專利名稱：常壓燃料電池空氣增濕系統的制作方法
技術領域：
常壓燃料電池空氣增濕系統屬于燃料電池水熱系統設計技術領域。
背景技術：
在能源危機和環境保護的雙重壓力下，國際各大汽車公司都致力于研制新能源、無污染的燃料電池汽車，作為燃料電池汽車的動力核心——車用燃料電池系統，成為燃料電池汽車研發中的關鍵技術之一。
現有車用燃料電池系統絕大部分為直接燃料電池系統，即區別于重整燃料電池系統，而直接利用車輛上的氫源進行工作。根據燃料電池空氣系統增壓壓力不同，車用燃料電池系統分為加壓燃料電池系統和常壓燃料電池系統。加壓燃料電池系統使用空壓機作為空氣系統流動動力，增壓壓比為1.6～2.5；常壓燃料電池系統使用鼓風機作為空氣系統流動動力，其增壓壓比在1.5以下。常壓燃料電池系統具有結構簡單，鼓風機等輔件功耗小等優點。
燃料電池水熱管理是確保燃料電池良好工作性能的關鍵。燃料電池空氣增濕系統和冷卻系統是燃料電池水熱管理系統的兩個核心子系統。空氣增濕系統保證燃料電池堆空氣進氣的濕度，冷卻系統保證燃料電池的工作溫度。
Nafion膜增濕器應用于增濕系統具有響應速度快，傳質速率高等優點。
使用膜增濕器的常壓燃料電池系統工作溫度受到一定限制。膜增濕器工作溫度應低于90℃，利用燃料電池排氣對干空氣進氣增濕的系統中，膜增濕器進口干空氣溫度高于60℃時增濕效果較差，將嚴重惡化車用燃料電池系統性能；質子交換膜燃料電池工作溫度應低于80℃。因此需要采取措施保證膜增濕器進口干空氣溫度低于60℃；燃料電池堆進口空氣溫度低于80℃。
現有典型的常壓燃料電池增濕系統有兩種形式及主要缺點。
1)空氣在經過空氣濾清器、增濕器和鼓風機后沒有被冷卻就直接進入燃料電池堆；鼓風機效率較低時，大空氣流量條件下可能引起燃料電池空氣進口溫度較高，降低質子交換膜使用壽命。
2)空氣在經過空氣濾清器、鼓風機后沒有被冷卻就直接進入增濕器然后被引入燃料電池堆；大流量條件下，鼓風機出口溫度很容易高于60℃，引起增濕器性能惡化。
3)空氣增濕系統與冷卻系統分開獨立運行，沒有耦合集成，系統的熱能沒有得到優化配置和合理利用。
發明內容
本發明針對現有常壓燃料電池增濕系統存在的主要缺陷，利用熱換器將冷卻系統和空氣增濕系統集成起來，合理利用燃料電池子系統的熱能，穩定了空氣增濕系統和燃料電池堆的性能，提高了系統的效率。
本發明的特征在于，含有空氣濾清器(1)、增濕器(2)和鼓風機(3)，其特征在于，將換熱器(4)把所述空氣增濕系統和燃料電池的冷卻系統集成起來，所述換熱器(4)的一根管道與空氣增濕系統的管道相連，換熱器(4)的另一根管道與冷卻系統的管道相連，通過冷卻系統中的冷卻水使得增濕系統中的空氣降溫。
所述換熱器(4)可以置于空氣濾清器(1)、增濕器(2)和鼓風機(3)之后，空氣依次經過空氣濾清器(1)、增濕器(2)、鼓風機(3)和換熱器(4)之后流入燃料電池堆。
所述換熱器(4)也可以置于鼓風機(3)和增濕器(2)之間，空氣依次經過空氣濾清器(1)、鼓風機(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)的濕空氣側裝有流量分配控制閥(6)。
試驗證明，本發明采用熱換器將冷卻系統和增濕系統有效集成起來，使得系統效率升高；增濕器進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定獲得預期性能。
圖1是本發明的方案1示意圖；圖2是本發明的方案2示意圖。
具體實施例方式下面結合
本發明的具體實施方式
。
現有燃料電池堆增濕系統與冷卻系統各自獨立運行，增濕系統一般含有空氣濾清器，增濕器和鼓風機，空氣濾清器過濾掉系統空氣進氣的固體顆粒懸浮物，空氣經過增濕器被加濕，空氣在鼓風機內被壓縮。冷卻系統一般含有冷卻水泵和散熱器，水泵出口冷卻水進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溫度，升溫后的冷卻水經過散熱器向空氣中釋放熱量，保持低溫進入冷卻水泵被循環利用。若需對增濕器進口干空氣溫度進行有效控制需要另外增加冷卻水泵等設備，會增加系統的復雜程度。
本發明利用換熱器將增濕系統和冷卻系統有效集成，下面對本發明兩種實施方案進行具體說明如圖1所示，方案1中換熱器(4)置于增濕器(2)和鼓風機(3)之后，一側通過經過鼓風機壓縮的熱空氣，一側通過循環利用的電堆冷卻水。經過鼓風機的熱空氣被冷卻水冷卻，溫度被調節，通過換熱器(4)的冷卻水流量由流量分配控制閥(9)調節。此方案下，干空氣先被增濕后被壓縮，經過增濕器(2)的被增濕氣體中的水蒸氣被壓縮，經過鼓風機(3)后被增濕氣體露點溫度進一步升高。被增濕干空氣流量一定時，增濕器內濕空氣流量大小對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流量分配閥(6)調節。
方案2中換熱器(4)置于鼓風機(3)和增濕器(2)之間，一側通過經過鼓風機壓縮的熱空氣，一側通過循環利用的電堆冷卻水。經過鼓風機的熱空氣被冷卻水冷卻，溫度被調節，通過換熱器(4)的冷卻水流量由流量分配控制閥(9)調節。此方案下，干空氣先被壓縮后被增濕，經過鼓風機(3)的干空氣溫度上升，被換熱器(4)冷卻后溫度和壓力被調整然后通過增濕器(2)被增濕。這種方案下，增濕器進口空氣溫度可以根據增濕器工作特性靈活調節，而在方案1中增濕器進口溫度為環境溫度，不能夠靈活調節。
本發明冷卻系統與增濕系統被有效集成，系統效率升高；增濕器進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定獲得預期性能。
權利要求
1.常壓燃料電池空氣增濕系統，含有空氣濾清器(1)、增濕器(2)和鼓風機(3)，其特征在于，將換熱器(4)把所述空氣增濕系統和燃料電池的冷卻系統集成起來，所述換熱器(4)的一根管道與空氣增濕系統的管道相連，換熱器(4)的另一根管道與冷卻系統的管道相連，通過冷卻系統中的冷卻水使得增濕系統中的空氣降溫。
2.如權利要求1所述的常壓燃料電池空氣增濕系統，其特征在于，所述換熱器(4)置于空氣濾清器(1)、增濕器(2)和鼓風機(3)之后，空氣依次經過空氣濾清器(1)、增濕器(2)、鼓風機(3)和換熱器(4)之后流入燃料電池堆。
3.如權利要求1所述的常壓燃料電池空氣增濕系統，其特征在于，所述換熱器(4)置于鼓風機(3)和增濕器(2)之間，空氣依次經過空氣濾清器(1)、鼓風機(3)、換熱器(4)和增濕器(2)之后流入燃料電池堆。
4.如權利要求1所述的常壓燃料電池空氣增濕系統，其特征在于，在所述增濕器(2)的濕空氣側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屬于燃料電池水熱系統設計技術領域。其特征在于，將換熱器把空氣增濕系統和燃料電池的冷卻系統集成起來，換熱器的一根管道與空氣增濕系統的管道相連，另一根管道與冷卻系統的管道相連，通過冷卻系統中的冷卻水使得增濕系統中的空氣降溫。換熱器可以置于空氣濾清器、增濕器和鼓風機之后，也可以置于鼓風機和增濕器之間。本發明使得系統效率升高；增濕器進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定獲得預期性能。
文檔編號H01M8/04GK1794506SQ20051013548
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月31日 優先權日2005年12月31日
發明者諸葛偉林, 勞星勝, 張揚軍, 歐陽明高, 韓永杰, 陳瀟 申請人:清華大學