CN102035008B - 以容器装氧气为氧化剂的燃料电池系统及其控制系统 - Google Patents

Abstract

以容器装氧气为氧化剂的燃料电池系统及其控制系统，包括设有燃料通道和氧气通道的燃料电池电堆，所述燃料通道上设有用于装氧气的容器，所述氧气可置于容器内与燃料电池电堆入口端的氧气通道上连接有第一混合器，所述燃料电池电堆出口端的氧气通道上依次设有第一气水分离器和第一增压循环泵，所述第一增压循环泵的输出端与所述第一混合器管路连接。在电化学反应时，燃料电池中无需其它设备提高工作压力，氧气压力来自氧气容器，即可保证氧气的供给量。由于采用相对封闭的循环结构，在高污染和/或缺氧或氧气稀薄的环境中，可以持续地工作。

Description

以容器装氧气为氧化剂的燃料电池系统及其控制系统

技术领域

本申请属于燃料电池技术领域，特别涉及燃料电池系统及其控制系统。

背景技术

燃料电池堆通常多个电池单元构成，每个电池单元包括两个电极(双极板)和隔开该两个电极的模电极组件(MEA)，并且彼此串联地组装，形成燃料电池堆。通过给每个电极供给适当的反应物，即给一个电极供给燃料而另一个供给氧化剂，实现电化学反应，从而在电极之间形成电位差，并且因此产生电能。

典型的以空气中的氧气为氧化剂的燃料电池系统中，燃料与空气分别通过一组通道进入燃料电池。空气进入燃料电池之前，需要进行如下处理：

1、通过过滤器对空气进行过滤，以避免空气中混合的其它有害气体造成燃料电池寿命的缩短；

2、通过增压循环泵(空气压缩器)进行增压，以保证氧气的供给量，并促使反应生成的水及时排出。

3、根据需要，增加加湿器，用于对空气进行加湿，以保证燃料电池电化学反应速度；

4、根据需要，增加加热器，用于对空气进行加热，以保证燃料电池的工作温度。

进入燃料电池的空气中的氧气部分与燃料发生电化学反应后，空气中未参与电化学反应的部分与反应生成的水、热一起排出，由于气体的进入与排出相对处于一个开放的环境中，因此可以称之为开放型的燃料电池系统。这种燃料电池系统存在以下缺点：

1、受限于空气中氧气浓度，燃料电池需要较高的工作压力，增压循环泵工作负荷较大；

2、反应生成的水主要随空气一起排出，不易控制，未能在燃料电池中得到有效利用，对进入的空气需要额外的加湿器或者需要在燃料电池中需要增加比较好保湿措施；

3、反应生成的水需要较大的压力才能排出，这进一步造成增压循环泵的工作负担；

4、反应产生的热量随空气一起排出，未能在燃料电池得到较好的利用，即使通过热交换等方式部分地用于燃料电池，但受制于其开放型的结构，反应产生的热量不易控制。

5、过滤器虽然可滤除空气中的部分杂质，但在高污染的环境中，难以进行持续工作，严重影响燃料电池的性能。

6、虽然可通过增压循环泵进行增压，但在高原等氧气稀薄的环境中，增压循环泵的工作负荷进一步加大，这难以保证燃料电池电化学反应速度，对燃料电池的性能也会产生重大影响。

发明内容

本申请的目的之一在于，提供一种以容器装氧气为氧化剂的燃料电池系统。

本申请的另一目的在于，提供一种以容器装氧气为氧化剂的燃料电池控制系统。

本申请采用如下技术方案：

一种以容器装氧气为氧化剂的燃料电池系统，包括设有燃料通道和氧气通道的燃料电池电堆，所述燃料通道上设有用于装氧气的容器，所述容器与燃料电池电堆入口端的氧气通道上连接有第一混合器，所述燃料电池电堆出口端的氧气通道上依次设有第一气水分离器和第一增压循环泵，所述第一增压循环泵的输出端与所述第一混合器管路连接。

一种以容器装氧气为氧化剂的燃料电池控制系统，包括设有燃料通道和氧气通道的燃料电池电堆，所述燃料通道上设有用于装氧气的容器，所述容器与燃料电池电堆入口端的氧气通道上连接有第一混合器，所述燃料电池电堆出口端的氧气通道上依次设有第一气水分离器和第一增压循环泵，所述第一增压循环泵的输出端与所述第一混合器管路连接；

所述容器与第一混合器之间的氧气通道上依次设有第一压力传感器和第一进口电磁阀；

所述燃料电池电堆上还设有温度传感器，所述容器上设有第一压力传感器；

还包括一控制器，所述控制器分别与所述第一压力传感器、第一进口电磁阀的控制端、第一气水分离器的控制端、温度传感器和第一增压循环泵的控制端相连接。

与现有技术相比，本申请具有以下优点中的多个或全部：

1、无需对氧化剂进行过滤、加湿或加热。

2、由于采用容器装的氧气作为氧化剂，其氧气浓度高，在电化学反应时，燃料电池中无需很高的工作压力，即可保证氧气的供给量。

3、只需要调节第一气水分离器的排水，即可实现对反应生成的水的排出和燃料电池反应湿度的调节，排水简单、湿度调节方便。

3、只需要调节第一气水分离器的制冷，即可有效利用反应产生的热量，控制简单、方便。

4、由于采用相对封闭的循环结构，在高污染和/或氧气稀薄的环境中，可以持续地工作。

以下结合附图及实施例进一步说明本申请。

附图说明

图1为本申请以容器装氧气为氧化剂的燃料电池系统实施例一的结构示意图。

图2为本申请以容器装氧气为氧化剂的燃料电池系统实施例二的结构示意图。

标号说明：

10容器                              20氢气罐

11第一截止阀                        21第二截止阀

12第一调压阀                        22第二调压阀

13第一压力传感器                    23第二压力传感器

14第一进口电磁阀                    24第二进口电磁阀

15第一混合器                        25第二混合器

16第一气水分离器                    26第二气水分离器

17第一增压循环泵                    27第二增压循环泵

18第一排水阀                        28第二排水阀

19第一出口电磁阀                    29第二出口电磁阀

30燃料电池电堆                      31电堆冷却风扇

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例一

如图1所示，一种以容器装氧气为氧化剂的燃料电池系统，包括设有燃料通道和氧气通道的燃料电池电堆30，所述燃料通道上设有用于装氧气的氧气容器10，所述氧气容器10与燃料电池电堆30入口端的氧气通道上连接有第一混合器15，所述燃料电池电堆30出口端的氧气通道上依次设有第一气水分离器16和第一增压循环泵17，所述第一增压循环泵17的输出端与所述第一混合器15管路连接。

其中，所述燃料通道可采用现有技术实现。

其中，所述燃料电池电堆30也可采用现有技术实现。并且还可在其上设置温度控制器、电压传感器、电池电压监控部件等。

其中，所述第一气水分离器16可采用现有设备，通过其控制端可实现未参与反应的氧气与水的分离，气水分离效果由其自身的制冷效果决定。优选地，所述第一气水分离器16的排水口处管道连接有第一排水阀18。

优选地，在所述燃料电池电堆30的一侧设有电堆冷却风扇31，当所述第一气水分离器16的制冷不能满足所述燃料电池电堆30的需要时，通过控制电堆冷却风扇31进行制冷。

优选地，所述氧气容器10可以是能够承受一定压力的设备，如氧气瓶、氧气罐等，其内装有氧气浓度较高的气体，也可以是纯氧气，并且氧气容器10内的氧气的形态可以是液化的，并且所述氧气容器10可以是通过长距离的输送管道与所述燃料电池堆30相连接，即所述燃料电池堆30与所述氧气容器10相隔较远的距离。所述氧气容器10还可以同时为其它的需要氧气的场所提供氧气。此外，所述氧气容器10本身还可以包括能够制造氧气的设备。

由于氧气容器10为燃料电池电堆30提供的氧气本身具有较高的压力，可直接满足燃料电池电堆30的在较高压力下能够更稳定工作的条件，这简化了燃料电池电堆30的设计，优化了燃料电池电堆30性能。

为更好地实现对氧气浓度和压力的控制，优选地，所述氧气容器10与第一混合器15之间的氧气通道上还可依次连接有第一截止阀11、第一调压阀12、第一压力传感器13、第一进口电磁阀14。通过所述第一压力传感器13测量氧气通道中的压力，通过第一调压阀12实现进入燃料电池电堆30中的氧气的压力调节。并通过所述第一调压阀12和第一进口电磁阀14调节进入燃料电池电堆30中的氧气量。

经过燃料电池电堆30的氧气部分地与燃料发生电化学反应，产生电能、水和热量。未发生电化学反应的氧气与反应生成的水和热量一同进入第一气水分离器16。通过第一气水分离器16实现气水分离，并通过打开第一排水阀18排除分离出的大部分水分，并且还可排出部分气体，该部分气体中所含氧浓度低。余下的少量的水及未发生电化学反应的氧气经过所述第一增压循环泵17增压，当其压力与进入燃料电池电堆30中的氧气压力较为一致时，即经过第一增压循环泵17增压后的气体的压力与进入所述燃料电池电堆30中的氧气的压力之间的差值相等或接近相等时，增压后的气体与述氧气容器10输出的气体在所述第一混合器15中混合，并再次进入所述燃料电池电堆30中，如此循环，实现氧化剂的在相对封闭和较高浓度的环境中循环利用，这大大简化了氧化剂在燃料电池电堆30中的处理和控制。

实施例二

本实施例二是在实施例一基础上，对其燃料通道进行改进，因此部分省略了与实施例一相同部分的描述。需要说明的是，该实施例二只是一优选的实施例，仅用于说明本申请思想原理，并不构成对本申请的限定，基于本申请原理所获得的其他实施例均属于本申请的范围。

优选地，所述氢气容器20可以是能够承受一定压力的设备，如氢气瓶、氢气罐等，其内装有高浓度氢气，也可以是纯氢，并且氢气容器20内的氢气的形态可以是液化的，并且所述氢气容器20可以是通过长距离的输送管道与所述燃料电池堆30相连接，即所述燃料电池堆30与所述氢气容器20相隔较远的距离。所述氢气容器20还可以同时为其它的需要氧气的场所提供氧气。此外，所述氢气容器20本身还可以包括能够制造氢气的设备。

优选地，所述燃料通道的出口处还可设有第二排水阀28，用于排除混合有低浓度的氢气的气体或少量在反应过程中渗入燃料通道中的水。

优选地，所述氧气容器10与燃料电池电堆30入口端的氧气通道上连接有第二混合器25，所述燃料电池电堆30出口端的氢气通道上依次设有第二气水分离器26和第二增压循环泵27，所述第二增压循环泵27的输出端与所述第二混合器25管路连接。

由于氢气容器20为燃料电池电堆30提供的氢气本身具有较高的压力，可直接满足燃料电池电堆30的在较高压力下能够更稳定工作的条件，这简化了燃料电池电堆30的设计，优化了燃料电池电堆30性能。

为更好地实现对氢气浓度和压力的控制，优选地，所述氢气容器20与第二混合器25之间的氢气通道上还可依次连接有第二截止阀21、第二调压阀22、第二压力传感器23、第二进口电磁阀24。通过所述第二压力传感器23测量氢气通道中的压力，通过第二调压阀22实现进入燃料电池电堆30中的氢气的压力调节。并通过所述第二调压阀22和第二进口电磁阀24调节进入燃料电池电堆30中的氢气量。

经过燃料电池电堆30的氢气部分地与燃料发生电化学反应，产生电能、水和热量。未发生电化学反应的氢气与反应生成的水和热量一同进入第二气水分离器26。通过第二气水分离器26实现气水分离，并通过打开第二排水阀28排除分离出的大部分水分，并且还可排出部分气体，该部分气体中所含氢气浓度低。余下的少量的水及未发生电化学反应的氢气经过所述第二增压循环泵27增压，当其压力与燃料电池电堆30中的氢气压力较为一致时，即经过第二增压循环泵27增压后的气体的压力与燃料电池电堆30中的氢气的压力之间的差值相等或接近相等时，增压后的气体与述氢气容器20输出的气体在所述第二混合器25中混合，并再次进入所述燃料电池电堆30中，如此循环，实现氢气的在相对封闭和较高浓度的环境中循环利用，这大大简化了氢气在燃料电池电堆30中的处理和控制。

实施例三

本实施例三是在实施例一的基础上增加了相应的控制设备。因此部分省略了与实施例一中相同部分的描述，具体描述如下：

如图1所示，一种以容器装氧气为氧化剂的燃料电池控制系统，包括设有燃料通道和氧气通道的燃料电池电堆30，所述燃料通道上设有用于装氧气的氧气容器10，所述氧气容器10与燃料电池电堆30入口端的氧气通道上连接有第一混合器15，所述燃料电池电堆30出口端的氧气通道上依次设有第一气水分离器16和第一增压循环泵17，所述第一增压循环泵17的输出端与所述第一混合器15管路连接；

其中，所述氧气容器10与第一混合器15之间的氧气通道上依次设有第一压力传感器13和第一进口电磁阀14；通过该第一压力传感器13测量氧气通道中气体的压力，根据该第一压力传感器13测量得到的压力，通过该第一进口电磁阀14调节进入燃料电池电堆30中的氧气量；

其中，所述燃料电池电堆30上还设有温度传感器(图中未示)；

还包括一控制器(图中未示)，所述控制器分别与所述第一压力传感器13、第一进口电磁阀14的控制端、第一气水分离器16的控制端、温度传感器和第一增压循环泵17的控制端相连接。

其中，所述燃料通道同样可采用现有技术实现。

其中，所述氧气容器10与第一压力传感器13之间的氧气通道上还可依次连接有第一截止阀11、第一调压阀12，所述第一截止阀11的控制端和第一调压阀12的控制端分别与所述控制器相连接。通过所述第一截止阀11打开或关闭所述氧气通道，通过所述第一调压阀12实现进入燃料电池电堆30中的氧气的压力调节，并通过所述第一调压阀12和第一进口电磁阀14调节进入燃料电池电堆30中的氧气量。

所述控制器采集所述第一压力传感器13输出的压力值，并控制所述第一增压循环泵17将输出气体压力增加至与该压力值相等或接近相等，确保实现第一混合器15能够在压力较为一致时的气体混合。所述控制器根据燃料电池电堆30状态，输出打开或关闭控制信号控制至所述第一进口电磁阀14的控制端，以决定是否持续由氧气容器10供应氧气。

所述控制器采集所述温度传感器输出的温度信号，控制所述第一气水分离器16的气水分离制冷。当温度较高时，提高制冷效果；当温度较低时，降低制冷效果。优选地，还可直接在所述燃料电池电堆30的一侧增加一电堆冷却风扇31，所述电堆冷却风扇31的控制端与所述控制器相连接。当所述第一气水分离器16的制冷不能满足所述燃料电池电堆30的需要时，通过控制电堆冷却风扇31进行制冷。

所述控制器通过控制所述第一气水分离器16排出的水量，实现燃料电池电堆30中湿度的调节。其中对湿度的调节可以根据燃料电池电堆30的设计性能计算得出。例如，假设氧气容器10提供的氧气浓度已知，由于氧气是在一个相对封闭管道中循环，参与反应的氧气的量可以根据反应前后压力的变化计算得出，即根据第一压力传感器13输出的压力值及第一增压循环泵17增加的压力得出，在计算出反应生成的水的量后，根据燃料电池电堆30的输出功率、温度及压力状况，得出反应所需的湿度，以此控制所述第一气水分离器16排出的水量，实现燃料电池电堆30中湿度的调节。

优选地，还可在氧气通道上增加一个与所述控制器相连接的湿度传感器，通过采集该湿度传感器输出的湿度信号直接确定所述第一气水分离器16排出的水量，简单地实现燃料电池电堆30中湿度的调节。

其中，所述第一气水分离器16排出含氧浓度低的部分气体同样可由所述控制器控制，根据反应生成的水量、燃料电池电堆30输出功率、工作时间等测算出是否需要排出部分气体。由于本申请中燃料电池电堆30的工作状态稳定，可以直接根据积累的经验数据，定时定量地排出部分气体。

由于燃料电池电堆30的电化学反应需要在一定的温度与湿度条件下才能实现较好的工作，而本申请中，可通过调节所述第一气水分离器16的制冷效果，实现燃料电池电堆30反应温度的控制。并且可通过控制所述第一气水分离器16排出的水量实现对燃料电池电堆30中所需湿度的调节。

实施例四

本实施例四是在实施例二和实施例三的基础上增加了燃料通道上的相应控制。因此部分省略了与实施例二和实施例三中相同部分的描述，具体描述如下：

如图2所示，一种以容器装氧气为氧化剂的燃料电池控制系统，包括设有燃料通道和氧气通道的燃料电池电堆30，所述燃料通道上设有用于装氢气的氢气容器20，所述氢气容器20与燃料电池电堆30入口端的氢气通道上连接有第二混合器25，所述燃料电池电堆30出口端的氢气通道上依次设有第二气水分离器26和第二增压循环泵27，所述第二增压循环泵27的输出端与所述第二混合器25管路连接；

其中，所述氢气容器20与第二混合器25之间的氢气通道上依次设有第二压力传感器23和第二进口电磁阀24；通过该第二压力传感器23测量氢气通道中气体的压力，根据该第二压力传感器23测量得到的压力，通过该第二进口电磁阀24调节进入燃料电池电堆30中的氢气量；

其中，还包括一控制器(图中未示)，所述控制器分别与所述第二压力传感器23、第二进口电磁阀24的控制端、第二气水分离器26的控制端、温度传感器和第二增压循环泵27的控制端相连接。

其中，所述氢气容器20与第二压力传感器23之间的氢气通道上还可依次连接有第二截止阀21、第二调压阀22，所述第二截止阀21的控制端和第二调压阀22的控制端分别与所述控制器相连接。通过所述第二截止阀21打开或关闭所述氢气通道，通过所述第二调压阀22实现进入燃料电池电堆30中的氢气的压力调节，并通过所述第二调压阀22和第二进口电磁阀24调节进入燃料电池电堆30中的氢气量。

所述控制器采集所述第二压力传感器23输出的压力值，并控制所述第二增压循环泵27将输出气体压力增加至与该压力值相等或接近相等，确保实现第二混合器25能够在压力较为一致时的气体混合。所述控制器根据燃料电池电堆30状态，输出打开或关闭控制信号控制至所述第二进口电磁阀24的控制端，以决定是否持续由氢气容器20供应氢气。

所述控制器采集所述温度传感器输出的温度信号，控制所述第二气水分离器26的气水分离制冷。当温度较高时，提高制冷效果；当温度较低时，降低制冷效果。

所述控制器也可通过控制所述第二气水分离器26排出的水量，部分调节燃料电池电堆30中的湿度。其中对湿度的调节可以根据燃料电池电堆30的设计性能计算得出。例如，假设氢气容器20提供的氢气浓度已知，由于氢气是在一个相对封闭管道中循环，参与反应的氢气的量可以根据反应前后压力的变化计算得出，即根据第二压力传感器23输出的压力值及第二增压循环泵27增加的压力得出，在计算出反应生成的水的量后，根据燃料电池电堆30的输出功率、温度及压力状况，得出反应所需的湿度，以此控制所述第二气水分离器26排出的水量，实现燃料电池电堆30中湿度的调节。

优选地，还可在氢气通道上增加一个与所述控制器相连接的湿度传感器，通过采集该湿度传感器输出的湿度信号直接确定所述第二气水分离器26排出的水量，简单地实现燃料电池电堆30中湿度的调节。

其中，所述第二气水分离器26排出含氢浓度低的部分气体同样可由所述控制器控制，根据反应生成的水量、燃料电池电堆30输出功率、工作时间等测算出是否需要排出部分气体。由于本申请中燃料电池电堆30的工作状态稳定，可以直接根据积累的经验数据，定时定量地排出部分气体。

由于燃料电池电堆30的电化学反应需要在一定的温度与湿度条件下才能实现较好的工作，而本申请中，可通过调节所述第二气水分离器26的制冷效果，实现燃料电池电堆30反应温度的控制。并且可通过控制所述第二气水分离器26排出的水量实现对燃料电池电堆30中所需湿度的调节。

以上所述的实施例仅用于说明本申请的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本申请的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本申请的专利范围，即凡依本申请所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本申请的专利范围内。

Claims (9)

1.一种以容器装氧气为氧化剂的燃料电池系统，包括设有燃料通道和氧气通道的燃料电池电堆（30），其特征在于：所述氧气通道上设有用于装氧气的氧气容器（10），所述氧气容器（10）与燃料电池电堆（30）入口端之间的氧气通道上连接有第一混合器（15），所述燃料电池电堆（30）出口端的氧气通道上依次设有第一气水分离器（16）和第一增压循环泵（17），所述第一增压循环泵（17）的输出端与所述第一混合器（15）管路连接；所述氧气容器（10）与第一混合器（15）之间的氧气通道上依次连接有第一截止阀（11）、第一调压阀（12）、第一压力传感器（13）、第一进口电磁阀（14）。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：所述燃料通道上设有氢气容器（20），所述氢气容器（20）与所述燃料电池电堆（30）之间的燃料通道上依次连接有第二截止阀（21）、第二调压阀（22）、第二压力传感器（13）、第二进口电磁阀（24）。

3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：所述燃料通道的出口处设有第二排水阀（28）。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：所述燃料电池电堆（30）出口端的氢气通道上依次设有第二气水分离器（26）和第二增压循环泵（27），所述第二增压循环泵（27）的输出端管路连接一第二混合器（25）。

5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：所述第一气水分离器（16）的排水口处管道连接有第一排水阀（18）。

6.一种以容器装氧气为氧化剂的燃料电池控制系统，包括设有燃料通道和氧气通道的燃料电池电堆（30），其特征在于：所述氧气通道上设有用于装氧气的氧气容器（10），所述氧气容器（10）与燃料电池电堆（30）入口端之间的氧气通道上连接有第一混合器（15），所述燃料电池电堆（30）出口端的氧气通道上依次设有第一气水分离器（16）和第一增压循环泵（17），所述第一增压循环泵（17）的输出端与所述第一混合器（15）管路连接；所述氧气容器（10）与第一混合器（15）之间的氧气通道上依次设有第一压力传感器（13）和第一进口电磁阀（14）；所述燃料电池电堆（30）上还设有温度传感器；还包括一控制器，所述控制器分别与所述第一压力传感器（13）、第一进口电磁阀（14）的控制端、气水分离器（16）的控制端、温度传感器和第一增压循环泵（17）的控制端相连接。

7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于：所述氧气容器（10）与第一压力传感器（13）之间的氧气通道上依次连接有第一截止阀（11）和第一调压阀（12），所述第一截止阀（11）的控制端和第一调压阀（12）的控制端分别与所述控制器相连接。

8.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于：所述氧气通道上还设有一个与所述控制器相连接的湿度传感器。

9.根据权利要求6至8中任一权利要求所述的控制系统，其特征在于：所述燃料通道上设有一氢气容器（20），所述氢气容器（20）与所述燃料电池电堆（30）之间的燃料通道上依次连接有第二截止阀（21）、第二调压阀（22）、第二压力传感器（13）、第二进口电磁阀（24），所述第二截止阀（21）的控制端、第二调压阀（22）控制端、第二压力传感器（13）和第二进口电磁阀（24）控制端与所述控制器相连接。