CN109216734A - 一种有助于燃料电池增湿和低温启动的辅助系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种有助于燃料电池增湿和低温启动的辅助系统，包括空气增湿管路和氢气循环管路，空气增湿管路包括依次连接的空气压缩机、空气中冷器、空气增湿器和空气分水器，空气分水器的顶部出气口连接燃料电池电堆的空气入口，氢气循环管路包括依次连接的氢气分水器和氢气循环泵，氢气分水器的进气口连接燃料电池电堆的氢气出口，氢气循环泵的出口连接燃料电池电堆的氢气入口，氢气分水器的排水口还通过氢气路排水管路连接空气分水器的进水口。与现有技术相比，本发明增加了燃料电池系统的功能性，降低了对增湿器的增湿能力的依赖，加快了低温启动和常温热机速度，同时可降低尾排中氢气浓度，更符合排放法规等。

Description

一种有助于燃料电池增湿和低温启动的辅助系统
技术领域
本发明属于燃料电池系统技术领域，涉及一种有助于燃料电池增湿和低温启动的辅助系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是以氢气为燃料，以氧气为氧化剂的电化学发电装置。由于其无污染，能量转换率高和响应速度快等优点，被认为是最清洁和高效的新能源发电装置。
质子交换膜燃料电池在正常发电时，需要对空气侧进行增湿，不同公司生产的电堆对湿度的要求各不一样，如果选择增湿要求高的增湿器，则会相应造成价格成本大大增加。
同时，燃料电池发电过程中，尾排氢气有多种方式处理，有的直接排放到大气；有的部分氢气循环回电堆的氢气入口，提高氢气利用率，部分排放至大气；有的引入至空气出口，用空气进行稀释。这些方式都存在一定缺点，如若将氢气循环回电堆的氢气入口直接利用，很容易将燃料电池发电过程中产生的液态水等也一并带入，进而造成电堆水淹等问题。
此外，燃料电池低温冷启动是全球科研单位和企业研究燃料电池的重点。面对如何快速有效的将处于零下的燃料电池堆迅速升温到适合运行的温度，现有常规的方式是通过设置额外的加热元件对循环冷却液或电堆端板加热，也有启动时减少燃料供给，降低电堆电压，提高本身的热效率等。这些方式要么会在燃料电池电堆上添加过多的非必要元件，使得结构臃肿，或会降低燃料电池的启动功率，都不是理想的实现低温启动的方式。
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有助于燃料电池增湿和低温启动的辅助系统，增加了燃料电池系统的功能性，降低了对增湿器的增湿能力的依赖，加快了低温启动和常温热机速度，同时可降低尾排中氢气浓度，更符合排放法规。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种有助于燃料电池增湿和低温启动的辅助系统，包括连接燃料电池电堆的空气入口的空气增湿管路，以及分别连接所述燃料电池电堆的氢气出口和氢气入口的氢气循环管路，
所述空气增湿管路包括依次连接的空气压缩机、空气中冷器、空气增湿器和空气分水器，其中，空气分水器的顶部出气口连接所述燃料电池电堆的空气入口，
所述的氢气循环管路包括依次连接的氢气分水器和氢气循环泵，其中，氢气分水器的进气口连接所述燃料电池电堆的氢气出口，氢气循环泵的出口连接所述燃料电池电堆的氢气入口，
所述氢气分水器的排水口还通过带有氢气路排水阀的氢气路排水管路连接所述空气分水器的进水口。
进一步的，所述的空气增湿器的出口还另引一条连接空气尾排管的调压管路，在调压管路上设有空气背压阀。
进一步的，所述的燃料电池电堆的反应气出口还连接所述空气增湿器的入口。
进一步的，所述的氢气分水器呈空心筒体状，其底部设有所述排水口以及位于排水口上方的所述进气口，顶部连接所述氢气循环泵的入口。
更进一步的，所述的氢气分水器的顶部还另引一条排氢管路连接空气尾排管，在排氢管路上设有氢气路排氢阀。
进一步的，在燃料电池电堆的氢气入口连接安装有低压供氢管路，所述氢气循环泵的出口接入低压供氢管路中。
更进一步的，在氢气循环泵的出口与低压供氢管路之间还设有单向阀。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)在燃料电池正常运行过程中，将氢气循环管路中的氢气分水器可以将循环水引至进空气分水器中，进而增加空气进气增湿效果，降低燃料电池系统对空气增湿器的增湿要求；
(2)在燃料电池正常运行时，通过控制氢气路排水阀和氢气路排氢阀的开启时长和频率的控制，对引入至空气分水器的氢气和直接排放至空气尾排的氢气量进行合理分配，降低尾排中氢气浓度，保证混合气的排放符合国家法规；
(3)在燃料电池常温和低温冷启动时，通过将氢气循环管路中的氢气分水器将循环氢气引至燃料电池的空气分水器中，由空气一起带入燃料电池电堆，利用氢气和空气催化燃烧产生的热量，加快常温启动和低温冷启动。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的氢气分水器的结构示意图；
图中标记说明：
1-空气压缩机，2-空气中冷器，3-空气增湿器，4-空气分水器，5-燃料电池电堆，6-空气背压阀，7-低压供氢装置，8-氢气分水器，9-氢气循环泵，10-单向阀，11-氢气路排水阀，12-氢气路排氢阀，13-空气尾排管，14-进气口，15-排水口，16-第一出气口，17-第二出气口。
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1：
一种有助于燃料电池增湿和低温启动的辅助系统，其结构参见图1所示，包括连接燃料电池电堆5的空气入口的空气增湿管路，以及分别连接燃料电池电堆5的氢气出口和氢气入口的氢气循环管路，
空气增湿管路包括依次连接的空气压缩机1、空气中冷器2、空气增湿器3和空气分水器4，其中，空气分水器4的顶部出气口连接燃料电池电堆5的空气入口，
氢气循环管路包括依次连接的氢气分水器8和氢气循环泵9，其中，氢气分水器8的进气口14连接燃料电池电堆5的氢气出口，氢气循环泵9的出口连接燃料电池电堆5的氢气入口，
氢气分水器8的排水口15还通过带有氢气路排水阀11的氢气路排水管路连接空气分水器4的进水口。
在本发明的一个具体的实施例中，请再参见图1，空气增湿器3的出口还另引一条连接空气尾排管13的调压管路，在调压管路上设有空气背压阀6。通过调压管路与空气背压阀6的设置，可以有效调节空气增湿管路的压力，进而保证燃料电池电堆5的稳定发电运行。
在本发明的另一个具体的实施例中，请再参见图1，燃料电池电堆5的反应气出口还连接空气增湿器3的入口。通过燃料电池电堆5的反应气出口排放的反应后的饱和湿气可以有效对待进入燃料电池电堆5的空气进行增湿。
在本发明的另一个具体的实施例中，请参见图2，氢气分水器8呈空心筒体状，主要利用重力实现水气分离，其底部设有排水口15以及位于排水口15上方的进气口14，顶部则设置有分别连接氢气循环泵9的入口的第一出气口16和连接排氢管路的第二出气口17，排氢管路连接空气尾排管13，在排氢管路上设有氢气路排氢阀12。
在本发明的另一个具体的实施例中，在燃料电池电堆5的氢气入口连接安装有低压供氢装置7(采用本领域常规的供应低压氢气的设备即可，如氢气瓶等)的低压供氢管路，氢气循环泵9的出口接入低压供氢管路中。在氢气循环泵9的出口与低压供氢管路之间还设有单向阀10，单向阀10的设置可以有效防止低压供氢管路中的氢气反冲。
本发明上述各实施例中：
辅助系统在具体运行过程中，由于氢气循环管路的压力一般要高于空气增湿管路，所以当氢气路排水阀11开启时，空气是不会流向氢气路的。此外，空气分水器4主要用于对空气进行再次增湿，降低空气增湿器3的要求和工作量，多余的液态水则会通过底部的出水口分离排放至空气尾排管13。
工作时，燃料电池系统通过空气压缩机1将空气压缩至燃料电池电堆5，压缩后的空气温度较高，需要空气中冷器2将空气温度降至电堆运行温度。接着，空气进入空气增湿器3和空气分水器4被增湿至电堆需要的湿度。同时，正常运行时，燃料电池电堆5的氢气出口排出的循环氢气先进入氢气分水器8汽水分离，液态水量通过氢气路排水管路排放至空气分水器4，分离后的氢气则主要通过氢气循环管路循环至氢气入口再利用。
燃料电池系统常温正常运行时，氢气循环管路上连接的排氢管路通常采用间歇式启动，主要用于将从电堆空气路浓差渗透而来的氮气进行排放，保证电堆内的氢气浓度。排放瞬间氢气和氮气的混合气一起排放至空气尾排管13，利用大量的空气稀释氢气，从而满足排放法规。通过控制氢气路排水阀11的开启时长和频率，可以将氢气分水器8中的氢气和氮气混合气引入至空气分水器4中，同样可以提高氢气路氢气浓度，也降低空气尾排中的氢气浓度。
燃料电池常温正常关机时会进行吹扫，该过程中，将氢气分水器8中的液态水吹扫至空气分水器4中。下次启动时，可以通过另外设置的传感器等监测电堆冷却液温度，判定是否需要进行加速升温。如果电堆温度较低，则打开氢气路排水阀11，将氢气循环管路中的氢气引入至空气分水器4中，在此燃料电池启动瞬间，基本无液态水。空气即与氢气一起吹至电堆空气路，利用氢气和空气在催化层表面的催化燃烧加速电堆升温，引入的氢气量由氢气路排水阀11的开启时长和频次进行控制。
燃料电池零下低温启动时，经过前次关机吹扫，氢气分水器8内基本无冰堵，可以在开机瞬间将氢气分水器8中的氢气引入至电堆空气路，利用氢气和空气在催化层表面的催化燃烧加速电堆升温。引入的氢气量由氢气路排水阀11的开启时长和频次进行控制，根据电堆冷却液温度，判定是否是常温启动还是低温冷启动，进而控制引入至空气路的氢气量，通过上述过程，可大大缩短低温冷启动时间。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种有助于燃料电池增湿和低温启动的辅助系统，其特征在于，包括连接燃料电池电堆的空气入口的空气增湿管路，以及分别连接所述燃料电池电堆的氢气出口和氢气入口的氢气循环管路，
所述空气增湿管路包括依次连接的空气压缩机、空气中冷器、空气增湿器和空气分水器，其中，空气分水器的顶部出气口连接所述燃料电池电堆的空气入口，
所述的氢气循环管路包括依次连接的氢气分水器和氢气循环泵，其中，氢气分水器的进气口连接所述燃料电池电堆的氢气出口，氢气循环泵的出口连接所述燃料电池电堆的氢气入口，
所述氢气分水器的排水口还通过带有氢气路排水阀的氢气路排水管路连接所述空气分水器的进水口。
2.根据权利要求1所述的一种有助于燃料电池增湿和低温启动的辅助系统，其特征在于，所述的空气增湿器的出口还另引一条连接空气尾排管的调压管路，在调压管路上设有空气背压阀。
3.根据权利要求1所述的一种有助于燃料电池增湿和低温启动的辅助系统，其特征在于，所述的燃料电池电堆的反应气出口还连接所述空气增湿器的入口。
4.根据权利要求1所述的一种有助于燃料电池增湿和低温启动的辅助系统，其特征在于，所述的氢气分水器呈空心筒体状，其底部设有所述排水口以及位于排水口上方的所述进气口，顶部连接所述氢气循环泵的入口。
5.根据权利要求4所述的一种有助于燃料电池增湿和低温启动的辅助系统，其特征在于，所述的氢气分水器的顶部还另引一条排氢管路连接空气尾排管，在排氢管路上设有氢气路排氢阀。
6.根据权利要求1所述的一种有助于燃料电池增湿和低温启动的辅助系统，其特征在于，在燃料电池电堆的氢气入口连接安装有低压供氢管路，所述氢气循环泵的出口接入低压供氢管路中。
7.根据权利要求6所述的一种有助于燃料电池增湿和低温启动的辅助系统，其特征在于，在氢气循环泵的出口与低压供氢管路之间还设有单向阀。
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