CN109860664A - 质子交换膜燃料电池阴极侧气体湿度调节系统及其方法 - Google Patents

质子交换膜燃料电池阴极侧气体湿度调节系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池阴极侧气体湿度调节系统及其方法,其包括空气滤清器、空气压缩机、中冷器、空气加湿器、燃料电池电堆、排气背压阀与尾气处理器,还包括湿度调节器、三通阀与燃料电池控制单元;燃料电池电堆的出口与湿度调节器的进口相连,湿度调节器与空气加湿器相连,空气加湿器与三通阀相连,所述燃料电池控制单元与燃料电池电堆内的含水量传感器以及湿度调节器相连。本发明可根据燃料电池电堆实际工作需要自动调节入堆空气湿度,避免了电堆内部出现过干或过湿的现象出现,维持电堆内部水平衡,有效提升燃料电池输出性能,保证其运行稳定性,提高了电堆的可靠性和耐久性。

Description

质子交换膜燃料电池阴极侧气体湿度调节系统及其方法
技术领域
本发明涉及燃料电池发动机技术领域,具体地说是一种质子交换膜燃料电池阴极侧气体湿度调节系统及其方法。
背景技术
在质子交换膜燃料电池工作过程中,质子交换膜需要保持一定的湿润度才能保持质子的高传导性和良好的运行特性。入堆空气湿度过低会导致膜过干,使质子交换膜失去传导质子的能力,严重时导致膜脱水、皱缩甚至破裂;入堆空气湿度过高,导致膜中含水量过多会造成水淹,堵塞气体流道,增大浓差极化导致电池性能大幅下降。因此,通过调节入堆空气湿度来保持燃料电池内部水平衡是提高燃料电池性能和寿命的一个关键问题。
目前,典型的燃料电池空气加湿系统如图1所示,干空气分别经过空气滤清器1、空气压缩机2、中冷器3、空气加湿器4后进入燃料电池电堆5,反应后生成的水随尾气排出,随后进入空气加湿器4对干空气进行加湿,最后经过排气背压阀6以及尾气处理器7后排出。该过程是一个开环过程,无法针对燃料电池电堆5的实际工作需求对空气湿度进行调节,易出现进入电堆5的空气湿度过高或过低的情况,影响燃料电池电堆5的输出性能及可靠性、耐久性。
发明内容
本发明的目的之一是克服现有技术中存在的不足,提供一种使得阴极侧进入电堆空气湿度能满足电堆运行需求、避免电堆内出现过湿或过干现象的质子交换膜燃料电池阴极侧气体湿度调节系统。
本发明的另一目的是提供一种质子交换膜燃料电池阴极侧气体湿度调节方法,可以维持电堆内部的水平衡,有效地提升燃料电池输出性能,保证其运行稳定性,提高了电堆的可靠性和耐久性。
按照本发明提供的技术方案,所述质子交换膜燃料电池阴极侧气体湿度调节系统,包括空气滤清器、空气压缩机、中冷器、空气加湿器、燃料电池电堆、排气背压阀与尾气处理器,空气滤清器的出口与空气压缩机的进口相连,空气压缩机的出口与中冷器的进口相连,中冷器的出口与空气加湿器的第一进口相连,空气加湿器的第一出口与燃料电池电堆的进口相连,排气背压阀的出口与尾气处理器的进口相连;
还包括湿度调节器、三通阀与燃料电池控制单元;燃料电池电堆的出口与湿度调节器的进口相连,湿度调节器的第一出口与空气加湿器的第二进口相连,空气加湿器的第二出口与三通阀的第一进口相连,三通阀的出口与排气背压阀的进口相连,湿度调节器的第二出口与三通阀的第二进口相连;所述燃料电池控制单元与燃料电池电堆内的含水量传感器以及湿度调节器相连。
所述湿度调节器为电控三通阀、电控比例阀或者电控旁通阀。
一种质子交换膜燃料电池阴极侧气体湿度调节方法包括以下步骤:
a、燃料电池电堆内部的含水量传感器检测燃料电池电堆内部的含水量,并将含水量结果信息发送至燃料电池控制单元;
b、燃料电池控制单元判断含水量是否符合当前工作需求,含水量过高或过低时,向湿度调节器发出控制指令;
c、湿度调节器接收燃料电池控制单元发出的指令,通过调节湿度调节器的第一出口与空气加湿器的第二进口之间的以及湿度调节器的第二出口与三通阀的第二进口之间的流量分配比例,使得进入空气加湿器的尾气流量增加或者减少,以调节进入燃料电池电堆的空气的湿度,以满足燃料电池电堆的工作实际需求,形成一个闭环控制。
本发明具有以下优点:
本发明可根据燃料电池电堆实际工作需要自动调节入堆空气湿度,避免了电堆内部出现过干或过湿的现象出现,维持电堆内部水平衡,有效提升燃料电池输出性能,保证其运行稳定性,提高了电堆的可靠性和耐久性。
所述系统通过在电堆空气出口端与空气加湿器之间增加一个湿度调节装置来对湿度进行调节。
电堆运行过程中,电堆内部自带传感器对内部湿度进行实时监控,燃料电池控制单元接收湿度传感器信息后对湿度调节装置发出调节指令,湿度调节装置通过调节流量分配比例来改变进气湿度,形成闭环控制。
附图说明
图1是现有技术的结构示意图。
图2是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明的质子交换膜燃料电池阴极侧气体湿度调节系统,包括空气滤清器1、空气压缩机2、中冷器3、空气加湿器4、燃料电池电堆5、排气背压阀6与尾气处理器7,空气滤清器1的出口与空气压缩机2的进口相连,空气压缩机2的出口与中冷器3的进口相连,中冷器3的出口与空气加湿器4的第一进口相连,空气加湿器4的第一出口与燃料电池电堆5的进口相连,排气背压阀6的出口与尾气处理器7的进口相连;
还包括湿度调节器8、三通阀9与燃料电池控制单元10;燃料电池电堆5的出口与湿度调节器8的进口相连,湿度调节器8的第一出口与空气加湿器4的第二进口相连,空气加湿器4的第二出口与三通阀9的第一进口相连,三通阀9的出口与排气背压阀6的进口相连,湿度调节器8的第二出口与三通阀9的第二进口相连;所述燃料电池控制单元10与燃料电池电堆5内的含水量传感器以及湿度调节器8相连。所述燃料电池控制单元10可釆用单片机。
所述湿度调节器8为电控三通阀、电控比例阀或者电控旁通阀。
本发明的质子交换膜燃料电池阴极侧气体湿度调节方法包括以下步骤:
a、燃料电池电堆5内部的含水量传感器检测燃料电池电堆5内部的含水量,并将含水量结果信息发送至燃料电池控制单元10;
b、燃料电池控制单元10判断含水量是否符合当前工作需求,含水量过高或过低时,向湿度调节器8发出控制指令;
c、湿度调节器8接收燃料电池控制单元10发出的指令,通过调节湿度调节器8的第一出口与空气加湿器4的第二进口之间的以及湿度调节器8的第二出口与三通阀9的第二进口之间的流量分配比例,使得进入空气加湿器4的尾气流量增加或者减少,以调节进入燃料电池电堆5的空气的湿度,以满足燃料电池电堆5的工作实际需求,形成一个闭环控制。
本发明与现有技术中典型质子交换膜燃料电池空气加湿系统相比,通过在燃料电池电堆5空气出口端与空气加湿器4湿空气入口端之间增加一个湿度调节器8。反应后尾气从燃料电池电堆5流出后进入湿度调节器8,湿度调节阀8出口分两条支路,第一条支路中的尾气流经空气加湿器4对干空气进行加湿,然后经过三通阀9通过尾排系统排出;第二条支路中的尾气直接通过三通阀9进入尾排系统后排出。
本发明的工作原理如下:
燃料电池电堆5在运行过程中,燃料电池电堆5内部自带的含水量传感器对内部湿度进行实时监控,燃料电池控制单元10接收到含水量传感器发出的湿度信息后对湿度调节器8发出调节指令,湿度调节器8通过调节流量分配比例来改变进气湿度,形成闭环控制。
当燃料电池电堆5内部的湿度过低时,燃料电池控制单元10给湿度调节器8发出调节指令,湿度调节器8通过调节流量分配比例,增加湿度调节器8的第一出口与空气加湿器4的第二进口之间管路中的气体流量并减少湿度调节器8的第二出口与三通阀9的第二进口之间管路中的气体流量,使得通过空气加湿器4的湿空气量增加,从而增加干空气湿度,满足燃料电池电堆5内部的湿度要求。
当燃料电池电堆5内部的湿度过高时,湿度调节器8接收到调节指令后调节流量分配比例,减少湿度调节器8的第一出口与空气加湿器4的第二进口之间管路中的气体流量并增加湿度调节器8的第二出口与三通阀9的第二进口之间管路中的气体流量,使得进入空气加湿器4的湿空气量减少,从而降低空气湿度,满足燃料电池电堆5内部的湿度要求。
本发明的工作过程如下:干空气由空气滤清器1进入,经过空气压缩机2、中冷器3后进入空气加湿器4,由燃料电池电堆5出来的尾气经过湿度调节器8后部分进入空气加湿器4对干空气进行加湿,最后尾气经过排气背压阀6和尾气处理器7后排出。
在电堆工作过程中,湿度调节器8根据燃料电池控制单元10的指令,通过增大流经空气加湿器4的流量来增加空气湿度,通过减少流经空气加湿器4的流量来降低空气湿度,以达到调节进入燃料电池电堆5的空气湿度的目的。

Claims (3)

1.一种质子交换膜燃料电池阴极侧气体湿度调节系统,包括空气滤清器(1)、空气压缩机(2)、中冷器(3)、空气加湿器(4)、燃料电池电堆(5)、排气背压阀(6)与尾气处理器(7),空气滤清器(1)的出口与空气压缩机(2)的进口相连,空气压缩机(2)的出口与中冷器(3)的进口相连,中冷器(3)的出口与空气加湿器(4)的第一进口相连,空气加湿器(4)的第一出口与燃料电池电堆(5)的进口相连,排气背压阀(6)的出口与尾气处理器(7)的进口相连;
其特征是:还包括湿度调节器(8)、三通阀(9)与燃料电池控制单元(10);燃料电池电堆(5)的出口与湿度调节器(8)的进口相连,湿度调节器(8)的第一出口与空气加湿器(4)的第二进口相连,空气加湿器(4)的第二出口与三通阀(9)的第一进口相连,三通阀(9)的出口与排气背压阀(6)的进口相连,湿度调节器(8)的第二出口与三通阀(9)的第二进口相连;所述燃料电池控制单元(10)与燃料电池电堆(5)内的含水量传感器以及湿度调节器(8)相连。
2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池阴极侧气体湿度调节系统,其特征是:所述湿度调节器(8)为电控三通阀、电控比例阀或者电控旁通阀。
3.一种质子交换膜燃料电池阴极侧气体湿度调节方法,其特征是该方法包括以下步骤:
a、燃料电池电堆(5)内部的含水量传感器检测燃料电池电堆(5)内部的含水量,并将含水量结果信息发送至燃料电池控制单元(10);
b、燃料电池控制单元(10)判断含水量是否符合当前工作需求,含水量过高或过低时,向湿度调节器(8)发出控制指令;
c、湿度调节器(8)接收燃料电池控制单元(10)发出的指令,通过调节湿度调节器(8)的第一出口与空气加湿器(4)的第二进口之间的以及湿度调节器(8)的第二出口与三通阀(9)的第二进口之间的流量分配比例,使得进入空气加湿器(4)的尾气流量增加或者减少,以调节进入燃料电池电堆(5)的空气的湿度,以满足燃料电池电堆(5)的工作实际需求,形成一个闭环控制。
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