CN105633435B - 一种车用燃料电池系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车用燃料电池系统，包括空气压缩机(1)，储气罐(2)，空气减压阀(3)，空气调节阀(4)，空气流量计(5)，数据接收器(6)，检测装置，燃料电池(10)，氢气流量计(11)，氢气调压阀(12)，氢气减压阀(13)，氢气罐(14)和综合控制装置(15)。检测装置包含一个温度传感器、一个湿度传感器和一个压力传感器。本发明还公开了该车用燃料电池系统的工作方法。采用本发明可以使车辆实现纯电动驱动，突破了内燃机燃烧的卡诺循环限制，用燃料的电化学反应替代了燃烧，通过对燃料电池温度、湿度、压力的监控有效实施了燃料电池内部水管理，提高了燃料使用效率和做功能力，消除了燃料燃烧生成的各种污染物，实现了车辆的零排放。

Description

一种车用燃料电池系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种车用燃料电池系统及其工作方法。

背景技术

当前节能减排要求日趋严格，节能与环保成为研究的热点，车用燃料电池技术也成为研究的重点。

与传统内燃机汽车相比，燃料电池利用氢气作为燃料，车用燃料电池不通过热机过程，不受卡诺循环的限制，具有能量转化效率高、环境友好等内燃机汽车不可比拟的优点，同时仍然可以保持传统内燃机汽车高速度、长距离行驶和安全、舒适等性能。利用燃料电池的车辆被认为是21世纪首选的洁净、高效运输工具。

由于车用燃料电池为低温状态工作，必须有水做导体，但水太多容易发生水淹现象。低温运转的燃料电池堆，热量排出很困难。燃料电池需要潮化薄膜和阳极、阴极气体,使质子转移以产生电力，当在冰点以下温度停车时，发生冷启动问题。因此电池内部的水/热管理成为车用燃料电池的技术瓶颈。

发明专利(ZL2013100459183)给出了一种质子交换膜燃料电池测试平台温度控制系统及其控制方法，但对进气温度控制装置的设计还不充分，还需要进一步研究。

在某些发电厂使用的的燃料电池在高温工作，不需要水做导体，没有水淹现象。但这种高温工作的燃料电池不能应用于车辆上。

因此需要设计出一种具有切实应用前景的车用燃料电池系统，能够有效避免燃料电池的缺水和水淹问题。

发明内容

本发明通过对车用燃料电池的进气和水管理系统进行控制，保障了车用燃料电池的正常工作，并能实现车辆的零排放，符合现在中国目前节能减排改革的现状。

本发明的一种车用燃料电池系统，车用燃料电池系统，包括空气压缩机、储气罐、空气减压阀、空气调节阀、空气流量计、数据接收器、燃料电池、氢气流量计、氢气调节阀、氢气减压阀、氢气罐、综合控制器和检测装置。

空气压缩机与储气罐相连，为储气罐提供高压空气。

储气罐通过压力管道与空气减压阀的高压空气入口相连。

空气减压阀具有外壳，高压空气入口设置于外壳一侧，空气减压阀的减压空气出口设置于外壳另一侧，减压空气出口连接空气调节阀。

空气调节阀经空气流量计连接燃料电池的阴极。

氢气罐通过压力管道与氢气减压阀的高压氢气入口相连。

氢气减压阀具有外壳，高压氢气入口设置于外壳一侧，氢气减压阀的减压氢气出口设置于外壳另一侧，减压氢气出口连接氢气调节阀。

氢气调节阀经氢气流量计连接燃料电池的阳极。

检测装置共有两组，每一组均包含一个温度传感器、一个湿度传感器和一个压力传感器。检测装置中的一组设置于空气流量计与燃料电池相连接的管道上，该组中的温度传感器和湿度传感器贴近燃料电池安装；检测装置中的另一组设置于氢气流量计与燃料电池相连接的管道上，该组中的温度传感器和湿度传感器贴近燃料电池安装。

检测装置中的温度传感器、湿度传感器和压力传感器均与数据接收器相连。

空气流量计、氢气流量计分别以无线方式向数据接收器传送数据。

数据接收器与综合控制器相连。

综合控制器通过控制总线分别连接空气减压阀、空气调节阀、氢气调节阀、氢气减压阀。

本发明还提供了所述车用燃料电池系统的工作方法，空气和氢气分别通过两条路径连接燃料电池，空气经过空器压缩机进入储气罐，再依次经空气减压阀、空气调节阀和空气流量计连接燃料电池阴极；氢气罐中的氢气经过氢气减压阀、氢气调压阀和氢气流量计进入燃料电池阳极。燃料电池出现缺水时，燃料电池内部温度上升、湿度下降，温度传感器的实测温度高于数据接收器中预设的最高温度阈值，并且湿度传感器的实测湿度低于数据接收器中预设的最低湿度阈值，数据接收器进行数据比较处理后向综合控制器发送高电平信号，综合控制器控制空气减压阀、空气调节阀、氢气调节阀、氢气减压阀的开度，增大空气和氢气的供应量，从而在燃料电池内生成更多的水。燃料电池出现水淹时，燃料电池内部温度下降、湿度上升，温度传感器的实测温度低于数据接收器中预设的最低温度阈值，并且湿度传感器的实测湿度高于数据接收器中预设的最高湿度阈值，数据接收器进行数据比较处理后将向综合控制器发送低电平信号，综合控制器控制空气减压阀、空气调节阀、氢气调节阀、氢气减压阀的开度，减小空气和氢气的供应量，从而在燃料电池内生成较少的水。

本发明是通过监控空气和氢气的流量、温度、压力和湿度，使燃料电池不发生缺水和水淹现象，保证车用燃料电池的正常工作，实现汽车的零排放。

采用本发明可以使车辆实现纯电动驱动，突破了内燃机燃烧的卡诺循环限制，用燃料的电化学反应替代了燃烧，通过对燃料电池温度、湿度、压力的监控有效实施了燃料电池内部水管理，提高了燃料使用效率和做功能力，消除了燃料燃烧生成的各种污染物，实现了车辆的零排放。

附图说明

图1是本发明的总体方案流程图。

图中：1-空气压缩机，2-储气罐，3-空气减压阀，4-空气调节阀，5-空气流量计，6-数据接收器，7-温度传感器，8-湿度传感器，9-压力传感器，10-燃料电池，11-氢气流量计，12-氢气调节阀，13-氢气减压阀，14-氢气罐，15-综合控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，本发明的一种车用燃料电池系统，包括空气压缩机1、储气罐2、空气减压阀3、空气调节阀4、空气流量计5、数据接收器6、燃料电池10、氢气流量计11、氢气调节阀12、氢气减压阀13、氢气罐14、综合控制器15和检测装置。

空气压缩机1与储气罐2相连，为储气罐2提供高压空气。车用燃料电池的功率密度随氧气压力的增大而升高，因此本发明使用空气压缩机提高空气供给压力，借以增大空气中的氧气压力。

储气罐2通过压力管道与空气减压阀3的高压空气入口相连。

本发明的空气减压阀3具有外壳，高压空气入口设置于外壳一侧，减压空气出口设置于另一侧，减压空气出口连接空气调节阀4。空气调节阀4经空气流量计5连接燃料电池10的阴极。

氢气罐14通过压力管道与氢气减压阀13的高压氢气入口相连。

本发明的氢气减压阀13具有外壳，高压氢气入口设置于外壳一侧，减压氢气出口设置于另一侧，减压氢气出口连接氢气调节阀12。氢气调节阀12经氢气流量计11连接燃料电池10的阳极。

本发明中的检测装置共有两组，每一组均包含一个温度传感器7、一个湿度传感器8和一个压力传感器9。检测装置中的一组设置于空气流量计5与燃料电池10相连接的管道上，其中温度传感器7和湿度传感器8贴近燃料电池10安装；检测装置中的另一组设置于氢气流量计11与燃料电池10相连接的管道上，其中温度传感器7和湿度传感器8贴近燃料电池10安装。检测装置中的温度传感器7、湿度传感器8和压力传感器9均与数据接收器6相连。

其中，本发明中的空气流量计5、氢气流量计11分别以无线方式向数据接收器6传送数据。

数据接收器6与综合控制器15相连，数据接收器6将接收到的各数据转换处理成预定格式的数字信号并传送综合控制器15。

综合控制器15通过控制总线(图中未示出)分别连接空气减压阀3、空气调节阀4、氢气调节阀12、氢气减压阀13。

本发明的车用燃料电池系统的工作方法、工作过程介绍如下：

根据流程图1，空气进入空气压缩机1，压缩后压力为6bar进入储气罐2，经过空气减压阀3减到2bar左右，经过空气调节阀4控制空气的流量，经过空气流量计5检测空气的流量大小，最后空气进入燃料电池10的阴极，由一组温度传感器7、湿度传感器8和压力传感器9将空气温度、湿度和压力大小传输给数据接收器6。氢气从氢气罐14中出来进入氢气减压阀13，经氢气减压阀13将压力减少到2bar左右，再经过氢气调节阀12控制氢气的流量，经过氢气流量计11显示氢气的流量大小，最后氢气进入燃料电池10的阳极，由另一组温度传感器7、湿度传感器8和压力传感器9将氢气温度、湿度和压力大小传输到数据接收器6。

本发明对燃料电池发生缺水和水淹现象的监控依赖于温度传感器7、湿度传感器8实现。燃料电池出现缺水时，燃料电池内部温度上升、湿度下降，温度传感器7的实测温度将会高于数据接收器6中预设的最高温度阈值，并且湿度传感器8的实测湿度将会低于数据接收器6中预设的最低湿度阈值，数据接收器6进行数据比较处理后将向综合控制器15发送高电平信号，综合控制器15控制空气减压阀3、空气调节阀4、氢气调节阀12、氢气减压阀13的开度，增大氢气和氧气的供应量，从而在燃料电池内生成更多的水。燃料电池出现水淹时，燃料电池内部温度下降、湿度上升，温度传感器7的实测温度将会低于数据接收器6中预设的最低温度阈值，并且湿度传感器8的实测湿度将会高于数据接收器6中预设的最高湿度阈值，数据接收器6进行数据比较处理后将向综合控制器15发送低电平信号，综合控制器15控制空气减压阀3、空气调节阀4、氢气调节阀12、氢气减压阀13的开度，减小氢气和氧气的供应量，从而在燃料电池内生成较少的水。

通过本发明提供的车用燃料电池系统，燃料电池的数据得到有效监测和控制，实现了稳定发电的功能。

本发明的车用燃料电池系统可为燃料电池汽车提供数据显示，以及时调整燃料电池的输出功率，保证车载燃料电池使用的稳定性。同时也可以用在车用燃料电池实验室以及燃料电池整车测试车间。

本发明不限于以上对实施例的描述，本领域技术人员根据本发明揭示的内容，在本发明基础上不必经过创造性劳动所进行的改进和修改，都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种车用燃料电池系统，其特征在于，包括空气压缩机、储气罐、空气减压阀、空气调节阀、空气流量计、数据接收器、燃料电池、氢气流量计、氢气调节阀、氢气减压阀、氢气罐、综合控制器和检测装置；

所述空气压缩机与所述储气罐相连；

所述储气罐通过压力管道与所述空气减压阀的高压空气入口相连；

所述空气减压阀具有外壳，所述高压空气入口设置于所述外壳一侧，所述空气减压阀的减压空气出口设置于所述外壳另一侧，所述减压空气出口连接所述空气调节阀；

所述空气调节阀经所述空气流量计连接燃料电池的阴极；

所述氢气罐通过压力管道与所述氢气减压阀的高压氢气入口相连；

所述氢气减压阀具有外壳，所述高压氢气入口设置于所述外壳一侧，所述氢气减压阀的减压氢气出口设置于所述外壳另一侧，所述减压氢气出口连接所述氢气调节阀；

所述氢气调节阀经所述氢气流量计连接燃料电池的阳极；

所述空气流量计、所述氢气流量计分别以无线方式向所述数据接收器传送数据；

所述检测装置共有两组，每一组所述检测装置均包含一个温度传感器、一个湿度传感器和一个压力传感器；所述检测装置中的一组设置于所述空气流量计与燃料电池相连接的管道上，该组中的所述温度传感器和所述湿度传感器贴近燃料电池安装；所述检测装置中的另一组设置于所述氢气流量计与燃料电池相连接的管道上，该组中的所述温度传感器和所述湿度传感器贴近燃料电池安装；

所述检测装置中的所述温度传感器、所述湿度传感器和所述压力传感器均与所述数据接收器相连；所述数据接收器与所述综合控制器相连；

所述综合控制器通过控制总线分别连接所述空气减压阀、所述空气调节阀、所述氢气调节阀、所述氢气减压阀；

所述综合控制器根据所述温度传感器、所述湿度传感器的测量值，控制空气减压阀、空气调节阀、氢气调节阀、氢气减压阀的开度，控制燃料电池内生成的水量。

2.如权利要求1所述的一种车用燃料电池系统的工作方法，其特征在于：

空气经过空器压缩机进入储气罐，再依次经空气减压阀、空气调节阀和空气流量计连接燃料电池的阴极；

氢气罐中的氢气经过氢气减压阀、氢气调压阀和氢气流量计进入燃料电池阳极；

燃料电池出现缺水时，燃料电池内部温度上升、湿度下降，温度传感器的实测温度高于数据接收器中预设的最高温度阈值，并且湿度传感器的实测湿度低于数据接收器中预设的最低湿度阈值，数据接收器进行数据比较处理后向综合控制器发送高电平信号，综合控制器控制空气减压阀、空气调节阀、氢气调节阀、氢气减压阀的开度，增大空气和氢气的供应量，从而在燃料电池内生成更多的水；

燃料电池出现水淹时，燃料电池内部温度下降、湿度上升，温度传感器的实测温度低于数据接收器中预设的最低温度阈值，并且湿度传感器的实测湿度高于数据接收器中预设的最高湿度阈值，数据接收器进行数据比较处理后将向综合控制器发送低电平信号，综合控制器控制空气减压阀、空气调节阀、氢气调节阀、氢气减压阀的开度，减小空气和氢气的供应量，从而在燃料电池内生成较少的水。