CN112786919B - 一种燃料电池多功能水箱 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种燃料电池多功能水箱，属于燃料电池技术领域，包括：主水箱，其内部设有将主水箱分隔成上腔室和下腔室的透水隔膜，上腔室内设有气液分离器；湿空气入口管路，其与气液分离器连接以分离来自电堆的湿空气并生成分离水，分离水透过透水隔膜进入下腔室；生成水入口管路，其与上腔室连通并将电堆排出的生成水通入上腔室，生成水透过透水隔膜进入下腔室；主水箱出口管路，其与上腔室连通并将上腔室内的气体排出至大气。电堆在发电运行中，利用电堆排出的湿空气和生成水排入主水箱内，为主水箱自动补水，减少或避免人工向主水箱内加水的次数，降低电堆的使用和维护成本。

Description

一种燃料电池多功能水箱
技术领域
本申请涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池多功能水箱。
背景技术
燃料电池是一种能把存储在燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的装置。只要在阳极侧和阴极侧不断的供给燃料和氧化剂，它就可以通过氧化还原反应，不断地对外输出电能。与一般的充电电池(例如锂电池)不同的是，单纯的一个燃料电池或燃料电池电堆单元是不能工作的，它需要一套复杂的辅助系统与其配合，构成一个燃料电池发电系统才能对外发电。
除了燃料电池电堆外，一般还包括空气系统、氢气系统、冷却系统以及相应控制系统。其中空气系统由空滤、空压机、增湿器和背压阀等组件构成，主要是为电堆提供运行时所需的空气的流量、压力和湿度。氢气系统包括氢气喷射器、氢泵、气液分离器、排水阀等组件构成，主要是为电堆提供运行时所需氢气的流量、压力和湿度。冷却系统由水泵、温控阀、去离子器、中冷器、水箱、加热器、散热器等组件构成，主要是满足电堆运行时所需散热需求。
相关技术中，电堆排出的湿空气中所携带的水以及电堆排出的生成水直接进入尾排装置排入大气中，并未进行充分利用，冷却系统的水箱冷却水需要定时人工补水，这使得冷却系统变得复杂，增加了系统维护的工作量。
另外，现有技术方案水箱的压力盖是机械式调节，即压力盖的开闭取决于水箱内部和外部压力差，而实际电堆系统运行工况复杂多变，冷却系统的压力波动范围较大，不同工况所对应的最佳冷却回路压力是不一样的，电堆氢气腔渗透到冷却液腔的氢气最终也会进入水箱，当氢气聚集到一定浓度而从压力盖排出到机舱高温环境中，也容易引发火灾等安全事故。因此，机械式的压力盖无法满足当前电堆系统的全工况需求。
发明内容
本申请实施例提供一种燃料电池多功能水箱，以解决相关技术中冷却系统的水箱冷却水需要定时人工补水，这使得冷却系统变得复杂，增加了系统维护工作量的问题。
本申请实施例提供了一种燃料电池多功能水箱，包括：
主水箱，其内部设有将所述主水箱分隔成上腔室和下腔室的透水隔膜，所述上腔室内设有气液分离器；
湿空气入口管路，其与气液分离器连接以分离来自电堆的湿空气并生成分离水，所述分离水透过透水隔膜进入下腔室；
生成水入口管路，其与上腔室连通并将电堆排出的生成水通入所述上腔室，所述生成水透过透水隔膜进入下腔室；
主水箱出口管路，其与上腔室连通并将上腔室内的气体排出至大气。
在一些实施例中：还包括与所述主水箱连通的副水箱，所述副水箱设有与其连通的干空气入口管路和湿空气出口管路；
所述干空气入口管路与所述湿空气出口管路在副水箱上高差设置，所述干空气入口管路位于所述湿空气出口管路的下方。
在一些实施例中：所述干空气入口管路和湿空气出口管路之间连通有旁通管，所述旁通管上连接有调节湿空气出口管路内空气湿度的旁通阀。
在一些实施例中：所述旁通阀连接有控制器，所述控制器控制所述旁通阀以调节旁通阀的开度。
在一些实施例中：所述干空气入口管路的入口依次连接有空气滤清器和空气压缩机，所述空气压缩机向所述干空气入口管路提供压缩空气。
在一些实施例中：所述副水箱和主水箱为一体成型结构，所述副水箱的底部低于所述主水箱的底部，所述副水箱和主水箱之间通过单向阀连通，以使所述主水箱为所述副水箱单向补水。
在一些实施例中：所述副水箱设有监测副水箱液位的液位传感器和排水阀，所述液位传感器连接有控制所述排水阀开关的控制器，所述排水阀与所述主水箱出口管路连通。
在一些实施例中：所述下腔室设有监测所述下腔室内压力的压力传感器和排气阀，所述压力传感器连接有控制所述排气阀开关的控制器，所述排气阀与所述主水箱出口管路连通。
在一些实施例中：还包括冷却水入口管路和冷却水出口管路，所述冷却水入口管路与所述下腔室连通并将电堆排出的冷却水通入所述下腔室；
所述冷却水出口管路与下腔室连通并将下腔室内的冷却水通入电堆。
在一些实施例中：所述冷却水入口管路或所述冷却水出口管路设有水泵，所述水泵使冷却水在电堆和主水箱之间循环流动。
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：
本申请实施例提供了一种燃料电池多功能水箱，由于本水箱设置了主水箱，其内部设有将主水箱分隔成上腔室和下腔室的透水隔膜，上腔室内设有气液分离器；湿空气入口管路，其与气液分离器连接以分离来自电堆的湿空气并生成分离水，分离水透过透水隔膜进入下腔室；生成水入口管路，其与上腔室连通并将电堆排出的生成水通入上腔室，生成水透过透水隔膜进入下腔室；主水箱出口管路，其与上腔室连通并将上腔室内的气体排出至大气。
因此，本申请的主水箱通过湿空气入口管路与气液分离器连接将来自电堆的湿空气进行气液分离并生成分离水，分离水在上腔室内透过透水隔膜进入下腔室为下腔室补充冷却水。生成水入口管路与上腔室连通并将电堆排出的生成水通入上腔室，生成水透过透水隔膜进入下腔室为下腔室补充冷却水。
此外，透水隔膜将主水箱分隔成上腔室和下腔室，上腔室和下腔室通过透水隔膜分开，上腔室内的分离水和生成水以较低的速度通过透水隔膜渗透到下腔室，并对分离水和生成水进行过滤。尚未渗透到下腔室的分离水和生成水作为媒介在上腔室内形成水密封，防止上腔室内的气体透过透水隔膜进入下腔室，以保证下腔室内冷却液的纯净度和防止冷却液内产生气泡。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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为本申请实施例的结构示意图；
图2为本申请实施例的主水箱排气流程图；
图3为本申请实施例的副水箱排水流程图。
附图标记：
10、主水箱；11、上腔室；12、下腔室；13、透水隔膜；14、气液分离器；15、湿空气入口管路；16、生成水入口管路；17、冷却水入口管路；18、冷却水出口管路；19、压力传感器；20、排气阀；21、主水箱出口管路；30、副水箱；31、干空气入口管路；32、湿空气出口管路；33、旁通管；34、旁通阀；35、液位传感器；36、排水阀；37、单向阀；40、控制器。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种燃料电池多功能水箱，其能解决相关技术中冷却系统的水箱冷却水需要定时人工补水，这使得冷却系统变得复杂，增加了系统维护工作量的问题。
参见图1所示，本申请实施例提供了一种燃料电池多功能水箱，包括：
主水箱10，该主水箱10内部设有将主水箱10分隔成上腔室11和下腔室12的透水隔膜13，该透水隔膜13优选为渗透率低的透水隔膜。上腔室11内设有气液分离器14，气液分离器14优选为离心式气液分离器。
湿空气入口管路15，该湿空气入口管路15接入主水箱10内后与气液分离器14连接，湿空气入口管路15的入口与电堆的出气口连通，气液分离器14用以分离来自电堆的湿空气并生成分离水，集聚在上腔室11内的分离水透过透水隔膜13进入下腔室12形成电堆的冷却水。
生成水入口管路16，该生成水入口管路16的出口与上腔室11连通并将电堆排出的生成水通入上腔室11，生成水入口管路16的入口与电堆的排水口连通，集聚在上腔室11内的生成水透过透水隔膜13进入下腔室12形成电堆的冷却水。
主水箱出口管路21，该主水箱出口管路21与上腔室11连通并将上腔室11内分离后的气体排出至大气。
冷却水入口管路17和冷却水出口管路18，冷却水入口管路17与下腔室12连通并将电堆排出的冷却水通入下腔室12；冷却水出口管路18与下腔室12连通并将下腔室12内的冷却水通入电堆。在冷却水入口管路17或冷却水出口管路18设有水泵(图中未画出)，水泵使冷却水在电堆和主水箱10之间循环流动。
本申请实施例的主水箱10通过湿空气入口管路15与气液分离器14连接将来自电堆的湿空气进行气液分离并生成分离水，分离水在上腔室11内透过透水隔膜13进入下腔室12为下腔室12补充冷却水。
生成水入口管路16与上腔室11连通并将电堆排出的生成水通入上腔室11，生成水透过透水隔膜13进入下腔室12为下腔室12补充冷却水。
电堆在发电运行中，利用电堆排出的湿空气和生成水排入主水箱10内，为主水箱10自动补水，减少或避免人工向主水箱10内加水的次数，降低电堆的使用和维护成本。
透水隔膜13将主水箱10分隔成上腔室11和下腔室12，上腔室11和下腔室12通过透水隔膜13分开，上腔室11内集聚的分离水和生成水以较低的速度通过透水隔膜13渗透到下腔室12，并对分离水和生成水进行过滤。
尚未渗透到下腔室12的分离水和生成水作为媒介在上腔室11内形成水密封，防止上腔室11内的气体透过透水隔膜13进入下腔室12，以保证下腔室12内冷却液的纯净度和防止冷却液内产生气泡。
在一些可选实施例中：参见图1所示，本申请实施例提供了一种燃料电池多功能水箱，该水箱还设有与主水箱10连通的副水箱30，该副水箱30设有与其连通的干空气入口管路31和湿空气出口管路32。
干空气入口管路31与湿空气出口管路32在副水箱30上高差设置，干空气入口管路31位于湿空气出口管路32的下方。使用时干空气入口管路31的出口在液面以下，湿空气出口管路32的入口在液面以上，便于干空气与副水箱30内的水混合增湿和排出。
干空气入口管路31内的干空气进入副水箱30内后与副水箱30内的水进行混合增湿形成湿空气，湿空气再通过湿空气出口管路32进入电堆参与电化学反应进行发电。
在一些可选实施例中：参见图1所示，本申请实施例提供了一种燃料电池多功能水箱，该水箱的干空气入口管路31和湿空气出口管路32之间连通有旁通管33，在旁通管33上连接有调节湿空气出口管路32内空气湿度的旁通阀34。
干空气入口管路31和湿空气出口管路32之间连通旁通管33，在旁通管33上连接旁通阀34，旁通管33和旁通阀34具备干空气旁通功能。旁通管33和旁通阀34主要目的是旁通一部分不需要增湿的干空气，以调节湿空气出口管路32中的空气湿度满足电堆使用需求。
在一些可选实施例中：参见图1所示，本申请实施例提供了一种燃料电池多功能水箱，该水箱的旁通阀34连接有控制器40，该控制器40控制旁通阀34以调节旁通阀34的开度。电堆内或湿空气出口管路32可设置湿度传感器以实时监测进入电堆内湿空气的湿度信息并发送至控制器，当湿度不在设定阈值时，控制器40控制旁通阀34的开度进行调节。
干空气入口管路31的入口依次连接有空气滤清器(图中未画出)和空气压缩机(图中未画出)，由大气中的空气进入空气滤清器进行初步过滤后进入空气压缩机，空气压缩机将压缩后的空气向干空气入口管路31提供充足的压缩空气。
在一些可选实施例中：参见图1所示，本申请实施例提供了一种燃料电池多功能水箱，该水箱的副水箱30和主水箱10为一体成型结构，副水箱30的底部低于主水箱10的底部。副水箱30的底部与主水箱10的底部之间的高差为30-50mm，确保主水箱10能够向副水箱30内自动补水。
副水箱30和主水箱10之间通过单向阀37连通，以使主水箱10为副水箱30单向补水。单向阀37具备单向导通功能，仅允许冷却水由主水箱10流入副水箱30，而副水箱30的水和气体不能流入主水箱10内，防止副水箱30的水污染主水箱10内的冷却水。
在一些可选实施例中：参见图1和图3所示，本申请实施例提供了一种燃料电池多功能水箱，该水箱的副水箱30设有监测副水箱30液位高度的液位传感器35和排水阀36，液位传感器35连接有控制排水阀36开关的控制器40，排水阀36与主水箱出口管路21连通。
液位传感器35监控的副水箱30的液位高度反馈给控制器40，控制器40内部设置了副水箱30液位高度的上限值(约80％副水箱容积)和标准值(约50％副水箱容积)。
当液位传感器35反馈的液位高度超过上限值时，控制器40下发排水阀36开启指令并调节排水阀36开启时长，排掉一部分水，使得副水箱30的水液位高度达到标准值，以保持副水箱30内部水在正常液位。
副水箱30排水流程步骤如下：
步骤1、液位传感器35实时监测副水箱30内水的液位高度并发送至控制器40。
步骤2、控制器40判断副水箱30的液位高度是否超过目标值，若是，进入下一步，若否，控制器40关闭排水阀36。
步骤3、控制器40调节排水阀36的开度进行排水。
步骤4、控制器40判断副水箱30的液位高度是否等于目标值，若是，则结束，若否，返回步骤3。
在一些可选实施例中：参见图1和图2所示，本申请实施例提供了一种燃料电池多功能水箱，该水箱的下腔室12设有监测下腔室12内压力的压力传感器19和排气阀20，压力传感器19连接有控制排气阀20开关的控制器40，排气阀20与主水箱出口管路21连通。
电堆在稳态运行时，不同电堆功率对应的电堆内部腔体的空气、氢气和冷却水的温度、流量和压力不同，电堆功率变化率大于a(10kW/s～20kW/s)，如果水泵转速变化率大于b(1000r/min/s～1500r/min/s)，冷却水会产生较大的惯性，导致冷却回路产生额外的压力波动。
通过压力传感器19监测主水箱10中的冷却水压力值并反馈给控制器40，控制器40内部设置电堆功率变化速率/水泵转速变化速率与压力映射表，当压力传感器19反馈实际冷却水压力值与压力映射表的目标压力值偏差超过一定的限值(10kPa～20kPa)，则控制器40下发排气阀20的开启指令并调节排气阀20的开启时长，以确保主水箱10和冷却回路维持正常的压力范围，提升燃料电池系统运行效率。
主水箱10排气流程步骤如下：
步骤1、控制器40判断电堆功率变化率是否大于a，若是，进入下一步，若否，控制器关闭排气阀20。
步骤2、控制器40判断水泵转速变化率是否大于b，若是，进入下一步，若否，控制器关闭排气阀20。
步骤3、控制器40根据电堆功率变化速率/水泵转速变化速率与压力映射表调节排气阀20开度。
步骤4、控制器40判断冷却压力是否等于目标压力，若是，则结束，若否，返回步骤3。
工作原理
本申请实施例提供了一种燃料电池多功能水箱，由于本水箱设置了主水箱10，其内部设有将主水箱10分隔成上腔室11和下腔室12的透水隔膜13，上腔室11内设有气液分离器14；湿空气入口管路15，其与气液分离器14连接以分离来自电堆的湿空气并生成分离水，分离水透过透水隔膜13进入下腔室12；生成水入口管路16，其与上腔室11连通并将电堆排出的生成水通入上腔室11，生成水透过透水隔膜13进入下腔室12；主水箱出口管路21，其与上腔室11连通并将上腔室11内的气体排出至大气。
因此，本申请的主水箱通过湿空气入口管路15与气液分离器14连接将来自电堆的湿空气进行气液分离并生成分离水，分离水在上腔室11内透过透水隔膜13进入下腔室12为下腔室12补充冷却水。生成水入口管路16与上腔室11连通并将电堆排出的生成水通入上腔室11，生成水透过透水隔膜13进入下腔室12为下腔室12补充冷却水。
此外，透水隔膜13将主水箱10分隔成上腔室11和下腔室12，上腔室11和下腔室12通过透水隔膜13分开，上腔室11内的分离水和生成水以较低的速度通过透水隔膜13渗透到下腔室12，并对分离水和生成水进行过滤。尚未渗透到下腔室12的分离水和生成水作为媒介在上腔室11内形成水密封，防止上腔室11内的气体透过透水隔膜13进入下腔室12，以保证下腔室12内冷却液的纯净度和防止冷却液内产生气泡。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的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申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请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申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种燃料电池多功能水箱，其特征在于，包括：
主水箱(10)，其内部设有将所述主水箱(10)分隔成上腔室(11)和下腔室(12)的透水隔膜(13)，所述上腔室(11)内设有气液分离器(14)；
湿空气入口管路(15)，其与气液分离器(14)连接以分离来自电堆的湿空气并生成分离水，分离水透过透水隔膜(13)进入下腔室(12)；
生成水入口管路(16)，其与上腔室(11)连通并将电堆排出的生成水通入所述上腔室(11)，生成水透过透水隔膜(13)进入下腔室(12)；
主水箱出口管路(21)，其与上腔室(11)连通并将上腔室(11)内的气体排出至大气；
还包括冷却水入口管路(17)和冷却水出口管路(18)，所述冷却水入口管路(17)与所述下腔室(12)连通并将电堆排出的冷却水通入所述下腔室(12)；
所述冷却水出口管路(18)与下腔室(12)连通并将下腔室(12)内的冷却水通入电堆。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池多功能水箱，其特征在于：
还包括与所述主水箱(10)连通的副水箱(30)，所述副水箱(30)设有与其连通的干空气入口管路(31)和湿空气出口管路(32)；
所述干空气入口管路(31)与所述湿空气出口管路(32)在副水箱(30)上高差设置，所述干空气入口管路(31)位于所述湿空气出口管路(32)的下方。
3.如权利要求2所述的一种燃料电池多功能水箱，其特征在于：
所述干空气入口管路(31)和湿空气出口管路(32)之间连通有旁通管(33)，所述旁通管(33)上连接有调节湿空气出口管路(32)内空气湿度的旁通阀(34)。
4.如权利要求3所述的一种燃料电池多功能水箱，其特征在于：
所述旁通阀(34)连接有控制器(40)，所述控制器(40)控制所述旁通阀(34)以调节旁通阀(34)的开度。
5.如权利要求2所述的一种燃料电池多功能水箱，其特征在于：
所述干空气入口管路(31)的入口依次连接有空气滤清器和空气压缩机，所述空气压缩机向所述干空气入口管路(31)提供压缩空气。
6.如权利要求2所述的一种燃料电池多功能水箱，其特征在于：
所述副水箱(30)和主水箱(10)为一体成型结构，所述副水箱(30)的底部低于所述主水箱(10)的底部，所述副水箱(30)和主水箱(10)之间通过单向阀(37)连通，以使所述主水箱(10)为所述副水箱(30)单向补水。
7.如权利要求2所述的一种燃料电池多功能水箱，其特征在于：
所述副水箱(30)设有监测副水箱(30)液位的液位传感器(35)和排水阀(36)，所述液位传感器(35)连接有控制所述排水阀(36)开关的控制器(40)，所述排水阀(36)与所述主水箱出口管路(21)连通。
8.如权利要求1所述的一种燃料电池多功能水箱，其特征在于：
所述下腔室(12)设有监测所述下腔室(12)内压力的压力传感器(19)和排气阀(20)，所述压力传感器(19)连接有控制所述排气阀(20)开关的控制器(40)，所述排气阀(20)与所述主水箱出口管路(21)连通。
9.如权利要求1所述的一种燃料电池多功能水箱，其特征在于：
所述冷却水入口管路(17)或所述冷却水出口管路(18)设有水泵，所述水泵使冷却水在电堆和主水箱(10)之间循环流动。
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