CN113921862A - 一种空气循环的燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

一种空气循环的燃料电池系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空气循环的燃料电池系统，包括：燃料电池电堆，空气子系统，氢气子系统以及控制子系统；空气子系统中空气依次经过空气滤清器、空气压缩机、加湿中冷器以及第一引射器；第一引射器两端分别设置有电堆入口阀和引射器出口；引射器出口与燃料电池电堆的空气入堆口连通；第一引射器的内壁上形成有回流管，回流管连通燃料电池电堆出口；氢气子系统包括连通设置的第二引射器和水汽分离器；第二引射器与燃料电池电堆的阳极气体入堆口连通。本发明采用引射器进行回流循环；利用引射器将燃料电池空气路出堆口的空气引设到空气入堆口，从而增加空气子系统的过量比，并且加湿进气空气湿度，提高燃料电池性能。

Description

一种空气循环的燃料电池系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种空气循环的燃料电池系统及其控制方法。
背景技术
燃料电池汽车技术迅速发展，燃料电池系统作为一种发电装置，将化学能转化成电能。氢燃料电池更是作为一种清洁能源，对环境友好，而受到广泛关注。
由于燃料电池系统的空气需要增湿，才能达到合适的电堆操作条件；而且，燃料电池的质子交换膜需要维持在合适的操作湿度下方能使燃料电池保持较高的效能。现有技术中的燃料电池系统存在以下问题：在空气路中通过膜增湿对空气加湿，造价较高，系统成本较高，对燃料电池系统中的水没有循环利用；此外，现有技术中无法对阳极和阴极中未反应气体进行循环利用。因此，有必要对现有技术中的燃料电池系统进行改进，以解决上述问题。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种空气循环的燃料电池系统。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种空气循环的燃料电池系统，包括：燃料电池电堆，空气子系统，氢气子系统以及控制子系统，其特征在于，
所述空气子系统中空气依次经过空气滤清器、空气压缩机、加湿中冷器以及第一引射器；所述第一引射器两端分别设置有电堆入口阀和引射器出口；所述引射器出口与所述燃料电池电堆的空气入堆口连通；所述第一引射器的内壁上形成有回流管，所述回流管连通所述燃料电池电堆出口；所述回流管通过调节阀连通有一排放管；所述加湿中冷器与位于所述调节阀输出端的所述排放管连通；
所述氢气子系统包括连通设置的第二引射器和水汽分离器；所述第二引射器与所述燃料电池电堆的阳极气体入堆口连通，所述水汽分离器与所述燃料电池电堆的阳极气体出堆口连通；
所述控制子系统对所述燃料电池中阳极和阴极中的气体流量或浓度和质子交换膜的湿度进行实时监测。
本发明一个较佳实施例中，所述燃料电池电堆出口的流体包括所述燃料电池电堆中未反应的空气和水的混合物。
本发明一个较佳实施例中，所述燃料电池电堆出口的流体中的水来源于：所述燃料电池电堆阳极反应产生的水和由所述第一引射器加湿后的空气带入的水。
本发明一个较佳实施例中，所述燃料电池电堆的阳极气体出堆口的流体包括所述燃料电池电堆中未反应的阳极气体和水的混合物。
本发明一个较佳实施例中，所述水汽分离器与位于所述调节阀输出端的所述排放管连通。
本发明提供了一种空气循环的燃料电池系统的控制方法，包括以下步骤：
S1、启动燃料电池系统，待燃料电池系统进入稳定状态，控制子系统对燃料系统进行实时监测；
S2、通过第二引射器将阳极气体出堆口的流体引射至水汽分离器，经过气水分离后的未反应的阳极气体，与第二引射器输入端喷射的气体混合后，导入燃料电池电堆阳极，增加氢气子系统中阳极气体的流量和浓度；
S3、检测到燃料电池电堆阳极中阳极气体的流量增加时，空气子系统将大气环境的空气经过过滤、压缩以及冷却后，空气在经过第一引射器时与回流路中引射的部分流体混合，增加了进气空气的流量，且增加了进气空气的湿度，增加空气子系统的过量比，进而调节燃料电池电堆中质子交换膜的湿度。
本发明一个较佳实施例中，在所述S3中，调节阀的调节开度依据是，使得燃料电池电堆阳极和阴极中的气体浓度匹配达到燃料电池电堆适宜的操作反应条件。
本发明一个较佳实施例中，在所述S3中，所述空气出堆口中部分流体通过回流管回流至所述第一引射器中，所述空气出堆口中另一部分流体通过调节阀输出至排水管排放。
本发明一个较佳实施例中，所述第一引射器和所述第二引射器的输入端和输出端尺寸均为38～100mm。
本发明一个较佳实施例中，所述第二引射器的回流管的尺寸为10～50mm。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
(1)本发明中在空气子系统和氢气子系统中均采用引射器进行回流循环；其中，第一引射器在引射阳极中未反应气体和水，在分离水后，未反应气体循环利用至氢气子系统中，增加了阳极气体的流量，减少了处理未反应气体的成本，同时增加燃料电池的性能；第二引射器直接引射了阴极中未反应气体和水，增加了进气空气的流量，增加空气子系统的过量比。
(2)本发明中第二引射器将燃料电池空气路出堆口的空气引射到空气入堆口，还能增加进气空气的湿度，进而调节燃料电池电堆中质子交换膜的湿度，进一步提高燃料电池系统的性能。
(3)本发明通过氢气子系统和空气子系统中气体流量或浓度的控制，且两者协同控制，保证燃料电池系统中阳极气体和空气的配比满足燃料电池保持较高效能，实现智能控制燃料电池系统。
(4)本发明对现有技术中的引射器做出改进，分别加大引射本体进出口的结构尺寸，缩小回流入口尺寸，使得回流管能够容易地吸取流体，使得该引射器适用于燃料电池系统的空气子系统和氢气子系统中，并满足空气子系统和氢气子系统的引射要求，提升引射器引射液态的功能。
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中记载的一些实施例，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是本发明的优选实施例的空气循环的燃料电池系统的结构示意图；
图2是本发明的优选实施例的第一引射器或第二引射器的结构示意图；
图中：1、燃料电池电堆；2、空气子系统；21、空气滤清器；22、空气压缩机；23、加湿中冷器；24、第一引射器；241、引射器本体；242、电堆入口阀；243、回流管；244、混合室；245、扩压室；25、调节阀；26、排放管；3、氢气子系统；31、第二引射器；32、水汽分离器；4、散热子系统。
具体实施方式
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。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，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，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
如图1所示，示出了本发明中一种空气循环的燃料电池系统的结构示意图。包括：燃料电池电堆1，空气子系统2，氢气子系统3，控制子系统，散热子系统4以及电气子系统。
本发明中空气子系统2中空气依次经过空气滤清器21、空气压缩机22、加湿中冷器23以及第一引射器24。第一引射器24两端分别设置有电堆入口阀242 和引射器出口。引射器出口与燃料电池电堆1的空气入堆口连通。第一引射器 24的内壁上形成有回流管243，回流管243连通燃料电池电堆1出口；回流管 243通过调节阀25连通有一排放管26。加湿中冷器23与位于调节阀25输出端的排放管26连通。燃料电池电堆1出口的流体包括燃料电池电堆1中未反应的空气和水的混合物。燃料电池电堆1出口的流体中的水来源于：燃料电池电堆1 阳极反应产生的水和由第一引射器24加湿后的空气带入的水。
氢气子系统3包括连通设置的第二引射器31和水汽分离器32。第二引射器 31与燃料电池电堆1的阳极气体入堆口连通，水汽分离器32与燃料电池电堆1 的阳极气体出堆口连通。本发明中水汽分离器32与位于调节阀25输出端的排放管26连通。燃料电池电堆1的阳极气体出堆口的流体包括燃料电池电堆1中未反应的阳极气体和水的混合物。
控制子系统对燃料电池中阳极和阴极中的气体流量或浓度和质子交换膜的湿度进行实时监测，以保证燃料电池系统中阳极和阴极中气体浓度的配比能够满足燃料电池电堆1的操作反应条件，以及质子交换膜适宜的湿度条件。
本发明通过氢气子系统3和空气子系统2中气体流量或浓度的控制，且两者协同控制，保证燃料电池系统中阳极气体和空气的配比满足燃料电池保持较高效能，实现智能控制燃料电池系统。
如图2所示，示出了本发明中第一引射器24或第二引射器31的结构示意图。本发明中第一引射器24和第二引射器31均包括引射器本体241，引射器本体241包括喷管，与喷管连通的混合室244，连接混合室244的扩压室245，以及混合室244的内壁形成的回流管243；喷管的输入端和输出端分别连接所述电堆入口阀242和所述混合室244。喷管和混合室244之间形成有收缩的锥出口结构。扩压室245沿长度方向形成有渐扩截面的喇叭结构。
本发明中第一引射器24和第二引射器31的输入端和输出端尺寸均为38～ 100mm。第二引射器31的回流管243的尺寸为10～50mm。本发明对现有技术中的引射器做出改进，分别加大引射本体进出口的结构尺寸，缩小回流入口尺寸，使得回流管243能够容易地吸取流体，使得该引射器适用于燃料电池系统的空气子系统2和氢气子系统3中，并满足空气子系统2和氢气子系统3的引射要求，提升引射器引射液态的功能。
本发明中位于第一引射器24或第二引射器31输入端的压力较高，且为气体状态；而回流管243中流体的压力较低或无压；为液体或液气雾状态。
在氢气子系统3中，来自电堆入口阀242的阳极气体，通过喷管向引射器本体241中央的混合室244喷射，同时卷吸从回流管243的流体，该流体经过喷管并于与收缩的锥出口周边的主流体抽吸入混合室244中，使得阳极气体和流体在混合室244内混合传热、传质、均速、均压，再从混合室244末端输出至扩压室245中，从扩压室245的引射器出口将混合后的气体输出至电堆阳极的空气入堆口。其中，从回流管243的卷吸的流体经过水汽分离器32的气水分离作用，干燥的未反应阳极气体被卷吸入第二引射器31中。
在空气子系统2中，空气子系统2将大气环境的空气经过空气滤清器21、空气压缩机22、加湿中冷器23实现过滤、压缩以及冷却后，通过电堆入口阀 242的空气，通过喷管向引射器本体241中央的混合室244喷射，同时卷吸从回流管243的流体，该流体经过喷管并于与收缩的锥出口周边的主流体抽吸入混合室244中，使得空气和流体在混合室244内混合传热、传质、均速、均压，再从混合室244末端输出至扩压室245中，从扩压室245的引射器出口将混合后的气体输出至电堆阴极的空气入堆口。其中，从回流管243的卷吸的流体为部分燃料电池电堆1中未反应的空气和水的混合物。
本发明中在空气子系统2和氢气子系统3中均采用引射器进行回流循环；其中，第一引射器24在引射阳极中未反应气体和水，在分离水后，未反应气体循环利用至氢气子系统3中，增加了阳极气体的流量，减少了处理未反应气体的成本，同时增加燃料电池的性能；第二引射器31直接引射了阴极中未反应气体和水，增加了进气空气的流量，增加空气子系统2的过量比。本发明中第二引射器31将燃料电池空气路出堆口的空气引射到空气入堆口，还能增加进气空气的湿度，进而调节燃料电池电堆1中质子交换膜的湿度，进一步提高燃料电池系统的性能。
本发明中的散热子系统4中设置有冷却模块，冷却模块可以选择使用水冷或风冷的方式。其中，冷却模块中设置有温度传感器，温度传感器通过导线相连来检测冷却水的水温；当温度传感器测得的温度值超过上限值时，反馈到控制器，控制器发动启动信号，风扇启动；当温度低于下限值时，软启动器发出停止信号，风扇停止。
此外，本发明中水汽分离器32还可以连通至第一引射器24和加湿中冷器 23之间。利用水汽分离器32将电堆阳极中的水引入至第一引射器24的输入端，对空气进行水雾喷淋，能够为空气进行加湿，提高燃料电池的效能，还能减少能源损耗，降低成本。
本发明提供了一种空气循环的燃料电池系统的控制方法，包括以下步骤：
S1、启动燃料电池系统，待燃料电池系统进入稳定状态，控制子系统对燃料系统进行实时监测；
S2、通过第二引射器31将阳极气体出堆口的流体引射至水汽分离器32，经过气水分离后的未反应的阳极气体，与第二引射器31输入端喷射的气体混合后，导入燃料电池电堆1阳极，增加氢气子系统3中阳极气体的流量和浓度；
S3、检测到燃料电池电堆1阳极中阳极气体的流量增加时，空气子系统2 将大气环境的空气经过过滤、压缩以及冷却后，空气在经过第一引射器24时与回流路中引射的部分流体混合，增加了进气空气的流量，且增加了进气空气的湿度，增加空气子系统2的过量比，进而调节燃料电池电堆1中质子交换膜的湿度。
其中，调节阀25的调节开度依据是，使得燃料电池电堆1阳极和阴极中的气体浓度匹配达到燃料电池电堆1适宜的操作反应条件。空气出堆口中部分流体通过回流管243回流至第一引射器24中，空气出堆口中另一部分流体通过调节阀25输出至排水管排放。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。

Claims (8)

1.一种空气循环的燃料电池系统，包括：燃料电池电堆，空气子系统，氢气子系统以及控制子系统，其特征在于，
所述空气子系统中空气依次经过空气滤清器、空气压缩机、加湿中冷器以及第一引射器；所述第一引射器两端分别设置有电堆入口阀和引射器出口；所述引射器出口与所述燃料电池电堆的空气入堆口连通；所述第一引射器的内壁上形成有回流管，所述回流管连通所述燃料电池电堆出口；所述回流管通过调节阀连通有一排放管；所述加湿中冷器与位于所述调节阀输出端的所述排放管连通；
所述氢气子系统包括连通设置的第二引射器和水汽分离器；所述第二引射器与所述燃料电池电堆的阳极气体入堆口连通，所述水汽分离器与所述燃料电池电堆的阳极气体出堆口连通；
所述控制子系统对所述燃料电池中阳极和阴极中的气体流量或浓度和质子交换膜的湿度进行实时监测。
2.根据权利要求1所述的一种空气循环的燃料电池系统，其特征在于：所述燃料电池电堆出口的流体包括所述燃料电池电堆中未反应的空气和水的混合物。
3.根据权利要求2所述的一种空气循环的燃料电池系统，其特征在于：所述燃料电池电堆出口的流体中的水来源于：所述燃料电池电堆阳极反应产生的水和由所述第一引射器加湿后的空气带入的水。
4.根据权利要求1所述的一种空气循环的燃料电池系统，其特征在于：所述燃料电池电堆的阳极气体出堆口的流体包括所述燃料电池电堆中未反应的阳极气体和水的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种空气循环的燃料电池系统，其特征在于：所述水汽分离器与位于所述调节阀输出端的所述排放管连通。
6.基于权利要求1-5任一一项所述的一种空气循环的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、启动燃料电池系统，待燃料电池系统进入稳定状态，控制子系统对燃料系统进行实时监测；
S2、通过第二引射器将阳极气体出堆口的流体引射至水汽分离器，经过气水分离后的未反应的阳极气体，与第二引射器输入端喷射的气体混合后，导入燃料电池电堆阳极，增加氢气子系统中阳极气体的流量和浓度；
S3、检测到燃料电池电堆阳极中阳极气体的流量增加时，空气子系统将大气环境的空气经过过滤、压缩以及冷却后，空气在经过第一引射器时与回流路中引射的部分流体混合，增加了进气空气的流量，且增加了进气空气的湿度，增加空气子系统的过量比，进而调节燃料电池电堆中质子交换膜的湿度。
7.根据权利要求6所述的一种空气循环的燃料电池系统的控制方法，其特征在于：在所述S3中，调节阀的调节开度依据是，使得燃料电池电堆阳极和阴极中的气体浓度匹配达到燃料电池电堆适宜的操作反应条件。
8.根据权利要求6所述的一种空气循环的燃料电池系统的控制方法，其特征在于：在所述S3中，所述空气出堆口中部分流体通过回流管回流至所述第一引射器中，所述空气出堆口中另一部分流体通过调节阀输出至排水管排放。
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