專(zhuān)利名稱(chēng)：常壓燃料電池空氣增濕系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
常壓燃料電池空氣增濕系統(tǒng)屬于燃料電池水熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力下，國(guó)際各大汽車(chē)公司都致力于研制新能源、無(wú)污染的燃料電池汽車(chē)，作為燃料電池汽車(chē)的動(dòng)力核心——車(chē)用燃料電池系統(tǒng)，成為燃料電池汽車(chē)研發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。
現(xiàn)有車(chē)用燃料電池系統(tǒng)絕大部分為直接燃料電池系統(tǒng)，即區(qū)別于重整燃料電池系統(tǒng)，而直接利用車(chē)輛上的氫源進(jìn)行工作。根據(jù)燃料電池空氣系統(tǒng)增壓壓力不同，車(chē)用燃料電池系統(tǒng)分為加壓燃料電池系統(tǒng)和常壓燃料電池系統(tǒng)。加壓燃料電池系統(tǒng)使用空壓機(jī)作為空氣系統(tǒng)流動(dòng)動(dòng)力，增壓壓比為1.6～2.5；常壓燃料電池系統(tǒng)使用鼓風(fēng)機(jī)作為空氣系統(tǒng)流動(dòng)動(dòng)力，其增壓壓比在1.5以下。常壓燃料電池系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，鼓風(fēng)機(jī)等輔件功耗小等優(yōu)點(diǎn)。
燃料電池水熱管理是確保燃料電池良好工作性能的關(guān)鍵。燃料電池空氣增濕系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)是燃料電池水熱管理系統(tǒng)的兩個(gè)核心子系統(tǒng)?？諝庠鰸裣到y(tǒng)保證燃料電池堆空氣進(jìn)氣的濕度，冷卻系統(tǒng)保證燃料電池的工作溫度。
Nafion膜增濕器應(yīng)用于增濕系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快，傳質(zhì)速率高等優(yōu)點(diǎn)。
使用膜增濕器的常壓燃料電池系統(tǒng)工作溫度受到一定限制。膜增濕器工作溫度應(yīng)低于90℃，利用燃料電池排氣對(duì)干空氣進(jìn)氣增濕的系統(tǒng)中，膜增濕器進(jìn)口干空氣溫度高于60℃時(shí)增濕效果較差，將嚴(yán)重惡化車(chē)用燃料電池系統(tǒng)性能；質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度應(yīng)低于80℃。因此需要采取措施保證膜增濕器進(jìn)口干空氣溫度低于60℃；燃料電池堆進(jìn)口空氣溫度低于80℃。
現(xiàn)有典型的常壓燃料電池增濕系統(tǒng)有兩種形式及主要缺點(diǎn)。
1)空氣在經(jīng)過(guò)空氣濾清器、增濕器和鼓風(fēng)機(jī)后沒(méi)有被冷卻就直接進(jìn)入燃料電池堆；鼓風(fēng)機(jī)效率較低時(shí)，大空氣流量條件下可能引起燃料電池空氣進(jìn)口溫度較高，降低質(zhì)子交換膜使用壽命。
2)空氣在經(jīng)過(guò)空氣濾清器、鼓風(fēng)機(jī)后沒(méi)有被冷卻就直接進(jìn)入增濕器然后被引入燃料電池堆；大流量條件下，鼓風(fēng)機(jī)出口溫度很容易高于60℃，引起增濕器性能惡化。
3)空氣增濕系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)分開(kāi)獨(dú)立運(yùn)行，沒(méi)有耦合集成，系統(tǒng)的熱能沒(méi)有得到優(yōu)化配置和合理利用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有常壓燃料電池增濕系統(tǒng)存在的主要缺陷，利用熱換器將冷卻系統(tǒng)和空氣增濕系統(tǒng)集成起來(lái)，合理利用燃料電池子系統(tǒng)的熱能，穩(wěn)定了空氣增濕系統(tǒng)和燃料電池堆的性能，提高了系統(tǒng)的效率。
本發(fā)明的特征在于，含有空氣濾清器(1)、增濕器(2)和鼓風(fēng)機(jī)(3)，其特征在于，將換熱器(4)把所述空氣增濕系統(tǒng)和燃料電池的冷卻系統(tǒng)集成起來(lái)，所述換熱器(4)的一根管道與空氣增濕系統(tǒng)的管道相連，換熱器(4)的另一根管道與冷卻系統(tǒng)的管道相連，通過(guò)冷卻系統(tǒng)中的冷卻水使得增濕系統(tǒng)中的空氣降溫。
所述換熱器(4)可以置于空氣濾清器(1)、增濕器(2)和鼓風(fēng)機(jī)(3)之后，空氣依次經(jīng)過(guò)空氣濾清器(1)、增濕器(2)、鼓風(fēng)機(jī)(3)和換熱器(4)之后流入燃料電池堆。
所述換熱器(4)也可以置于鼓風(fēng)機(jī)(3)和增濕器(2)之間，空氣依次經(jīng)過(guò)空氣濾清器(1)、鼓風(fēng)機(jī)(3)、換熱器(4)和增濕器(2)之后流入燃料電池堆。
在所述增濕器(2)的濕空氣側(cè)裝有流量分配控制閥(6)。
試驗(yàn)證明，本發(fā)明采用熱換器將冷卻系統(tǒng)和增濕系統(tǒng)有效集成起來(lái)，使得系統(tǒng)效率升高；增濕器進(jìn)口干空氣溫度能夠得到有效控制，增濕器和電堆性能可以穩(wěn)定獲得預(yù)期性能。


圖1是本發(fā)明的方案1示意圖；圖2是本發(fā)明的方案2示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合

本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
現(xiàn)有燃料電池堆增濕系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)各自獨(dú)立運(yùn)行，增濕系統(tǒng)一般含有空氣濾清器，增濕器和鼓風(fēng)機(jī)，空氣濾清器過(guò)濾掉系統(tǒng)空氣進(jìn)氣的固體顆粒懸浮物，空氣經(jīng)過(guò)增濕器被加濕，空氣在鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)被壓縮。冷卻系統(tǒng)一般含有冷卻水泵和散熱器，水泵出口冷卻水進(jìn)入燃料電池堆吸收燃料電池堆放出的熱量，使燃料電池堆工作在適當(dāng)溫度，升溫后的冷卻水經(jīng)過(guò)散熱器向空氣中釋放熱量，保持低溫進(jìn)入冷卻水泵被循環(huán)利用。若需對(duì)增濕器進(jìn)口干空氣溫度進(jìn)行有效控制需要另外增加冷卻水泵等設(shè)備，會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度。
本發(fā)明利用換熱器將增濕系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)有效集成，下面對(duì)本發(fā)明兩種實(shí)施方案進(jìn)行具體說(shuō)明如圖1所示，方案1中換熱器(4)置于增濕器(2)和鼓風(fēng)機(jī)(3)之后，一側(cè)通過(guò)經(jīng)過(guò)鼓風(fēng)機(jī)壓縮的熱空氣，一側(cè)通過(guò)循環(huán)利用的電堆冷卻水。經(jīng)過(guò)鼓風(fēng)機(jī)的熱空氣被冷卻水冷卻，溫度被調(diào)節(jié)，通過(guò)換熱器(4)的冷卻水流量由流量分配控制閥(9)調(diào)節(jié)。此方案下，干空氣先被增濕后被壓縮，經(jīng)過(guò)增濕器(2)的被增濕氣體中的水蒸氣被壓縮，經(jīng)過(guò)鼓風(fēng)機(jī)(3)后被增濕氣體露點(diǎn)溫度進(jìn)一步升高。被增濕干空氣流量一定時(shí)，增濕器內(nèi)濕空氣流量大小對(duì)增濕器的增濕性能影響很大，燃料電池堆(5)出口濕空氣流量可以通過(guò)流量分配閥(6)調(diào)節(jié)。
方案2中換熱器(4)置于鼓風(fēng)機(jī)(3)和增濕器(2)之間，一側(cè)通過(guò)經(jīng)過(guò)鼓風(fēng)機(jī)壓縮的熱空氣，一側(cè)通過(guò)循環(huán)利用的電堆冷卻水。經(jīng)過(guò)鼓風(fēng)機(jī)的熱空氣被冷卻水冷卻，溫度被調(diào)節(jié)，通過(guò)換熱器(4)的冷卻水流量由流量分配控制閥(9)調(diào)節(jié)。此方案下，干空氣先被壓縮后被增濕，經(jīng)過(guò)鼓風(fēng)機(jī)(3)的干空氣溫度上升，被換熱器(4)冷卻后溫度和壓力被調(diào)整然后通過(guò)增濕器(2)被增濕。這種方案下，增濕器進(jìn)口空氣溫度可以根據(jù)增濕器工作特性靈活調(diào)節(jié)，而在方案1中增濕器進(jìn)口溫度為環(huán)境溫度，不能夠靈活調(diào)節(jié)。
本發(fā)明冷卻系統(tǒng)與增濕系統(tǒng)被有效集成，系統(tǒng)效率升高；增濕器進(jìn)口干空氣溫度以及濕空氣流量能夠得到有效控制，增濕器和電堆性能可以穩(wěn)定獲得預(yù)期性能。
權(quán)利要求
1.常壓燃料電池空氣增濕系統(tǒng)，含有空氣濾清器(1)、增濕器(2)和鼓風(fēng)機(jī)(3)，其特征在于，將換熱器(4)把所述空氣增濕系統(tǒng)和燃料電池的冷卻系統(tǒng)集成起來(lái)，所述換熱器(4)的一根管道與空氣增濕系統(tǒng)的管道相連，換熱器(4)的另一根管道與冷卻系統(tǒng)的管道相連，通過(guò)冷卻系統(tǒng)中的冷卻水使得增濕系統(tǒng)中的空氣降溫。
2.如權(quán)利要求1所述的常壓燃料電池空氣增濕系統(tǒng)，其特征在于，所述換熱器(4)置于空氣濾清器(1)、增濕器(2)和鼓風(fēng)機(jī)(3)之后，空氣依次經(jīng)過(guò)空氣濾清器(1)、增濕器(2)、鼓風(fēng)機(jī)(3)和換熱器(4)之后流入燃料電池堆。
3.如權(quán)利要求1所述的常壓燃料電池空氣增濕系統(tǒng)，其特征在于，所述換熱器(4)置于鼓風(fēng)機(jī)(3)和增濕器(2)之間，空氣依次經(jīng)過(guò)空氣濾清器(1)、鼓風(fēng)機(jī)(3)、換熱器(4)和增濕器(2)之后流入燃料電池堆。
4.如權(quán)利要求1所述的常壓燃料電池空氣增濕系統(tǒng)，其特征在于，在所述增濕器(2)的濕空氣側(cè)裝有流量分配控制閥(6)。
全文摘要
常壓燃料電池空氣增濕系統(tǒng)屬于燃料電池水熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于，將換熱器把空氣增濕系統(tǒng)和燃料電池的冷卻系統(tǒng)集成起來(lái)，換熱器的一根管道與空氣增濕系統(tǒng)的管道相連，另一根管道與冷卻系統(tǒng)的管道相連，通過(guò)冷卻系統(tǒng)中的冷卻水使得增濕系統(tǒng)中的空氣降溫。換熱器可以置于空氣濾清器、增濕器和鼓風(fēng)機(jī)之后，也可以置于鼓風(fēng)機(jī)和增濕器之間。本發(fā)明使得系統(tǒng)效率升高；增濕器進(jìn)口干空氣溫度能夠得到有效控制，增濕器和電堆性能可以穩(wěn)定獲得預(yù)期性能。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1794506SQ20051013548
公開(kāi)日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月31日
發(fā)明者諸葛偉林, 勞星勝, 張揚(yáng)軍, 歐陽(yáng)明高, 韓永杰, 陳瀟 申請(qǐng)人:清華大學(xué)