CN109728326A - 一种燃料电池的燃料气系统及车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池的燃料气系统及车辆,燃料电池的燃料气系统包括至少两个串联的燃料电池电堆,所述各燃料电池电堆之间设有并联的燃料气传送线路,所述并联的燃料气传送线路上均设有燃料气开关,其中一个设有燃料气开关的燃料气传送线路上设有堆间分水器,所述燃料气系统还包括检测燃料电池电堆的水含量的检测装置和与检测装置信号连接以控制燃料气开关启闭的控制装置。通过在各燃料电池电堆之间设置并联的燃料气传送线路,并通过检测装置检测电堆的水含量以使控制装置实时控制燃料气开关的启闭,以调节电池电堆的水含量,防止电池电堆内部出现水淹或膜干现象,避免了分水器常开的情况,延长了燃料电池寿命,提高了工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池的燃料气系统及车辆。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将储存在燃料中的化学能通过氧化剂转化为电能的发电装置,其具有比能量和比功率高、无电解液流失、室温可快速启动以及环境友好等优点,因此,质子交换膜燃料电池被应用于电动汽车上。
PEMFC的工作温度低于100℃,其反应生成的水以液态的形式存在于电池的阳极和阴极,但如果大量的液态水在电堆的单电池之间停留,会导致扩散层内反应气的传质速度降低,降低电池性能。现有技术中一般采用适宜的流场,依靠反应气吹扫出电池化学反应生成的水,如采用过量的氢气通过电堆,通过氢气带出电池化学反应生成的水,这种方法一定程度上解决了液态水的问题,但如果需要大功率、大电量的电堆,就需要较多的单电池节数,单电池节数增多使电堆中水的积累较多,导致氢气吹扫液态水时阻力增大,通过氢气将电池内部的水带出将变的很困难,仍然会出现水淹现象。针对这种情况,申请公开号为CN1909276A、申请公开日为2007.02.07的中国发明专利公开了一种质子交换膜燃料电池电极阳极水的管理方法,该电极阳极水的管理方法中的燃料电池由两个以上的燃料电池堆组成,燃料电池堆之间采用堆间串联的方式,且在电池堆之间设有分水器,解决了阳极增湿和水淹的问题。但该管理方法不能检测电堆中的具体情况,不能实时了解电堆中的水状态,如果电堆中反应生成的水正常或较少,仍然通过分水器除水,就会出现膜干现象,从而影响燃料电池的正常使用,对电堆造成损害。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池的燃料气系统,以解决现有技术中不能在线检测电堆中的具体情况容易出现膜干现象的问题;本发明的目的在于提供一种使用该燃料电池的燃料气系统的车辆。
为实现上述目的,本发明燃料电池的燃料气系统的第一种技术方案是:燃料电池的燃料气系统包括至少两个串联的燃料电池电堆,所述各燃料电池电堆之间设有并联的燃料气传送线路,所述并联的燃料气传送线路上均设有燃料气开关,其中一个设有燃料气开关的燃料气传送线路上设有堆间分水器,所述燃料气系统还包括检测燃料电池电堆的水含量的检测装置和与检测装置信号连接以控制燃料气开关启闭的控制装置。
本发明燃料电池的燃料气系统的第二种技术方案是:在本发明燃料电池的燃料气系统的第一种技术方案的基础上,所述并联的燃料气传送线路的数量为两个。并联线路为两个,结构简单更容易控制。
本发明燃料电池的燃料气系统的第三种技术方案是:在本发明燃料电池的燃料气系统的第二种技术方案的基础上,两个并联的燃料气传送线路上的燃料气开关分别为常闭电磁阀和常开电磁阀,所述堆间分水器设置在常闭电磁阀的并联线路上。电磁阀反应较快,能够快速打开和关闭燃料气线路,为实时检测提供保障。
本发明燃料电池的燃料气系统的第四种技术方案是:在本发明燃料电池的燃料气系统的第一种或第二种或第三种技术方案的基础上,所述燃料气系统还包括燃料气喷射器,位于燃料气传送方向末端的燃料电池电堆与燃料气喷射器连通构成了循环系统,末端的燃料电池电堆与燃料气喷射器之间设有末端分水器。循环线路能够使燃料气循环利用,降低了成本,也减少了对大气的污染。
本发明燃料电池的燃料气系统的第五种技术方案是:在本发明燃料电池的燃料气系统的第一种或第二种或第三种技术方案的基础上,位于燃料气传送方向末端的燃料电池电堆的出气口设有脉冲排气阀门。脉冲排气阀门能够通过打开频率和时长来调节电池电堆的膜干和水淹情况,为实时调节提供了保障。
为实现上述目的,本发明车辆的第一种技术方案是:车辆包括车架和位于车架上的燃料电池的燃料气系统,所述燃料电池的燃料气系统包括至少两个串联的燃料电池电堆,所述各燃料电池电堆之间设有并联的燃料气传送线路,所述并联的燃料气传送线路上均设有燃料气开关,其中一个设有燃料气开关的燃料气传送线路上设有堆间分水器,所述燃料气系统还包括检测燃料电池电堆的水含量的检测装置和与检测装置信号连接以控制燃料气开关启闭的控制装置。
本发明车辆的第二种技术方案是:在本发明车辆的第一种技术方案的基础上,所述并联的燃料气传送线路的数量为两个。并联线路为两个,结构简单更容易控制。
本发明车辆的第三种技术方案是:在本发明车辆的第二种技术方案的基础上,两个并联的燃料气传送线路上的燃料气开关分别为常闭电磁阀和常开电磁阀,所述堆间分水器设置在常闭电磁阀的并联线路上。电磁阀反应较快,能够快速打开和关闭燃料气线路,为实时检测提供保障。
本发明车辆的第四种技术方案是:在本发明车辆的第一种或第二种或第三种技术方案的基础上,所述燃料气系统还包括燃料气喷射器,位于燃料气传送方向末端的燃料电池电堆与燃料气喷射器连通构成了循环系统,末端的燃料电池电堆与燃料气喷射器之间设有末端分水器。循环线路能够使燃料气循环利用,降低了成本,也减少了对大气的污染。
本发明车辆的第五种技术方案是:在本发明车辆的第一种或第二种或第三种技术方案的基础上,位于燃料气传送方向末端的燃料电池电堆的出气口设有脉冲排气阀门。脉冲排气阀门能够通过打开频率和时长来调节电池电堆的膜干和水淹情况,为实时调节提供了保障。
本发明的有益效果是:通过在各燃料电池电堆之间设置并联的燃料气传送线路,并通过检测装置检测电堆的水含量以使控制装置实时控制燃料气开关的启闭,以调节电池电堆的水含量,防止电池电堆内部出现水淹或膜干现象,避免了分水器常开的情况,降低了成本,提高了工作效率。
附图说明
图1为本发明车辆的燃料电池的燃料气系统的结构示意图;
图2为图1中氢气在燃料电池的燃料气系统的循环路线示意图;
图3为图1中氢气在各燃料电池电堆内的流动路线示意图;
图4为本发明车辆的燃料电池的燃料气系统中氢气与氧气循环系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
本发明的车辆的具体实施例,如图1和图2所示,车辆包括氢氧燃料电池的燃料气系统,氢氧燃料电池的燃料气系统构成了燃料电池的燃料气系统,燃料电池的燃料气系统包括储氢罐1和两个燃料电池电堆,储氢罐1的出口与氢气减压阀2的入口相连,氢气减压阀2的出口与喷射器3的入口相连接,喷射器3的出口与燃料电池的第一燃料电池电堆4的燃料气入口连接,第一燃料电池电堆4的燃料气出口设置有并联的燃料气传送线路与燃料电池的第二燃料电池电堆5的燃料气入口相连,第二燃料电池电堆5的出口与分水器7的入口相连,分水器7的出口与喷射器3的吸入口相连。如图3所示,氧气储罐8的出口与氧气减压阀9的入口相连,减压阀9的出口与燃料电池的第二燃料电池电堆5的氧化剂入口相连,第二燃料电池电堆5的氧化剂出口与第一燃料电池电堆4的氧化剂入口相连,第一燃料电池电堆4的氧化剂出口与常闭电磁阀10的入口相连,常闭电磁阀10的出口排空。
本实施例中,并联的燃料气传送线路上均设有燃料气开关,其中一个设有燃料气开关的燃料气传送线路上设有堆间分水器6,并联的燃料气传送线路的数量为两个,在其他实施例中也可以为三个以上;两个并联的燃料气传送线路上的燃料气开关分别为常闭电磁阀9和常开电磁阀8,堆间分水器6设置在常闭电磁阀9的并联线路上;燃料电池的燃料气系统还包括控制模块10,控制模块10包括检测第一燃料电池电堆4的水含量的检测装置和与检测装置信号连接以控制常闭电磁阀9和常开电磁阀8打开和关闭的控制装置,检测装置和控制装置配合实现第一燃料电池电堆4水含量的在线检测和控制;位于燃料气传送方向末端的第二燃料电池电堆5的出气口设有脉冲排气阀门11,其中,检测装置10是总谐波失真分析仪或者其他能够检测电堆中水含量的检测设备。
本实施例中,为了提高排水效率,第一燃料电池电堆4的单电池节数的数量大于第二燃料电池电堆5的单电池节数的数量,第一燃料电池电堆4的单电池节数与第二燃料电池电堆5的单电池节数之比的范围为2~5,后面的电堆比前面电堆的单电池节数少,这样可以保证燃料气在经过前面的电堆的单电池间的液态水时受到阻力后,还能有足够的吹力吹扫后面的电堆。
在使用该氢氧燃料电池的燃料气系统时,储氢罐1内的高压氢气通过氢气减压阀2调节压力进入喷射器3,喷射器3中的氢气与引射流体中的氢气和水蒸气通过公用通道一同进入各燃料电池电堆,各燃料电池电堆中单电池间通过双极板串联,如图3所示,各单电池在电堆内形成并联的氢气供气通道,并联的供气通道可以减少液态水对氢气的阻力;氢气从第一燃料电池电堆4的并联的供气通道带出水并与水一起进入堆间分水器6,在堆间分水器6内氢气与水分开,氢气继续进入第一燃料电池电堆5,同样,氢气从第一个电堆5的并联的供气通道带出水并与水一起进入末端分水器7进行分水,最后氢气流入喷射器,形成氢气的循环,同时也完成了对燃料电池的除湿;如图4所示,氧气储罐12的高压氧气通过经过氧气减压阀13调节压力后,进入第二燃料电池电堆5,然后再流入第一燃料电池电堆4,与氢气一样,氧气在两个电堆之间也是通过并联的供气通道,最后经电磁阀14向外界排出。
本实施例中,控制模块10的控制方法:(1)当控制模块10判断第一燃料电池电堆4内部为正常状态,常开电磁阀8为打开状态,常闭电磁阀9为关闭状态,脉冲排气阀门11为预设的脉冲排气频率和时长;(2)当控制模块10判断第一燃料电池电堆4内部为水淹状态,常开电磁阀8切换为关闭状态,常闭电磁阀9切换为打开状态,脉冲排气阀门11增大脉冲排气的频率和时长,以增加燃料气的气速度,使反应生成的水快速排出,以解决水淹现象;(3)当控制模块10判断第一燃料电池电堆4内部为膜干状态,常开电磁阀8为打开状态,常闭电磁阀9为关闭状态,脉冲排气阀门11减小脉冲排气的频率和时长,以降低燃料气的气速度,使反应生成的水缓慢排出,缓解膜干状态;该装置可以根据电堆的实时状态,进行针对性的调整,保持较好的水管理,提高燃料电池性能、效率和寿命。
本发明的燃料电池的燃料气系统的具体实施例,该燃料电池的燃料气系统与上述车辆的燃料电池的燃料气系统的结构相同,不予赘述。
Claims (10)
1.一种燃料电池的燃料气系统,包括至少两个串联的燃料电池电堆,其特征在于:所述各燃料电池电堆之间设有并联的燃料气传送线路,所述并联的燃料气传送线路上均设有燃料气开关,其中一个设有燃料气开关的燃料气传送线路上设有堆间分水器,所述燃料气系统还包括检测燃料电池电堆的水含量的检测装置和与检测装置信号连接以控制燃料气开关启闭的控制装置。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的燃料气系统,其特征在于:所述并联的燃料气传送线路的数量为两个。
3.根据权利要求2所述的燃料电池的燃料气系统,其特征在于:两个并联的燃料气传送线路上的燃料气开关分别为常闭电磁阀和常开电磁阀,所述堆间分水器设置在常闭电磁阀的并联线路上。
4.根据权利要求1或2或3所述的燃料电池的燃料气系统,其特征在于:所述燃料气系统还包括燃料气喷射器,位于燃料气传送方向末端的燃料电池电堆与燃料气喷射器连通构成了循环系统,末端的燃料电池电堆与燃料气喷射器之间设有末端分水器。
5.根据权利要求1或2或3所述的燃料电池的燃料气系统,其特征在于:位于燃料气传送方向末端的燃料电池电堆的出气口设有脉冲排气阀门。
6.车辆,包括车架和位于车架上的燃料电池的燃料气系统,所述燃料电池的燃料气系统包括至少两个串联的燃料电池电堆,其特征在于:所述各燃料电池电堆之间设有并联的燃料气传送线路,所述并联的燃料气传送线路上均设有燃料气开关,其中一个设有燃料气开关的燃料气传送线路上设有堆间分水器,所述燃料气系统还包括检测燃料电池电堆的水含量的检测装置和与检测装置信号连接以控制燃料气开关启闭的控制装置。
7.根据权利要求6所述的车辆,其特征在于:所述并联的燃料气传送线路的数量为两个。
8.根据权利要求7所述的车辆,其特征在于:两个并联的燃料气传送线路上的燃料气开关分别为常闭电磁阀和常开电磁阀,所述堆间分水器设置在常闭电磁阀的并联线路上。
9.根据权利要求6或7或8所述的车辆,其特征在于:所述燃料气系统还包括燃料气喷射器,位于燃料气传送方向末端的燃料电池电堆与燃料气喷射器连通构成了循环系统,末端的燃料电池电堆与燃料气喷射器之间设有末端分水器。
10.根据权利要求6或7或8所述的车辆,其特征在于:位于燃料气传送方向末端的燃料电池电堆的出气口设有脉冲排气阀门。
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