CN112993316B - 一种用于燃料电池的原料供给系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于燃料电池的原料供给系统，燃料电池包括电堆，原料供给系统包括：与电堆连通的燃料供给回路，其包括氢气存储装置和氢气控制装置；与电堆连通的氧化剂供给回路，其包括空压机和与空压机连接的增湿器；连接在燃料供给回路和氧化剂供给回路之间的中冷换热装置；以及与中冷换热装置连通的冷却液循环回路，中冷换热装置能够对空压机提供的高温空气进行冷却，并对燃料供给回路提供的氢气进行加热；其中，中冷换热装置设有氢气入口、氢气出口、空气入口和空气出口，氢气入口和空气入口分别与氢气存储装置和空压机连通，氢气出口和空气出口分别与氢气控制器和增湿器的入口端连通。

Description

一种用于燃料电池的原料供给系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体地涉及一种用于燃料电池的原料供给系统。
背景技术
燃料电池因其环保节能而得以广泛应用。燃料电池是指以燃料电池电堆为核心，并包括有燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统、控制系统等组成的发电系统。其中，氧化剂供给系统的重要组成部分为空压机及中冷器，空压机用于为燃料电池提供所需要的氧气（空气中），中冷器用于为空压机出口输出的高压高温空气进行冷却至燃料电池的工作温度。燃料供给系统用于对氢瓶系统中的高压氢气进行降压，并根据需求提供一定流量压力的氢气至电堆。换热器设置在燃料电池供给系统中减压系统的后端，并连接在氢气控制系统的前端。
目前，现有的燃料电池的原料供给系统的燃料供给回路和氧化剂供给回路的供给温度和供给压力无法保持一致，从而使燃料电池的内部温度不均衡，缩短了燃料电池的寿命。并且，传统的燃料电池启动后，内部温度上升到工作需求的温度需要一段时间，导致燃料电池的启动时间较长，启动效率低。此外，现有的燃料电池的零部件较多，结构较为复杂，成本较高。
发明内容
针对如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种用于燃料电池的原料供给系统，该原料供给系统能够使燃料供给回路和氧化剂供给回路的供给温度和供给压力保持一致，从而使燃料电池的内部温度保持均衡，非常有利与延长燃料电池的寿命。
为此，根据本发明，提出了一种用于燃料电池的原料供给系统，所述燃料电池包括电堆，所述原料供给系统包括：与所述电堆连通的燃料供给回路，所述燃料供给回路包括氢气存储装置和与所述氢气存储装置连接的氢气控制装置；与所述电堆连通的氧化剂供给回路，所述氧化剂供给回路包括空压机和与所述空压机连接的增湿器；连接在所述燃料供给回路和所述氧化剂供给回路之间的中冷换热装置；以及用于对燃料电池电堆进行冷却的冷却液循环回路，所述冷却液循环回路与所述中冷换热装置并联连通，所述中冷换热装置能够对所述空压机的出口提供的高温空气进行冷却，并使所述高温空气带来的热量对所述燃料供给回路提供的氢气进行加热；其中，所述中冷换热装置设有氢气入口、氢气出口、空气入口和空气出口，所述氢气入口和所述空气入口分别与所述氢气存储装置和所述空压机连通，所述氢气出口和所述空气出口分别与所述氢气控制装置和所述增湿器的入口端连通。
在一个实施例中，所述氢气入口和所述氢气出口相对设置，所述空气入口和所述空气出口相对设置。
在一个实施例中，所述中冷换热装置还设有冷却液入口和冷却液出口，所述中冷换热装置通过所述冷却液入口和所述冷却液出口与所述冷却液循环回路连通。
在一个实施例中，所述氢气控制装置设有第一出口端，所述第一出口端与所述电堆设有的阳极氢气入口连通。
在一个实施例中，所述氢气存储装置采用氢瓶。
在一个实施例中，在所述氢气存储装置的出口端设有减压机构和电磁阀，所述减压机构用于对所述氢气存储装置输出的氢气进行减压，所述电磁阀用于控制氢气输出的打开与关断。
在一个实施例中，所述增湿器设有第二出口端和回收口，所述第二出口端和所述回收口分别与所述电堆设有的阴极空气入口和阴极空气出口连通。
在一个实施例中，所述增湿器还设有废气排出口。
在一个实施例中，所述氧化剂供给回路还包括空滤器，所述空滤器连接在所述空压机的入口端。
在一个实施例中，所述空压机设有空压机控制器，通过所述空压机控制器控制氧化剂的供给量和供给压力。
与现有技术相比，本发明的优点之处在于：
根据本发明的用于燃料电池的原料供给系统集成化设有中冷换热装置，氧化剂供给回路输送的高温高压空气通过空气入口进入中冷换热装置后，能够对从氢气入口进入中冷换热装置内的氢气进行加热，以使燃料供给回路和氧化剂供给回路的供给温度和供给压力保持一致，从而使燃料电池的阴极与阳极的温度保持一致，减少了温度差，有效保证了燃料电池的内部温度的均衡，显著延长了燃料电池的寿命。同时，通过中冷换热装置对氢气进行加热，能够在启动燃料电池时，加块燃料电池的内部温度上升到工作需求温度的速率，从而缩短燃料电池的启动时间，提高燃料电池的开启效率。此外，原料供给系统的结构简单，零部件较少，集成化程度高，成本低。
附图说明
下面将参照附图对本发明进行说明。
图1显示了根据本发明的用于燃料电池的原料供给系统的结构。
图2显示了图1中的原料供给系统中的中冷换热装置的结构。
在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。
具体实施方式
下面通过附图来对本发明进行介绍。
图1显示了根据本发明的用于燃料电池的原料供给系统100的结构。如图1所示，燃料电池包括电堆10。燃料电池通过原料供给系统100向电堆10提供原料以进行反应，其中，原料包括作为阳极燃料的氢气和作为阴极燃料的氧气（来自空气）。原料供给系统100包括用于提供阳极燃料的燃料供给回路20和用于提供阴极燃料的氧化剂供给回路30。燃料供给回路20与电堆10连通，氧化剂供给回路30与电堆10连通。
如图1所示，燃料供给回路20包括氢气存储装置21。在一个实施例中，氢气存储装置21为氢瓶，氢瓶内装有高压氢气。在氢瓶的出口端设有减压机构211，减压机构211用于对氢瓶内的高压氢气进行降压。在减压机构211的出口端还设有电磁阀（未示出），电磁阀用于控制氢气输出的打开与关断。由此，通过减压机构211结合电磁阀能够根据实际需求来控制氢瓶中减压后氢气的输出的打开与关断和输出压力。
根据本发明，燃料供给回路20还包括氢气控制装置22。如图1所示，氢气控制装置22与氢气存储装置21连通。氢气控制装置22设有第一出口端221，同时，电堆设有阳极氢气入口11。氢气控制器22的第一出口端221与电堆10的阳极氢气入口11连通。氢气控制装置22用于控制氢气输入电堆10的流量和压力，以使燃料供给回路20提供的阳极燃料满足燃料电池的工作环境，避免破坏燃料电池的内部均衡。
如图1所示，氧化剂供给回路30包括空压机31。空压机31用于提供高温高压空气（氧化剂）。空压机31设有空压机控制器34，通过空压机控制器34控制氧化剂的供给量和供给压力。氧化剂供给回路30还包括空滤器33，空滤器33的出口端与空压机31的入口端连通。空滤器33用于对空气进行过滤，进而将过滤后的空气输送给空压机31。由此，能够保证氧化剂（空气）的质量，从而提高燃料电池的寿命及保证燃料电池的性能。
根据本发明，氧化剂供给回路30还包括增湿器32。如图1所示，增湿器32与空压机31连通。增湿器32设有第二出口端321和回收口322，同时，电堆10设有阴极空气入口12和阴极空气出口13。增湿器32的第二出口端321与电堆10的阴极空气入口12连通，回收口322与电堆10的阴极空气出口13连通。增湿器32用于增加空气的湿度，从而保证氧化剂供给回路30提供的氧化剂满足燃料电池的工作环境，有利于保证燃料电池内部的水含量均衡。同时，增湿器32利用阴极空气出口13排出的废气的高湿度来加湿空压机出口的空气，能够显著提高氧化剂供给回路30的效率，降低了氧化剂供给回路30的复杂度。
在本实施例中，增湿器32还设有废气排出口323。废气排出口323用于排出燃料电池的电堆10产生的废气。电堆10产生的废气通过阴极空气出口13排入增湿器32，通过增湿器32后从废气排出口323排出。
根据本发明，原料供给系统100还包括中冷换热装置40。如图1所示，中冷换热装置40连接在燃料供给回路20与氧化剂供给回路30之间。中冷换热装置40分别连通燃料供给回路20中的氢气存储装置21的出口端和氢气控制装置22的入口端，以使氢气存储装置21与氢气控制装置22连通，从而连通燃料供给回路20。同时，中冷换热装置40分别连通氧化剂供给回路30中的空压机31的出口端和增湿器32的入口端，以使空压机31与增湿器32连通，从而连通氧化剂供给回路30。由此，将燃料供给回路20中的换热器与氧化剂供给回路30中的中冷器集成为一体，提高了原料供给系统100的集成化程度，减少了零部件的使用。
图2显示了中冷换热装置40的结构。如图2所示，中冷换热装置40设有氢气入口41、氢气出口42、空气入口43和空气出口44。氢气入口41和氢气出口42相对设置，空气入口43和空气出口44相对设置。氢气存储装置21的出口端与氢气入口41连通，氢气控制装置22的入口端与氢气出口42连通。空压机31的出口端与空气入口43连通，增湿器32的入口端与空气出口44连通。由此，使得中冷换热装置40同时连通到燃料供给回路20和氧化剂供给回路30中。
在实际工作过程中，空压机31输送的高温高压空气通过空气入口43进入中冷换热装置40，进而使得高温高压空气能够对从氢气入口41进入中冷换热装置40内的氢气进行加热，从而使燃料电池的阴极与阳极的温度保持一致，减少温度差，以使燃料电池的内部温度保持均衡，这非常有利于延长燃料电池的寿命。同时，通过对氢气进行加热，能够在启动燃料电池时，加速燃料电池的内部温度上升到工作需求温度的速率，从而缩短燃料电池的启动时间，提高燃料电池的开启效率。
根据本发明，原料供给系统100还包括用于对燃料电池电堆进行冷却的冷却液循环回路（未示出），冷却液循环回路与中冷换热装置40并联连通。如图2所示，中冷换热装置40还设有冷却液入口15和冷却液出口16，冷却液循环回路通过冷却液入口15和冷却液出口16与中冷换热装置40连通。
下面简述根据本发明的用于燃料电池的原料供给系统100的工作过程。首先，燃料供给回路20提供阳极燃料（氢气），氢瓶中的高压氢气经过减压机构211降压，并通过电磁阀控制氢瓶中减压后氢气的输出打开与关断。之后，氢气从氢气入口11进入中冷换装置40。同时，氧化剂供给回路30提供阴极燃料（氧气），空气经过空滤器33过滤后进入空压机31，空压机31对过滤后的空气进行增压形成高温高压气体，并通过氧气入口43进入中冷换装置40。中冷换装置40对氧气入口43进入的高温高压气体进行冷却至达到燃料电池的工作温度，并且氧气入口43进入的高温高压气体带来的热量对从氢气入口41进入的氢气进行加热，直至使氢气的温度达到燃料电池的工作温度。之后，氢气从氢气出口42输出，并通过氢气控制装置22控制其输出流量及压力，进而通过阳极氢气入口11提供给电堆10。而氧气从氧气出口44输出，并通过增湿器32增湿，进而通过阴极空气入口12提供给电堆。由此，燃料供给回路20和氧化剂供给回路30分别完成阴极燃料和阳极燃料的供给，实现了燃料电池的原料供给。
在本实施例中，在供给过程中，中冷换装置40使燃料电池的阳极和阴极的温度达到一致并保持，从而减小温度差，使得燃料电池内部的温度均衡，能够有效延长燃料电池的使用寿命。并且，中冷换装置40内从而氧气入口43进入的高温高压气体对从氢气入口41进入的氢气进行加热，从而在启动燃料电池时，加快了燃料电池的内部温度上升到工作需求温度的速率，缩短了燃料电池的启动时间，提高了燃料电池的开启效率。此外，电堆10反应后产生的水和废气通过阳极空气出口排出，之后，通过回收口322进入增湿器32，进而经过增湿器32重复利用后通过废气排出口323排出。
根据本发明的用于燃料电池的原料供给系统100集成化设有中冷换热装置40，氧化剂供给回路30输送的高温高压空气通过空气入口43进入中冷换热装置40后，能够对从氢气入口41进入中冷换热装置40内的氢气进行加热，以使燃料供给回路20和氧化剂供给回路30的供给温度和供给压力保持一致，从而使燃料电池的阴极与阳极的温度保持一致，减少了温度差，有效保证了燃料电池的内部温度的均衡，显著延长了燃料电池的寿命。同时，通过中冷换热装置40对氢气进行加热，能够在启动燃料电池时，加快燃料电池的内部温度上升到工作需求温度的速率，从而缩短燃料电池的启动时间，提高燃料电池的开启效率。此外，原料供给系统100的结构简单，零部件较少，集成化程度高，成本低。
最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于燃料电池的原料供给系统，所述燃料电池包括电堆（10），所述原料供给系统包括：
与所述电堆连通的燃料供给回路（20），所述燃料供给回路包括氢气存储装置（21）和与所述氢气存储装置连接的氢气控制装置（22）；
与所述电堆连通的氧化剂供给回路（30），所述氧化剂供给回路包括空压机（31）和与所述空压机连接的增湿器（32），所述增湿器设有第二出口端（321）和回收口（322），所述第二出口端和所述回收口分别与所述电堆设有的阴极空气入口（12）和阴极空气出口（13）连通；
连接在所述燃料供给回路和所述氧化剂供给回路之间的中冷换热装置（40）；以及
用于对燃料电池电堆进行冷却的冷却液循环回路，所述冷却液循环回路与所述中冷换热装置并联连通，所述中冷换热装置能够对所述空压机的出口提供的高温空气进行冷却，并使所述高温空气带来的热量对所述燃料供给回路提供的氢气进行加热；
其中，所述中冷换热装置设有氢气入口（41）、氢气出口（42）、空气入口（43）和空气出口（44），所述氢气入口和所述空气入口分别与所述氢气存储装置和所述空压机连通，所述氢气出口和所述空气出口分别与所述氢气控制装置和所述增湿器的入口端连通，使得中冷换热装置分别连通燃料供给回路中的氢气存储装置的出口端和氢气控制装置的入口端，以连通燃料供给回路，并使中冷换热装置分别连通氧化剂供给回路中的空压机的出口端和增湿器的入口端，以连通氧化剂供给回路，从而将燃料供给回路中的换热器与氧化剂供给回路中的中冷器集成为一体，在供给过程中，中冷换热装置能够使燃料电池的阳极和阴极的温度达到一致并保持以使得燃料电池内部的温度均衡，并且中冷换热装置内从空气入口进入的高温高压气体对从氢气入口进入的氢气进行加热。
2.根据权利要求1所述的原料供给系统，其特征在于，所述氢气入口和所述氢气出口相对设置，所述空气入口和所述空气出口相对设置。
3.根据权利要求1或2所述的原料供给系统，其特征在于，所述中冷换热装置还设有冷却液入口（45）和冷却液出口（46），所述中冷换热装置通过所述冷却液入口和所述冷却液出口与所述冷却液循环回路连通。
4.根据权利要求1所述的原料供给系统，其特征在于，所述氢气控制装置设有第一出口端（221），所述第一出口端与所述电堆设有的阳极氢气入口（11）连通。
5.根据权利要求1所述的原料供给系统，其特征在于，所述氢气存储装置采用氢瓶。
6.根据权利要求1或5所述的原料供给系统，其特征在于，在所述氢气存储装置的出口端设有减压机构（211）和电磁阀，所述减压机构用于对所述氢气存储装置输出的氢气进行减压，所述电磁阀用于控制氢气输出的打开与关断。
7.根据权利要求1所述的原料供给系统，其特征在于，所述增湿器还设有废气排出口（323）。
8.根据权利要求1所述的原料供给系统，其特征在于，所述氧化剂供给回路还包括空滤器（33），所述空滤器连接在所述空压机的入口端。
9.根据权利要求1或8所述的原料供给系统，其特征在于，所述空压机设有空压机控制器（34），通过所述空压机控制器控制氧化剂的供给量和供给压力。
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