CN115020755B - 一种燃料电池系统及其加湿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统及其加湿方法，燃料电池系统包括电堆、空压机、供氢单元、氢气比例阀、气水分离器、氢气循环泵、排水阀、排气阀、三通阀以及液位传感器，所述电堆包括氢气入口、氢气出口、空气入口和空气出口，所述三通阀包括A端、B端和C端，所述气水分离器包括气水入口、气体出口和排水口。本发明通过循环利用气水分离器存储的液态水并采用鼓泡法来适应性地对氢气进行加湿，无需多余的加湿器，大大节约成本，且大大提高了低功率下氢气加湿效果。

Description

一种燃料电池系统及其加湿方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池系统及其加湿方法。
背景技术
氢燃料，是一种清洁、无污染的可再生能源，正在被越来越多的领域使用。氢燃料电池可以将氢气转化为电能和热能，氢燃料电池在工作时，不仅发电效率高，而且具有噪音小、无污染等优点。
燃料电池电堆分为阴极和阳极，在阴极通入空气和在阳极通入氢气，然后氢气和空气中的氧气在膜电极上进行电化学反应。其中，氢气和氧气的电化学反应只有在合适的湿度和温度下运行，才能够产生最佳的反应效果。目前对燃料电池电堆的加湿方案主要有两种：一是外部加湿方案，主要通过阴极侧设置加湿器来加湿燃料电池电堆阳极入口的空气；二是自加湿，通过阳极再循环提高燃料电池电堆阳极入口的氢气湿度，从而实现自加湿。
对于，现有技术方案存在以下缺陷和不足：
1、外部加湿方案需要额外的加湿器，不仅增加了成本，也使燃料电池系统体积变大；
2、自加湿方案对阳极再循环流量要求较高，消耗过多的氢气循环泵功率；
3、干燥环境下，燃料电池系统长时间低功率运行时，上述方案加湿效果有限，可能造成电堆“干烧”（膜电极含水量过低），有损电堆寿命。
发明内容
本发明为解决上述技术问题之一，提供一种燃料电池系统及其加湿方法，通过循环利用气水分离器存储的水并采用鼓泡法来适应性地对氢气进行加湿，无需多余的加湿器，大大节约成本，且大大提高了低功率下电堆加湿效果。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池系统，包括电堆、空压机、供氢单元、氢气比例阀、气水分离器、氢气循环泵、排水阀、排气阀、三通阀以及液位传感器；所述电堆包括氢气入口、氢气出口、空气入口和空气出口，所述三通阀包括A端、B端和C端，所述气水分离器包括气水入口、气体出口和排水口；
所述供氢单元、氢气比例阀和电堆的氢气入口依次连接；电堆的氢气出口连接三通阀的A端，三通阀的B端连接气水分离器的气水入口，三通阀的C端连接排水阀和气水分离器的排水口；所述气水分离器的气体出口、氢气循环泵和电堆的氢气入口依次连接；所述气水分离器的排水口连接排水阀，气水分离器的气体出口连接排气阀；所述液位传感器连接气水分离器或者液位传感器直接内置于气水分离器；
所述气水分离器用于接收电堆氢气出口的气水混合物，并将液态水从气体中分离，气体从气体出口出去，液态水存储于气水分离器内；
所述排水阀用于排放气水分离器的液态水；
所述排气阀用于排出电堆阳极侧积累的氮气；
所述氢气循环泵用于输送气水分离器气体出口的气体再循环进入电堆阳极；
所述三通阀用于：当电堆输出电流小于第四电流阈值时，三通阀的A-C端连通且A-B端闭合，从电堆氢气出口出来的尾气通过三通阀的A端流向C端后到达气水分离器的排水口，最后进入气水分离器；当电堆输出电流大于等于第四电流阈值且小于第三电流阈值时，三通阀保持上一状态；当电堆输出电流大于等于第三电流阈值且小于第二电流阈值时，三通阀的A-C端和A-B端均连通，从电堆氢气出口出来尾气进入三通阀的A端后，一部分通过三通阀的B端从气水分离器的气水入口进入气水分离器，另一部分通过三通阀的C端从气水分离器的排水口进入气水分离器；当电堆输出电流大于等于第二电流阈值且小于第一电流阈值时，三通阀保持上一状态；当电堆输出电流大于等于第一电流阈值时，三通阀的A-B端连通且A-C端闭合；从电堆氢气出口出来的气水混合物通过三通阀的A端流向B端后到达气水分离器的气水入口，最后进入气水分离器。
本发明另一目的是提供一种燃料电池系统的加湿方法，其运行于所述的一种燃料电池系统上，包括以下步骤：
步骤S2、设定第一电流阈值、第二电流阈值、第三电流阈值和第四电流阈值，且第一电流阈值＞第二电流阈值＞第三电流阈值>第四电流阈值；燃料电池系统正常运转过程中，实时监测电堆的输出电流；
步骤S3、当电堆输出电流小于第四电流阈值时，三通阀的A-C端连通且A-B端闭合，从电堆氢气出口出来的尾气通过三通阀的A端流向C端后到达气水分离器的排水口，最后进入气水分离器，返回步骤S2；
当电堆输出电流大于等于第四电流阈值且小于第三电流阈值时，三通阀保持上一状态；
当电堆输出电流大于等于第三电流阈值且小于第二电流阈值时，三通阀的A-C端和A-B端均连通，从电堆氢气出口出来的尾气进入三通阀的A端后，一部分通过三通阀的B端从气水分离器的气水入口进入气水分离器，另一部分通过三通阀的C端从气水分离器的排水口进入气水分离器，返回步骤S2；
当电堆输出电流大于等于第二电流阈值且小于第一电流阈值时，三通阀保持上一状态；
当电堆输出电流大于等于第一电流阈值时，三通阀的A-B端连通且A-C端闭合；从电堆氢气出口出来的气水混合物通过三通阀的A端流向B端后到达气水分离器的气水入口，最后进入气水分离器，返回步骤S2；
进一步的，所述步骤S2前还包括步骤S1、在电堆阳极侧，供氢单元供应的氢气通过氢气比例阀后从氢气入口进入电堆阳极，氢气在阳极发生电化学反应后，剩余的气水混合物从电堆的氢气出口排至三通阀，从A端流向B端后通过气水分离器的进入气水分离器，其中，三通阀的A-B端连通且A-C端闭合；
气水分离器分离气水混合物得到气体和液态水，液态水存储于气水分离器内，气体从气水分离器的气体出口排至氢气循环泵，氢气循环泵重新将气体输入电堆阳极；
其中，电堆阴极侧会有一定量的氮气渗透进去阳极，排气阀定时开启并排出阳极侧积累的氮气；液位传感器实时监测气水分离器的蓄水量，控制排水阀来维持气水分离器存储的液态水容量。
进一步的，所述步骤S3后还包括步骤S4、当燃料电池系统停机时，三通阀的A-B端连通且A-C端闭合，打开排水阀，排空气水分离器的积水。
采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：本发明通过自适应性地对氢气尾气进行全加湿或者半加湿或者不加湿，灵活高效，且无需多余的加湿器，大大节约成本；本发明通过对气水分离器的储水并采用鼓泡法给氢气尾气加湿，大大提高低功率下加湿效率。
附图说明
图1为本发明一种燃料电池系统的结构示意图。
图2为本发明气水分离器、三通阀和排水阀之间连接方式的放大图。
图3为本发明气水分离器和电堆之间的位置关系图。
图4为本发明加湿方法中输出电流与三通阀状态关系图。
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
如图1和图2所示，本实施例公开一种燃料电池系统，包括电堆1、空压机2、供氢单元3、氢气比例阀4、气水分离器5、氢气循环泵6、排水阀7、排气阀8、三通阀9以及液位传感器10，所述电堆1包括氢气入口、氢气出口、空气入口和空气出口，所述三通阀9包括A端、B端和C端，所述气水分离器5包括气水入口51、气体出口52和排水口53。
所述空压机2连接电堆1的空气入口，空压机用于给电堆1供应空气，空气从电堆1的空气入口进入后，然后空气尾气从电堆1的空气出口排出。
所述供氢单元3、氢气比例阀4和电堆1的氢气入口依次连接；电堆1的氢气出口连接三通阀9的A端，三通阀9的B端连接气水分离器5的气水入口51，三通阀9的C端连接排水阀7和气水分离器5的排水口53；所述气水分离器5的气体出口52、氢气循环泵6和电堆1的氢气入口依次连接；所述气水分离器5的排水口53连接排水阀7，气水分离器5的气体出口52连接排气阀8。
所述液位传感器10连接气水分离器5或者液位传感器10直接内置于气水分离器5，气水分离器5用于接收电堆1氢气出口的气水混合物，并将液态水从气体中分离，气体从气水分离器5的气体出口52出去，液态水存储于气水分离器5内，通过控制排水阀7来控制气水分离器5的液态水排放，所述液位传感器10用于检测气水分离器5的液态水容量。
如图3所示，气水分离器5紧贴电堆1的壳体，目的是为了防止气水分离器5散热而温度降低，以维持气水分离器5内储水较高温度，保证鼓泡加湿时的效果。
所述三通阀9用于：当电堆1输出电流小于第四电流阈值时，三通阀9的A-C端连通且A-B端闭合，从电堆1氢气出口出来的尾气通过三通阀9的A端流向C端后到达气水分离器5的排水口53，最后进入气水分离器5；当电堆1输出电流大于等于第四电流阈值且小于第三电流阈值时，三通阀9保持上一状态；当电堆1输出电流大于等于第三电流阈值且小于第二电流阈值时，三通阀9的A-C端和A-B端均连通，从电堆1氢气出口出来的尾气进入三通阀9的A端后，一部分通过三通阀9的B端和气水分离器5的气水入口51进入气水分离器5，另一部分通过三通阀9的C端和气水分离器5的排水口53进入气水分离器5；当电堆1输出电流大于等于第二电流阈值且小于第一电流阈值时，三通阀9保持上一状态；当电堆输出电流大于等于第一电流阈值时，三通阀9的AB端连通且AC端闭合；从电堆1氢气出口出来的气水混合物通过三通阀9的A端流向B端后到达气水分离器5的气水入口51，最后进入气水分离器5。
所述氢气循环泵6用于输送气水分离器5气体出口52的气体重新进入电堆1阳极。
所述排气阀8用于排出电堆1阳极侧积累的氮气。
本实施例通过自适应性地对氢气尾气进行全加湿或者半加湿或者不加湿，灵活高效，且无需多余的加湿器，大大节约成本。
实施例2
本实施例是在实施例1一种燃料电池系统基础上，公开一种燃料电池系统的加湿方法，其运行于一种燃料电池系统上，如图4所示，包括以下步骤：
步骤S1、燃料电池系统正常运转过程中，在电堆1阴极侧，空压机2给电堆1阴极供应空气；电堆1阴极的空气进行电化学反应后生成水，电堆1阴极中的一部分水会渗透进入电堆1阳极，另一部分水被空气带走并从空气出口排出电堆1；
在电堆1阳极侧，供氢单元3供应的氢气通过氢气比例阀4后从氢气入口进入电堆1阳极，发生电化学反应，高功率下，气水混合物从电堆1的氢气出口排至三通阀9，气水混合物从三通阀9的A端流向B端后通过气水分离器5的气水入口51进入气水分离器5，其中，三通阀9的A-B端连通且A-C端闭合；
气水分离器5分离气水混合物得到气体和液态水，液态水存储于气水分离器5内，气体从气水分离器5的气体出口52排至氢气循环泵6，氢气循环泵6重新将气体输入电堆1阳极；
其中，阴极侧会有一定量的氮气渗透进去阳极，排气阀8定时开启并排出阳极侧积累的氮气；液位传感器10实时监测气水分离器5的蓄水量，控制排水阀7来维持气水分离器5存储的液态水容量；
步骤S2、设定第一电流阈值、第二电流阈值、第三电流阈值和第四电流阈值，且第一电流阈值＞第二电流阈值＞第三电流阈值>第四电流阈值；燃料电池系统正常运转过程中，实时监测电堆1的输出电流；
步骤S3、当电堆1输出电流小于第四电流阈值时，三通阀9的A-C端连通且A-B端闭合，从电堆1氢气出口出来的尾气（低功率时出来的气体，没有液态水）通过三通阀9的A端流向C端后到达气水分离器5的排水口53，最后进入气水分离器5，返回步骤S2；此过程的好处是：输出电流小于第四电流阈值时，说明电堆1处于很低功率运行，膜电极含水量低，且易出现含水量持续降低的情况，为防止电堆“干烧”，阳极需要进行较高水平加湿，电堆1氢气出口的干燥尾气以鼓泡的方式穿过气水分离器5的积水，能够夹带较多的水分，通过氢气循环泵6重新输入至电堆1的阳极，大大提高了电堆1阳极的加湿效果，且无需多余的加湿器，节约了成本；
当电堆输出电流大于等于第四电流阈值且小于第三电流阈值时，三通阀9保持上一状态，不对三通阀9做出改变，三通阀9的上一状态可以是A-C端连通且A-B端闭合，也可以是A-C端和A-B端均连通；
当电堆1输出电流大于等于第三电流阈值且小于第二电流阈值时，三通阀9的A-C端和A-B端均连通，尾气可通过三通阀9的A端同时流向B端和C端，即从从电堆1氢气出口出来的尾气进入三通阀9的A端后，一部分通过三通阀9的B端从气水分离器5的气水入口51进入气水分离器5，另一部分通过三通阀9的C端从气水分离器5的排水口53进入气水分离器5，返回步骤S2；三通阀9的A-C端全开且A-B端全开，部分尾气进入三通阀9的B端，另外部分尾气进入三通阀9的C端；此过程的好处是：当输出电流处于该范围时，代表着电堆1处于较低功率运行，部分加湿即可满足电堆湿度需求，所以三通阀9的A-C端和A-B端均全开，只让部分尾气进行鼓泡加湿，一定程度上提高电堆1氢气入口湿度；
当电堆1输出电流大于等于第二电流阈值且小于第一电流阈值时，三通阀维持上一状态，不对三通阀9做出改变，三通阀9的上一状态可以是A-C端和A-B端均连通，还可以是A-B端连通且A-C端闭合；
当电堆输出电流大于等于第一电流阈值时，三通阀9的A-B端连通且A-C端闭合；从电堆1氢气出口出来的气水混合物（高功率时出来的是气水混合物）通过三通阀9的A端流向B端后到达气水分离器5的气水入口51，最后进入气水分离器5，返回步骤S2；此过程的好处是：当输出电流处于该范围时，代表电堆1处于高功率运行，电堆含水量高，无需再对氢气进行鼓泡加湿，电堆1氢气出口的气水混合物全部通过气水分离器5入口进入，将液态水分离，并通过控制排水阀7使气水分离器5存储一定容量的液态水，以备低功率时加湿使用，高功率时存储液态水，低功率时加湿使用；
步骤S4、当燃料电池系统停机时，三通阀9的A端向B端连通且A端向C端闭合，打开排水阀7，排空气水分离器5的积水。
本实施例通过自适应性地对氢气尾气进行全加湿或者半加湿或者不加湿，灵活高效，且无需多余的加湿器，大大节约成本；通过使用气水分离器的储水采用鼓泡法给氢气尾气加湿，大大提高低功率时的加湿效率。
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 (4)

1.一种燃料电池系统，包括电堆、空压机、供氢单元、氢气比例阀、气水分离器、氢气循环泵和排水阀，其特征在于，还包括排气阀、三通阀以及液位传感器；所述电堆包括氢气入口、氢气出口、空气入口和空气出口，所述三通阀包括A端、B端和C端，所述气水分离器包括气水入口、气体出口和排水口；
所述供氢单元、氢气比例阀和电堆的氢气入口依次连接；电堆的氢气出口连接三通阀的A端，三通阀的B端连接气水分离器的气水入口，三通阀的C端连接排水阀和气水分离器的排水口；所述气水分离器的气体出口、氢气循环泵和电堆的氢气入口依次连接；所述气水分离器的排水口连接排水阀，气水分离器的气体出口连接排气阀；所述液位传感器连接气水分离器或者液位传感器直接内置于气水分离器；
所述气水分离器用于接收电堆氢气出口的气水混合物，并将液态水从气体中分离，气体从气体出口出去，液态水存储于气水分离器内；
所述排水阀用于排放气水分离器的液态水；
所述排气阀用于排出电堆阳极侧积累的氮气；
所述氢气循环泵用于输送气水分离器气体出口的气体再循环进入电堆阳极；
所述三通阀用于：当电堆输出电流小于第四电流阈值时，三通阀的A-C端连通且A-B端闭合，从电堆氢气出口出来的尾气通过三通阀的A端流向C端后到达气水分离器的排水口，最后进入气水分离器；当电堆输出电流大于等于第四电流阈值且小于第三电流阈值时，三通阀保持上一状态；当电堆输出电流大于等于第三电流阈值且小于第二电流阈值时，三通阀的A-C端和A-B端均连通，从电堆氢气出口出来尾气进入三通阀的A端后，一部分通过三通阀的B端从气水分离器的气水入口进入气水分离器，另一部分通过三通阀的C端从气水分离器的排水口进入气水分离器；当电堆输出电流大于等于第二电流阈值且小于第一电流阈值时，三通阀保持上一状态；当电堆输出电流大于等于第一电流阈值时，三通阀的A-B端连通且A-C端闭合；从电堆氢气出口出来的气水混合物通过三通阀的A端流向B端后到达气水分离器的气水入口，最后进入气水分离器。
2.一种燃料电池系统的加湿方法，其运行于权利要求1所述的一种燃料电池系统上，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S2、设定第一电流阈值、第二电流阈值、第三电流阈值和第四电流阈值，且第一电流阈值＞第二电流阈值＞第三电流阈值>第四电流阈值；燃料电池系统正常运转过程中，实时监测电堆的输出电流；
步骤S3、当电堆输出电流小于第四电流阈值时，三通阀的A-C端连通且A-B端闭合，从电堆氢气出口出来的尾气通过三通阀的A端流向C端后到达气水分离器的排水口，最后进入气水分离器，返回步骤S2；
当电堆输出电流大于等于第四电流阈值且小于第三电流阈值时，三通阀保持上一状态；
当电堆输出电流大于等于第三电流阈值且小于第二电流阈值时，三通阀的A-C端和A-B端均连通，从电堆氢气出口出来的尾气进入三通阀的A端后，一部分通过三通阀的B端从气水分离器的气水入口进入气水分离器，另一部分通过三通阀的C端从气水分离器的排水口进入气水分离器，返回步骤S2；
当电堆输出电流大于等于第二电流阈值且小于第一电流阈值时，三通阀保持上一状态；
当电堆输出电流大于等于第一电流阈值时，三通阀的A-B端连通且A-C端闭合；从电堆氢气出口出来的气水混合物通过三通阀的A端流向B端后到达气水分离器的气水入口，最后进入气水分离器，返回步骤S2。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池系统的加湿方法，其特征在于，所述步骤S2前还包括步骤S1、在电堆阳极侧，供氢单元供应的氢气通过氢气比例阀后从氢气入口进入电堆阳极，氢气在阳极发生电化学反应后，剩余的气水混合物从电堆的氢气出口排至三通阀，从A端流向B端后通过气水分离器的进入气水分离器，其中，三通阀的A-B端连通且A-C端闭合；
气水分离器分离气水混合物得到气体和液态水，液态水存储于气水分离器内，气体从气水分离器的气体出口排至氢气循环泵，氢气循环泵重新将气体输入电堆阳极；
其中，电堆阴极侧会有一定量的氮气渗透进去阳极，排气阀定时开启并排出阳极侧积累的氮气；液位传感器实时监测气水分离器的蓄水量，控制排水阀来维持气水分离器存储的液态水容量。
4.根据权利要求2或3所述的一种燃料电池系统的加湿方法，其特征在于，所述步骤S3后还包括步骤S4、当燃料电池系统停机时，三通阀的A-B端连通且A-C端闭合，打开排水阀，排空气水分离器的积水。
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