CN107346828A - 燃料电池的进气处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池的进气处理系统，所述系统包括：温度检测装置，用于检测所述燃料电池的进气的温度，并将测得的温度值反馈给温控装置；以及所述温控装置，包括所述燃料电池的冷却液换热循环单元，其中，所述冷却液换热循环单元包括换热器，所述温控装置根据所述测得的温度值，并通过所述换热器实现所述燃料电池的冷却液与所述燃料电池的进气的换热处理，以调节控制所述燃料电池的进气的温度。能够充分利用燃料电池的冷却液换热循环单元调节燃料电池的进气的温度，降低能量消耗保障和减少额外电负荷，且有效控制燃料电池的进气的温度，使燃料电池能够正常进行化学反映，减缓燃料电池的质子交换膜的老化速率，延长燃料电池膜电极寿命。

Description

燃料电池的进气处理系统

技术领域

本发明实施例涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池的进气处理系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种使用氢气和氧气或者空气中氧气反应的发电装置。是可以完全脱离石油的新型能源装置，逐步被应用于电站和车载等领域。由于其反应过程中会生成水，其内部的水热控制成为其一关键技术。然而，外界环境温度对燃料电池的工作状态有较大影响，其中燃料电池进气温度的控制即成为水热控制关键的其中一部分。

在对燃料电池的工作特性没有完全了解的情况下，燃料电池建模很困难并且控制技术也不成熟，尤其在对燃料电池系统的进气温度、湿度控制方面。一旦温度和/或湿度的控制效果不理想，容易造成发电效率的明显下降，使造价昂贵的质子交换膜由于使用不当很快老化，最终无法正常进行化学反应。

现有技术中，一般采用在进气管路上附加换热装置，完成对燃料电池的进气的预热过程，对于燃料电池的整套系统而言，这必然会增加进气管路的阻力降，意味着进气输送单元，如风机、空压力等，需要消耗更多的能量，从而需要增加额外电负荷，使得燃料电池的整体效率值下降。

发明内容

本发明提供一种燃料电池的进气处理系统，能够充分利用燃料电池的冷却液换热循环单元(或者冷却液换热循环系统)调节燃料电池的进气的温度，降低能量消耗保障和减少额外电负荷，且保障燃料电池正常工作。

本发明提供的一种燃料电池的进气处理系统，所述系统包括：

温度检测装置，用于检测所述燃料电池的进气的温度，并将测得的温度值反馈给温控装置；以及

所述温控装置，包括所述燃料电池的冷却液换热循环单元，其中，所述冷却液换热循环单元包括换热器，所述温控装置根据所述测得的温度值，并通过所述换热器实现所述燃料电池的冷却液与所述燃料电池的进气的换热处理，以调节控制所述燃料电池的进气的温度。

示例性地，所述系统还包括：

滤水装置，用于滤除所述燃料电池的进气的水分。

示例性地，所述系统还包括：

物理过滤器，包括滤纸和/或滤网，用于滤除所述燃料电池的进气的颗粒物质；

和/或，

化学过滤器，用于滤除所述燃料电池的进气的化学物质，所述化学物质包括二氧化硫、一氧化碳以及碳氢化合物至少一种。

示例性地，所述温控装置还包括比例调节阀，

所述比例调节阀用于控制所述燃料电池的冷却液的流量大小，当所述温度检测装置检测到所述燃料电池的进气的温度低于第一预设温度时，所述比例调节阀调整至最大开度，以使所述燃料电池的冷却液以最大流量流经所述换热器，提升所述燃料电池的进气的温度；以及

用于当所述燃料电池的进气的温度高于第二预设值时，调整至关闭状态，禁止所述燃料电池的冷却液进入所述换热器，以停止所述燃料电池的冷却液与所述燃料电池的进气的换热处理，其中，所述第二预设值大于所述第一预设值。

示例性地，所述温控装置还包括辅助加热器，

所述辅助加热器用于当到达预设时间所述燃料电池的进气的温度还低于所述第一预设温度时，对所述燃料电池的冷却液进行加热处理，其中，加热处理后的冷却液流经所述换热器与所述燃料电池的进气进行换热。

示例性地，所述滤水装置包括滤网和/或滤水叶片，所述滤水叶片呈百叶窗结构排布。

示例性地，所述系统包括所述物理过滤器，

以及，

所述系统还包括空气流量计，用于检测流经所述燃料电池的实时空气流量，得到流量值；以及

包括压差传感器，用于检测所述燃料电池内环境与外界环境的压力差，得到压差值；

其中，结合所述流量值和所述压差值确定是否更换所述物理过滤器。

示例性地，所述系统还包括控制器和报警器，

所述控制器用于判断所述压差值是否大于或者等于所述流量值对应的最大允许的进气的压差值，如是，则向所述报警器发出控制指令；

所述报警器用于接收所述控制指令，并发出报警信息，以通知用户更换所述物理过滤器。

示例性地，所述系统为圆柱结构或者板式结构。

示例性地，所述换热器为板式换热器、列管式换热器或者翘片式换热器。

应用本发明实施例，能够充分利用燃料电池的冷却液换热循环单元(或者冷却液换热循环系统)调节燃料电池的进气的温度，降低能量消耗保障和减少额外电负荷，且有效控制燃料电池的进气的温度，使燃料电池能够正常进行化学反映，避免燃料电池的发电效率下降，减缓燃料电池的质子交换膜的老化速率，延长燃料电池膜电极寿命。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的燃料电池的进气处理系统的结构示意图之一；

图2为本发明一个实施例提供的燃料电池的进气处理系统的应用结构示意图；

图3为本发明一个实施例提供的燃料电池的进气处理系统的结构示意图之二；

图4为本发明一个实施例提供的燃料电池的进气处理系统的结构示意图之三。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一个实施例提供的燃料电池的进气处理系统的结构示意图之一。如图1所示，燃料电池的进气处理系统可以包括温度检测装置和温控装置。

温度检测装置，用于检测所述燃料电池的进气的温度，并将测得的温度值反馈给温控装置，其中，温度检测装置可以是温度传感器或者温度传感器与其他电器件(例如，微处理器)的电连接组合，实现对燃料电池的进气的温度进行实时检测。以及，温度检测装置与温控装置电连接，可以将检测到的温度值实时反馈给温控装置。

温控装置可以包括所述燃料电池的冷却液换热循环单元，其中，所述冷却液换热循环单元包括换热器，所述温控装置根据所述测得的温度值，并通过所述换热器实现所述燃料电池的冷却液与所述燃料电池的进气的换热处理，以调节控制所述燃料电池的进气的温度。示例性地，冷却液换热循环单元可以是表面式热交换装置，其热量由一种流体通过固体壁传给另一种流体，具体地，燃料电池的冷却液将燃料电池的工作产热带出进入换热器，换热器可以是将冷却液的热量传给换热器外的燃料电池的进气，冷却液的温度也可以降低，从而循环利用进入燃料电池降低燃料电池带走燃料电池的产热，燃料电池的进气的温度得到提升。

可以理解的是，温度检测装置与温控装置可以通过无线连接方式传输温度数据也可以通过有线连接的方式传输温度数据，本发明在此不作限制。

根据上述实施例，能够充分利用燃料电池的冷却液换热循环单元(或者冷却液换热循环系统)调节燃料电池的进气的温度，降低能量消耗保障和减少额外电负荷，且有效控制燃料电池的进气的温度。

根据本发明一实施例，温控装置还可以包括比例调节阀，其中，比例调节阀是指在执行的过程中采用比例和积分两种计算综合起来的电动阀门，计算值离设定值越远，步进马达动作越快，基本是一个衰减的正弦波形。在本发明实施例中，比例调节阀用于控制所述燃料电池的冷却液的流量大小，当所述温度检测装置检测到所述燃料电池的进气的温度低于第一预设温度时，所述比例调节阀调整至最大开度，以使所述燃料电池的冷却液以最大流量流经所述换热器，提升所述燃料电池的进气的温度。以及用于当所述燃料电池的进气的温度高于第二预设值时，调整至关闭状态，禁止所述燃料电池的冷却液进入所述换热器，以停止所述燃料电池的冷却液与所述燃料电池的进气的换热处理，其中，所述第二预设值大于所述第一预设值。例如，比例调节阀的一端可以连接燃料电池的冷却液的水泵，另一端连接换热器，当燃料电池的进气的温度低于第一预设值时，比例调节阀驱动所述水泵释放所述冷却液，经由换热器将热量传递给燃料电池的进气，当两者差值(进气的当前温度值低于第一预设值)较大时，比例调节阀调整至最大开度，从而调整水泵至最大功率，快速释放并加速冷却液的流动，从而快速提升燃料电池的进气的温度，反之，比例调节阀调整至关闭状态，降低水泵的功率甚至关闭水泵，从而禁止冷却液进入换热器，避免燃料电池的进气温度过。作为一个示例，当燃料电池的进气的温度大于第一预设值而小于第二预设值时，则可以插值控制比例调节阀，从而控制燃料电池的冷却液的流量。应用该实施例，本发明充分利用燃料电池的冷却液循环单元，既有效地对燃料电池的进气的温度进行调整，还简化了系统结构，且还简化了燃料电池低温启动过程和降低低温启动的难度。作为一个示例，在本发明中，比例调节阀可以是具有进出口的L型的管道。

进一步地，温度装置还可以包括辅助加热器，其中，辅助加热器可以是电加热棒或者电加热片，用于当到达预设时间所述燃料电池的进气的温度还低于所述第一预设温度时，对所述燃料电池的冷却液进行加热处理，其中，加热处理后的冷却液流经所述换热器与所述燃料电池的进气进行换热。举例来说，燃料电池的进气温度低于第一预设温度，比例调节阀已调整至最大开度以能够提高进气温度，然而，如果进气温度低于第一预设温度的较多时，可能很长时间也不能将进气温度提升至第一预设温度，根据本发明实施例，可以增设辅助加热器，在冷却液进入换热器前，进一步提高冷却液的温度，从而冷却液在换热器中能够传递更多更高的热量给燃料电池的进气，从而迅速提升燃料电池的进气温度。作为示例，辅助加热器可以是外置加热器，冷却液流经辅助加热器加热处理后，再流经比例调节阀，最后进入换热器，将热量传递给燃料电池的进气。

作为另一个示例，燃料电池的冷却液换热循环单元的换热器包括但不限于板式换热器、列管式换热器或者翘片式换热器，在实际应用中，可以根据整体系统的结构和/或应用环境相应地缓则换热器的结构。

根据本发明另一实施例，本发明提供的一种燃料电池的进气处理系统还可以包括滤水装置，用于滤除燃料电池的进气的水分。例如，如果燃料电池是置于外部潮湿或者较易被雨水浇到的环境下，滤水装置可以对燃料电池的进气进行干燥处理，滤除进气的水分，使进入燃料电池的控制足够干燥，从而降低外界环境湿度对燃料电池的工作状态影响，进而减缓燃料电池的质子交换膜老化，延长燃料电池的寿命。其中，滤水装置可以包括但不限于滤网、滤水叶片，例如，百叶或者带有滤网的百叶装置，而对滤网或滤水叶片的材质本发明不作限制。当滤水装置为滤水叶片时，为了增强对空气的干燥效果，充分干燥空气，可以将滤水叶片呈百叶窗结构排布。滤水装置可以保障燃料电池在露天使用时进入燃料电池的空气足够干燥的。

进一步地，发明提供的一种燃料电池的进气处理系统还可以包括物理过滤器，包括滤纸和/或滤网，用于滤除所述燃料电池的进气的颗粒物质，例如，滤除5微米大小的颗粒物质。如此，可以减少外界环境中的颗粒物质对燃料电池自身系统的影响，而延长燃料电池的使用寿命。作为另一个示例，由于燃料电池的使用环境较为广泛，为了能够提高燃料电池的适用性，尽量降低外界环境因素对燃料电池的影响，例如，外界有害化学物质对燃料电池的影响，本发明实施例提供的系统还可以包括化学过滤器，可以用于滤除所述燃料电池的进气的化学物质，例如，二氧化硫、一氧化碳以及碳氢化合物至少一种。作为示例，化学过滤器可以是含有催化剂、活性炭等物质的过滤器，以滤除燃料电池的进气中危害燃料电池寿命的气体。

基于前述实施例，根据实际应用环境等因素，本发明提供的燃料电池的进气处理系统除了包括温度检测装置和温控装置外，还可以包括滤水装置、物理过滤器和化学过滤器至少一个。

根据本发明另一个实施例，本发明提供的系统包括物理过滤器时，该系统还可以包括空气流量计和压差传感器，其中，空气流量计用于检测流经所述燃料电池的实时空气流量，得到流量值，压差传感器用于检测所述燃料电池内环境与外界环境的压力差，得到压差值。从而可以为用户提供流量值和压差值，以使用户结合这两个值判断是否更换物理过滤器，具体而言，任一个流量值都均有一个最大允许进气压力值，若在该流量值下，当前压力值超过了该最大允许进气压力值，则可以确定物理过滤器需要更换，因为物理过滤器失效或者物理过滤器被堵塞，会影响进气流量和燃料电池内外环境的压降。然而前述判断过程，对工作人员的经验和知识的有一定要求，因此，进一步地，本发明提供了另一实施例，在前述实施例的基础上，该系统还可以包括控制器和报警器，其中，所述控制器用于判断所述压差值是否大于或者等于所述流量值对应的最大允许的进气的压差值，如是，则向所述报警器发出控制指令，所述报警器用于接收所述控制指令，并发出报警信息，以通知用户更换所述物理过滤器。根据该实施例，可以降低部分人力成本，而对工作人员的要求也较低。

基于前述实施例的系统结构，下面结合具体的应用结构进一步对本发明进行说明。

图2为本发明一个实施例提供的燃料电池的进气处理系统的应用结构示意图。需要说明的是，前述涉及的燃料电池的进气即为进入燃料电池系统的空气，下面的叙述中均称之为空气。

如图2中所示，空气在进入燃料电池的过程中，首先需要经过所述系统，经该系统处理之后最终进入燃料电池。示例性地，空气可以流经滤水装置进行滤除水分处理，以使燃料电池达到防水的作用；经滤水装置滤除水分处理后，空气进入物理过滤器，经物理过滤器过滤其中的物理杂质、颗粒；再进入化学过滤器，经化学过滤器过滤其中的化学物质，减少空气中的化学物质对燃料电池的影响；经过两个过滤器后，再进入温控装置，以使温控装置根据温度传感器检测到的空气的实时温度，对空气的温度进行调节控制，从而使温度以合适或者预设的温度值进入燃料电池，具体温度调节控制过程可以参见前述温控装置的实施例部分，在此不再赘述。本系统还可以包括输送装置，用于将外界空气快速输入系统，进而进入燃料电池，其中，输送装置可以包括鼓风机和/或空压机。本发明实施例的系统中可以包括滤水装置、温控装置和温度传感器，实现对空气的干燥、并保持一个合适的恒温状态；而增设物理过滤器和/或化学过滤器，避免空气中的颗粒物质和/或化学物质对燃料电池的影响。除此之外，在该系统中还可以设置空气流量计和压差传感器，可以测量进入该系统的空气流量，获得该空气流量对应的压力差阈值，而压差传感器检测外界环境与系统中的压力差，结合流量和压力差，可以监控物理过滤器的工作状态。

基于上述实施例，本发明还提供了两种优选的系统结构。其中，图3为本发明一个实施例提供的燃料电池的进气处理系统的结构示意图之二，图4为本发明一个实施例提供的燃料电池的进气处理系统的结构示意图之三。

如图3所示，本发明提供的圆柱结构的燃料电池的进气处理系统，从左至右，包括温度检测装置、空气流量计和压差传感器，前端盖、滤水装置、物理过滤器、化学过滤器、换热器、支撑架、后端盖、比例调节阀和辅助加热器。其中，温度检测装置、空气流量计和压差传感器可以是一体结构，一并安装在前端盖的外侧，对空气的温度、流量和内外环境的压力差进行测量，给控制结构(如温控装置、控制器等)提供数据。而滤水装置、物理过滤器、化学过滤器、换热器、支撑架安装在前端盖和后端盖之间，且径向同轴设置，由前端盖和后端盖封闭固定，而比例调节阀和辅助加热器设置在后端盖的外侧。这种安装方式和结构更适用于圆柱状(如图中所示的各个模块或者单元、器件可以为圆柱状)的燃料电池系统。

如图4所示，本发明提供的板式结构的燃料电池的进气处理系统。包括防水装置、物理过滤器、化学过滤器、支撑架、温度检测装置、空气流量计和压差传感器，换热器和辅助加热器。防水装置、物理过滤器、化学过滤器、温度检测装置、空气流量计和压差传感器、换热器和辅助加热器集成安装在支撑架中，并可以增设前后端盖与支撑架机械连接，从而将上述装置和器件封闭安装在支撑架结构中。而温度检测装置、空气流量计和压差传感器可以是一体结构，安装在支撑架的侧面，例如右侧。此外，在该系统结构中，防水装置优选百叶防水装置(即防水叶片)。这种安装方式和结构更适用于多边形结构，例如图4所示的各个模块多为四边形。需要说明的是，图4中所示的结构没有示意比例调节阀，具体可以根据实际情况，选择安装或者不安装比例调节阀，如果安装，可以以图3中的安装顺序，将比例调节阀集成安装到支撑架内。

前述图3和图4所示两种系统结构，可以根据燃料电池本身的结构选择使用不同的形状、结构的所述系统，可以减少安装和使用成本，此外，多种形状的考虑也扩大了所述系统的应用范围。前述后端盖连接有支撑架，前端盖、后端盖和支撑架配合安装，将所述系统的分体结构固定在前端盖、后端盖之间，并通过支撑架固定。此外，图3所示的燃料电池的进气过滤器(例如，化学过滤器和物理过滤器)一体化设计，以及图3和图4中所示的温度检测装置、空气流量计和压差传感器为一体结构，均可以减少零部件数量，利于所述系统的整体设计。

综上所述，应用本发明实施例，能够充分利用燃料电池的冷却液换热循环单元(或者冷却液换热循环系统)调节燃料电池的进气的温度，降低能量消耗保障和减少额外电负荷，且有效控制燃料电池的进气的温度，使燃料电池能够正常进行化学反映，避免燃料电池的发电效率下降，减缓燃料电池的质子交换膜的老化速率，延长燃料电池膜电极寿命。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池的进气处理系统，其特征在于，所述系统包括：

温度检测装置，用于检测所述燃料电池的进气的温度，并将测得的温度值反馈给温控装置；以及

所述温控装置，包括所述燃料电池的冷却液换热循环单元，其中，所述冷却液换热循环单元包括换热器，所述温控装置根据所述测得的温度值，并通过所述换热器实现所述燃料电池的冷却液与所述燃料电池的进气的换热处理，以调节控制所述燃料电池的进气的温度。

2.根据权利要求1所述的进气处理系统，其特征在于，所述系统还包括：

滤水装置，用于滤除所述燃料电池的进气的水分。

3.根据权利要求1或2所述的进气处理系统，其特征在于，所述系统还包括：

物理过滤器，包括滤纸和/或滤网，用于滤除所述燃料电池的进气的颗粒物质；

和/或，

化学过滤器，用于滤除所述燃料电池的进气的化学物质，所述化学物质包括二氧化硫、一氧化碳以及碳氢化合物至少一种。

4.根据权利要求1所述的进气处理系统，其特征在于，所述温控装置还包括比例调节阀，

所述比例调节阀用于控制所述燃料电池的冷却液的流量大小，当所述温度检测装置检测到所述燃料电池的进气的温度低于第一预设温度时，所述比例调节阀调整至最大开度，以使所述燃料电池的冷却液以最大流量流经所述换热器，提升所述燃料电池的进气的温度；以及

用于当所述燃料电池的进气的温度高于第二预设值时，调整至关闭状态，禁止所述燃料电池的冷却液进入所述换热器，以停止所述燃料电池的冷却液与所述燃料电池的进气的换热处理，其中，所述第二预设值大于所述第一预设值。

5.根据权利要求4所述的进气处理系统，其特征在于，所述温控装置还包括辅助加热器，

所述辅助加热器用于当到达预设时间所述燃料电池的进气的温度还低于所述第一预设温度时，对所述燃料电池的冷却液进行加热处理，其中，加热处理后的冷却液流经所述换热器与所述燃料电池的进气进行换热。

6.根据权利要求2所述的进气处理系统，其特征在于，所述滤水装置包括滤网和/或滤水叶片，所述滤水叶片呈百叶窗结构排布。

7.根据权利要求3所述的进气处理系统，其特征在于，所述系统包括所述物理过滤器，

以及，

所述系统还包括空气流量计，用于检测流经所述燃料电池的实时空气流量，得到流量值；以及

包括压差传感器，用于检测所述燃料电池内环境与外界环境的压力差，得到压差值；

其中，结合所述流量值和所述压差值确定是否更换所述物理过滤器。

8.根据权利要求7所述的进气处理系统，其特征在于，所述系统还包括控制器和报警器，

所述控制器用于判断所述压差值是否大于或者等于所述流量值对应的最大允许的进气的压差值，如是，则向所述报警器发出控制指令；

所述报警器用于接收所述控制指令，并发出报警信息，以通知用户更换所述物理过滤器。

9.根据权利要求1所述的进气处理系统，其特征在于，所述系统为圆柱结构或者板式结构。

10.根据权利要求1所述的进气处理系统，其特征在于，所述换热器为板式换热器、列管式换热器或者翘片式换热器。