CN109037728A - 一种高可靠性燃料电池发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高可靠性燃料电池发动机，包括电堆、箱体，阳极装置，阴极装置，冷却装置，电力装置和燃料电池控制器，所述电堆固定在箱体内，所述阳极装置包括阳极压力传感器、比例阀、氢循环泵、设置在电堆上的阳极进气口和阳极出气口，所述阴极装置包括阴极压力传感器、空压机、节气门、中冷器、增湿器、设置在电堆上的阴极进气口和阴极出气口，所述冷却装置包括冷却水泵、节温器、加热器、散热器、设置在电堆上的冷却液出口和冷却液入口，本发明精确控制反应物的压力、湿度、温度、流量、分压，合适的电堆温度管控，将电堆运行在合适的电流电压范围内，使得燃料电池发动机的可靠性更高。

Description

一种高可靠性燃料电池发动机
技术领域
本发明涉及一种高可靠性燃料电池发动机。
背景技术
燃料电池发动机是一种多相耦合系统，温度、湿度、压力、流量、分压等各项指标都会影响燃料电池运行的可靠性，就各项参数而言有以下特征：较低的阳极进气温度会使其与阳极出口的的饱和氢气混合过程中发生凝露，液态的水进入电堆后会阻塞电堆流道影响电堆的运行，而过高的温度又会影响质子交换膜的寿命，所以为使电堆可靠运行需要准确控制阳极氢气的温度；
较低的湿度会使质子交换膜干燥，干燥的质子交换膜会影响质子通过性从而影响电堆性能，而较高的湿度又会使水蒸气在流道内凝结，若未能及时排出凝结的液态水会堵塞流道影响电堆正常运行，控制阳极反应气体的湿度对于燃料电池的可靠性非常重要；
燃料电池堆在不同的功率输出下对阴阳极压力的要求不同，且要求阳极压力时刻保持略高于阴极从而有效减少阴极的氮气渗透到阳极，精确的阴阳极压差控制对于电堆运行安全非常重要；氢气的分压会随着阴极气体的跨膜渗透而降低，较低的氢气分压会使阳极发生局部欠气，而欠气会腐蚀催化剂碳载体致使催化剂流失，有效控制氢气分压可以延长燃料电池寿命；
经过空气压缩机增压之后，空气的温度会急剧的升高，较高温度的空气进入电堆后会缩短质子交换膜寿命，有效控制进气温度可以提高催化剂活性并延长电堆寿命；空气的湿度来看一方面空气的流量很大，运行时如果进堆的空气比较干燥，会吹干质子交换膜从而影响电堆性能及寿命，另一方面关机时用较为干燥的空气对电堆进行吹扫，可以提高电堆的低温存储和低温启动性能，有效的电堆空气湿度管理对电堆的有效运行非常重要；
提高阴极的压力可以提高阴极氧气的分压从而提高燃料电池的性能，但是过高的压力会使空压机的负荷过高从而影响燃料电池发动机的效率，合理的空气压力对于电堆的性能和安全运行都很重要；
空气流量对燃料电池性能的影响表现在较低的空气计量比会无法满足燃料电池进气量需求，而过高的空气计量比又会将质子交换膜吹干而影响电堆性能及寿命，有效控制阴极计量比可以提高电堆性能和运行可靠性；电堆运行温度对于电堆催化剂的活性和电堆寿命都很重要，合理控制冷却液温度可以提高电堆的可靠性，而冷却系统冷却液压力过高会考验双极板的刚度和密封，冷却液流量过低将会使电堆出入口温差较大从而影响电堆一致性，有效控制冷却液压力、电堆入口温度、电堆冷却液出入口温差对于电堆的可靠运行非常重要。
燃料电池的极化曲线分三个区域，活化极化、欧姆极化、浓差极化，如果燃料电池运行靠近活化极化区域单片电压高于0.85V时，燃料电池催化剂的碳载体会被电化学腐蚀而致使催化剂流失，而燃料电池运行靠近浓差极化区域时又会使阳极局部欠气发生局部反极影响电堆可靠运行，合理控制燃料电池运行并对单片电压做实时监测对于电堆的可靠运行非常重要。
所以如何通过有效的控制反应物的压力、湿度、温度、流量、分压，合适的电堆温度管控，将电堆运行在合适的电流电压范围内，使得燃料电池发动机的可靠性更高是本领域技术人员面临的难题。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种高可靠性燃料电池发动机。
为了实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种高可靠性燃料电池发动机，包括电堆、箱体，阳极装置，阴极装置，冷却装置，电力装置和燃料电池控制器，所述电堆固定在箱体内，
所述阳极装置包括阳极压力传感器、比例阀、氢循环泵、设置在电堆上的阳极进气口和阳极出气口，所述比例阀通过管道与阳极进气口连通，且比例阀与阳极进气口之间设有比例阀腔体，所述氢循环泵设置在比例阀腔体和阳极出气口之间，且氢循环泵与比例阀腔体之间设有前排水室，所述前排水室上设有液位传感器；
所述阴极装置包括阴极压力传感器、空压机、节气门、中冷器、增湿器、设置在电堆上的阴极进气口和阴极出气口，所述空压机、节气门、中冷器、增湿器通过管道依次连接，且增湿器的两端分别与阴极进气口和阴极出气口连通；
所述冷却装置包括冷却水泵、节温器、加热器、散热器、设置在电堆上的冷却液出口和冷却液入口，所述冷却水泵、节温器、加热器通过管道形成内循环管路，所述冷却水泵、节温器、散热器通过管道形成外循环管路，所述节温器控制内循环管路与外循环管路的切换；所述冷却装置还包括冷却压力传感器，电堆出口冷却液温度传感器和电堆入口冷却液温度传感器；
所述电力装置包括配电箱、低压接口、燃料电池高压正接口和燃料电池高压负接口，所述配电箱固定在箱体上，低压接口、燃料电池高压正接口和燃料电池高压负接口设置在箱体的一侧；
所述电堆中还设有氢气浓度传感器、电流电压传感器、电堆单片电压采集连接器、电堆单片电压采集板，所述燃料电池控制器接收各个传感器信号，并驱动相应的执行机构。
作为优选方案：所述箱体包括相互固定的燃料电池箱体和燃料电池盖板，所述燃料电池箱体内还设有电堆安装支架，且电池箱体的两端还设有电堆入口分配阀体和电堆出口分配阀体。
作为优选方案：所述氢循环泵与前排水室之间还设有后排水室，所述前排水室由前排电磁阀驱动排放，所述后排水室由后排电磁阀驱动排放。
本发明通过在电堆、阳极装置，阴极装置，冷却装置中设置相关传感器精确检测各个装置的状态，并且通过燃料电池控制器对上述的各个传感器进行数据采集，然后再对相应的执行机构进行控制，精确控制反应物的压力、湿度、温度、流量、分压，合适的电堆温度管控，将电堆运行在合适的电流电压范围内，使得燃料电池发动机的可靠性更高。
附图说明
图1是本发明的上部结构示意图。
图2是本发明的底部结构示意图。
图3是本发明的箱体的结构示意图。
图4是本发明的电堆、传感器及箱体的安装结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1至图4所示的一种高可靠性燃料电池发动机，包括电堆、箱体6，阳极装置1，阴极装置2，冷却装置3，电力装置4和燃料电池控制器5，所述电堆固定在箱体6内，
所述阳极装置1包括阳极压力传感器509、比例阀102、氢循环泵106、设置在电堆上的阳极进气口101和阳极出气口，所述比例阀102通过管道与阳极进气口101连通，且比例阀102与阳极进气口101之间设有比例阀腔体103，所述氢循环泵106设置在比例阀腔体103和阳极出气口之间，且氢循环泵106与比例阀腔体103之间设有前排水室105，所述前排水室105上设有液位传感器511；
所述阴极装置2包括阴极压力传感器510、空压机、节气门203、中冷器201、增湿器202、设置在电堆上的阴极进气口和阴极出气口，所述空压机、节气门203、中冷器201、增湿器202通过管道依次连接，且增湿器202的两端分别与阴极进气口和阴极出气口连通；
所述冷却装置3包括冷却水泵301、节温器304、加热器305、散热器、设置在电堆上的冷却液出口和冷却液入口，所述冷却水泵301、节温器304、加热器305通过管道形成内循环管路，所述冷却水泵301、节温器304、散热器通过管道形成外循环管路，所述节温器304控制内循环管路与外循环管路的切换；所述冷却装置3还包括冷却压力传感器503，电堆出口冷却液温度传感器507和电堆入口冷却液温度传感器508；
所述电力装置4包括配电箱401、低压接口402、燃料电池高压正接口403和燃料电池高压负接口404，所述配电箱401固定在箱体6上，低压接口402、燃料电池高压正接口403和燃料电池高压负接口404设置在箱体6的一侧；
所述电堆中还设有氢气浓度传感器502、电流电压传感器504、电堆单片电压采集连接器505、电堆单片电压采集板506，所述燃料电池控制器501接收各个传感器信号，并驱动相应的执行机构。
所述箱体6包括相互固定的燃料电池箱体601和燃料电池盖板602，所述燃料电池箱体601内还设有电堆安装支架605，且电池箱体601的两端还设有电堆入口分配阀体603和电堆出口分配阀体604。
所述氢循环泵106与前排水室105之间还设有后排水室107，所述前排水室105由前排电磁阀108驱动排放，所述后排水室107由后排电磁阀109驱动排放。
阳极进气口101，是燃料电池发动机和车载氢系统的连接接口；比例阀102，比例阀的作用是调节阳极氢气的压力，做到阳极压力比阴极压力略高，并减缓阴极氮气渗透到阳极；比例阀腔体103，经过比例阀调压后的氢气在此腔体内形成稳定的压力，并与氢循环泵106出口的高温高湿氢气进行混合；前排水室105、比例阀102后的高纯氢和循环泵106回流的高温高湿氢气混合后会有部分水蒸气凝露，为防止液态水再次进入电堆，在本发明中设计了前排水室105，将进堆的氢气进行水汽分离，在前排水室的液位达到液位传感器高度时前排电磁阀108进行一次脉冲排放；在本发明中氢循环泵106有两个关键的作用，其一利用燃料电池阳极出口的高温高湿氢气对入口高纯氢气进行增温增湿，保证进入电堆的混合氢气温度和湿度满足电堆需求，其二是利用氢气的流动将电堆内部从阴极反渗到阳极的液态水带出电堆，防止堵塞流道；本申请设有后排水室107，电堆内部的液态水被带出后会聚积在该水室内，后排电磁阀109对液态水及混合氢气进行脉冲排放，对混合氢气进行脉冲排放的目的在于控制电堆阳极氢气的纯度，随着电化学反应的进行，电堆阴极流道内的氮气会渗透进入阳极，阳极聚集过高的氮气浓度会让电堆产生局部欠气，从而导致催化剂的碳载体发生电化学腐蚀影响电堆的使用寿命，所以需要对混合气进行脉冲排放，控制阳极氢气的浓度。
空气经过空压机增压后温度会上升，过高温度的空气进入电堆后会缩短质子交换膜寿命，本发明设计了中冷器201，冷却液和热空气在中冷器201中进行换热，准确控制进入电堆的温度；电堆反应条件对空气的温度、湿度都有要求，本发明中空气经过中冷控制温度后，仍需进入增湿器202进行增湿，确保进入电堆空气的温度、增湿都满足要求，增湿器的原理是利用电堆阴极出口的饱和气体对电堆入口前的干燥气体在增湿器内进行增湿；燃料电池发动机在每个功率点对反应气体都会有相应的流量、压力要求，本发明在空气路末端设计了节气门203作为空气路的背压控制的执行器，通过控制空压机转速、节气门203的开度，使空气满足在每个功率点下的的流量、压力要求。本申请还设有电堆箱体通风入口204，电堆箱体通风出口205，在燃料电池发动机运行过程中通过保持箱体通风使其满足安全要求。
温度对电堆内的电化学反应影响较大，为了电堆反应的高可靠性，需要准确控制电堆冷却液入口温度、出口入口的温差以保证电堆内部温度满足电化学反应所需的最佳温度，本发明设计的冷却水泵301是冷却液循环的动力单元，通过冷却水泵301控制冷却液的流量可以有效控制电堆冷却出口入口的温差；燃料电池对反应温度较为敏感，过低的反应温度会使催化活性低下而无法满足电堆电化学反应要求，而过高的反应温度又会使质子交换膜寿命缩短，所以本发明设计了节温器304，在冷却液温度低于反应需求温度时，在内循环通过加热器305将冷却液快速加热到反应需求温度，在温度达到需求温度的过程中节温器304会逐渐关闭内循环/打开外循环，外循环全开后通过外接的散热器，准确控制电堆冷却液入口温度，再配合冷却水泵301使电堆冷却液出口、入口温差满足要求。
本发明的燃料电池发动机是一个多电压平台设备，设计了配电箱401作为电力分配单元。燃料电池作为一个多相耦合设备，需要控制的参数很多，本发明设计了燃料电池控制器501作为燃料电池发动机的中央处理器；氢气浓度传感器502，实时监测箱体内氢气浓度，确保氢气安全；冷却压力传感器503，实时监测冷却压力；电流电压传感器504，实时采集电堆的电流、电压输出情况；燃料电池电堆是由几十到几百节单电池串联而成，在燃料电池运行时需要监测每一节电池的运行状态，本发明中设计了电堆单片电压采集连接器505，电堆单片电压采集板506，通过电堆单片电压采集连接器505，电堆单片电压采集板506可以有效监测每一节电池的电压情况，通过分析电压情况可以了解每一节电池的运行状态；电堆出口冷却液温度传感器507、电堆入口冷却液温度传感器508，通过实时监测电堆冷却出入口温度，可以有效控制电堆内部反应温度，使电堆运行在高效、可靠的状态；阳极压力传感器509，阴极压力传感器510，燃料电池堆在不同的功率输出下对阴阳极压力的要求不同，切要求阳极压力时刻保持略高于阴极。本发明设计的阳极压力传感器509、阴极压力传感器510可以有效监测阴阳极气体压力。
燃料电池发动机作为车用设备，需要满足车用级别的IP等级，本发明的防护等级为IP67，设计的燃料电池箱体601，燃料电池盖板602，密封可以满足IP67要求；电堆入口分配阀体603，将进入电堆的空气、氢气、冷却液进行分配；电堆出口分配阀体604，将电堆出口的空气、氢气、冷却液进行分配。
应当指出，以上实施例仅是本发明的代表性例子。本发明还可以有许多变形。凡是依据本发明的实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均应认为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高可靠性燃料电池发动机，其特征在于：包括电堆、箱体(6)，阳极装置(1)，阴极装置(2)，冷却装置(3)，电力装置(4)和燃料电池控制器(5)，所述电堆固定在箱体(6)内，
所述阳极装置(1)包括阳极压力传感器(509)、比例阀(102)、氢循环泵(106)、设置在电堆上的阳极进气口(101)和阳极出气口，所述比例阀(102)通过管道与阳极进气口(101)连通，且比例阀(102)与阳极进气口(101)之间设有比例阀腔体(103)，所述氢循环泵(106)设置在比例阀腔体(103)和阳极出气口之间，且氢循环泵(106)与比例阀腔体(103)之间设有前排水室(105)，所述前排水室(105)上设有液位传感器(511)；
所述阴极装置(2)包括阴极压力传感器(510)、空压机、节气门(203)、中冷器(201)、增湿器(202)、设置在电堆上的阴极进气口和阴极出气口，所述空压机、节气门(203)、中冷器(201)、增湿器(202)通过管道依次连接，且增湿器(202)的两端分别与阴极进气口和阴极出气口连通；
所述冷却装置(3)包括冷却水泵(301)、节温器(304)、加热器(305)、散热器、设置在电堆上的冷却液出口和冷却液入口，所述冷却水泵(301)、节温器(304)、加热器(305)通过管道形成内循环管路，所述冷却水泵(301)、节温器(304)、散热器通过管道形成外循环管路，所述节温器(304)控制内循环管路与外循环管路的切换；所述冷却装置(3)还包括冷却压力传感器(503)，电堆出口冷却液温度传感器(507)和电堆入口冷却液温度传感器(508)；
所述电力装置(4)包括配电箱(401)、低压接口(402)、燃料电池高压正接口(403)和燃料电池高压负接口(404)，所述配电箱(401)固定在箱体(6)上，低压接口(402)、燃料电池高压正接口(403)和燃料电池高压负接口(404)设置在箱体(6)的一侧；
所述电堆中还设有氢气浓度传感器(502)、电流电压传感器(504)、电堆单片电压采集连接器(505)、电堆单片电压采集板(506)，所述燃料电池控制器(501)接收各个传感器信号，并驱动相应的执行机构。
2.根据权利要求1所述的一种高可靠性燃料电池发动机，其特征在于：所述箱体(6)包括相互固定的燃料电池箱体(601)和燃料电池盖板(602)，所述燃料电池箱体(601)内还设有电堆安装支架(605)，且电池箱体(601)的两端还设有电堆入口分配阀体(603)和电堆出口分配阀体(604)。
3.根据权利要求1所述的一种高可靠性燃料电池发动机，其特征在于：所述氢循环泵(106)与前排水室(105)之间还设有后排水室(107)，所述前排水室(105)由前排电磁阀(108)驱动排放，所述后排水室(107)由后排电磁阀(109)驱动排放。
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