CN114156508A - 一种质子膜燃料电池发动机低温冷起动空气湿度调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种质子膜燃料电池发动机低温冷起动空气湿度调节系统，空气滤清器通过第一管路连通至增湿器的第一进气端，第一管路自空气滤清器至增湿器的第一进气端依次安装空压机、中冷器、三通阀，增湿器的第一出气端通过第二管路连通至三通管的第一端，三通管的第二端通过第三管路连通至电堆的进气端，本发明所述的一种质子膜燃料电池发动机低温冷起动空气湿度调节系统，在零下低温冷起动时，控制器使得三通阀通向增湿器第一进气端的阀门关闭，流向三通阀的空气不经过增湿器，而是依次经过第四管路、三通管、第三管路后进入电堆，满足冷起动空气不加湿需求。

Description

一种质子膜燃料电池发动机低温冷起动空气湿度调节系统

技术领域

本发明属于燃料电池发动机技术领域，尤其是涉及一种质子膜燃料电池发动机低温冷起动空气湿度调节系统。

背景技术

通常情况下，质子交换膜燃料电池发动机运行时，质子交换膜需加湿，使燃料电池保持高效工作；但在零下低温环境下，质子交换膜需少加湿甚至不加湿。

燃料电池以水为产物，停机后电堆内有残留的水存在，残留的水在零度以下会结成冰。结冰可能阻塞电堆阴阳极流道、气体扩散层的物质传输，燃料电池发动机在零下低温冷起动时可能造成反应缺气，导致起动困难或失败；另一方面，燃料电池发动机在零下低温冷起动但整体温度未上升到0℃以上时，反应生成的水也可能在内部结冰，也会导致低温起动失败；因此，燃料电池发动机零下低温冷起动时，为避免电堆内阴极结冰量增加，进入电堆的空气并不需要加湿，或需求的加湿度很小；但在起动运行以后或其它不同环境温度不同运行工况时，进堆空气却需要不同程度的加湿；为此，需要进入电堆的空气湿度可以调节，并且能够精确控制流量，以兼顾发动机在不同环境温度下不同运行工况时对空气湿度的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种质子膜燃料电池发动机低温冷起动空气湿度调节系统，以现有技术在满足空气加湿需求的同时，不能在零下低温环境下冷起动时进行不加湿或加湿度可调的工作。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种质子膜燃料电池发动机低温冷起动空气湿度调节系统，包括三通阀、增湿器、三通管、混合器单元和空气滤清器，空气滤清器通过第一管路连通至增湿器的第一进气端，第一管路自空气滤清器至增湿器的第一进气端依次安装空压机、中冷器、三通阀，增湿器的第一出气端通过第二管路连通至三通管的第一端，三通管的第二端通过第三管路连通至电堆的进气端，三通管的第三端通过第四管路连通至三通阀，增湿器的第二进气端通过第五管路连通至电堆的出气端，增湿器的第二出气端通过第六管路连通至大气，第六管路上安装混合器单元，混合器单元、空压机、三通阀、分别信号连接至控制器。

进一步的，混合器单元包括混合器和背压阀，第六管路自增湿器至大气端依次安装背压阀、混合器，背压阀信号连接至控制器。

进一步的，三通阀为三通电磁阀，背压阀为直流电机蝶阀。

进一步的，空压机为离心式空压机。

相对于现有技术，本发明所述的一种质子膜燃料电池发动机低温冷起动空气湿度调节系统具有以下有益效果：

(1)本发明所述的一种质子膜燃料电池发动机低温冷起动空气湿度调节系统，在零下低温冷起动时，因为处于零下低温环境冷起动工况，为了避免电堆内结冰量增加不利于冷起动，进入电堆的空气不进行加湿，此时控制器使得三通阀通向增湿器第一进气端的阀门关闭，流向三通阀的空气不经过增湿器，而是依次经过第四管路、三通管、第三管路后进入电堆，满足冷起动空气不加湿需求。

(2)本发明所述的一种质子膜燃料电池发动机低温冷起动空气湿度调节系统，冷起动成功后进入其它运行工况，或在其它环境温度运行时，空气需要部分加湿，则控制器使得三通阀通向增湿器第一进气端的阀门开度在0-90°之间，一部分空气通过第一管路进入增湿器，另一部分空气通过第四管路不经过增湿器，加湿和不加湿的空气经过三通管后进入电堆，满足空气加湿度程度可调节需求。

(3)本发明所述的一种质子膜燃料电池发动机低温冷起动空气湿度调节系统，混合器主要功能是使电堆阴极排出的空气稀释阳极排出的少量氢气,使从第六管路大气端排入大气的氢气浓度小于4％(体积分数)，满足国标要求，背压阀用于调整空气入堆压力。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种质子膜燃料电池发动机低温冷起动空气湿度调节系统的示意图。

附图标记说明：

1-空压机；2-中冷器；3-三通阀；4-增湿器；5-三通管；6-电堆；7-混合器；8-背压阀；9-空气滤清器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，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发明和简化描述，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发明的限制。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者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，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。

在本发明的描述中，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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，一种质子膜燃料电池发动机低温冷起动空气湿度调节系统包括：空压机1、中冷器2、三通阀3、增湿器4、三通管5、混合器单元和空气滤清器9，空气滤清器9通过第一管路连通至增湿器4的第一进气端，第一管路自空气滤清器9至增湿器4的第一进气端依次安装空压机1、中冷器2、三通阀3，增湿器4的第一出气端通过第二管路连通至三通管5的第一端，三通管5的第二端通过第三管路连通至电堆6的进气端，三通管5的第三端通过第四管路连通至三通阀3，增湿器4的第二进气端通过第五管路连通至电堆6的出气端，增湿器4的第二出气端通过第六管路连通至大气，第六管路上安装混合器单元，混合器单元、空压机1、三通阀3分别信号连接至控制器，控制器为PLC，且PLC型号为西门子S7-200 smart，空气滤清器9型号FC120，空压机1为离心式空压机，且型号为XT–FCC400(离心式空压机属速度型空压机，在其中有一个或多个旋转叶轮使气体加速，且主气流是径向的)，中冷器2型号为ASM-ZLQ-QSD120，三通阀3型号为ECV-0350B，增湿器4型号为H50N，电堆6型号为SFC-C9HD80，在零下低温冷起动时，因为处于零下低温环境冷起动工况，为了避免电堆6内结冰量增加不利于冷起动，进入电堆6的空气不进行加湿，此时控制器使得三通阀3通向增湿器4第一进气端的阀门关闭，流向三通阀3的空气不经过增湿器4，而是依次经过第四管路、三通管5、第三管路后进入电堆6，满足冷起动空气不加湿需求，冷起动成功后进入其它运行工况，或在其它环境温度运行时，空气需要部分加湿，则控制器使得三通阀3通向增湿器4第一进气端的阀门开度在0-90°之间，一部分空气通过第一管路进入增湿器4，另一部分空气通过第四管路不经过增湿器4，加湿和不加湿的空气经过三通管5后进入电堆6，满足空气加湿度程度可调节需求；

混合器单元包括混合器7和背压阀8，第六管路自增湿器4至大气端依次安装背压阀8、混合器7，背压阀8信号连接至控制器，背压阀8型号为ZF510YT，混合器8型号为NEFC02-MIXER，混合器7主要功能是使电堆6阴极排出的空气稀释阳极排出的少量氢气,使从第六管路大气端排入大气的氢气浓度小于4％(体积分数)，满足国标要求，背压阀8用于调整空气入堆压力；三通阀3为三通电磁阀(便于调节空气加湿程度)，背压阀8为直流电机蝶阀，便于控制器控制。

本发明的工作原理：

在零下低温冷起动时：控制器控制空压机1、三通阀3工作，冷空气先经过空气滤清器9过滤，再通过空压机1增压后，经中冷器2流向三通阀3(冷空气依次经过空气滤清器9、空压机1、中冷器2后到达三通阀3)，由于处于零下低温环境冷起动工况，为了避免电堆6内结冰量增加不利于冷起动，进入电堆6的空气不进行加湿，因此，此时控制器使得三通阀3通向增湿器4第一进气端的阀门关闭(即阀门开度为0°)，流向三通阀3的空气不经过增湿器4，而是依次经过第四管路、三通管5、第三管路后进入电堆6，满足冷起动空气不加湿需求，同时控制器通过控制背压阀8开度，使电堆6阴极排出的空气稀释阳极排出的少量氢气,使从第六管路大气端排入大气的氢气浓度小于4％(体积分数)，满足国标要求，背压阀8用于调整空气入堆压力。

常温或高温工况运行时：进入电堆的空气需要100％加湿，则控制器使得三通阀3通向增湿器4第一进气端的阀门打开(即阀门开度为90°)，空气全部经过增湿器4，因此空气经增湿器100％加湿后通过三通管5进入电堆6，满足空气加湿需求。

冷起动成功后进入其它运行工况，或在其它环境温度运行时，空气需要部分加湿，则控制器使得三通阀3通向增湿器4第一进气端的阀门开度在0-90°之间，一部分空气通过第一管路进入增湿器4(一部分空气依次经过第二管路、三通管5、第三管路后进入电堆6)，另一部分空气通过第四管路不经过增湿器4(另一部分空气依次经过第四管路、三通管5、第三管路后进入电堆6)，加湿和不加湿的空气经过三通管5后进入电堆6，满足空气加湿度程度可调节需求。

本发明的控制方式是通过控制器来控制的，控制器的控制电路通过本领域的技术人员编程即可实现，电源的提供也属于本领域的公知常识，并且本发明主要用来保护机械装置，所以本发明不再详细解释控制方式和电路连接。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (4)

1.一种质子膜燃料电池发动机低温冷起动空气湿度调节系统，其特征在于：包括三通阀(3)、增湿器(4)、三通管(5)、混合器单元和空气滤清器(9)，空气滤清器(9)通过第一管路连通至增湿器(4)的第一进气端，第一管路自空气滤清器(9)至增湿器(4)的第一进气端依次安装空压机(1)、中冷器(2)、三通阀(3)，增湿器(4)的第一出气端通过第二管路连通至三通管(5)的第一端，三通管(5)的第二端通过第三管路连通至电堆(6)的进气端，三通管(5)的第三端通过第四管路连通至三通阀(3)，增湿器(4)的第二进气端通过第五管路连通至电堆(6)的出气端，增湿器(4)的第二出气端通过第六管路连通至大气，第六管路上安装混合器单元，混合器单元、空压机(1)、三通阀(3)分别信号连接至控制器。

2.根据权利要求1所述的一种质子膜燃料电池发动机低温冷起动空气湿度调节系统，其特征在于：混合器单元包括混合器(7)和背压阀(8)，第六管路自增湿器(4)至大气端依次安装背压阀(8)、混合器(7)，背压阀(8)信号连接至控制器。

3.根据权利要求2所述的一种质子膜燃料电池发动机低温冷起动空气湿度调节系统，其特征在于：三通阀(3)为三通电磁阀，背压阀(8)为直流电机蝶阀。

4.根据权利要求1所述的一种质子膜燃料电池发动机低温冷起动空气湿度调节系统，其特征在于：空压机(1)为离心式空压机。

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