此，有必要基于車(chē)載場(chǎng)景，提供一種濕度可主動(dòng)調(diào)節(jié)的加濕裝置，具體地，提供一種基于霧化增濕方式的燃料電池系統(tǒng)及其濕度調(diào)節(jié)方法，解決上述現(xiàn)有現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于霧化增濕方式的燃料電池系統(tǒng)及其濕度調(diào)節(jié)方法，目的在于，提供一種濕度可主動(dòng)調(diào)節(jié)的加濕裝置，實(shí)現(xiàn)變工況下濕度的主動(dòng)調(diào)節(jié)，從而提升電堆的壽命，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的電堆水管理。

2、為達(dá)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

3、一種基于霧化增濕方式的燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)包括電堆、供氫子系統(tǒng)、供氧子系統(tǒng)；

4、所述供氫子系統(tǒng)包括氫源、比例閥、引射器、分水器，氫源依次連接比例閥、引射器和電堆的陽(yáng)極入口，電堆的陽(yáng)極出口連接分水器，分水器的氣體出口連接引射器；

5、所述供氧子系統(tǒng)包括空壓機(jī)、混合室、霧化器、噴霧水泵、集水箱，空壓機(jī)的第一出口依次連接混合室、電堆的陰極入口，所述空壓機(jī)的第二出口連接霧化器的氣體入口；電堆的陰極出口連接尾排管道；所述集水箱的液體入口連接分水器的的液體出口，所述集水箱的液體出口依次連接噴霧水泵、霧化器和混合室。

6、進(jìn)一步的，所述混合室用于入堆氣體增濕，在混合室內(nèi)，利用空壓機(jī)第一出口流出的高溫空氣將霧化器噴出的霧滴氣化，進(jìn)而與空氣均勻混合。

7、進(jìn)一步的，所述電堆的陰極出口連接的尾排管道上設(shè)置有背壓閥。

8、進(jìn)一步的，空壓機(jī)的入口處設(shè)置有空氣流量計(jì)；電堆的陰極入口處設(shè)置有第一壓力傳感器；噴霧水泵與霧化器之間的管路上設(shè)置有第二壓力傳感器；混合室的出口處設(shè)置有溫濕度傳感器；電堆的冷卻路出口設(shè)置有第一溫度傳感器；電堆的冷卻路入口設(shè)置有第二溫度傳感器。

9、本發(fā)明還提供了一種基于上述燃料電池系統(tǒng)的濕度調(diào)節(jié)方法，所述濕度調(diào)節(jié)方法具體如下：

10、當(dāng)燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，供氫子系統(tǒng)中的分水器分離出的液態(tài)水進(jìn)入集水箱，集水箱中的液態(tài)水在噴霧水泵的作用下進(jìn)入霧化器；

11、空氣經(jīng)空壓機(jī)壓縮的高溫空氣，其中一小部分高溫空氣經(jīng)空壓機(jī)的第二出口流出進(jìn)入霧化器，用于將霧化器內(nèi)的液態(tài)水霧化成更小的霧滴；大部分高溫空氣經(jīng)空壓機(jī)的第一出口流出進(jìn)入混合室，在混合室內(nèi)，利用空壓機(jī)第一出口流出的高溫空氣將霧化器噴出的霧滴氣化，進(jìn)而與空氣均勻混合，為入堆空氣增濕；

12、控制噴霧水泵轉(zhuǎn)速，保持p霧化-p進(jìn)＝20kpa，保證霧化器能持續(xù)霧化，p霧化為噴霧水泵與霧化器之間管路中的氣體壓力，由設(shè)置在噴霧水泵與霧化器之間的管路上的第二壓力傳感器測(cè)量得到，p進(jìn)為電堆空氣入口氣體壓力，由設(shè)置在電堆的陰極入口處的第一壓力傳感器測(cè)量得到；

13、所述在空氣計(jì)量比λ不變時(shí)，計(jì)算電堆空氣入口氣體壓力p進(jìn)的取值范圍；

14、調(diào)節(jié)空氣入口濕度rh，對(duì)于固定的系統(tǒng)，每個(gè)工況點(diǎn)均有一個(gè)最佳的濕度值，根據(jù)工況設(shè)定目標(biāo)的rh實(shí)際，獲取溫濕度傳感器上反饋的濕度值rh實(shí)際，比較rh實(shí)際和rh實(shí)際，根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行濕度調(diào)節(jié)。

15、進(jìn)一步的，所述在空氣計(jì)量比λ不變時(shí)，計(jì)算電堆空氣入口氣體壓力p進(jìn)的取值范圍，具體方法如下：

16、計(jì)算電堆空氣入口氣體壓力的最大值為保持p霧化-p進(jìn)＝20kpa，p霧化增大，p進(jìn)也隨著增大，當(dāng)霧化水泵達(dá)到最高轉(zhuǎn)速時(shí)，p霧化達(dá)到最大值，對(duì)應(yīng)p進(jìn)也達(dá)到最大值，即當(dāng)霧化水泵達(dá)到最高轉(zhuǎn)速時(shí)，計(jì)算得到電堆空氣入口氣體壓力的最大值

17、進(jìn)一步的，所述在空氣計(jì)量比λ不變時(shí)，計(jì)算電堆空氣入口氣體壓力p進(jìn)的取值范圍，具體方法如下還包括：

18、計(jì)算電堆空氣入口氣體壓力的最小值計(jì)算公式如下：

19、

20、式中，λ為空氣計(jì)量比；k為電堆流阻系數(shù)；i為電堆的工作電流；n為電堆中的單電池片數(shù)；f為法拉第常數(shù)；m空氣為空氣的摩爾質(zhì)量；t出為電堆的冷卻路出口的冷卻液溫度；

21、p進(jìn)隨著空氣計(jì)量比λ的增大而增大，對(duì)于固定的λ，由公式(1)計(jì)算出電堆入口氣體壓力的最小值

22、電堆空氣入口氣體壓力p進(jìn)的取值范圍為

23、進(jìn)一步的，所述比較rh實(shí)際和rh實(shí)際，根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行濕度調(diào)節(jié)，具體如下：

24、當(dāng)rh實(shí)際＝rh目標(biāo)時(shí)，保持當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)條件；

25、當(dāng)rh實(shí)際＜rh目標(biāo)時(shí)，此時(shí)空氣計(jì)量比λ不變，增大背壓閥開(kāi)度，降低空壓機(jī)轉(zhuǎn)速，從而降低p進(jìn)，直至滿足目標(biāo)濕度；若降低p進(jìn)至?xí)r仍然不能滿足進(jìn)氣濕度需求，則減小陰極進(jìn)氣流量，即降低空氣計(jì)量比λ，從而進(jìn)一步降低直至能滿足目標(biāo)濕度；

26、當(dāng)rh實(shí)際＞rh目標(biāo)時(shí)，此時(shí)空氣計(jì)量比λ不變，降低背壓閥開(kāi)度，增大空壓機(jī)轉(zhuǎn)速，逐步增大p進(jìn)，直至滿足目標(biāo)濕度；若增大p進(jìn)至?xí)r仍然不能滿足進(jìn)氣濕度需求，則設(shè)定此時(shí)達(dá)到能控制最高濕度。

27、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

28、(1)通過(guò)在空壓機(jī)后端設(shè)置混合室，并利用霧化器在混合室中為入堆空氣增濕，取代傳統(tǒng)膜式增濕器，降低燃料電池成本；通過(guò)設(shè)置具有兩個(gè)出口的空壓機(jī)，經(jīng)空壓機(jī)壓縮的高溫空氣，利用其中的一小部分高溫空氣經(jīng)空壓機(jī)的第二出口流出進(jìn)入霧化器，將霧化器內(nèi)的液態(tài)水霧化成更小的霧滴；而大部分高溫空氣經(jīng)空壓機(jī)的第一出口流出進(jìn)入混合室，在混合室內(nèi)，利用空壓機(jī)第一出口流出的高溫空氣將霧化器噴出的霧滴氣化，進(jìn)而與空氣均勻混合，為入堆空氣增濕。

29、(2)通過(guò)設(shè)置集水箱收集供氫子系統(tǒng)中分水器分離出的液態(tài)水，為霧化器提供液態(tài)水，充分利用電堆產(chǎn)水，實(shí)現(xiàn)燃料電池的自增濕；同時(shí)通過(guò)精確的公式計(jì)算，確定電堆入口氣體壓力p進(jìn)的取值范圍，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)工況設(shè)定目標(biāo)的rh實(shí)際，獲取溫濕度傳感器上反饋的濕度值rh實(shí)際，比較rh實(shí)際和rh實(shí)際，根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行濕度調(diào)節(jié)。通過(guò)霧化增濕的方式，控制進(jìn)氣流量與進(jìn)氣壓力，實(shí)現(xiàn)變工況下濕度的主動(dòng)調(diào)節(jié)，一方面有利于電堆的壽命提升，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的電堆水管理，另一方面為精確的濕度控制提供了解決方案。

30、本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說(shuō)明書(shū)中闡述，并且，部分地從說(shuō)明書(shū)中變得顯而易見(jiàn)，或者通過(guò)實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)在說(shuō)明書(shū)以及附圖中所指出的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。

技術(shù)特征：

1.一種基于霧化增濕方式的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池系統(tǒng)包括電堆(4)、供氫子系統(tǒng)、供氧子系統(tǒng)；

2.如權(quán)利要求1所述的基于霧化增濕方式的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述混合室(10)用于入堆氣體增濕，在混合室(10)內(nèi)，利用空壓機(jī)(9)第一出口流出的高溫空氣將霧化器(8)噴出的霧滴氣化，進(jìn)而與空氣均勻混合。

3.如權(quán)利要求2所述的基于霧化增濕方式的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述電堆(4)的陰極出口連接的尾排管道上設(shè)置有背壓閥(11)。

4.如權(quán)利要求3所述的基于霧化增濕方式的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，空壓機(jī)(9)的入口處設(shè)置有空氣流量計(jì)(17)；電堆(4)的陰極入口處設(shè)置有第一壓力傳感器(15)；噴霧水泵(7)與霧化器(8)之間的管路上設(shè)置有第二壓力傳感器(16)；混合室(10)的出口處設(shè)置有溫濕度傳感器(14)；電堆(4)的冷卻路出口設(shè)置有第一溫度傳感器(13)；電堆(4)的冷卻路入口設(shè)置有第二溫度傳感器(12)。

5.一種基于權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)的濕度調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述濕度調(diào)節(jié)方法具體如下：

6.如權(quán)利要求5所述的濕度調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述在空氣計(jì)量比λ不變時(shí)，計(jì)算電堆空氣入口氣體壓力p進(jìn)的取值范圍，具體方法如下：

7.如權(quán)利要求6所述的濕度調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述在空氣計(jì)量比λ不變時(shí)，計(jì)算電堆空氣入口氣體壓力p進(jìn)的取值范圍，具體方法如下還包括：

8.如權(quán)利要求7所述的濕度調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述比較rh實(shí)際和rh實(shí)際，根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行濕度調(diào)節(jié)，具體如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于霧化增濕方式的燃料電池系統(tǒng)及其濕度調(diào)節(jié)方法，燃料電池系統(tǒng)包括電堆、供氫子系統(tǒng)、供氧子系統(tǒng)；供氫子系統(tǒng)的氫源依次連接比例閥、引射器和電堆的陽(yáng)極入口，電堆的陽(yáng)極出口連接分水器，分水器的氣體出口連接引射器；供氧子系統(tǒng)空壓機(jī)的第一出口依次連接混合室、電堆的陰極入口，空壓機(jī)的第二出口連接霧化器的氣體入口；電堆的陰極出口連接尾排管道；集水箱的液體入口連接分水器的的液體出口，集水箱的液體出口依次連接噴霧水泵、霧化器和混合室。通過(guò)霧化增濕的方式，控制進(jìn)氣流量與進(jìn)氣壓力，實(shí)現(xiàn)變工況下濕度的主動(dòng)調(diào)節(jié)，一方面有利于電堆的壽命提升，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的電堆水管理，另一方面為精確的濕度控制提供了解決方案。

技術(shù)研發(fā)人員：羅馬吉,黃易元,唐廷江,林琪靈,黃妙華
受保護(hù)的技術(shù)使用者：武漢理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15