使用注射器的燃料電池用空氣加濕裝置及空氣加濕方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于燃料電池的空氣加濕裝置和方法。用于燃料電池的空氣加濕裝置和方法可冷卻空氣壓縮機(jī)以及由空氣壓縮機(jī)壓縮的空氣，因此，通過將水與空氣混合且將混合物注射到空氣壓縮機(jī)的入口中，可容易地對供應(yīng)到燃料電池的空氣進(jìn)行加濕。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池車是由燃料電池驅(qū)動的車輛，該燃料電池通過氧氣與氫氣的反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。隨著燃料電池用于燃料電池車，通常使用聚合物電解質(zhì)膜燃料電池。
[0003]當(dāng)聚合物電解質(zhì)膜充分浸漬到水中時，聚合物電解質(zhì)膜的離子傳導(dǎo)性增加，且因此電阻的損耗減少。當(dāng)供應(yīng)到聚合物電解質(zhì)膜的空氣和氫氣的相對濕度很低時，聚合物電解質(zhì)膜的濕度減小且聚合物電解質(zhì)膜的離子傳導(dǎo)性減小，且因此電阻的損耗增加。同時，當(dāng)連續(xù)地供應(yīng)具有很低濕度的反應(yīng)氣體時，電解質(zhì)膜最終干燥，因此完全不可用作電解質(zhì)膜。如此，在聚合物電解質(zhì)膜燃料電池中，需要對所供應(yīng)的氣體進(jìn)行加濕。
[0004]因此，已經(jīng)開發(fā)出對車輛用燃料電池進(jìn)行加濕的各種方法，且已將氣體-氣體膜加濕裝置廣泛用作當(dāng)前使用的車輛用燃料電池的加濕裝置。
[0005]氣體-氣體膜加濕裝置是基于使用僅濕氣可穿透的膜使燃料電池排氣在其第一表面中流動且使氣體在第二表面中流動的方法。特別地，所供應(yīng)的氣體從電池堆排出并且同時從溫度升高且濕氣飽和的排氣接收熱量和水。
[0006]然而，氣體-氣體膜加濕裝置也可能因交換膜的高制造成本而較昂貴。此外，氣體-氣體膜加濕裝置可能不具有充分的加濕性能且可能無法在高負(fù)載區(qū)域中執(zhí)行充分的加濕，結(jié)果，車輛可能在上坡道路上停止。
[0007]同時，在用于對燃料電池進(jìn)行加濕的常規(guī)膜加濕裝置中，可能無法最佳地控制加濕量。在相關(guān)技術(shù)中，通?？墒褂米⑸淦餍图訚駚砜刂萍訚窳?。
[0008]注射器型加濕是指通過注射器注射水以使水霧化，使得用于蒸發(fā)水的表面積可增加，從而提高加濕效果。
[0009]使用注射器的加濕可具有若干優(yōu)點。舉例來說，可容易地控制加濕量，可應(yīng)用在其它技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用并研究的注射器加濕技術(shù)，裝置的成本可較小等。
[0010]在相關(guān)技術(shù)中，作為現(xiàn)有注射器型加濕技術(shù)的實例，已開發(fā)出用于操作燃料電池系統(tǒng)的氣體加濕裝置和方法。該裝置包括:從外部供應(yīng)源栗送水的水栗；壓縮外部空氣的空氣壓縮機(jī)；以及用于混合并注射壓縮空氣和水的混合腔室和磁性型注射噴嘴。
[0011]然而，燃料電池系統(tǒng)除了水栗之外還包括若干組件，例如壓縮機(jī)、混合腔室等，且在安裝附加裝置時，成本可能增加且安裝區(qū)域的體積可能增加。此外，由于在移動部分組件例如水栗、注射噴嘴等中水流原樣暴露于外部，因此水在較冷溫度條件下可能容易冷凍或泄漏。
[0012]在相關(guān)技術(shù)的另一實例中，已提供用于燃料電池的供水裝置。在供水裝置中當(dāng)適當(dāng)量的水通過水栗栗送且同時通過磁性噴嘴注射到螺桿式壓縮機(jī)的入口中時，所注射的水可與空氣一起被壓縮，通過之后的冷卻器被冷卻，且隨后被供應(yīng)到燃料電池。
[0013]然而，如上所描述，由于在移動部分組件例如水栗、磁性噴嘴等中水流也原樣暴露于外部，因此水在較冷天氣條件下可能容易冷凍或泄漏。
[0014]上述在該【背景技術(shù)】部分公開的信息僅用于增強(qiáng)對本發(fā)明背景的理解，因此其可能含有不構(gòu)成在該國本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已經(jīng)知曉的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明提供用于燃料電池的空氣加濕裝置和空氣加濕方法，其可容易地對供應(yīng)到燃料電池的陰極的空氣進(jìn)行加濕且獲得空氣冷卻效果。如此，可通過以下操作來預(yù)先防止溫度升高:壓縮所供應(yīng)的空氣；從將空氣供應(yīng)到燃料電池的陰極的空氣壓縮機(jī)的出口旁通一部分壓縮空氣；且同時通過旁通的壓縮空氣將從燃料電池系統(tǒng)排出的冷凝水注射到空氣壓縮機(jī)的入口中。
[0016]在一方面，本發(fā)明提供用于燃料電池的空氣加濕裝置。在示例性實施方式中，空氣加濕裝置可包括:空氣壓縮機(jī)，其將空氣供應(yīng)到燃料電池的陰極；以及噴射器，其設(shè)置在與空氣壓縮機(jī)的入口連接的空氣供應(yīng)管線中，且使用旁通的壓縮空氣的壓力將從燃料電池排出的冷凝水從空氣壓縮機(jī)的出口注射到空氣壓縮機(jī)的入口。
[0017]特別地，將空氣壓縮機(jī)的出口連接到注射器的入口的旁通管線可設(shè)有旁通閥，該旁通閥可控制開放及閉合角度。
[0018]另外，注射器可為雙流體噴嘴，其可包括:外中空體，其具有設(shè)置在外中空體的一側(cè)的中心部分的第一噴嘴；以及內(nèi)中空體，其具有插入到第一噴嘴的中心部分中且設(shè)置在內(nèi)中空體的一端的第二噴嘴。
[0019]另外，注射器可為雙流體噴嘴，其包括:外中空體，其具有設(shè)置在外中空體的一側(cè)的中心部分的第一噴嘴；以及內(nèi)中空體，其具有隔開地插入到第一噴嘴的中心部分中且設(shè)置在內(nèi)中空體的一端的第二噴嘴。
[0020]特別地，注射器的外中空體與內(nèi)中空體之間的空間可形成為通過旁通管線與空氣壓縮機(jī)的出口連通地連接的壓縮空氣流空間。另外，內(nèi)中空體的內(nèi)部空間可形成為通過與燃料電池的冷凝水儲器連接的冷凝水排出管線連通地連接的冷凝水流空間。
[0021]此外，空氣壓縮機(jī)的出口可并排地設(shè)有用于供應(yīng)到陰極的空氣的測量相對濕度的濕度傳感器和測量溫度的溫度傳感器。
[0022]在另一方面，本發(fā)明提供用于燃料電池的空氣加濕方法，其可包括:通過空氣壓縮機(jī)抽吸并壓縮外部空氣且將所壓縮的外部空氣供應(yīng)到燃料電池；從空氣壓縮機(jī)的出口將一部分壓縮空氣旁通到空氣壓縮機(jī)的入口側(cè)；將從燃料電池排出的冷凝水注射到空氣壓縮機(jī)的入口中且同時使用旁通到空氣壓縮機(jī)的入口側(cè)的壓縮空氣的壓力抽吸從燃料電池排出的冷凝水；以及使外部空氣在通過所注射的冷凝水進(jìn)行加濕的同時經(jīng)過空氣壓縮機(jī)。
[0023]特別地，在空氣壓縮機(jī)的出口溫度Tci達(dá)到預(yù)定溫度T ,或更大時，所注射的冷凝水可與壓縮空氣一起旁通到空氣壓縮機(jī)的入口 ；而在T/j、于T ,時，可停止冷凝水的注射。
[0024]另外，冷凝水的注射量可控制從空氣壓縮機(jī)的出口旁通到入口的壓縮空氣的旁通量，從而將空氣壓縮機(jī)的出口側(cè)的相對濕度調(diào)整為等于或小于約100%。
[0025]或者，用于燃料電池的空氣加濕裝置可包括:空氣壓縮機(jī)，其將空氣供應(yīng)到燃料電池的陰極；以及注射器，其設(shè)置在與空氣壓縮機(jī)的入口連接的空氣供應(yīng)管線中且將從燃料電池排出的冷凝水直接注射到空氣壓縮機(jī)的入口。
[0026]特別地，注射器可為注水噴嘴，其通過冷凝水排出管線直接注射來自冷凝水儲器的冷凝水，在冷凝水儲器中儲存從燃料電池排出的冷凝水。
[0027]此外，本發(fā)明提供用于燃料電池的空氣加濕方法。該方法可包括:通過空氣壓縮機(jī)抽吸并壓縮外部空氣且將所壓縮的外部空氣供應(yīng)到燃料電池；使用注水噴嘴將從燃料電池排出的冷凝水直接注射到空氣壓縮機(jī)的入口中；以及使外部空氣在通過所注射的冷凝水進(jìn)行加濕的同時經(jīng)過空氣壓縮機(jī)。
[0028]通過以上配置，本發(fā)明具有各種優(yōu)點。舉例來說，可通過以下操作容易地對供應(yīng)到燃料電池的陰極的空氣進(jìn)行加濕:從用于將外部空氣供應(yīng)到燃料電池的陰極的空氣壓縮機(jī)的出口旁通一部分壓縮空氣，且同時使用所旁通的壓縮空氣的壓力將從燃料電池系統(tǒng)排出的冷凝水注射到空氣壓縮機(jī)的入口中。另外，可通過取消用于供應(yīng)并栗送水的常規(guī)栗等而減小成本。此外，可通過再使用從燃料電池系統(tǒng)排出的冷凝水以便對空氣進(jìn)行加濕來防止包括栗等的供水管線的冷凍現(xiàn)象、腐蝕現(xiàn)象等。此外，在將單獨的加濕器進(jìn)一步安裝在陰極的入口側(cè)時，可通過增加從空氣壓縮機(jī)的入口供應(yīng)到燃料電池的陰極的空氣的相對濕度來減小加濕器的負(fù)載。通過預(yù)先增加從空氣壓縮機(jī)的入口供應(yīng)到燃料電池的陰極的空氣的相對濕度，可減小單獨地安裝在陰極的入口側(cè)的加濕器的加濕容量和尺寸。另外，可通過注射到空氣壓縮機(jī)的入口的冷凝水而獲得所壓縮的空氣及空氣壓縮機(jī)的冷卻效果，從而提高空氣壓縮機(jī)的氣動性能和效率。還可通過添加控制元件來控制加濕量。
[0029]還提供包括本發(fā)明的燃料電池空氣加濕裝置的優(yōu)選的燃料電池系統(tǒng)。另外，提供優(yōu)選的車輛且該車輛包括包含本發(fā)明的燃料電池空氣加濕裝置的燃料電池系統(tǒng)。
[0030]下文論述本發(fā)明的其它方面和優(yōu)選實施方式。
【附圖說明】
[0031]現(xiàn)在將參考附圖圖示的本發(fā)明的各個示例性實施方式來詳細(xì)地描述本發(fā)明的上述和其它特征，下文給出