一种增湿消音复合装置及燃料电池系统的制作方法

1.本发明涉及质子交换膜燃料电池发动机增湿器、消声器技术领域，特别涉及一种增湿消音复合装置及燃料电池系统。


背景技术：

2.在质子交换膜燃料电池系统中，空气子系统通过空压机将空气泵入增湿器，经增湿后的空气进入电池参与电化学反应，产生电能。然后空压机往往转速高达100000rpm以上，气动噪声十分明显，因此通常需要在空气系统中增加消音器以提高燃料电池系统的nvh性能，然而，多部件组成的空气系统往往十分冗杂，不利于燃料电池系统的集成化小型化设计。
3.另外，燃料电池对进堆空气具有很高的要求，空气需要具有一定的湿度，湿润空气有利于电解质膜保持恰当的水含量，提高电池发电效率，并延长电池寿命。此外，空气还需要保持较高的洁净度，油性、含离子等气体将引起催化剂中毒，造成电池损坏。
4.相关技术中，消声器和增湿器通常为独立的结构，不利于集成化小型化设计，且现有的将冷器、增湿器和消声器组合的装置，其消声结构只包含一个打孔管，消声效果有限，而且三个部件只是简单组合，没有综合考虑增湿器中冷器微流道结构特点整体设计。
5.燃料电池空气系统噪音主要来源于空压机，由于其转速较高，其噪音属于宽频带噪声，以中高频噪声为主。而微穿孔吸声结构穿孔直径小、壁面光滑，具有耐高温、清洁度高、消音频带宽等优点，十分符合燃料电池系统需求。
6.该背景技术中揭示的信息仅是为了增强对本发明背景的理解，而不能当作对形成本领域技术人员公知的现有技术的信息的承认，或当作任何形式的建议。


技术实现要素：

7.根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种增湿消音复合装置及燃料电池系统，将现有的增湿器的前端盖和后端盖去掉，替换成消音组件和出气室，使增湿器和消音器结合，既能对空压机出来的干空气增湿，又能对干空气进行噪音消除，且增湿消音复合装置和现有的增湿器的体积改变不大，大大节省质子交换膜燃料电池系统空间。
8.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
9.一种增湿消音复合装置，包括：
10.增湿器，包括腔体，腔体上设有湿空气入口和湿空气出口，腔体一侧设有干空气入口，腔体另一侧设有干空气出口；
11.消音组件，设在干空气入口上，包括消音室和分散管，分散管自外向内穿设消音室；
12.出气室，设在干空气出口上，所述出气室上设有出气管；
13.其中，分散管上设有环绕其设置的微穿孔结构，所述微穿孔结构包括多个均匀分布的微孔，所述微孔的孔径和数量根据消声频率设置。
14.进一步地，所述增湿器为交叉流平板式膜增湿器。
15.进一步地，所述消音室包括多个自腔体向外设置的消音腔，所述分散管的每个所述微穿孔结构对应一个所述消音腔并设置在对应的所述消音腔内，每个所述微穿孔结构上分布的微孔的孔径和数量均相同或不相同，相邻所述消音腔通过第一隔板隔开，所述第一隔板上设有第一通孔。
16.进一步地，所述消音室还包括第一平顺腔，所述第一平顺腔设在干空气入口和最靠近所述腔体的消音腔之间，所述第一平顺腔和最靠近所述腔体的消音腔之间通过第二隔板隔开，所述第二隔板上设有第二通孔。
17.进一步地，最外侧的所述消音腔为梯形腔且设有第一斜面，其余的所述消音腔的截面为矩形，当干空气通过最外侧的所述消音腔时，干空气通过所述第一斜面反射后流向下一个所述消音腔。
18.进一步地，所述分散管为弯管且弯曲处设在最外侧的消音腔中。
19.进一步地，所述出气室包括第二平顺腔和出气腔，所述第二平顺腔设在干空气出口上，所述出气腔设在所述第二平顺腔外侧，所述出气管设在所述出气腔上。
20.进一步地，所述第二平顺腔的截面为矩形，所述出气腔为梯形腔且设有第二斜面，当干空气通过出气腔时，干空气通过所述第二斜面反射后从所述出气管流出。
21.进一步地，所述第二平顺腔和所述出气腔之间通过第三隔板隔开，所述第三隔板上设有第三通孔。
22.一种燃料电池系统，包括增湿器，所述增湿器使用任一项所述的增湿消音复合装置。
23.与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
24.(1)本发明采用增湿和消音功能的综合设计，充分利用增湿器微流道的消声效果，在前后端盖中设置消声器件，结构紧凑、集成度高。
25.(2)本发明将消音组件和出气室与增湿器组合，具有消音频带宽、消音效果好的特点。
26.(3)本发明消声器件采用微穿孔的声阻结合空腔共振吸声原理，不含传统吸声材料，清洁度高，满足燃料电池系统对空气质量的高要求。
27.(4)本发明消声组件主体部分为通式结构，流阻小，压降低，有效降低燃料电池系统的泵送功率。
附图说明
28.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
29.图1是本发明所提供的增湿器结构示意图结构图。
30.图2是本发明所提供的增湿器内增湿芯体的结构图。
31.图3是本发明图1中a处的放大图。
32.图4是本发明所提供的增湿消音复合装置的整体结构示意图。
33.图5是本发明所提供的增湿消音复合装置的内部结构示意图。
34.图6是本发明所提供的消音组件的内部结构示意图。
35.图7是本发明所提供的出气室的内部结构示意图。
36.其中，100、增湿器；110、腔体；101、湿空气入口；102、湿空气出口；103、干空气入口；104、干空气出口；105、第一流场板；1051、干流道；106、第二流场板；1061、湿流道；107、增湿膜；108、通槽；
37.200、消音组件；210、消音室；211、消音腔；2111、第一斜面；212、第一平顺腔；213、第一隔板；2131、第一通孔；214、第二隔板；2141、第二通孔；220、分散管；221、微孔；
38.300、出气室；301、第二平顺腔；302、出气腔；3021、第二斜面；303、出气管；304、第三隔板；3041、第三通孔。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
40.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
41.第一实施例
42.本发明第一实施例提供一种增湿消音复合装置，将现有的增湿器100和消音器结构，进行小型化结构设计，不仅能够用在质子交换膜燃料电池系统中对空压机排出的干空气的的噪音进行消除，也能对干空气进行加湿，提高电池发电效率。
43.如图1-图4所示，图1是本发明所提供的增湿器结构示意图结构图；图2是本发明所提供的增湿器内增湿芯体的结构图；图3是本发明图1中a处的放大图；图4是本发明所提供的增湿消音复合装置的整体结构示意图。
44.本发明第一实施例提供的一种增湿消音复合装置，如图3所示，包括增湿器100、消音组件200和出气室300，消音组件200用于对空压机排出的干空气消除噪音，增湿器100用于对干空气增加湿度，出气室300用于排出增加湿度后的干空气。
45.增湿器100包括腔体110，腔体110上设有湿空气入口101和湿空气出口102，腔体110一侧设有干空气入口103，腔体110另一侧设有干空气出口104。
46.消音组件200设在干空气入口103上，包括消音室210和分散管220，分散管220自外向内穿设消音室210，干空气通过分散管220进入消音室210。
47.出气室300设在干空气出口104上，出气室300上设有出气管303，增加湿度后的干空气从出气管303排出。
48.其中，分散管220上设有环绕其设置的微穿孔结构，所述微穿孔结构包括多个均匀分布的微孔221，所述微孔221的孔径和数量根据消声频率设置。
49.该实施例的工作过程：
50.湿空气通过湿空气入口101进入增湿器100，并从湿空气出口102流出，为干空气提供湿度，干空气从分散管220进入消音室210，通过分散管220上环绕设置的微穿孔结构进行消音后排入到增湿器100，进行湿度增加，进而从出气室300上的出气管303排出。
51.本发明将现有的增湿器100的前端盖和后端盖去掉，替换成消音组件200和出气室300，使增湿器100和消音器结合，既能对空压机出来的干空气增湿，又能对干空气进行噪音消除，且增湿消音复合装置和现有的增湿器100的体积改变不大，大大节省质子交换膜燃料电池系统空间。
52.本发明第一实施例中，如图1-图3所示，增湿器100为交叉流平板式膜增湿器100，腔体110顶部设有间隔一定距离设置的湿空气入口101和湿空气出口102，腔体110一侧设有干空气入口103，另一侧设有干空气出口104，腔体110内设有交叉设置的多组第一流场板105和第二流场板106，腔体110内底部设有水平方向设置的通槽108，每一第一流场板105上设有多条平行的干流道1051，每一第二流场板106上设有多条平行的湿流道1061，干流道1051和湿流道1061垂直设置，干流道1051水平方向设置，每条干流道1051一端与干空气入口103连通，另一端与干空气出口104连通，多条湿流道1061竖直方向设置且底部与通槽108连通，部分湿流道1061顶部与湿空气入口101连通，另一部分湿流道1061顶部与湿空气出口102连通，相邻第一流场板105和第二流场板106之间设有增湿膜107，第一流产板、增湿膜107和第二流场板106交错堆叠。
53.交叉流平板式膜增湿器100的工作流程为：
54.湿空气从湿空气入口101进入部分湿流道1061，沿该部分湿流道1061延伸方向流动，并通过通槽108，进入另一部分湿流道1061，从湿空气出口102排出，干空气通过消音组件200后通过干空气入口103进入干流道1051，进而沿干流道1051延伸方向流动，通过干空气入口103进入出气室300，湿空气和干空气在腔体110内流动时，通过增湿膜107传递水蒸气。
55.发明增湿部分采用交叉流平板式膜增湿器100，结构简单，易于加工。同时，增湿膜107得到流道结构的有效支撑，寿命提高。
56.本发明第一实施例中，由于空压机排出的干空气的噪音范围较大，通常在3k-50khz内，如图5和图6所示，因此本发明将消音室210隔成多个腔室，用于消除不同频率范围内的干空气噪音，具体地，消音室210包括多个自腔体110向外设置的消音腔211，分散管220上设有多个微穿孔结构，每一微穿孔结构设在一个消音腔211内，每个微穿孔结构上分布的微孔221的孔径和数量均相同或不相同，具体根据消声频率决定，根据海姆霍兹共振消声原理，通过设计微孔221的孔径和数量实现消声频率控制，用于消除不同频率范围内的干空气噪音，相邻消音腔211通过第一隔板213隔开，第一隔板213上设有第一通孔2131，从分散管220微孔221中流出的干空气可以通过第一隔板213上的通孔流入下一个消音腔211中。另外，相邻消音腔211的第一隔板213、消音腔211的腔壁、第一隔板213上的第一通孔2131也能起到消音的作用，气流与隔板、消音腔211的腔壁碰撞，增加消音效果。
57.本发明第一实施例中，如图5和图6所示，最外侧的消音腔211为梯形腔且设有第一斜面2111，其余的消音腔211的截面为矩形，分散管220为l形弯管且弯曲处设在最外侧的消音腔211中，当干空气通过最外侧的消音腔211时，干空气通过第一斜面2111反射消音后流向下一个消音腔211。在一定程度上，第一斜面2111不仅能够缩小最外侧的消音腔211的体
积，也能够进一步消除噪音。
58.本发明第一实施例中，如图5和图6所示，由于经过消音腔211的干空气有一定的紊流湍流，因此为了起到平顺气流的作用，消音室210还包括第一平顺腔212，第一平顺腔212设在干空气入口103和最靠近腔体110的消音腔211之间，分散管220不穿设第一平顺腔212，第一平顺腔212和最靠近腔体110的消音腔211之间通过第二隔板214隔开，第二隔板214上设有第二通孔2141。
59.本发明第一实施例中，如图5和图6所示，湿空气入口101和湿空气出口102均相对于腔体110向上伸出，分散管220为l型弯管结构，便于将空压机气流引入消音室210中，将干空气引入到消音室210中，分散管220的一端相对于消音室210向上伸出，另一端伸入消音室210，出气管303相对于出气室300向上伸出。
60.本发明第一实施例中，如图5和图7所示，由于从增湿器100出来的气体有一定的紊流和端流，因此出气室300包括第二平顺腔301和出气腔302，通过第二平顺腔301平稳气流，第二平顺腔301设在干空气出口104上，出气腔302设在第二平顺腔301外侧，出气管303设在出气腔302上，通过第一平顺腔212平稳气流，第一平顺腔212和出气腔302之间设有第三隔板304，第三隔板304上设有第三通孔3041。
61.本发明第一实施例中，如图5和图7所示，第二平顺腔301的截面为矩形，出气腔302为梯形腔且设有第二斜面3021，当干空气通过出气腔302时，干空气通过第二斜面3021反射后从出气管303流出，第一斜面2111能够缩小最外侧的出气腔302的体积。
62.本发明第一实施例中，消音组件200和出气室300均能够通过卡扣连接或螺栓连接。
63.在本发明的一个具体实施例中，如图5-图7所示，消音室210包括多个自腔体110向外设置的第一平顺腔212、第一消音腔211、第二消音腔211，第一消音腔211和第二消音腔211之间通过第一隔板213隔开，第二消音腔211和第一平顺腔212之间通过第二隔板214隔开，出气室300包括自腔体110向外设置的第二平顺腔301和出气腔302，第二平顺腔301和出气腔302通过第三隔板304隔开，第一隔板213、第二隔板214和第三隔板304上也均做打孔处理，分别形成多个第一通孔2131、第二通孔2141和第三通孔3041。
64.具体地，分散孔上设有第一微穿孔结构和第二微穿孔结构，第一微穿孔结构设在第一消音腔211中，第一微穿孔结构和第二微穿孔结构均包括多个微孔221，微孔221直径为1mm，单层30个，共10层。微穿孔结构采用直径1mm的微孔221，单层30个，共12层。第一隔板213和第二隔板214分别设有直径3.5mm的第一通孔2131和第二通孔2141，打孔率均为0.96％，第三隔板304采用直径5mm的孔，打孔率为32.6％。
65.其消音原理如下：新空气由分散管220消音室210，部分气体经过第一微穿孔结构进入第一消音腔211，部分气体经过第二微穿孔结构进入第二消音腔211。微孔221与第一消音腔211、第二消音腔211的相配合起到消声效果，根据海姆霍兹共振消声原理，通过设计第一微穿孔结构和第二微穿孔结构上的微孔221的孔径和数量实现消声频率控制。第一平顺腔212起到平顺分散管220内气流的作用，使气体均匀进入增湿器100，第二平顺腔301起到平顺增湿器100内干空气的作用，使气体均匀排出出气腔302，消除紊流湍流。气流经过第三隔板304上的通孔进入出气腔302，气流与隔板、腔壁碰撞，增加消音效果。
66.第二实施例
67.本发明还提供一种燃料电池系统，包括燃料电池电堆、空滤、空压机、引射器、增湿器和直流电压转换器等，特别的，增湿器采用增湿消音复合装置，使用上述任一项的增湿消音复合装置。
68.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种增湿消音复合装置，其特征在于，包括：增湿器，包括腔体，腔体上设有湿空气入口和湿空气出口，腔体一侧设有干空气入口，腔体另一侧设有干空气出口；消音组件，设在干空气入口上，包括消音室和分散管，分散管自外向内穿设消音室；出气室，设在干空气出口上，所述出气室上设有出气管；其中，分散管上设有环绕其设置的微穿孔结构，所述微穿孔结构包括多个均匀分布的微孔，所述微孔的孔径和数量根据消声频率设置。2.根据权利要求1所述的增湿消音复合装置，其特征在于：所述增湿器为交叉流平板式膜增湿器。3.根据权利要求1所述的增湿消音复合装置，其特征在于：所述消音室包括多个自腔体向外设置的消音腔，所述分散管的每个所述微穿孔结构对应一个所述消音腔并设置在对应的所述消音腔内，每个所述微穿孔结构上分布的微孔的孔径和数量均相同或不相同，相邻所述消音腔通过第一隔板隔开，所述第一隔板上设有第一通孔。4.根据权利要求3所述的增湿消音复合装置，其特征在于：所述消音室还包括第一平顺腔，所述第一平顺腔设在干空气入口和最靠近所述腔体的消音腔之间，所述第一平顺腔和最靠近所述腔体的消音腔之间通过第二隔板隔开，所述第二隔板上设有第二通孔。5.根据权利要求3所述的增湿消音复合装置，其特征在于：最外侧的所述消音腔为梯形腔且设有第一斜面，其余的所述消音腔的截面为矩形，当干空气通过最外侧的所述消音腔时，干空气通过所述第一斜面反射后流向下一个所述消音腔。6.根据权利要求1所述的增湿消音复合装置，其特征在于：所述分散管为弯管且弯曲处设在最外侧的消音腔中。7.根据权利要求1所述的增湿消音复合装置，其特征在于：所述出气室包括第二平顺腔和出气腔，所述第二平顺腔设在干空气出口上，所述出气腔设在所述第二平顺腔外侧，所述出气管设在所述出气腔上。8.根据权利要求7所述的增湿消音复合装置，其特征在于：所述第二平顺腔的截面为矩形，所述出气腔为梯形腔且设有第二斜面，当干空气通过出气腔时，干空气通过所述第二斜面反射后从所述出气管流出。9.根据权利要求7所述的增湿消音复合装置，其特征在于：所述第二平顺腔和所述出气腔之间通过第三隔板隔开，所述第三隔板上设有第三通孔。10.一种燃料电池系统，包括增湿器，其特征在于，所述增湿器使用权利要求1-9任一项所述的增湿消音复合装置。

技术总结
本发明提供一种增湿消音复合装置及燃料电池系统，包括增湿器、消音组件和出气室，增湿器包括腔体，腔体上设有湿空气入口和湿空气出口，腔体一侧设有干空气入口，腔体另一侧设有干空气出口，消音组件设在干空气入口上，包括消音室和分散管，分散管自外向内穿设消音室，出气室，设在干空气出口上，所述出气室上设有出气管，其中，分散管上设有环绕其设置的微穿孔结构，所述微穿孔结构包括多个均匀分布的微孔，所述微孔的孔径和数量根据消声频率设置。本发明将现有的增湿器的前端盖和后端盖去掉，替换成消音组件和出气室，使增湿器和消音器结合，能对干空气增湿和除噪，且和现有的增湿器的体积改变不大，大大节省质子交换膜燃料电池系统空间。系统空间。系统空间。


技术研发人员：吴海涛 李永超 廖颖哲 谭昶 卢炽华
受保护的技术使用者：武汉欧源动力科技有限公司
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/14