CN108987767B - 一种多岐管空气供应的燃料电池系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多岐管空气供应的燃料电池系统，包括：空压机，用于将环境空气压入所述的系统；增湿器，设置在空压机之后；多歧管，所述的多歧管的进气主管道与增湿器的出口连接，各分支歧管上分别设有节气门；燃料电池，包括多个电池堆模块，各电池堆模块的阴极端分别与多歧管的各分支歧管对应连接；电能变换装置，一端与燃料电池相连，另一端与负载连接；控制装置，分别与负载和各节气门连接；储氢装置，所述的储氢装置供氢管道与各电池堆模块的阳极端连接。与现有技术相比，本发明改善了各模块的不一致程度，提升了燃料电池系统的整体性能，延长了燃料电池系统的使用寿命。

Description

一种多岐管空气供应的燃料电池系统及方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，尤其是涉及一种多岐管空气供应的燃料电池系统及方法。
背景技术
燃料电池是目前很有发展前途的新型动力电源，一般以氢气为燃料，作为负极，用空气中的氧气作为正极。燃料电池的活性物质(燃料和氧化剂)是在反应的同时源源不断地输入的，因此，这类电池实际上是一个能量转换装置。燃料电池也因为具有转换效率高、容量大、比能量高、功率范围广、不用充电等优点，目前而受到人们越来越多的关注。
由于传统的燃料电池系统是由多个以双极板形式的单体电池集成串联的大电堆，这种多单体集成大电堆的形式虽然结构简单，易于生产，但却存在着诸多问题。随着燃料电池的功率需求不断增大，集成电堆也越做越大，意味着需要更多的单体电池串联到电堆上，因此也就加剧了电堆内各单体电池间的不一致程度，加大出现波动的可能性，使得局部电流密度过高，出现热点甚至产生反极现象，导致电堆失效。
而燃料电池的供氧系统对电堆一致性影响较大。传统的燃料电池供氧系统采用单端供入空气，经增湿后的空气直接通过电堆端盖的入口通入，然后通过电堆各单片一侧的内部歧管通入，虽然每个单片电池上都设置有内部空气流场，能比较好地保证单个片内的空气均匀地分布，但由于空气在单片之间通过统一的端盖口通入，使得最后到达各单片电池的路径不一致，空气量不均匀，最终导致单片之间供氧量的不一致，出现电堆波动，局部电流密度过低或过高，从而影响整体单堆的寿命。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多岐管空气供应的燃料电池系统及方法，改善传统集成大电堆由于供氧量不均匀而造成的整体不一致性。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种多岐管空气供应的燃料电池系统，包括：
空压机，用于将环境空气压入所述的系统；
增湿器，设置在空压机之后；
多歧管，所述的多歧管的进气主管道与增湿器的出口连接，各分支歧管上分别设有节气门；
燃料电池，包括多个电池堆模块，各电池堆模块的阴极端分别与多歧管的各分支歧管对应连接；
电能变换装置，一端与燃料电池相连，另一端与负载连接；
控制装置，分别与负载和各节气门连接；
储氢装置，所述的储氢装置供氢管道与各电池堆模块的阳极端连接。
所述的控制装置通过多个伺服电机分别与对应的节气门连接，调节节气门的阀门开度。
所述的空压机为螺杆式空气压缩机、涡轮式空气压缩机或罗茨式空气压缩机。
所述的增湿器主体结构为板式膜增湿器，该增湿器由多个带有流道的薄板组合而成，板材为石墨板。
所述的板式膜增湿器的流道为采用基于仿生学原理的分形流道。
所述的多歧管由单口进气主管道与各分支歧管出口管道相连而成，各分支歧管内的流道长度相等。
所述的多歧管为PA材质的塑料管。
所述的储氢装置为高压氢气罐，储氢容器材质为碳纤维复合材料，在铝内胆外面缠绕碳纤维的材料进行加固。
所述的伺服电机为采用PWM脉宽调制技术控制的直流伺服电机。
一种采用所述的多岐管空气供应的燃料电池系统进行空气供应的方法，包括：
1)控制装置检测到负载功率需求变大时，直接控制各伺服电机，增加所有电池堆模块的对应节气门的阀门开度，使得整体供入燃料电池的氧气量增大；
2)控制装置检测到负载功率需求变小时，直接控制各伺服电机，减小所有电池堆模块的对应节气门的阀门开度，使得整体供入燃料电池的氧气量减小
3)控制装置检测到各电池堆模块输出电流存在不一致，燃料电池局部电流过高时，对电流过高的电池堆模块进行对应节气门的单独控制调整，减小其节气门的阀门开度，即减小多歧管供入该电池堆模块的氧气量，从而减小其输出电流；
4)控制装置检测到各电池堆模块输出电流存在不一致，燃料电池局部电流过低时，对电流过低的电池堆模块进行对应节气门的单独控制调整，增大其节气门的阀门开度，即增大多歧管供入该电池堆模块的氧气量，从而增大其输出电流。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)通过检测负载功率需求的变化，对整体电堆的各电池堆模块进行同步控制，从而实现燃料电池系统整体输出功率的调整。
(2)通过对特定某个电池堆模块空气供应的独立控制，从而避免了燃料电池系统输出电流局部过高或者过低的情况发生。
(3)通过控制燃料电池的空气供应，改善了各电池堆模块的不一致程度，提升了燃料电池系统的整体性能，延长了燃料电池系统的使用寿命。
(4)空压机采用螺杆式空气压缩机、涡轮式空气压缩机或者罗茨式空气压缩机。这类回旋式压缩机能将空气高速压入，并且动力平衡好，无易损件，从而保证了机器可以稳定可靠地运转。
(6)增湿器的主体结构采用适用于阴极端增湿的板式膜增湿器，该增湿器由多个带有流道的薄板组合而成，流道采用基于仿生学原理的分形流道设计，在保证对通入气体充分增湿的前提下，提高了气体分布的均匀性，同时最大程度地降低了输入输出之间的空气压降。
(7)各分支歧管内的流道长度相等，减小气体流动阻力，提高进气能力。
(8)歧管采用PA材质的塑料多歧管。在能满足内壁光滑，进气阻力小的前提下，相比于铝材质的歧管，塑料多歧管导热性更低，进入的空气温度较低，不仅可以改善热启动性能，同时冷启动也可以避免管内热散失，加快提高气体温度。而且具有成本低，质量较轻的特点。
附图说明
图1为本实施例燃料电池系统的结构示意图；
附图标记：
1、2、3为电池堆模块；4为多歧管；5为增湿器；6为空压机；7为控制装置；8为负载；9为电能变换装置；10为储氢装置；11、12、13为节气门；14、15、16为伺服电机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
一种燃多岐管空气供应的燃料电池系统，包括如下结构：将环境空气高速压入的空压机6；设置在空压机6之后的增湿器5；与增湿器5出口管道相连的是多歧管4的进气主管道，多歧管各分支歧管包含节气门11，节气门12和节气门13，多歧管4的出口管道与燃料电池的各阴极端相连；燃料电池系统由以堆模块形式存在的电池堆模块1，电池堆模块2和电池堆模块3组成；储氢装置10的供氢管道与燃料电池的各阳极端相连；电能变换装置9一端与燃料电池相连，另一端与负载8连接；各伺服电机14、15、16一端分别与节气门阀11、12、13相连，另一端与控制装置7相连受其控制。
空压机6采用螺杆式空气压缩机、涡轮式空气压缩机或者罗茨式空气压缩机。这类回旋式压缩机能将空气高速压入，并且动力平衡好，无易损件，从而保证了机器可以稳定可靠地运转。
环境空气经空压机6之后被高度压缩，并送入设置在空压机6之后的增湿器5，该空压机6采用动平衡好，能稳定可靠运行的回旋式压缩机，且能随着负载端功率需求而改变旋转速度，从而供给持续充足的环境空气；
随后经增湿器5对环境空气进行加湿处理，将环境空气的湿度调节至稳定在80％左右，优选为80％，以便燃料电池短时间内使启动效能达到基准效能，并达到最高工作效能，因此采用适用于阴极端增湿的板式膜增湿器，该增湿器由多个带有流道的薄板组合而成，板材采用石墨板。该板式膜增湿器主体，其流道采用基于仿生学原理的分形流道设计，在保证对通入气体充分增湿的前提下，提高了气体分布的均匀性，同时最大程度地降低了输入输出之间的空气压降；
增湿完成后的环境空气经增湿器5出口管道进入多歧管4的进气主管道，经单口进气主管道后环境空气被均匀地分配到各分支歧管，其流道长度设计成尽可能相等。该歧管采用的是PA材质的塑料多歧管，内壁光滑，进气阻力小，相比于铝材质的歧管，塑料多歧管导热性更低，进入的空气温度较低，不仅可以改善热启动性能，同时冷启动也可以避免管内热散失，加快提高气体温度，且具有成本低，质量较轻的特点。
电子节气门11、12、13设置在多歧管4的分支歧管与各电池堆模块1、2、3之间，分支歧管中的环境空气供入电池阴极端的流量受控制装置7的监测控制，节气门开度传感器能实时监测节气门开度情况，并反馈给控制装置7。电子节气门均采用直流伺服电机式节气门，进入到电池堆模块1、2、3之前的环境空气，其流量直接受节气门11、12、13的开度所控制，对应执行机构为伺服电机14、15、16。
伺服电机都采用直流伺服电机。原理上采用PWM脉宽调制技术，控制装置7通过调节脉宽调制信号的占空比来控制直流电机转角的大小。此外，电机输出转矩和脉宽调制信号的占空比成正比。
系统需要保证在不同负载条件下燃料电池的气体流量控制在设定的范围内，以确保电池工作稳定性和可靠性，因此其具有以下控制逻辑：
1)当控制装置7检测到负载8功率需求变大的时候，通过直接控制各伺服电机14、15、16对所有堆模块1、2、3进行执行，整体增大各对应节气门11、12、13的开度，使得整体供入电池堆模块1、2、3的氧气量增大。
2)当控制装置7检测到负载8功率需求变小的时候，通过直接控制各伺服电机14、15、16对所有电池堆模块1、2、3进行执行，整体减小各对应节气门11、12、13的开度，使得整体供入电池堆模块1、2、3的氧气量减小。
3)当控制装置7检测到燃料电池系统局部电流过高，各电池堆模块1、2、3输出电流存在不一致性的时候，对个别出现电流过高的电池堆模块进行对应节气门的单独控制调整，减小其节气门开度，即减小多歧管供入该燃料电池堆模块的氧气量，从而最终减小其输出电流。
4)当控制装置7检测到燃料电池系统局部电流过低，各电池堆模块1、2、3输出电流存在不一致性的时候，对个别出现电流过低的电池堆模块进行对应节气门的单独控制调整，增大其节气门开度，即增大多歧管供入该燃料电池堆模块的氧气量，从而最终增大其输出电流。
相比于空气供应系统的供氧量，储氢装置10输送到各电池堆模块1、2、3的氢气量要小很多，且有专门的氢气输送管道做保证，所以对燃料电池电堆不一致性的影响较小。因此控制装置7根据监测负载8的功率需求情况与各电池堆模块1、2、3输出电流一致性情况进行节气门11、12、13控制，从而保证了多歧管4通入的氧气与储氢装置10中的高压氢燃料在各堆模块1、2、3中的充分混合反应，最后输出的电能经电能变换装置9中的DC/DC等输出到负载8。
储氢装置10采用主流且较为成熟的高压储氢技术，即采用高压氢气罐，其储氢容器材质为碳纤维复合材料组成，并在铝内胆外面缠绕碳纤维的材料进行加固。
电池堆模块1、2、3与传统的单个集成大电堆不同的是，燃料电池电堆被模块化处理，这样的好处是改善了电堆的不一致性，实现了电堆的可控制化，延长了燃料电池系统的寿命。

Claims (7)

1.一种采用多岐管空气供应的燃料电池系统进行空气供应的方法，其特征在于，所述的燃料电池系统包括：
空压机（6），用于将环境空气压入所述的系统；
增湿器（5），设置在空压机（6）之后；
多歧管（4），所述的多歧管（4）由单口进气主管道与各分支歧管出口管道相连而成，所述的多歧管（4）的进气主管道与增湿器（5）的出口连接，各分支歧管上分别设有节气门；
燃料电池，包括多个电池堆模块，各电池堆模块的阴极端分别与多歧管（4）的各分支歧管对应连接；
电能变换装置（9），一端与燃料电池相连，另一端与负载（8）连接；
控制装置（7），分别与负载（8）和各节气门连接，所述的控制装置（7）通过多个伺服电机分别与对应的节气门连接，调节节气门的阀门开度；
储氢装置（10），所述的储氢装置（10）供氢管道与各电池堆模块的阳极端连接；
所述的方法包括：
1）控制装置（7）检测到负载（8）功率需求变大时，直接控制各伺服电机，增加所有电池堆模块的对应节气门的阀门开度，使得整体供入燃料电池的氧气量增大；
2）控制装置（7）检测到负载（8）功率需求变小时，直接控制各伺服电机，减小所有电池堆模块的对应节气门的阀门开度，使得整体供入燃料电池的氧气量减小；
3）控制装置（7）检测到各电池堆模块输出电流存在不一致，燃料电池局部电流过高时，对电流过高的电池堆模块进行对应节气门的单独控制调整，减小其节气门的阀门开度，即减小多歧管供入该电池堆模块的氧气量，从而减小其输出电流；
4）控制装置（7）检测到各电池堆模块输出电流存在不一致，燃料电池局部电流过低时，对电流过低的电池堆模块进行对应节气门的单独控制调整，增大其节气门的阀门开度，即增大多歧管供入该电池堆模块的氧气量，从而增大其输出电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的空压机（6）为螺杆式空气压缩机、涡轮式空气压缩机或罗茨式空气压缩机。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的增湿器（5）主体结构为板式膜增湿器，该增湿器由多个带有流道的薄板组合而成，板材为石墨板。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各分支歧管内的流道长度相等。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的多歧管（4）为PA材质的塑料管。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的储氢装置（10）为高压氢气罐，包括铝内胆以及铝内胆外缠绕的碳纤维材料。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的伺服电机为采用PWM脉宽调制技术控制的直流伺服电机。
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