CN113258101B - 一种燃料电池系统及其运行控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池系统及其运行控制方法。本发明提供的燃料电池系统包括电堆、气体压缩装置、增湿混合装置、气液分离装置和流量控制装置；其中，气液分离装置对出堆气体进行气液分离，得到的液态水通过流量控制装置回流至增湿混合装置对阴极入堆气体进行增湿。在燃料电池系统的工作过程中，当电堆中的水含量偏高或偏低时，通过流量控制装置可以灵活有效的调整电堆的含水量，将电堆维持在最佳的工作状态。本发明的燃料电池系统克服了现有系统集成度低、寿命短、湿度控制不灵活的缺陷，直接利用出堆气体分离得到的液态水进行增湿，提高了系统的集成度和寿命，对湿度的调整更加灵活准确。

Description

一种燃料电池系统及其运行控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池系统及其运行控制方法。
背景技术
燃料电池电堆是电化学反应发生的场所。在质子交换膜燃料电池电堆中，阳极腔的氢气在阳极催化剂的作用下失去电子变为质子，质子通过质子交换膜到达阴极，在阴极催化剂的作用下得到电子并与阴极腔的氧气结合生成水。其中，质子交换膜需要维持一定的含水量，才能维持较高的质子传导能力。在现有燃料电池系统中，常采用增湿器给燃料电池的阴极入堆空气进行增湿，增湿器直接利用出堆湿空气与入堆干空气进行水的交换，从而实现对入堆干空气的增湿，以维持质子交换膜的含水量。
然而，由于电堆和增湿器的耐温较低，而经过空压机压缩后的气体温度超过了电堆和增湿器的耐温阈值，燃料电池系统必须在进行增湿之前设置中冷器，将空气温度降至电堆和增湿器的耐温阈值以下。同时，增湿器的流阻比较大，为了尽可能降低增湿器的流阻以降低空压机的功耗，增湿器的体积均较大，这就导致燃料电池发动机的体积较大，集成度降低。
并且，增湿器中传递水的功能单元可以是中空纤维管，也可以是透水膜，但是不论是中空纤维管式增湿器还是透水膜式增湿器，受到中空纤维管或透水膜的限制，增湿器的寿命较短，影响了燃料电池发动机的整体寿命和维护成本。
进一步的，现有技术直接利用出堆湿空气与入堆干空气进行水的交换，最终得到的入堆湿度与出堆湿空气和入堆干空气的流量、湿度、温度、压力等参数紧密耦合，一方面难以精确的调整入堆湿度，另一方面对湿度的调整往往影响入堆空气的其他参数，对燃料电池电堆的其他工作参数产生影响，因此对湿度的调整受到诸多限制，难以实现灵活准确的调整。
因此，亟需提供一种集成度高、寿命长、可灵活准确的调节湿度的燃料电池系统和其运行控制方法。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种集成度高、寿命长、可灵活准确的调节湿度的燃料电池系统。
作为本发明燃料电池系统的基本构成，该系统包括电堆、气体压缩装置、增湿混合装置、气液分离装置和流量控制装置。
所述电堆是燃料电池的基本构成，具有阴极入口、阳极入口及电堆出口。在电堆的各个入口/出口，均设置有相应的管路，即阴极入堆管路、阳极入堆管路以及出堆管路，以便输送相应的流体。
所述气体压缩装置具有气体压缩端及增压涡轮。其中，所述气体压缩端用于对优选为空气的阴极入堆气体进行压缩，增压涡轮用于回收出堆气体的能量，并用于气体压缩端的工作。
所述增湿混合装置包括气体进口、液体进口及混合出口，所述气体进口与所述气体压缩装置的气体压缩端的至少一个出口连接，所述液体进口与所述流量控制装置的出口连接，所述混合出口连接至所述电堆的阴极入堆管路。所述增湿混合装置能够利用流量控制装置输送的液态水对气体压缩端输出的至少部分气体进行增湿操作，并将增湿后的气体引入阴极入堆管路，从而向电堆提供增湿后的气体。
所述电堆的出堆管路连接至所述气体压缩装置的增压涡轮，以利用出堆气体在增压涡轮中膨胀做功。经过增压涡轮后的出堆气体温度降低、含水量增加，因此所述增压涡轮的出口连接有气液分离装置，将其中的液态水分离，所述气液分离装置的出液口连接至所述流量控制装置的入口，以便将得到的液态水输送至增湿混合装置对气体进行增湿操作。
在本发明的一个实施方案中，所述气体压缩装置的气体压缩端包括第一压轮和压缩电机，所述第一压轮、压缩电机与所述增压涡轮同轴设置，所述第一压轮具有第一压轮出口；所述增湿混合装置的气体进口与气体压缩端的第一压轮出口连接。在本发明的该实施方案中，阴极入堆气体由第一压轮压缩后，通过管线进入增湿混合装置进行增湿操作。
在本发明的另一个实施方案中，所述气体压缩装置的气体压缩端包括第一压轮、压缩电机及第二压轮，所述第一压轮具有第一压轮出口，第二压轮具有第二压轮出口；所述第一压轮出口连接至所述电堆的阴极入堆管路，并且所述第一压轮出口还连接有与第二压轮相连通的加压旁路，用于将第一压轮的部分出口气体输送至第二压轮继续压缩；所述增湿混合装置的气体进口与气体压缩端的第二压轮出口连接。在本发明的该实施方案中，气体由第一压轮压缩后，从第一压轮出口即引入阴极入堆管路，同时从第一压轮出口引出的加压气体的一部分经过加压旁路进入第二压轮继续压缩，再经由第二压轮出口引入增湿混合装置进行增湿操作。
具体的，所述第一压轮、压缩电机、第二压轮与所述增压涡轮同轴设置。或者优选的，所述气体压缩装置还包括次级压缩电机，所述第一压轮、压缩电机与所述增压涡轮同轴设置，所述第二压轮则由所述次级压缩电机驱动，在本发明的该优选实施方案中，所述第二压轮由次级压缩电机独立的驱动，因此可以更加灵活地调整压缩气体压力，而不受第一压轮和增压涡轮的限制，对燃料电池电堆的其他工作参数影响更小。
具体的，所述增湿混合装置包括引射器或气液混合腔。进一步的，所述增湿混合装置的液体进口处可以设置有雾化喷嘴。优选的，通过引射器进行增湿混合。
具体的，所述流量控制装置包括电磁阀或循环泵。优选的，通过电磁阀进行流量控制，所述电磁阀可以是连续控制的比例电磁阀，也可以是开关控制的开关电磁阀。
具体的，在电堆与增压涡轮之间的出堆管路上设置有初级气液分离器，所述初级气液分离器的出液口连接至所述流量控制装置的入口。所述初级气液分离器能够使出堆气体在进入增压涡轮之前先进行初级的气液分离操作，避免将过量的水分引入增压涡轮。与增压涡轮的出口处连接的所述气液分离装置类似的，所述初级气液分离器的出液口也连接至所述流量控制装置的入口。更具体的，所述初级气液分离器和气液分离装置的出液口处可以分别设置电磁阀。
基于本发明提供的上述燃料电池系统，本发明还提供了一种燃料电池系统的运行控制方法。得益于本发明的以上设计，燃料电池系统能够通过所述流量控制装置直接调整用于增湿的液态水流量，因此本发明提供的运行控制方法包括如下步骤：
S1 检测所述电堆的含水量，判断是否处于正常工作状态，若是，执行步骤S3，若否，执行步骤S2。具体的，检测电堆的含水量可以通过定量检测的方式，也可以通过定性评价的方式，例如，通过判断电堆是否发生膜干或者水淹现象，即可得出电堆的含水量是偏低还是偏高的检测结论。
S2 调整所述流量控制装置的工作状态，以改变对所述增湿混合装置的液态水供应，然后重新执行步骤S1。具体的，对于流量控制装置选用电磁阀的情形，可以改变电磁阀的开度或开启占空比；对于选用循环泵的情形，可以改变循环泵的转速。
S3 维持所述流量控制装置当前的工作状态。
优选的，对于本发明燃料电池系统的气体压缩装置包括次级压缩电机、所述第二压轮由所述次级压缩电机驱动的情况下，本发明提供的运行控制方法包括如下步骤：
S1 检测所述电堆的含水量，判断是否处于正常工作状态，若是，执行步骤S3，若否，执行步骤S2。具体的，检测电堆的含水量可以通过定量检测的方式，也可以通过定性评价的方式，例如，通过判断电堆是否发生膜干或者水淹现象，即可得出电堆的含水量是偏低还是偏高的检测结论。
S2 改变所述次级压缩电机的转速，并调整所述流量控制装置的工作状态，以改变对所述增湿混合装置的液态水供应，然后重新执行步骤S1。具体的，对于流量控制装置选用电磁阀的情形，可以改变电磁阀的开度或开启占空比；对于选用循环泵的情形，可以改变循环泵的转速。
S3 维持次级压缩电机的转速以及所述流量控制装置当前的工作状态。
为实现本发明提供的上述运行控制方法，应当理解，本发明的燃料电池系统中设置有必要的传感器和相应的控制系统，本发明在此不做赘述。
通过本发明提供的燃料电池系统及运行控制方法，直接利用出堆气体分离得到的液态水对阴极入堆气体进行增湿，可以省略体积大、寿命有限的增湿器，同时可以更有效的降低阴极入堆气体的温度，有利于减小中冷器的尺寸乃至取消中冷器，有利于提高系统的集成度和寿命。更进一步的，本发明提供的燃料电池系统及运行控制方法能够在不影响电堆其他运行参数的情况下对湿度进行灵活准确的调节，能够对电堆的湿度参数形成闭环调节。
提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了本发明实施例1的燃料电池系统；
图2示出了本发明实施例2的燃料电池系统；
图3示出了本发明实施例3的燃料电池系统；
图4示出了本发明实施例4的燃料电池系统；
图5示出了本发明实施例1-3燃料电池系统的运行控制方法；
图6示出了本发明实施例4燃料电池系统的运行控制方法。
附图标记：1-电堆；2-引射器；3-第一压轮；4-压缩电机；5-第二压轮；6-增压涡轮；7-初级气液分离器；8-气液分离装置；9-电磁阀；10-第一电磁阀；11-第二电磁阀；12-尾排阀；13-次级压缩电机；14-循环泵；15-气液混合腔；16-雾化喷嘴。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象，而并不表示对数量或先后顺序的限制。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
【实施例1】
如图1所示，本发明的该具体实施方式提供了一种燃料电池系统，包括电堆（1）、气体压缩装置、增湿混合装置、气液分离装置（8）和流量控制装置。其中，所述气体压缩装置具有气体压缩端及增压涡轮（6），气体压缩端包括第一压轮（3）和压缩电机（4）；所述增湿混合装置具体为气液混合腔（15）；所述流量控制装置具体为循环泵（14）。各组件的具体连接方式如下：
所述第一压轮（3）、压缩电机（4）和增压涡轮（6）同轴设置，所述第一压轮（3）具有第一压轮出口；所述气液混合腔（15）包括气体进口、液体进口及混合出口，所述气体进口与所述第一压轮出口连接，所述液体进口与所述循环泵（14）的出口连接，液体进口处设置有雾化喷嘴（16），所述混合出口连接至所述电堆的阴极入堆管路；所述电堆的出堆管路连接至增压涡轮（6），所述增压涡轮（6）的出口连接有气液分离装置（8）；所述气液分离装置（8）的出液口连接至所述循环泵（14）的入口。
此外，在电堆（1）与增压涡轮（6）之间的出堆管路上设置有还初级气液分离器（7），其出液口连接至所述循环泵（14）的入口，所述初级气液分离器（7）和气液分离装置（8）的出液口处分别设置有第一电磁阀（10）和第二电磁阀（11），在第一电磁阀（10）和第二电磁阀（11）连接的液体排放管路还设置有尾排阀（12）。
上述燃料电池系统通过调节循环泵（14）的转速可以调节回流的液态水流量，从而调节入堆空气湿度。具体运行控制方法如图5所示，包括如下步骤：
S1 检测所述电堆的含水量，判断是否处于正常工作状态，若是，执行步骤S3，若否，执行步骤S2。具体的，通过判断电堆是否发生膜干或者水淹现象，判断其是否处于正常工作状态。
S2 调整所述流量控制装置的工作状态，以改变对所述增湿混合装置的液态水供应，然后重新执行步骤S1。具体的，通过改变循环泵（14）的转速可以灵活有效的调整对增湿混合装置的液态水供应。
S3 维持所述流量控制装置当前的工作状态。
【实施例2】
如图2所示，本发明的该具体实施方式提供了一种燃料电池系统，包括电堆（1）、气体压缩装置、增湿混合装置、气液分离装置（8）和流量控制装置。其中，所述气体压缩装置具有气体压缩端及增压涡轮（6），气体压缩端包括第一压轮（3）、压缩电机（4）和第二压轮（5）；所述增湿混合装置具体为引射器（2）；所述流量控制装置具体为循环泵（14）。各组件的具体连接方式如下：
所述第一压轮（3）、压缩电机（4）、第二压轮（5）和增压涡轮（6）同轴设置，所述第一压轮（3）具有第一压轮出口，第二压轮具有第二压轮出口，所述第一压轮出口连接至所述电堆（1）的阴极入堆管路，并且所述第一压轮出口还连接有与第二压轮（5）相连通的加压旁路，用于将第一压轮（3）的部分出口气体输送至第二压轮（5）继续压缩。
所述引射器（2）包括气体进口、液体进口及混合出口，所述气体进口与所述第二压轮出口连接，所述液体进口与所述循环泵（14）的出口连接，所述混合出口连接至所述电堆的阴极入堆管路；所述电堆的出堆管路连接至增压涡轮（6），所述增压涡轮（6）的出口连接有气液分离装置（8）；所述气液分离装置（8）的出液口连接至所述循环泵（14）的入口。
此外，在电堆（1）与增压涡轮（6）之间的出堆管路上设置有还初级气液分离器（7），其出液口连接至所述循环泵（14）的入口，所述初级气液分离器（7）和气液分离装置（8）的出液口处分别设置有第一电磁阀（10）和第二电磁阀（11），在第一电磁阀（10）和第二电磁阀（11）连接的液体排放管路还设置有尾排阀（12）。
与实施例1类似的，上述燃料电池系统通过调节循环泵（14）的转速可以调节回流的液态水流量，从而调节入堆空气湿度。具体运行控制方法如图5所示，在此不作重复。
【实施例3】
如图3所示，本发明的该具体实施方式提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统与实施例2以相同的方式设置，区别仅在于流量控制装置具体为电磁阀（9）。
相应的，该燃料电池系统的运行控制过程中通过调节电磁阀（9）的开度或者开启占空比，即可有效调节回流的液态水流量，从而调节入堆空气湿度。具体运行控制方法如图5所示，在此不作重复。
【实施例4】
如图4所示，本发明的该具体实施方式提供了一种燃料电池系统，包括电堆（1）、气体压缩装置、增湿混合装置、气液分离装置（8）和流量控制装置。其中，所述气体压缩装置具有气体压缩端及增压涡轮（6），气体压缩端包括第一压轮（3）、压缩电机（4）、第二压轮（5）和次级压缩电机（13）；所述增湿混合装置具体为引射器（2）；所述流量控制装置具体为电磁阀（9）。各组件的具体连接方式如下：
所述第一压轮（3）、压缩电机（4）和增压涡轮（6）同轴设置，所述第二压轮（5）由所述次级压缩电机（13）独立的驱动，所述第一压轮（3）具有第一压轮出口，第二压轮具有第二压轮出口，所述第一压轮出口连接至所述电堆（1）的阴极入堆管路，并且所述第一压轮出口还连接有与第二压轮（5）相连通的加压旁路，用于将第一压轮（3）的部分出口气体输送至第二压轮（5）继续压缩。
所述引射器（2）包括气体进口、液体进口及混合出口，所述气体进口与所述第二压轮出口连接，所述液体进口与所述电磁阀（9）的出口连接，所述混合出口连接至所述电堆的阴极入堆管路；所述电堆的出堆管路连接至增压涡轮（6），所述增压涡轮（6）的出口连接有气液分离装置（8）；所述气液分离装置（8）的出液口连接至所述电磁阀（9）的入口。
此外，在电堆（1）与增压涡轮（6）之间的出堆管路上设置有还初级气液分离器（7），其出液口连接至所述电磁阀（9）的入口，所述初级气液分离器（7）和气液分离装置（8）的出液口处分别设置有第一电磁阀（10）和第二电磁阀（11），在第一电磁阀（10）和第二电磁阀（11）连接的液体排放管路还设置有尾排阀（12）。
上述燃料电池系统通过调节电磁阀（9）的开度或开启占空比，可以调节回流的液态水流量，从而调节入堆空气湿度。并且，通过调节次级压缩电机（13）的转速，可以调节进入引射器的高压气体压力，也可以调节回流的液态水流量，从而调节入堆空气湿度。具体运行控制方法如图6所示，包括如下步骤：
S1 检测所述电堆的含水量，判断是否处于正常工作状态，若是，执行步骤S3，若否，执行步骤S2。具体的，通过判断电堆是否发生膜干或者水淹现象，判断其是否处于正常工作状态。
S2 改变所述次级压缩电机的转速，并调整所述流量控制装置的工作状态，以改变对所述增湿混合装置的液态水供应，然后重新执行步骤S1。具体的，通过改变所述次级压缩电机（13）的转速，并且调节电磁阀（9）的开度或者开启占空比可以灵活有效的调整对增湿混合装置的液态水供应。
S3 维持次级压缩电机的转速以及所述流量控制装置当前的工作状态。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种燃料电池系统，其特征在于包括电堆、气体压缩装置、增湿混合装置、气液分离装置和流量控制装置；
所述气体压缩装置具有气体压缩端及增压涡轮；
所述增湿混合装置包括气体进口、液体进口及混合出口，所述气体进口与所述气体压缩装置的气体压缩端的至少一个出口连接，所述液体进口与所述流量控制装置的出口连接，所述混合出口连接至所述电堆的阴极入堆管路；
所述电堆的出堆管路连接至所述气体压缩装置的增压涡轮，所述增压涡轮的出口连接有气液分离装置；
所述气液分离装置的出液口连接至所述流量控制装置的入口；
所述气体压缩装置的气体压缩端包括第一压轮、压缩电机及第二压轮，所述第一压轮具有第一压轮出口，第二压轮具有第二压轮出口；
所述第一压轮出口连接至所述电堆的阴极入堆管路，并且所述第一压轮出口还连接有与第二压轮相连通的加压旁路，用于将第一压轮的部分出口气体输送至第二压轮继续压缩；
所述增湿混合装置的气体进口与气体压缩端的第二压轮出口连接。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第一压轮、压缩电机、第二压轮与所增压涡轮同轴设置。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述气体压缩装置还包括次级压缩电机，所述第一压轮、压缩电机与所增压涡轮同轴设置，所述第二压轮由所述次级压缩电机驱动。
4.根据权利要求1-3任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述增湿混合装置包括引射器或气液混合腔，所述增湿混合装置的液体进口处设置有雾化喷嘴。
5.根据权利要求1-3任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述流量控制装置包括电磁阀或循环泵。
6.根据权利要求1-3任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，在电堆与增压涡轮之间的出堆管路上设置有初级气液分离器，所述初级气液分离器的出液口连接至所述流量控制装置的入口。
7.一种如权利要求1-6任一项所述燃料电池系统的运行控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1 检测所述电堆的含水量，判断是否处于正常工作状态，若是，执行步骤S3，若否，执行步骤S2；
S2 调整所述流量控制装置的工作状态，以改变对所述增湿混合装置的液态水供应，然后重新执行步骤S1；
S3 维持所述流量控制装置当前的工作状态。
8.一种如权利要求3所述燃料电池系统的运行控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1 检测所述电堆的含水量，判断是否处于正常工作状态，若是，执行步骤S3，若否，执行步骤S2；
S2 改变所述次级压缩电机的转速，并调整所述流量控制装置的工作状态，以改变对所述增湿混合装置的液态水供应，然后重新执行步骤S1；
S3 维持所述次级压缩电机的转速以及所述流量控制装置当前的工作状态。
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