CN114628735B - 一种燃料电池电堆的空气排水系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池电堆的空气排水系统及其方法，空气排水系统包括燃料电池电堆、温度传感器、空压机、中冷器、散热器、三通阀、冷凝器、水箱、消音器、第一管路、第二管路和保护罩；温度传感器外设于燃料电池电堆，空压机、中冷器和燃料电池电堆的阴极入口依次连接，燃料电池电堆的阴极出口、冷凝器、水箱和消音器依次连接；冷凝器和水箱通过第一管路连接，水箱和消音器通过第二管路连接；三通阀的C口连接保护罩，第一管路、水箱、第二管路以及消音器均设置于保护罩内部。本发明可以使得在极端天气情况下能够避免第一管路、水箱、第二管路和消音器发生结冰状况，吹扫的热风是直接引用于散热器，无需额外的制热风装置，达到节能作用。

Description

一种燃料电池电堆的空气排水系统及其方法

技术领域

本发明涉及燃料电池电堆技术领域，特别涉及一种燃料电池电堆的空气排水系统及其方法。

背景技术

燃料电池是一种将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置，相比煤、石油、天然气等传统能源有着巨大的优势，是解决环境污染和能源危机的有效手段，燃料电池的燃料一般是氢气、甲醇、甲烷等，空气或氧气等为氧化剂。在燃料电池电堆由若干双极板和若干膜电极配合连接叠堆组成，空气和氢气在从双极板进来后在膜电极上进行反应生成水，生成的水需要从燃料电池电堆内部排出去。

现有技术中，有直接将水蒸气和空气排放外界环境或者加一个消音器后直接将水蒸气和空气排放外界环境。又由于燃料电池电堆排放的水蒸气具有一定的循环利用作用，因此现有技术也有需要对水进行回收，回收的水可以用于各类加湿器或冷却液等等，通过设置冷凝器冷却水以及水箱存储水，并且各个设备都通过塑料水管进行连接。但设置的水箱、消音器、塑料水管，如果在极度低温的情况下就容易产生结冰，导致通路被堵塞，从而导致燃料电池电堆无法正常工作运行。若直接设置一个加热装置用于处理水箱、消音器、塑料水管的结冰问题，则会增加更多成本以及消耗自身更多的电能。

发明内容

本发明为解决上述技术问题之一，提供一种燃料电池电堆的空气排水系统及其方法，可以使得在极端天气情况下（例如零下几十度时），能够避免水箱和消音器发生结冰状况，吹扫的热风是直接引用于散热器，无需额外的制热风装置，达到节能作用。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池电堆的空气排水方法，所述空气排水方法运行于空气排水系统中，所述空气排水系统包括燃料电池电堆、空压机、中冷器、散热器、三通阀、冷凝器、第一管路、水箱、第二管路和消音器，空压机、中冷器和燃料电池电堆依次连接，燃料电池电堆、散热器和三通阀依次连接，燃料电池电堆、冷凝器、第一管路、水箱、第二管路和消音器依次连接；所述空气排水方法包括以下步骤：

步骤S2、燃料电池电堆运行过程中，温度传感器检测燃料电池电堆的外界温度；

当外界温度低于一定阈值时，冷凝器停止运行；关闭三通阀的B口和开启三通阀的C口，此时散热器的热风从三通阀的A口流向C口；热风从C口排出并向第一管路、水箱、第二管路和消音器进行吹扫；

其中，三通阀包括A口、B口和C口，A口连接散热器的散热风口。

进一步的，所述的一种燃料电池电堆的空气排水方法，在步骤S2前还包括步骤S1：

开启燃料电池电堆、空压机、中冷器、散热器和冷凝器，开启三通阀的B口和关闭三通阀的C口；

空压机抽取空气，空气从中冷器进去燃料电池电堆；空气在燃料电池电堆内进行电化学反应后产生空气尾气，且空气尾气夹带水蒸气；空气尾气和水蒸气从燃料电池电堆出来并进入冷凝器；水蒸气经过冷凝器后变成液态水，液态水和空气尾气进入水箱，空气从水箱排放到达消音器，消音器将空气排出外界环境，其中，液态水流入水箱后，若水箱内的液态水已经超过水箱内部预先设置的临界液面，则超过临界液面的液态水排放至消音器，消音器将液态水排出外界环境；

散热器将内部的冷却液进行制冷至一定温度后，将冷却液输入燃料电池电堆，冷却液在燃料电池电堆内部流动并带走热量，冷却液从燃料电池电堆出来后又回到散热器内部。

进一步的，所述步骤S2中的一定阈值设为零摄氏度。

进一步的，所述热风从C口排出并向第一管路、水箱、第二管路和消音器进行吹扫，其中，三通阀的C口连接一个保护罩，第一管路、水箱、第二管路以及消音器设于保护罩内，热风从C口吹进保护罩，使得热风能够均匀地对第一管路、水箱、第二管路以及消音器进行吹扫。

本发明另一目的是提供一种燃料电池电堆的空气排水系统，包括燃料电池电堆、空压机、中冷器、散热器、冷凝器、水箱和消音器，所述燃料电池电堆包括阴极入口、阴极出口、冷却液入口和冷却液出口，空压机、中冷器和燃料电池电堆的阴极入口依次连接，燃料电池电堆的阴极出口、冷凝器、水箱和消音器依次连接，燃料电池电堆的冷却液入口和冷却液出口均连接散热器；所述空气排水系统还包括温度传感器和三通阀，所述三通阀包括A口、B口和C口，所述散热器包括散热风口；

所述温度传感器外设于燃料电池电堆，所述散热器的散热风口连接三通阀的A口；

所述温度传感器用于检测燃料电池电堆的外界温度；

所述空压机用于抽取空气并将空气输给燃料电池电堆，所述中冷器用于将空气降温从而使空气稳定在一定温度值；

所述冷凝器用于将燃料电池电堆的空气尾气夹带的水蒸气冷却成液态水，并将液态水和空气尾气输入至水箱内；

所述水箱用于存储液态水以及排放空气尾气，当水箱内的液态水超过水箱内部预先设置的临界液面，水箱将液态水进行排放；

所述消音器用于接收水箱排放的液态水和空气尾气，并对液态水和空气尾气进行消音后再排放至外界；

所述散热器用于对接收和制冷燃料电池电堆的冷却液，冷却液在燃料电池电堆内部流动并带走燃料电池电堆的热量；

所述三通阀用于：在不需要利用散热器的热风时，三通阀将热风从A口流向B口排放至外界环境；在需要利用散热器的热风时，三通阀将热风从A口流向C口，热风对水箱以及消音器进行吹扫。

进一步的，所述的一种燃料电池电堆的空气排水系统还包括第一管路和第二管路，所述冷凝器和水箱通过第一管路连接，所述水箱和消音器通过第二管路连接；三通阀将热风从A口流向C口时，热风对第一管路、水箱、第二管路以及消音器进行吹扫。

进一步的，所述的一种燃料电池电堆的空气排水系统还包括保护罩，所述三通阀的C口连接保护罩，所述第一管路、水箱、第二管路以及消音器均设置于保护罩内部。

进一步的，所述第一管路和第二管路均为硅胶水管或橡胶水管。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：本发明设置的三通阀，直接引用散热器的热风吹扫第一管路、水箱、第二管路以及消音器，避免了液态水在第一管路、水箱、第二管路以及消音器内因为低温环境从而结冰；本发明在低温时关闭冷凝器，可大大节省电能的利用；本发明设置的保护罩，且第一管路、水箱、第二管路以及消音器均设于保护罩内部，有利于均匀吹扫第一管路、水箱、第二管路以及消音器均设于保护罩，并且不让吹扫的热风在极端的天气下快速降温。

附图说明

图1为本发明一种燃料电池电堆的空气排水系统的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

实施例1

本实施例1具体公开一种燃料电池电堆的空气排水系统，空气排水系统是直接回收并利用自身散热器的散热风，对相应的排水设备进行吹扫，防止在低温的时候排水设备里面的水结冰。

如图1所示，空气排水系统包括燃料电池电堆1、温度传感器2、空压机3、中冷器4、散热器5、三通阀6、冷凝器7、水箱8、消音器9、第一管路10、第二管路11和保护罩12；所述燃料电池电堆1包括阴极入口、阴极出口、冷却液入口和冷却液出口，所述散热器5包括散热风口，所述三通阀6包括A口、B口和C口。

所述温度传感器2外设于燃料电池电堆1，空压机3、中冷器4和燃料电池电堆1的阴极入口依次连接，燃料电池电堆1的阴极出口、冷凝器7、水箱8和消音器9依次连接；其中，冷凝器7和水箱8通过第一管路10连接，水箱8和消音器9通过第二管路11连接；优选的，第一管路10和第二管路11均为硅胶水管或橡胶水管；燃料电池电堆1的冷却液入口和冷却液出口均连接散热器5，所述散热器5的散热风口连接三通阀6的A口，三通阀6的C口连接保护罩12，第一管路10、水箱8、第二管路11以及消音器9均设置于保护罩12内部。

温度传感器2用于检测燃料电池电堆1的外界温度。

空压机3用于抽取空气并将空气输给燃料电池电堆1，由于空气经过空压机3后会变热，因此中冷器4用于将空气降温从而使空气稳定在一定温度值。

冷凝器7用于将燃料电池电堆1的空气尾气夹带的水蒸气冷却成液态水，并将液态水和空气尾气输入至水箱8内。其中，当水箱8内的液态水已经足够多的时候，可以直接停止冷凝器7运行，水蒸气直接从水箱8和消音器9排出。

水箱8用于存储液态水以及排放空气尾气，当水箱8内的液态水过多（即超过水箱8内部预先设置的临界液面），水箱8将液态水排放。

消音器9用于接收水箱8排放的液态水和空气尾气，并对液态水和空气尾气进行消音后再排放至外界。

所述散热器5用于对接收和制冷燃料电池电堆1的冷却液，冷却液在燃料电池电堆1内部流动并带走燃料电池电堆1的热量。

所述三通阀6用于：在不需要利用散热器5的热风时，三通阀6将热风从A口流向B口排放至外界环境；在需要利用散热器5的热风时，三通阀6将热风从A口流向C口排放至保护罩12内，热风对第一管路10、水箱8、第二管路11以及消音器9进行吹扫。

本实施例的主要用处为：

外界环境的温度在低于或等于一定阈值（如在零摄氏度时，结冰临界点）的情况下，停止冷凝器7运行，散热器5的热风直接吹扫第一管路10、水箱8、第二管路11以及消音器9，避免了液态水在第一管路10、水箱8、第二管路11以及消音器9内因为低温环境从而结冰，其中冷凝器7无需进行吹扫，是因为刚刚从燃料电池电堆1出来的水蒸气是比较热的，不会一下子结冰，而最容易结冰的是消音器和水箱，水蒸气经过第一管路10、第二管路11也会发生结冰情况；水箱8内的水一旦发生结冰，那么就会影响到本发明所述空气排水系统所处于的燃料电池发动机系统或燃料电池汽车相关设备，例如燃料电池发动机应用一系列加湿器设备、燃料电池汽车正常用水设备；消音器一旦结冰，直接堵塞了空气和水的排放，那么燃料电池电堆1就会无法正常工作；

另外，外界环境的温度在高于一定阈值时，不发生结冰状况，无需对第一管路10、水箱8、第二管路11以及消音器9，因为一直吹扫热风的话，容易造成第一管路10、水箱8、第二管路11以及消音器9过早老化；而且冷凝器7需要正常运行，这样才能将水蒸气变成液态水并保存于水箱内，水箱的水用于供应空气端的加湿器或者氢气端的加湿器等等，还有补充冷却液作用。

本发明在低温时关闭冷凝器7，可大大节省电能的利用，以及直接采用散热器5的热风进行吹扫第一管路10、水箱8、第二管路11以及消音器9，使得能量能够重复利用，产生了较大的节能作用。

本发明设置的保护罩12，且第一管路10、水箱8、第二管路11以及消音器9均设于保护罩12内部，有利于均匀吹扫第一管路10、水箱8、第二管路11以及消音器9均设于保护罩12，并且不让吹扫的热风在极端的天气下快速降温。

实施例2

本实施例在实施例1一种燃料电池电堆的空气排水系统的基础上，公开一种燃料电池电堆的空气排水方法，步骤包括：

步骤S1、开启燃料电池电堆1、空压机3、中冷器4、散热器5和冷凝器7，开启三通阀6的B口和关闭三通阀6的C口；

空压机3抽取空气，空气从中冷器4、进去燃料电池电堆1；空气在燃料电池电堆1内进行电化学反应后产生空气尾气，且空气尾气夹带水蒸气；空气尾气和水蒸气从燃料电池电堆1出来并进入冷凝器7；水蒸气经过冷凝器7后变成液态水，液态水和空气尾气进入水箱8，空气从水箱8排放到达消音器9，消音器9将空气排出外界环境，其中，液态水流入水箱后，若水箱8内的液态水已经超过水箱8内部预先设置的临界液面，则超过临界液面的液态水排放至消音器9，消音器9将液态水排出外界环境；

散热器5将内部的冷却液进行制冷至一定温度后，将冷却液输入燃料电池电堆4，冷却液在燃料电池电堆4内部流动并带走热量，冷却液从燃料电池电堆出来后又回到散热器5内部；

步骤S2、燃料电池电堆1运行过程中，温度传感器2检测燃料电池电堆1的外界温度；

当外界温度低于一定阈值时，冷凝器停止运行；优选的，一定阈值设为零摄氏度；

关闭三通阀的B口和开启三通阀的C口，此时散热器5的热风从三通阀的A口流向C口；热风从C口排出并向第一管路10、水箱8、第二管路11和消音器9进行吹扫；优选的，三通阀的C口连接一个保护罩12，第一管路10、水箱8、第二管路11以及消音器9设于保护罩12内，热风从C口吹进保护罩12，使得热风能够均匀地对第一管路10、水箱8、第二管路11以及消音器9进行吹扫。

本实施例的空气排水方法可以使得在极端天气情况下（例如零下几十度时），能够避免水箱和消音器发生结冰状况，若发生结冰状况，则会严重破坏正常的水箱排气排水用水功能和消音器排气排水功能，甚至更为严重的会造成燃料电池电堆无法正常工作。而且，吹扫的热风是直接引用于散热器5，无需额外的制热风装置，达到节能作用，另外关闭冷凝器7的运行，更进一步地节约电能。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (3)

1.一种燃料电池电堆的空气排水方法，所述空气排水方法运行于空气排水系统中，所述空气排水系统包括燃料电池电堆、空压机、中冷器、散热器、三通阀、冷凝器、第一管路、水箱、第二管路和消音器，空压机、中冷器和燃料电池电堆依次连接，燃料电池电堆、散热器和三通阀依次连接，燃料电池电堆、冷凝器、第一管路、水箱、第二管路和消音器依次连接；其中，三通阀包括A口、B口和C口，A口连接散热器的散热风口；其特征在于，所述空气排水方法包括以下步骤：

步骤S1、开启燃料电池电堆、空压机、中冷器、散热器和冷凝器，开启三通阀的B口和关闭三通阀的C口；

空压机抽取空气，空气从中冷器进入燃料电池电堆；空气在燃料电池电堆内进行电化学反应后产生空气尾气，且空气尾气夹带水蒸气；空气尾气和水蒸气从燃料电池电堆出来并进入冷凝器；水蒸气经过冷凝器后变成液态水，液态水和空气尾气进入水箱，空气从水箱排放到达消音器，消音器将空气排出外界环境，其中，液态水流入水箱后，若水箱内的液态水已经超过水箱内部预先设置的临界液面，则超过临界液面的液态水排放至消音器，消音器将液态水排出外界环境；

散热器将内部的冷却液进行制冷至一定温度后，将冷却液输入燃料电池电堆，冷却液在燃料电池电堆内部流动并带走热量，冷却液从燃料电池电堆出来后又回到散热器内部；

步骤S2、燃料电池电堆运行过程中，温度传感器检测燃料电池电堆的外界温度；

当外界温度低于一定阈值时，冷凝器停止运行；关闭三通阀的B口和开启三通阀的C口，此时散热器的热风从三通阀的A口流向C口；热风从C口排出并向第一管路、水箱、第二管路和消音器进行吹扫，其中，三通阀的C口连接一个保护罩，第一管路、水箱、第二管路以及消音器设于保护罩内，热风从C口吹进保护罩，使得热风能够均匀地对第一管路、水箱、第二管路以及消音器进行吹扫。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆的空气排水方法，其特征在于，所述步骤S2中的一定阈值设为零摄氏度。

3.一种燃料电池电堆的空气排水系统，包括燃料电池电堆、空压机、中冷器、散热器、冷凝器、水箱和消音器，所述燃料电池电堆包括阴极入口、阴极出口、冷却液入口和冷却液出口，空压机、中冷器和燃料电池电堆的阴极入口依次连接，燃料电池电堆的阴极出口、冷凝器、水箱和消音器依次连接，燃料电池电堆的冷却液入口和冷却液出口均连接散热器；其特征在于，所述空气排水系统还包括温度传感器和三通阀，所述三通阀包括A口、B口和C口，所述散热器包括散热风口；

所述温度传感器外设于燃料电池电堆，所述散热器的散热风口连接三通阀的A口；

所述温度传感器用于检测燃料电池电堆的外界温度；

所述空压机用于抽取空气并将空气输给燃料电池电堆，所述中冷器用于将空气降温从而使空气稳定在一定温度值；

所述冷凝器用于将燃料电池电堆的空气尾气夹带的水蒸气冷却成液态水，并将液态水和空气尾气输入至水箱内；

所述水箱用于存储液态水以及排放空气尾气，当水箱内的液态水超过水箱内部预先设置的临界液面，水箱将液态水进行排放；

所述消音器用于接收水箱排放的液态水和空气尾气，并对液态水和空气尾气进行消音后再排放至外界；

所述散热器用于接收燃料电池电堆的冷却液并制冷冷却液，冷却液在燃料电池电堆内部流动并带走燃料电池电堆的热量；

所述三通阀用于：在不需要利用散热器的热风时，三通阀将热风从A口流向B口排放至外界环境；在需要利用散热器的热风时，三通阀将热风从A口流向C口，热风对水箱以及消音器进行吹扫；

所述空气排水系统还包括第一管路和第二管路，所述冷凝器和水箱通过第一管路连接，所述水箱和消音器通过第二管路连接；三通阀将热风从A口流向C口时，热风对第一管路、水箱、第二管路以及消音器进行吹扫；

所述空气排水系统还包括保护罩，所述三通阀的C口连接保护罩，所述第一管路、水箱、第二管路以及消音器均设置于保护罩内部。

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