CN113314732A - 一种燃料电池氢气温湿调控系统及其调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池氢气温湿调控系统及其调控方法，属于燃料电池领域。本发明包括电堆、储氢装置、氢气入口管路、氢气出口管路、冷却液出口管路、氢气控制阀和换热装置，电堆上设置有氢气入口、氢气出口和冷却液出口，氢气入口管路自储氢装置连接至氢气入口，氢气出口管路自氢气出口连接至氢气入口管路，氢气控制阀设置在氢气入口管路和换热装置的连接处，换热装置设置在冷却液出口管路内，且氢气入口管路通过氢气控制阀选择性地与换热装置连通。从储氢装置过来的气体，通过换热装置的蛇形管段，进行高效的热量交互，换热效率明显提升，且并不会额外增加复杂装置，节省了发动机实际应用过程中的空间和重量，提升系统性能参数。

Description

一种燃料电池氢气温湿调控系统及其调控方法

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氢气温湿调控系统及其调控方法。

背景技术

随着氢燃料电池技术的发展，对于燃料电池发动机氢气供应技术提出了更高的要求，目前技术下，要求氢气进入燃料电池发动机的整个过程中不能有液态水存在，同时还要有一定的混合湿度，以达到更好的反应效果，目前氢气入口湿度调控方式，多通过调节氢气回流量的方式进行，如果氢气入口湿度较高，则适当降低回流量，如果氢气入口湿度较低，则适当提高回流量，该方式简单粗暴，不能做到精准的控制，同时氢气计量比的提高或者降低，也会对电堆的性能造成影响。在冬季条件下，从氢瓶出来的氢气为低温气体，其与从燃料电池氢循环路的湿热气体混合，就会产生冷凝水，因此为了避免该问题的出现，就需要对氢瓶供应的氢气进行处理，提高其温度，避免产生冷凝水进入电堆，对发动机造成损伤。

现有技术中，CN112582642A专利中有保温和加热两种装置，保温单元设置在冷却液出口管道和氢气出口管道之间，并利用冷却液出口管道中的冷却液对氢气出口管道中的氢气进行保温；加热单元设置在冷却液出口管道和氢气入口管道之间并利用冷却液出口管道中的冷却液对氢气入口管道的氢气进行加热。系统是利用冷却液废热对氢气路进行保温加热，减少了系统额外零部件，降低了系统额外功耗；而且可通过三通调节阀对冷却液流量进行调节，进而控制燃料电池电堆入口氢气温湿度，以满足不同燃料电池电堆及不同工况条件下对入口氢气温湿度的需求。CN112713285A专利中，燃料电池的一侧设置有氢气加热除湿机构，另一侧设置有氧气加热除湿机构，所述氢气加热除湿机构的进气端设置有氢气管，加热除湿机构的出气端设置有氢气进气管，氢气进气管的中间位置处设置有氢气回流阀，氢气回流阀的一侧密封连接有氢气回流管，氧气加热除湿机构的进气端设置有氧气管，氧气加热除湿机构的出气端设置有氧气进气管，氢燃料电池下方的一侧设置有吸热机构。通过对于温湿度的共同调控，达到温湿度达标的目的。CN112713286A专利中的燃料电池系统包括电堆、阳极混合气腔室和冷却液腔室，换热装置包括第一换热单元和第二换热单元，第一换热单元位于阳极混合气腔室内，第二换热单元位于冷却液腔室内，第二换热单元能够与电堆内出来的高温冷却液进行换热，并将热量传到第一换热单元，进而第一换热单元能够将进入电堆前的氢气混合气进行加热。实现燃料电池阳极入电堆前的氢气混合气的温度接近系统适宜温度，同时避免阳极氢气混合气过量冷凝液态水进入电堆的风险。且该方案能量利用率高，无需外部供给热源，优化了电堆水热管理方式，整个换热装置与电堆端板集成，结构紧凑，空间利用率高。CN211320222U专利中，循环水进水管连接于水泵的出水口与电堆的冷却液进口之间；循环水出水管连接于水泵的回水口与电堆的冷却液出口之间；换热器设置在电堆的堆前氢气进气管上，中冷器设置在电堆的堆前空气进气管上且位于空气进气管的空压机下游；换热器的出水口与循环水出水管连通，换热器的回水口与中冷器的出水口连通；中冷器的回水口与循环水进水管连通。该氢气加热水循环系统避免了堆前氢气的环境温度与进堆的空气存在较大温差，影响反应效率和对电堆具有不良影响的问题。

现有技术中存在以下技术问题：

CN112582642A中，利用冷却液的废热对气体进行保温加热，效率不高，而且仅仅能够对温度进行调控，达不到燃料电池工作的要求。同时针对于流量的调控，范围不大，且有很大可能会提升燃料电池出口温度，对发动机造成损伤。

CN112713285A中，通过布置了较多的外围设备，如加热除湿机构、氢气回流阀、吸热机构等较多设备，对于燃料电池发动机来说，增加了整体的重量和体积，成本较高，不便于实际应用场景的布置，而且重量和体积的提升，也会降低发动机的性能参数。

CN112713286A中，将热交换元件与电堆端板进行了集成，简化了结构，但由于结构的布置，氢气一直处于被加热的状态，无法进行湿度的调控，是一个被动响应的结构，在夏季或其他高温环境下，会造成氢瓶供应的气体与高温加热的氢气汇合，造成氢气过干的情况。

CN211320222U中，电堆的整体结构进行了重新的布置，热循环的方式变化，带来的影响是提高了系统的复杂程度、降低了系统的稳定性，且该发明无法进行温度的调控，仅能够有加热作用，无法满足实际温湿度调控需求，同时该发明的出发点是为了避免氢气和空气的温差过大。

因此，亟需提供一种燃料电池氢气温湿调控系统及其调控方法，以解决现有技术中上述的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池氢气温湿调控系统及其调控方法，具有更高的换热效率，能够有效地提升氢气的温度，避免冬季冷凝水的产生。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

本发明提供了一种燃料电池氢气温湿调控系统，包括：电堆、储氢装置、氢气入口管路、氢气出口管路、冷却液出口管路、氢气控制阀和换热装置，所述电堆上设置有氢气入口、氢气出口和冷却液出口，所述氢气入口管路自所述储氢装置连接至所述氢气入口，所述氢气出口管路自所述氢气出口连接至所述氢气入口管路，所述氢气控制阀设置在所述氢气入口管路和所述换热装置的连接处，所述换热装置设置在所述冷却液出口管路内，且所述氢气入口管路通过所述氢气控制阀选择性地与所述换热装置连通。

进一步地，所述氢气控制阀为三通阀。

进一步地，所述燃料电池氢气温湿调控系统还包括水循环出口，所述水循环出口设置在所述冷却液出口管路的尾端。

进一步地，所述换热装置包括设置在所述冷却液出口管路内的蛇形管段，所述氢气入口管路与所述蛇形管段连通。

进一步地，所述换热装置还包括换热氢气入口和换热氢气出口，所述氢气控制阀设置在所述换热氢气出口处，通过控制所述氢气控制阀的开闭来控制氢气是否通过所述换热装置。

进一步地，所述氢气控制阀设置在所述换热氢气入口处，通过控制所述氢气控制阀的开闭来控制氢气是否通过所述换热装置。

进一步地，所述冷却水出口管路外壁包覆有加热膜。

进一步地，所述冷却水出口管路的管壁内设置有加热元件。

本发明还提供了一种燃料电池氢气温湿调控方法，包括如步骤：

S100：判断当前环境温度是否会导致冷凝水产生，若是，则进入S200，若否，则进入S500；

S200：关闭氢气控制阀，进行氢气预热，进入S300；

S300：判断入堆冷凝水含量是否高于标准，若是，则进入S400，若否，则进入S500；

S400：提升加热温度；

S500：判断当前环境湿度是否达到标准，若是，则进入S600，若否，则进入S700；

S600：保持氢气控制阀的开度，保持当前加热温度；

S700：通过调节氢气控制阀使得环境湿度达到标准。

进一步地，S700包括如下步骤：

S710：判断当前环境湿度是否过低，若是，则进入S720，若否，则进入S730；

S720：减小氢气控制阀的开度，进入S500；

S730：增大氢气控制阀的开度，进入S500。

与现有技术相比，本发明提供的燃料电池氢气温湿调控系统，利用燃料电池发动机的水循环路出口的高温液体对氢气进行加热，该换热结构通过特殊设计与水循环管路为一体，能够尽可能保证在原有系统架构上进行设计，不增加系统外部轮廓和额外设计，发动机工作时候，高温液体就可以对从氢瓶出来的低温气体进行加热，加热效率高。夏季条件下，氢瓶出来的高温气体也会与氢回流的高温气体进行混合，造成气体过于干燥，因此就可以通过三通阀进行关闭，使氢气直接混合，避免氢气二次加热，造成氢气过干。在湿度调控的过程中，没有通过调节氢气回流量的方式调控湿度，能够有效避免因为回流量增大带来的辅件功耗损失，同时也避免了计量比提高可能对电堆带来的负面影响，保证了电堆的工作性能。本发明通过氢气控制阀和换热装置的配合，通过不同环境温度下的氢气控制阀开度的调整，对氢气入堆温度、湿度进行有效调整；没有额外的复杂部件，有效降低了系统的重量和体积，提升了系统性能参数；针对于环境的变化，不用调节水流量进行温度和湿度的控制，在保证氢气入堆温湿度的同时，对电堆进行保护。

附图说明

图1为本发明实施例的燃料电池氢气温湿调控系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的燃料电池氢气温湿调控方法的流程图。

附图标记：

1-电堆；2-氢气入口管路；3-氢气出口管路；4-氢气循环管路；5-冷却液出口管路；6-换热装置；7-储氢装置；8-水循环出口；9-氢气控制阀。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步地详细描述，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。

本实施例提供了一种燃料电池氢气温湿调控系统，包括：电堆1、储氢装置7、氢气入口管路2、氢气出口管路3、冷却液出口管路5、氢气控制阀9和换热装置6，电堆1上设置有氢气入口、氢气出口和冷却液出口，氢气入口管路2自储氢装置7连接至氢气入口，氢气出口管路3自氢气出口连接至氢气入口管路2，氢气控制阀9设置在氢气入口管路2和换热装置6的连接处，换热装置6设置在冷却液出口管路5内，且氢气入口管路2通过氢气控制阀9选择性地与换热装置6连通。

具体地，氢气出口管路3通过氢气循环管路4与氢气入口管路2连通。

进一步地，燃料电池氢气温湿调控系统还包括水循环出口8，水循环出口8设置在冷却液出口管路5的尾端。

可选地，氢气控制阀9为三通阀。优选地，换热装置6包括设置在冷却液出口管路5内的蛇形管段，氢气入口管路2与蛇形管段连通。从储氢装置7过来的气体，通过换热装置6的蛇形管段，进行高效的热量交互，换热效率明显提升，且并不会额外增加复杂装置，节省了发动机实际应用过程中的空间和重量，提升系统性能参数。氢气控制阀9的开关，控制气流的流向，结构简单使用，效率高。具体地，本实施例的换热装置6采用导热性能好的金属材质，优选不锈钢，其防腐蚀性能也比较好。

进一步地，本实施例的换热装置6还包括换热氢气入口和换热氢气出口，氢气控制阀9设置在换热氢气出口处，通过控制氢气控制阀9的开闭来控制氢气是否通过换热装置6。另一种实施方式中，氢气控制阀9设置在换热氢气入口处，通过控制氢气控制阀9的开闭来控制氢气是否通过换热装置6。

优选地，为使得冷却液出口管路5中的高温冷却液保持较高的温度，本实施例的冷却水出口管路外壁包覆有加热膜。另一种实施方式中，冷却水出口管路的管壁内设置有加热元件，例如电加热丝。

本实施例还提供了一种燃料电池氢气温湿调控方法，包括如步骤：

S100：开始；

S200：判断当前环境温度是否会导致冷凝水产生，若是，则进入S300，若否，则进入S600；

S300：关闭氢气控制阀9，进行氢气预热，进入S400；

S400：判断入堆冷凝水含量是否高于标准，若是，则进入S500，若否，则进入S600；

S500：提升加热温度；

S600：判断当前环境湿度是否达到标准，若是，则进入S700，若否，则进入S810；

S700：保持氢气控制阀9的开度，保持当前加热温度，进入S900；

S810：判断当前环境湿度是否过低，若是，则进入S820，若否，则进入S830；

S820：减小氢气控制阀9的开度，进入S600；

S830：增大氢气控制阀9的开度，进入S600；

S900：结束。

本实施例提供的燃料电池氢气温湿调控系统的工作方式如下：

冷却液出口管路5中的换热装置6，可以对由储氢装置7中供应的氢气进行加热，以达到某一温度，使入堆气体中没有液态水的存在。三通阀可以实现开关功能，当全开时，氢气经过储氢装置7，氢气入口管路2，经过三通阀，到达电堆1的氢气入口；当三通阀全关时，氢气经过储氢装置7，供氢管路5，经过换热装置6，经三通阀，到达电堆1的氢气入口。

冬季条件下，储氢装置7中的气体接近于环境温度，由储氢装置7出来的低温气体与氢气出口管路3中的高温气体混合就会导致冷凝水的存在，为避免冷凝水进堆，需要将储氢装置7出来的低温氢气加热到一定温度，可以通过关闭三通阀，将低温气体通过水循环加热，然后与氢气出口管路3中的高温气体混合后进堆，调节了入堆气体的温度和湿度，避免了冷凝水的产生。

夏季等其他条件下，如果气体通过换热装置6，则会导致气体温度过高，储氢装置7出来的气体再与氢气出口管路3的气体混合后，入堆气体温度继续上升，湿度也会降低，此时就需要通过开启三通阀，让储氢装置7出来的较高温度气体直接与氢气出口管路3的气体混合，避免温度和湿度的超调。

本实施例提供的燃料电池氢气温湿调控系统，利用燃料电池发动机的水循环路出口的高温液体对氢气进行加热，该换热结构通过特殊设计与水循环管路为一体，能够尽可能保证在原有系统架构上进行设计，不增加系统外部轮廓和额外设计，发动机工作时候，高温液体就可以对从氢瓶出来的低温气体进行加热，加热效率高。夏季条件下，氢瓶出来的高温气体也会与氢回流的高温气体进行混合，造成气体过于干燥，因此就可以通过三通阀进行关闭，使氢气直接混合，避免氢气二次加热，造成氢气过干。在湿度调控的过程中，没有通过调节氢气回流量的方式调控湿度，能够有效避免因为回流量增大带来的辅件功耗损失，同时也避免了计量比提高可能对电堆1带来的负面影响，保证了电堆1的工作性能。本实施例通过氢气控制阀9和换热装置6的配合，通过不同环境温度下的氢气控制阀9开度的调整，对氢气入堆温度、湿度进行有效调整；没有额外的复杂部件，有效降低了系统的重量和体积，提升了系统性能参数；针对于环境的变化，不用调节水流量进行温度和湿度的控制，在保证氢气入堆温湿度的同时，对电堆1进行保护。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种燃料电池氢气温湿调控系统，其特征在于，包括：电堆（1）、储氢装置（7）、氢气入口管路（2）、氢气出口管路（3）、冷却液出口管路（5）、氢气控制阀（9）和换热装置（6），所述电堆（1）上设置有氢气入口、氢气出口和冷却液出口，所述氢气入口管路（2）自所述储氢装置（7）连接至所述氢气入口，所述氢气出口管路（3）自所述氢气出口连接至所述氢气入口管路（2），所述氢气控制阀（9）设置在所述氢气入口管路（2）和所述换热装置（6）的连接处，所述换热装置（6）设置在所述冷却液出口管路（5）内，且所述氢气入口管路（2）通过所述氢气控制阀（9）选择性地与所述换热装置（6）连通。

2.根据权利要求1所述的燃料电池氢气温湿调控系统，其特征在于，所述氢气控制阀（9）为三通阀。

3.根据权利要求1所述的燃料电池氢气温湿调控系统，其特征在于，还包括水循环出口（8），所述水循环出口（8）设置在所述冷却液出口管路（5）的尾端。

4.根据权利要求1所述的燃料电池氢气温湿调控系统，其特征在于，所述换热装置（6）包括设置在所述冷却液出口管路（5）内的蛇形管段，所述氢气入口管路（2）与所述蛇形管段连通。

5.根据权利要求1所述的燃料电池氢气温湿调控系统，其特征在于，所述换热装置（6）还包括换热氢气入口和换热氢气出口，所述氢气控制阀（9）设置在所述换热氢气出口处，通过控制所述氢气控制阀（9）的开闭来控制氢气是否通过所述换热装置（6）。

6.根据权利要求1所述的燃料电池氢气温湿调控系统，其特征在于，所述氢气控制阀（9）设置在所述换热氢气入口处，通过控制所述氢气控制阀（9）的开闭来控制氢气是否通过所述换热装置（6）。

7.根据权利要求1所述的燃料电池氢气温湿调控系统，其特征在于，所述冷却水出口管路外壁包覆有加热膜。

8.根据权利要求1所述的燃料电池氢气温湿调控系统，其特征在于，所述冷却水出口管路的管壁内设置有加热元件。

9.一种燃料电池氢气温湿调控方法，其特征在于，包括如步骤：

S100：判断当前环境温度是否会导致冷凝水产生，若是，则进入S200，若否，则进入S500；

S200：关闭氢气控制阀（9），进行氢气预热，进入S300；

S300：判断入堆冷凝水含量是否高于标准，若是，则进入S400，若否，则进入S500；

S400：提升加热温度；

S500：判断当前环境湿度是否达到标准，若是，则进入S600，若否，则进入S700；

S600：保持氢气控制阀（9）的开度，保持当前加热温度；

S700：通过调节氢气控制阀（9）使得环境湿度达到标准。

10.根据权利要求9所述的燃料电池氢气温湿调控方法，其特征在于，S700包括如下步骤：

S710：判断当前环境湿度是否过低，若是，则进入S720，若否，则进入S730；

S720：减小氢气控制阀（9）的开度，进入S500；

S730：增大氢气控制阀（9）的开度，进入S500。

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