CN112216853A - 一种燃料电池系统及其湿度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统及其湿度控制方法，该燃料电池系统包括燃料电池堆、氢气回路以及空气回路，氢气回路包括氢气循环装置以及分水器，氢气源通过氢气循环装置与燃料电池堆的氢气进口连接，分水器的进气口与燃料电池堆的氢气出口连接，分水器的出气口与氢气循环装置连接；空气回路包括依次串联的空气过滤器、空压机、雾化器以及中冷器，中冷器的出口连接于燃料电池堆的空气进口，分水器的出水口与雾化器连接；上述燃料电池系统通过在空气回路的空压机后端设置雾化器，可以将电堆阳极排放的水分及时的加入到空气内部，对电堆进行增湿，而不需要外加水源，从而达到增加空气的湿度以及电堆内部水分，降低电堆内阻的目的。

Description

一种燃料电池系统及其湿度控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池系统及其湿度控制方法。

背景技术

目前市场上燃料电池系统采用的膜管增湿器，可以有效的解决空气增湿的问题，但增湿器体积较大，由于采用电堆排出的湿空气对干空气进行增湿，空气增湿的湿度会受到一定的限制。目前市面上的增湿器增湿接近露点温度最小可达到15℃，在电堆工作温度为75℃，电堆温差10℃以内时，空气增湿的相对湿度可达50％左右，可以向低调整，但无法达到更大的增湿比例，并且随着电堆运行温度的增加，空气增湿的相对湿度进一步降低，不利于电堆内部反应的进行。

一种燃料电池系统增湿方案是将部分排出的氢气通到空滤前，此种情况下，空气的湿度有一定的增加，并且空气中会含有一定的氢气，在空气进入电堆后，通过催化剂的催化，产生水，湿润膜电极，降低电堆电阻。但将氢气排入空气入口，会导致空气入口的空气温度增加，降低空气的密度，增加空压机压缩空气的难度，同时增加空压机的能量消耗，降低系统的效率。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种燃料电池系统，以达到增加空气的湿度以及电堆内部水分，降低电堆内阻的目的。

本发明的第二个目的在于提供一种基于上述燃料电池系统的湿度控制方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种燃料电池系统，包括：

燃料电池堆；

氢气回路，包括氢气循环装置以及分水器，氢气源通过所述氢气循环装置与所述燃料电池堆的氢气进口连接，所述分水器的进气口与所述燃料电池堆的氢气出口连接，所述分水器的出气口与所述氢气循环装置连接；

空气回路，包括依次串联的空气过滤器、空压机、雾化器以及中冷器，所述中冷器的出口连接于所述燃料电池堆的空气进口，所述分水器的出水口与所述雾化器连接。

优选地，所述分水器的出水口通过三通阀与所述雾化器连接，所述三通阀的进口与所述分水器的出水口连接，所述三通阀的第一出口与所述雾化器连接，所述三通阀的第二出口连接至所述燃料电池堆的尾排管。

优选地，所述氢气循环装置包括氢气喷射引射器；或者，所述氢气循环装置包括相互串联的比例阀以及循环泵；或者，所述氢气循环装置包括相互串联的喷射器以及循环泵；或者，所述氢气循环装置包括相互串联的氢气喷射引射器以及循环泵。

优选地，还包括水循环回路，所述水循环回路包括节温器、散热器、加热器以及水泵，所述节温器的进水口与所述燃料电池堆的出水口连接，所述节温器的第一出水口连接于所述散热器，所述节温器的第二出水口连接于所述加热器，所述散热器以及所述加热器分别通过所述水泵与所述燃料电池堆的进水口连接。

优选地，所述水循环回路还包括膨胀水箱，所述膨胀水箱设置于所述水泵与所述燃料电池堆的进水口之间。

优选地，所述中冷器的进水口与所述水泵的出水口连接，所述中冷器的出水口与所述水泵的进水口连接。

优选地，所述燃料电池堆的尾排管上设置有节气门。

一种基于如上任意一项所述的燃料电池系统的湿度控制方法，包括步骤：

燃料电池系统运行时，检测燃料电池堆空气进口的空气湿度，若空气的湿度低于第一预设值，则控制三通阀将分水器与雾化器导通，并控制分水器的排水阀按照第一预设频率开启，同时控制雾化器开启，对空气进行增湿；

检测雾化器内液位，在雾化器内液位超过限值时，控制三通阀将分水器与尾排管导通。

优选地，在上述步骤执行预设时间后，若空气湿度仍低于第一预设值，则控制分水器的排水阀按照第二预设频率开启，同时提高雾化器功率，所述第二预设频率高于所述第一预设频率。

优选地，检测燃料电池堆空气进口的空气湿度，若空气的湿度高于第二预设值，所述第二预设值高于所述第一预设值，则降低雾化器功率。

优选地，燃料电池系统启动时，燃料电池系统的氢气回路进行氢气吹扫，同时开启分水器的排水阀，并控制三通阀将分水器与雾化器导通；

氢气吹扫结束后，打开燃料电池系统的尾排管上的节气门，并启动空气回路中的空压机以及水循环回路中的水泵，并同时控制分水器的排水阀按照第三预设频率开启。

优选地，燃料电池系统关机时，三通阀将排水阀与燃料电池堆的尾排管连通。

由以上技术方案可以看出，本发明中公开了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括燃料电池堆、氢气回路以及空气回路，其中，氢气回路包括氢气循环装置以及分水器，氢气源通过氢气循环装置与燃料电池堆的氢气进口连接，分水器的进气口与燃料电池堆的氢气出口连接，分水器的出气口与氢气循环装置连接；空气回路包括依次串联的空气过滤器、空压机、雾化器以及中冷器，中冷器的出口连接于燃料电池堆的空气进口，分水器的出水口与雾化器连接；在应用时，分水器排出的水分和氢气进入雾化器中，经过雾化将液态水分散成液态水滴，与经过空压机加压后的高温空气混合，高温空气会将液态水滴直接气化，以增加空气的湿度，因为温度较高，不用担心雾化后的液态水颗粒附着在空气管路上，造成增湿的能力不足；同时，因为分水器排出的水会包含部分氢气在其中，在氢气进入到电堆内部时，会在电堆各单电池的入口处快速与空气中的氧气反应，产生水，湿润膜电极，避免了膜电极前端的水分被高速流动的空气带走，反应速度降低，膜被吹干的可能；由此可见，通过在空气回路的空压机后端设置雾化器，可以将电堆阳极排放的水分及时的加入到空气内部，对电堆进行增湿，而不需要外加水源，从而达到增加空气的湿度以及电堆内部水分，降低电堆内阻的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的燃料电池系统的结构示意图。

其中：

1为燃料电池堆；2为氢气回路；201为氢气喷射引射器；202为氢气源；203为分水器；3为空气回路；301为空气过滤器；302为空压机；303为雾化器；304为中冷器；4为三通阀；5为节气门；6为水循环回路；601为节温器；602为散热器；603为加热器；604为水泵；605为膨胀水箱。

具体实施方式

本发明的核心之一是提供一种燃料电池系统，以达到增加空气的湿度以及电堆内部水分，降低电堆内阻的目的。

本发明的另一核心是提供一种基于上述燃料电池系统的湿度控制方法。

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，图1为本发明实施例提供的燃料电池系统的结构示意图。

本发明实施例中公开了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括燃料电池堆1、氢气回路2以及空气回路3。

其中，氢气回路2包括氢气循环装置以及分水器203，氢气源202通过氢气循环装置与燃料电池堆1的氢气进口连接，分水器203的进气口与燃料电池堆1的氢气出口连接，分水器203的出气口与氢气循环装置连接；空气回路3包括依次串联的空气过滤器301、空压机302、雾化器303以及中冷器304，中冷器304的出口连接于燃料电池堆1的空气进口，分水器203的出水口与雾化器303连接。

可以看出，与现有技术相比，本发明实施例提供的燃料电池系统在应用时，分水器203排出的水分和氢气进入雾化器303中，经过雾化将液态水分散成液态水滴，与经过空压机302加压后的高温空气混合，高温空气会将液态水滴直接气化，以增加空气的湿度，因为温度较高，不用担心雾化后的液态水颗粒附着在空气管路上，造成增湿的能力不足；同时，因为分水器203排出的水会包含部分氢气在其中，在氢气进入到电堆内部时，会在电堆各单电池的入口处快速与空气中的氧气反应，产生水，湿润膜电极，避免了膜电极前端的水分被高速流动的空气带走，反应速度降低，膜被吹干的可能；由此可见，通过在空气回路3的空压机302后端设置雾化器303，可以将电堆阳极排放的水分及时的加入到空气内部，对电堆进行增湿，而不需要外加水源，从而达到增加空气的湿度以及电堆内部水分，降低电堆内阻的目的。

容易理解的是，分水器203分离出的水分可能会超出雾化器303的需求，为此，在本发明一种实施例中，分水器203的出水口通过三通阀4与雾化器303连接，三通阀4的进口与分水器203的出水口连接，三通阀4的第一出口与雾化器303连接，三通阀4的第二出口连接至燃料电池堆1的尾排管，这样，空气湿度较低，雾化器303长时间或大功率运行时，可通过三通阀4将分水器203与雾化器303连通，实现分水器203向雾化器303供水，若空气湿度较高，雾化器303仅仅是短时间或者以较低功率运行，需水量较小，则可通过三通阀4将分水器203与尾排管连通。

作为优选地，如图1所示，在本发明实施例中，氢气循环装置包括氢气喷射引射器201。

当然，需要说明的是，氢气循环装置并不局限于上述的氢气喷射引射器201，在其他实施例中，氢气循环装置还可以包括相互串联的比例阀以及循环泵；或者，氢气循环装置还可以包括相互串联的喷射器以及循环泵；或者，氢气循环装置还可以包括相互串联的氢气喷射引射器201以及循环泵。

进一步优化上述技术方案，燃料电池系统还包括水循环回路6，水循环回路6包括节温器601、散热器602、加热器603以及水泵604，节温器601的进水口与燃料电池堆1的出水口连接，节温器601的第一出水口连接于散热器602，节温器601的第二出水口连接于加热器603，散热器602以及加热器603分别通过水泵604与燃料电池堆1的进水口连接。

作为优选地，水循环回路6还包括膨胀水箱605，膨胀水箱605设置于水泵604与燃料电池堆1的进水口之间，当循环水升温时，系统中的水容积增加，当无处容纳水的这部分膨胀量时，水循环回路6内的水压增高，将影响正常运行，通过设置膨胀水箱605，由膨胀水箱605容纳水循环回路6内的水膨胀量，可减小水循环回路6因水的膨胀而造成的水压波动，提高了水循环回路6运行的安全、可靠性，当水循环回路6由于某种原因漏水或循环水降温时，膨胀水箱605水位下降，为系统补水。

进一步地，中冷器304的进水口与水泵604的出水口连接，中冷器304的出水口与水泵604的进水口连接，水泵604带动循环水为燃料电池堆1降温的同时，还带动部分循环水作为中冷器304的冷媒。

进一步地，燃料电池堆1的尾排管上设置有节气门5。

基于如上任意一项的燃料电池系统，本发明实施例还提供了一种燃料电池系统的湿度控制方法，该方法包括步骤：

燃料电池系统运行时，气体在燃料电池堆1内反应，生产大量的水，并经由膜电极反向渗透到阳极，与未反应的氢气一起带出燃料电池堆1，在经过分水器203时，气体中的水与氢气分离。氢气通过氢气循环装置再循环到燃料电池堆1内继续反应；检测燃料电池堆1空气进口的空气湿度，若空气的湿度低于第一预设值，则控制三通阀4将分水器203与雾化器303导通，并控制分水器203的排水阀按照第一预设频率开启，分离出的水经过三通阀4进入雾化器303中，同时控制雾化器303开启，对空气进行增湿；

检测雾化器303内液位，在雾化器303内液位超过限值时，控制三通阀4将分水器203与尾排管导通。

通过上述方法，不仅可以将分水器203中的水分带到燃料电池中进行加湿，由于分水器203与氢气回路2相通，在空气湿度不足的情况下，可以通过增加氢气的排放，调整空气中氢气的量，通过氢气与氧气的反应，对电堆进行增湿，保证反应的快速进行。

进一步地，在本发明实施例中，在上述步骤执行预设时间后，若空气湿度仍低于第一预设值，则控制分水器203的排水阀按照第二预设频率开启，同时提高雾化器303功率，第二预设频率高于第一预设频率，从而增加排放水与氢气的频率，排放的水与氢气经过三通阀4进入到雾化器303内，与空气回路3内的空气同时进入燃料电池堆1，由空气中的水分，氢气和氧气反应产生的水分同时对燃料电池堆1进行增湿，防止燃料电池堆1内部的湿度过低，电阻增加，影响系统性能。

在空气湿度较大地区，空气湿度可能直接满足要求，无需额外加湿，因此，在该湿度控制方法中若检测到燃料电池堆1空气进口的空气湿度高于第二预设值，第二预设值高于第一预设值，则降低雾化器303功率或者关闭雾化器303，若检测到雾化器303内水位达到限值或者雾化器303已关闭，则控制三通阀4将分水器203与尾排管导通，将多余的液态水排出，降低空气湿度。

作为优选地，燃料电池系统启动时，分水器203和雾化器303内没有液态水存在，当收到燃料电池系统开机信号后，燃料电池系统的氢气回路2进行氢气吹扫，将氢气回路2内的空气排出氢气系统，防止燃料电池堆1产生阳极的氢空界面，影响燃料电池堆1的寿命，同时开启分水器203的排水阀，并控制三通阀4将分水器203与雾化器303导通，吹扫的氢气经过管道进入空气回路3；

氢气吹扫结束后，打开燃料电池系统的尾排管上的节气门5，并启动空气回路3中的空压机302以及水循环回路6中的水泵604，并同时控制分水器203的排水阀按照第三预设频率开启。

通过上述步骤，可以在燃料电池系统启动时，将氢气回路2内的微量氢气排放进入空气回路3，进入燃料电池堆1直接在燃料电池堆1的阴极参加反应，生成水，湿润燃料电池堆1的膜电极，降低燃料电池堆1的内阻，使系统正常发电。

燃料电池系统关机时，三通阀4将排水阀与燃料电池堆1的尾排管连通，分水器203分离的液态水经过三通阀4直接排放至尾排管，不再进入雾化器303，防止关机后燃料电池堆1内部水分过多，影响燃料电池堆1的寿命。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (12)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：

燃料电池堆；

氢气回路，包括氢气循环装置以及分水器，氢气源通过所述氢气循环装置与所述燃料电池堆的氢气进口连接，所述分水器的进气口与所述燃料电池堆的氢气出口连接，所述分水器的出气口与所述氢气循环装置连接；

空气回路，包括依次串联的空气过滤器、空压机、雾化器以及中冷器，所述中冷器的出口连接于所述燃料电池堆的空气进口，所述分水器的出水口与所述雾化器连接。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述分水器的出水口通过三通阀与所述雾化器连接，所述三通阀的进口与所述分水器的出水口连接，所述三通阀的第一出口与所述雾化器连接，所述三通阀的第二出口连接至所述燃料电池堆的尾排管。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述氢气循环装置包括氢气喷射引射器；或者，所述氢气循环装置包括相互串联的比例阀以及循环泵；或者，所述氢气循环装置包括相互串联的喷射器以及循环泵；或者，所述氢气循环装置包括相互串联的氢气喷射引射器以及循环泵。

4.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括水循环回路，所述水循环回路包括节温器、散热器、加热器以及水泵，所述节温器的进水口与所述燃料电池堆的出水口连接，所述节温器的第一出水口连接于所述散热器，所述节温器的第二出水口连接于所述加热器，所述散热器以及所述加热器分别通过所述水泵与所述燃料电池堆的进水口连接。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述水循环回路还包括膨胀水箱，所述膨胀水箱设置于所述水泵与所述燃料电池堆的进水口之间。

6.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述中冷器的进水口与所述水泵的出水口连接，所述中冷器的出水口与所述水泵的进水口连接。

7.根据权利要求1、2、5及6任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池堆的尾排管上设置有节气门。

8.一种基于权利要求1-7任意一项所述的燃料电池系统的湿度控制方法，其特征在于，包括步骤：

燃料电池系统运行时，检测燃料电池堆空气进口的空气湿度，若空气的湿度低于第一预设值，则控制三通阀将分水器与雾化器导通，并控制分水器的排水阀按照第一预设频率开启，同时控制雾化器开启，对空气进行增湿；

检测雾化器内液位，在雾化器内液位超过限值时，控制三通阀将分水器与尾排管导通。

9.根据权利要求8所述的湿度控制方法，其特征在于，在上述步骤执行预设时间后，若空气湿度仍低于第一预设值，则控制分水器的排水阀按照第二预设频率开启，同时提高雾化器功率，所述第二预设频率高于所述第一预设频率。

10.根据权利要求8所述的湿度控制方法，其特征在于，检测燃料电池堆空气进口的空气湿度，若空气的湿度高于第二预设值，所述第二预设值高于所述第一预设值，则降低雾化器功率。

11.根据权利要求8-10任意一项所述的湿度控制方法，其特征在于，燃料电池系统启动时，燃料电池系统的氢气回路进行氢气吹扫，同时开启分水器的排水阀，并控制三通阀将分水器与雾化器导通；

氢气吹扫结束后，打开燃料电池系统的尾排管上的节气门，并启动空气回路中的空压机以及水循环回路中的水泵，并同时控制分水器的排水阀按照第三预设频率开启。

12.根据权利要求8-10任意一项所述的湿度控制方法，其特征在于，燃料电池系统关机时，三通阀将排水阀与燃料电池堆的尾排管连通。

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