CN111211338B - 一种高压质子交换膜燃料电池动力系统 - Google Patents

一种高压质子交换膜燃料电池动力系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池系统技术领域，具体是一种高压质子交换膜燃料电池动力系统，包括燃料电池电堆、氢气供给系统和空气供给系统；所述空气供给系统上设有水管理系统，用于调节所述空气供给系统；所述燃料电池电堆上设有热管理系统，用于调节所述燃料电池电堆的反应温度，还用于调节所述空气供给系统供给的空气温度；还包括控制系统，所述控制系统用于控制所述燃料电池电堆、氢气供给系统和空气供给系统工作。本发明的有益效果是：保证了高压质子交换膜燃料电池动力系统的供氢、供氧的精确性及水、热管理的有效联动，提升了高压质子交换膜燃料电池动力系统的工作性能。

Description

一种高压质子交换膜燃料电池动力系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统技术领域，具体是一种高压质子交换膜燃料电池动力系统。
背景技术
燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的发电装置，质子交换膜燃料电池又具有比功率高、比能量大、低温启动快、结构紧凑等优点，适合应用于车辆动力系统。质子交换膜燃料电池动力系统包括燃料电池电堆、控制系统、空气供应系统、氢气供应系统、热管理系统、水管理系统，各个系统包含众多辅助设备，各个系统相互关联并协同完成整个动力系统的工作。
当前多数质子交换膜燃料电池动力系统的阴极、阳极进堆气体的加湿过程是独立的，且方式不同。为了提升氢气的利用率，多数系统布置氢气回流管路，由氢气循环泵将阳极排气引回入口，此过程可实现进堆氢气的内增湿，即利用反应中产生的水来湿化气体，但其增湿过程不易调控。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压质子交换膜燃料电池动力系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高压质子交换膜燃料电池动力系统，包括燃料电池电堆、氢气供给系统和空气供给系统；所述空气供给系统上设有水管理系统，用于调节所述空气供给系统；所述燃料电池电堆上设有热管理系统，用于调节所述燃料电池电堆的反应温度，还用于调节所述空气供给系统供给的空气温度；还包括控制系统，所述控制系统用于控制所述燃料电池电堆、氢气供给系统和空气供给系统工作。
作为本发明再进一步的方案：所述控制系统包括控制器、传感器组和信号接收模块，所述传感器组和信号接收模块设置在所述热管理系统和所述水管理系统的管路上，所述控制器通过所述信号接收模块控制所述传感器组工作。
作为本发明进一步的方案：所述水管理系统包括水循环装置和加湿分离装置，所述水循环装置与所述加湿分离装置接通，所述加湿分离装置安装在所述空气供给系统与所述燃料电池电堆连接的管路上。
作为本发明再进一步的方案：所述加湿分离装置还与所述氢气供给系统接通，用于调节所述氢气供给系统供给的氢气。
作为本发明再进一步的方案：所述热管理系统包括依次连接的节温器、热循环装置、比例调节阀，接至所述燃料电池电堆的冷却水进口。
作为本发明再进一步的方案：所述氢气供给系统包括高压氢罐、加热器及氢气调压件，所述高压氢罐、加热器、加湿分离装置及氢气调压件依次连接，接至所述燃料电池电堆的阳极进口。
作为本发明再进一步的方案：所述空气供给系统包括滤清器、空压机、空气稳压阀，所述滤清器、空压机、中冷器、加湿分离装置和空气稳压阀依次连接，接至所述燃料电池电堆的阴极进口。
作为本发明再进一步的方案：所述高压氢罐内设置有调节装置。
作为本发明再进一步的方案：所述氢气调压件包括减压阀和调压阀，所述减压阀和调压阀安装在高压氢罐与加热器之间。
作为本发明再进一步的方案：所述热循环装置包括水泵B、节温器、散热装置、膨胀水箱、比例调节阀和PTC加热器，所述水泵B、节温器、散热装置、膨胀水箱、比例调节阀、中冷器和PTC加热器依次接通；接至燃料电池电堆的冷却管路；所述所述PTC加热器还连接节温器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：保证了高压质子交换膜燃料电池动力系统的供氢、供氧的精确性及水、热管理的有效联动，提升了高压质子交换膜燃料电池动力系统的工作性能。
附图说明
图1为本发明实施例的高压质子交换膜燃料电池动力系统的结构示意图。
图2为本发明实施例的氢气供应系统的结构示意图。
图3为本发明实施例的空气供应系统的结构示意图。
图4为本发明实施例的热管理系统的结构示意图。
图5为本发明实施例的水管理系统的结构示意图。
附图中：0010-燃料电池电堆，0011-阳极进口，0012-阳极出口，0013-阴极进口，0014-阴极出口，0015-冷却水进口，0016-冷却水出口，0017-电力输出端；
0021-高压氢罐，0022-减压阀，0023-调压阀，0024-加热器，0025-氢气稳压阀，0026-氢气尾排阀，0027-截止阀，0028-氢气循环泵；0031-环境空气，0032-滤清器，0033-空压机，0034-中冷器，0035-空气稳压阀，0036-空气尾排阀；0041-气液分离器，0042-水箱，0043-水泵A，0044-去离子器A，0045-加湿分离装置，0046-尾排阀；0051-水泵B，0052-节温器，0053-散热装置，0054-膨胀水箱，0055-比例调节阀，0056-PTC加热器，0057-去离子器B；0060-控制器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本发明实施例中，一种高压质子交换膜燃料电池动力系统，包括燃料电池电堆、氢气供给系统和空气供给系统；所述空气供给系统上设有水管理系统，用于调节所述空气供给系统；所述燃料电池电堆上设有热管理系统，用于调节所述燃料电池电堆的反应温度，还用于调节所述空气供给系统供给的空气温度；还包括控制系统，所述控制系统用于控制所述燃料电池电堆、氢气供给系统和空气供给系统工作。
具体的，所述控制系统控制所述氢气供给系统和空气供给系统供给燃料电池电堆0010的空气和氢气的压力及流量。所述水管理系统调节所述空气供给系统供给给所述燃料电池电堆的空气温度、湿度；所述燃料电池电堆通过阳极进口0011、阳极出口0012、阴极进口0013和阴极出口0014分别与氢气供给系统和空气供给系统连接，通过冷却水进口0015、冷却水出口0016与热管理系统连接；所述燃料电池电堆0010的电力输出端0017接有DC/DC变压器。所述高压质子交换膜燃料电池动力系统的具体参数是：系统额定功率效率：≥48%，工作温度：-5℃至46℃；工作湿度：≤98%RH；工作海拔：≥2500m；工作寿命：≥5000h；防护等级：IP67。
请参阅图1，本发明实施例中，所述水管理系统包括水循环装置和加湿分离装置，所述水循环装置与所述加湿分离装置接通，所述加湿分离装置安装在所述空气供给系统与所述燃料电池电堆连接的管路上。
具体的，所述水循环装置包括水箱0042、水泵A0043和去离子器A0044，所述水泵A0043、去离子器A0044和加湿分离装置0045依次连接，所述加湿分离装置0045的排水管导入水箱0042；所述水泵A0043放置在所述水箱0042中，所述水箱0042上设有尾排阀0046。所述加湿分离装置0045还与所述氢气供给系统接通，用于调节所述氢气供给系统供给的氢气。
所述水箱0042收集阴极反应产生的液态水；经水泵A0043供给至加湿分离装置0045，使供给的氢气和空气达到饱和相对湿度，保证燃料电池电堆反应的传质效率。在加湿分离装置0045内经高压雾化与入堆的空气和氢气接触实现加湿过程，未利用的水流入排水管路。尾排阀0046适时开启以调节水箱0042内部合适的水量。在阴极产出水进入加湿分离装置0045前经由去离子器0044作用，使进入燃料电池电堆的气体保持低电导率，避免干扰所述燃料电池电堆0010堆内电化学反应，可以防止单个电池之间的短路电流产生，保证正常稳定工作。
请参阅图1，本发明实施例中，所述热管理系统包括依次连接的节温器0052、热循环装置和比例调节阀0055，接至所述燃料电池电堆的冷却水进口。
具体的，所述热循环装置包括水泵B0051、散热装置0053、膨胀水箱0054、PTC加热器0056及去离子器B0057，所述水泵B0051、节温器0052、散热装置0053、膨胀水箱0054、比例调节阀0055、PTC加热器0056及去离子器B0057依次连接，接至所述燃料电池电堆0010的冷却水进口0015；所述PTC加热器0056还连接节温器0052。
所述水泵B0051驱动50%乙二醇的冷却液，实现燃料电池电堆0010的冷却或者加热。水泵B0051后接节温器0052，大循环一路依次流至散热器0053、膨胀水箱0054、比例调节阀0055，比例调节阀后又分为两路，分别为空压机0033冷却回路，燃料电池电堆冷却水进口0015，通过比例调节阀0055控制空压机电机、空压机内冷和燃料电池电堆温度的冷却水流量；小循环一路直接连接至PTC加热器0056，然后进入燃料电池电堆冷却回路。
在正常工况下，燃料电池电堆工作温度在70℃至80℃内， 95%的产热量都要通过冷却水带走。在冷却模式下，节温器0052下端导通，热管理系统切换至大循环模式，由比例调节阀0055控制空压机电机、空压机内冷和电堆温度的冷却水流量。
在冷启动工况下甚至极端寒冷工况下，燃料电池电堆需要快速加热至工作温度范围（70℃~80℃）内，此时节温器0052左端导通，热管理系统切换至小循环模式，冷却液流经PTC加热器0056对冷却水迅速加热，随后进入燃料电池电堆冷却管路，实现燃料电池电堆加热功能。在冷却水进入燃料电池电堆冷却管路前经由去离子器0057作用，降低了液路系统中导电离子的浓度，可以防止单个电池之间的短路电流产生。
请参阅图1、2，本发明实施例中，所述氢气供给系统包括高压氢罐0021、加热器0024及氢气调压件，所述氢气调压件包括氢气稳压阀0025、截止阀0027及氢气循环泵0028，所述高压氢罐0021、加热器0024、加湿分离装置0045及氢气稳压阀0025依次连接，接至燃料电池电堆0010的阳极进口0011，所述燃料电池电堆0010的阳极出口0012依次经过截止阀0027和氢气循环泵0028接至所述加热器0024和加湿分离装置0045之间。所述氢气供给系统还包括减压阀0022和调压阀0023，所述减压阀0022和调压阀0023安装在高压氢罐0021与加热器0024之间。
具体的，所述高压氢罐0021内部氢气压力为35MPa，先由减压阀0022减压，以便调压阀0023安全调节送入燃料电池电堆氢气压力，构成双级调压系统，最终送入燃料电池电堆氢气压力为6.0bar。调节高压氢罐0021的阀口开度，控制进堆氢气的流量。经上述双级调压系统减压后的氢气温度降低，由加热器0024加热送入燃料电池电堆氢气的温度。调节进气温度为60℃，温度过高在燃料电池电堆中冷凝液化生成液态水损害电堆催化剂和电解质膜，同时对燃料电池电堆冷却。
回氢管道通过氢气循环泵0028和截止阀0027控制阳极排气循环，当截止阀0027和氢气循环泵0028同时打开，燃料电池电堆阳极反应排出的气体沿着回氢管路流向燃料电池电堆阳极进口，使得反应未完全利用的氢气再次参加反应，可以提高氢气的利用效率，同时反应产水使得阳极排气相对湿度较高，实现对进入燃料电池电堆氢气被加湿。打开氢气尾排阀0026，阳极反应废气排向环境大气。
请参阅图1、2，本发明实施例中，所述高压氢罐0021内设置有调节装置。用于配合氢气稳压阀0025控制氢气的流量及压力。所述调节装置是调压阀。
具体的，供氢管路中高压氢罐0021依次与减压阀0022、调压阀0023、加热器0024、加湿分离装置0045、氢气稳压阀0025连接，至燃料电池电堆阳极进口0011，在阳极出口0012处分为两路，一路由氢气尾排阀0026排至大气，另一路即回氢管路依次经过截止阀0027和氢气循环泵0028返回至供氢管路中加热器0024和加湿分离装置0045之间。调节装置与氢气稳压阀0025用以确保进入燃料电池电堆氢气的压力恒定，避免进气压力波动损坏燃料电池电堆。
请参阅图1，本发明实施例中，所述空气供给系统包括连接滤清器0032、空压机0033、中冷器0034及空气稳压阀0035，所述滤清器0032、空压机0033、中冷器0034、加湿分离装置0045和空气稳压阀0035依次连接；所述空气稳压阀0035接至所述燃料电池电堆0010的阴极进口0013。所述燃料电池电堆0010的阴极出口0014设有气液分离器0041连接空气尾排阀0036。
具体的，通过空压机0033控制进燃料电池电堆0010空气的流量及压力，通过中冷器0034控制进堆空气的温度。空压机0033对进入燃料电池电堆0010的空气进行增压，增加了空气中氧气的进气量，以提高燃料电池电堆的能量密度和效率、减小整体系统尺寸。所述空压机的压比为1.7。取自环境空气0031依次经过滤清器0032、空压机0033、中冷器0034、加湿分离装置0045至燃料电池电堆阴极入口0013。设置气液分离器0041，收集阴极反应产生的液态水，经水泵B0051供给至氢气和空气的加湿分离装置0045，所述气液分离器0041分离的气体可经由空气尾排阀0036排至大气。使进堆的氢气和空气达到饱和相对湿度，保证生化反应的传质效率。
请参阅图1、4、5，本发明实施例中，所述控制系统包括控制器0060、传感器组和信号接收模块，所述传感器组和信号接收模块设置在所述热管理系统和所述水管理系统的管路上，所述控制器通过所述信号接收模块控制所述传感器组工作。
具体的，所述传感器组包括温度压力传感器PT1、温度压力传感器PT2、温度压力传感器PT3、温度压力传感器PT4、温度压力传感器PT5，温度传感器T1、温度传感器T2、温度传感器T3；所述控制器0060直接或通过信号接收模块分别与空压机0033、氢气循环泵0028、水泵B0051、水泵A0043、散热装置0053、加热器0024、PTC加热器0056、减压阀0022、调压阀0023、氢气稳压阀0025、空气稳压阀0035、截止阀0027、氢气尾排阀0026、空气尾排阀0036、尾排阀0046、比例调节阀0055、节温器0055信号连接，通过传感器组监测不同位置处温度、压力，由控制器0060控制空压机转速、氢气循环泵转速、水泵转速、风扇电流占空比、加热器功率、各个阀的开度，保证高压质子交换膜燃料电池动力系统的稳定输出。
温度压力传感器PT1读出氢罐出口处温度和压力状态，实时监测氢瓶内气体压力，通过换算得到储氢瓶中氢气余量；并由此反馈信号确定减压程度并控制减压阀和调压阀的开度。温度压力传感器PT2读出入堆前氢气的温度和压力，通过持续监测反馈信号，对偶然出现的信号波动经调节氢气稳压阀0025进行补偿控制，防止损害电堆。根据标定得到的阀的开度与流量和压力变化量的对应关系，由温度压力传感器PT1和温度压力传感器PT2读出的压力反馈值的差值得到进氢管路的氢气的流量。温度压力传感器PT3读出出堆后氢气的温度和压力，由此反馈信号和温度压力传感器PT2的反馈值可以得到氢气的利用率，当排气压力过高，控制器增大去去去尾排阀0026的开度实现降压。温度压力传感器PT6读出经空压机压缩后的空气温度和压力，对比环境温度，由此反馈信号对空压机转速进行调节进行补偿。温度压力传感器PT4读出入堆前空气的温度和压力，通过持续监测反馈信号，对偶然出现的信号波动经调节氢气稳压阀0025进行补偿控制，防止损害电堆。温度压力传感器PT5读出出堆后空气的温度和压力，由此反馈信号和温度压力传感器PT4的反馈值可以得到空气的利用率，当排气压力过高，控制器增大空气尾排阀0036的开度实现降压，并排除未经利用的氮气。温度传感器T2读出进堆前冷却水的温度，温度传感器T3读出出堆后冷却水的温度，根据两传感器的读数变化及差值变化，调节水泵B0051转速和比例调节阀0055的流量分配，实现对空压机电机、空压机输出空气和燃料电池电堆的冷却管理。
本发明的工作原理：通过设置控制系统、热管理系统及水管理系统，精细控制所述氢气供给系统和空气供给系统供给所述燃料电池电堆，所述氢气供给系统和空气供给系统送入氢气和空气的温度、湿度、压力及流量，均被控制在所述燃料电池电堆发生反应的最佳条件下。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种高压质子交换膜燃料电池动力系统，包括燃料电池电堆、氢气供给系统和空气供给系统；其特征在于，
所述空气供给系统上设有水管理系统，用于调节所述空气供给系统；
所述燃料电池电堆上设有热管理系统，用于调节所述燃料电池电堆的反应温度，还用于调节所述空气供给系统供给的空气温度；
还包括控制系统，所述控制系统用于控制所述燃料电池电堆、氢气供给系统和空气供给系统工作；所述水管理系统包括水循环装置和加湿分离装置，所述水循环装置与所述加湿分离装置接通，所述加湿分离装置安装在所述空气供给系统与所述燃料电池电堆连接的管路上，所述加湿分离装置还与所述氢气供给系统接通，用于调节所述氢气供给系统供给的氢气；所述热管理系统包括依次连接的节温器、热循环装置、比例调节阀，接至所述燃料电池电堆的冷却水进口；
所述热循环装置包括水泵B、节温器、散热装置、膨胀水箱、比例调节阀和PTC加热器，所述水泵B、节温器、散热装置、膨胀水箱、比例调节阀、中冷器和PTC加热器依次接通；接至燃料电池电堆的冷却管路；所述PTC加热器还连接节温器；所述水泵B驱动50%乙二醇的冷却液，实现燃料电池电堆的冷却或者加热；水泵B后接节温器，大循环一路依次流至散热器、膨胀水箱、比例调节阀，比例调节阀后又分为两路，分别为空压机冷却回路，燃料电池电堆冷却水进口，通过比例调节阀控制空压机电机、空压机内冷和燃料电池电堆温度的冷却水流量；小循环一路直接连接至PTC加热器，然后进入燃料电池电堆冷却回路；
所述氢气供给系统包括高压氢罐、加热器及氢气调压件，所述高压氢罐、加热器、加湿分离装置及氢气调压件依次连接，接至所述燃料电池电堆的阳极进口；
在冷启动工况下甚至极端寒冷工况下，燃料电池电堆需要快速加热至工作温度范围内，此时节温器左端导通，热管理系统切换至小循环模式，冷却液流经PTC加热器对冷却水迅速加热，随后进入燃料电池电堆冷却管路，实现燃料电池电堆加热功能。
2.根据权利要求1所述的一种高压质子交换膜燃料电池动力系统，其特征在于，所述控制系统包括控制器、传感器组和信号接收模块，所述传感器组和信号接收模块设置在所述热管理系统和所述水管理系统的管路上，所述控制器通过所述信号接收模块控制所述传感器组工作。
3.根据权利要求1所述的一种高压质子交换膜燃料电池动力系统，其特征在于，所述空气供给系统包括空压机、空气调压件和中冷器，所述空压机、空气调压件、中冷器和加湿分离装置依次连接，接至所述燃料电池电堆的阴极进口。
4.根据权利要求1所述的一种高压质子交换膜燃料电池动力系统，其特征在于，所述高压氢罐内设置有调节装置。
5.根据权利要求1所述的一种高压质子交换膜燃料电池动力系统，其特征在于，所述氢气调压件包括减压阀和调压阀，所述减压阀和调压阀安装在高压氢罐与加热器之间。
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