CN115133071A - 质子交换膜燃料电池阴极水管理系统 - Google Patents
质子交换膜燃料电池阴极水管理系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115133071A CN115133071A CN202210613031.9A CN202210613031A CN115133071A CN 115133071 A CN115133071 A CN 115133071A CN 202210613031 A CN202210613031 A CN 202210613031A CN 115133071 A CN115133071 A CN 115133071A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- module
- water
- fuel cell
- air
- liquid
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 194
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 121
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 36
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 115
- 230000005587 bubbling Effects 0.000 claims abstract description 38
- 238000000889 atomisation Methods 0.000 claims abstract description 26
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims abstract description 24
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 18
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 11
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 33
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 14
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 8
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 8
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 7
- 230000036647 reaction Effects 0.000 claims description 7
- 230000001502 supplementing effect Effects 0.000 claims description 7
- 239000013589 supplement Substances 0.000 claims description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 3
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 3
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 claims description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 3
- 238000004064 recycling Methods 0.000 claims description 3
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 abstract description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 2
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04828—Humidity; Water content
- H01M8/04835—Humidity; Water content of fuel cell reactants
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
本发明公开了一种质子交换膜燃料电池阴极水管理系统。该系统包括空气压缩模块、空气计量和加湿模块、空气雾化模块、氢气供应模、燃料电池堆模块、湿度监测模块、压降值测量模块、水分离模块、液体计量模块、储水模块、控制中心模块；其中，控制中心模块用于根据湿度监测模块监测到的湿度数据大小，智能调节鼓泡加湿器的功率、以及液体流量计输出至雾化喷嘴液体流道的液态水的质量流量和流速；并根据不同的压缩空气流速下压降值测量模块测量的压降曲线所呈现的波动频率、幅度，并智能调节压缩空气的质量流量和流速。本发明能够智能维持燃料电池电解质膜的合适湿度；确定阴极通道中液态水的合适去除速度，提高燃料电池的输出性能以及使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体地指一种质子交换膜燃料电池阴极水管理系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池，使用一种能传导质子而几乎不能导通电子的聚合物电解质膜作为电解质，拥有运行温度低、能量转化率高、功率密度高、启动快和环境适应性强等优点，广泛应用于航空、航天、航海、轨道交通、电子设备和备用电源等领域，特别是在新能源汽车领域有着重要的应用价值。
质子交换膜燃料电池在工作过程中，电解质膜越湿润传导质子就越高效，为了防止出现干膜现象、提高燃料电池的输出性能，需要采用合适的方法保持质子交换膜的湿度。现有技术中，对质子交换膜进行加湿处理还没有实现智能化调节。
另外，燃料电池的阴极处是反应产生水的主要地点，液态水滴的聚集会阻碍其它流体的排出，引发一系列连锁效应，导致燃料电池的运行性能大幅下降，因此及时将阴极通道中的液态水排出也是一项重要工作。
发明内容
本发明提供一种质子交换膜燃料电池阴极水管理系统，不仅能够在燃料电池电堆处于较低功率或正常功率运行状态时，利用电池反应产生的水对质子交换膜进行充分、高效率加湿，而且能够在燃料电池电堆处于较高功率运行状态时，利用电池反应产生的水及补充水对质子交换膜进行稳定、快速加湿；同时，根据测量的压降曲线所呈现的波动频率、幅度，对压缩空气的质量流量和流速进行智能调节，将燃料电池阴极通道中形成的液态水及时排出，保持阴极通道的畅通，从而保证燃料电池的工作性能。
为实现上述目的，本发明研究出一种质子交换膜燃料电池阴极水管理系统，其特别之处在于，包括空气压缩模块、空气计量和加湿模块、空气雾化模块、氢气供应模块、燃料电池电堆模、湿度监测模块、压降值测量模块、水分离模块、液体计量模块、储水模块、控制中心模块；其中，
空气压缩模块用于通过空气过滤器对输入的空气进行过滤，并将过滤后空气通过空气压缩机进行压缩，压缩成能够满足体积流量要求、质量流量要求的压缩空气；
空气计量和加湿模块用于将压缩空气分解成两条支路，在第一条支路上通过设置的第一气体流量计自动控制通过的压缩空气的质量流量；在第二条支路上不仅通过设置的第二气体流量计自动控制通过的压缩空气的质量流量，而且通过设置的鼓泡加湿器对压缩空气进行补水处理，增大压缩空气的湿度；
空气雾化模块用于通过设置的雾化喷嘴第二气体通道接收空气计量和加湿模块中第一条支路上输出的压缩空气，通过设置的雾化喷嘴第一气体通道接收空气计量和加湿模块中第二条支路上输出的压缩空气；并利用第二气体通道中的压缩空气提供的压差对输入雾化喷嘴液体流道中的液态水进行雾化，将液态水雾化成能够满足尺寸要求的液滴，输出到燃料电池电堆阴极；
氢气供应模块用于为燃料电池电堆阳极供应氢气，并将多余氢气回收循环利用；
燃料电池电堆模块用于在阴极催化剂作用下，将输入到燃料电池电堆阴极的雾化空气、以及输入到燃料电池电堆阳极的氢气进行化学反应，形成水分子，并使水分子从阴极通道出口处排出；
湿度监测模块用于实时监测燃料电池电堆中的质子交换膜的湿度，并将湿度数据传输到控制中心模块；
压降值测量模块用于实时监测燃料电池电堆阴极通道入口和出口之间的压力差值，通过压降曲线的波动频率、幅度反映燃料电池电堆阴极通道中水含量的积聚、去除情况，并将压力差数据传输到控制中心模块；
水分离模块用于通过设置的水分离器冷却燃料电池电堆阴极通道出口处排出的水分子，并提取出液态水；
液体计量模块用于通过设置的液体流量计将水分离模块中的液态水传输到空气雾化模块液体流道进行雾化，并自动控制通过的液态水的质量流量；
储水模块用于通过储水罐储存水分离器和鼓泡加湿器中排出的多余液态水，或者为水分离器和鼓泡加湿器补充液态水；
控制中心模块用于接收湿度监测模块传输的湿度数据和压降值测量模块传输的压力差数据，根据湿度监测模块监测到的湿度数据大小，智能调节鼓泡加湿器的功率、以及液体流量计输出至雾化喷嘴液体流道的液态水的质量流量和流速，保持质子交换膜的湿度，从而保证燃料电池的工作性能；根据不同的压缩空气流速下，压降值测量模块测量的压降曲线所呈现的波动频率、幅度，确定合适的压缩空气流速，并智能调节第一气体流量计和第二气体流量中通过的压缩空气的质量流量和流速，将燃料电池电堆阴极通道中形成的液态水快速排出，保持阴极通道的畅通，从而保证燃料电池电堆的工作性能。
本发明的优点：
1.本发明根据监测到的湿度数据大小，当燃料电池电堆处于较低功率或正常功率运行状态时，将电池反应产生的水冷却、输送至雾化喷嘴液体流道中，通过对输送至雾化喷嘴液体流道中的液态水的质量流量和流速进行智能调节，实现质子交换膜的充分、高效率加湿；当燃料电池电堆处于较高功率运行状态时，不仅通过对输送至雾化喷嘴液体流道中的液态水的质量流量和流速进行智能调节，还通过在鼓泡加湿器中补充外部水，并对鼓泡加湿器的功率进行智能调节，保持质子交换膜的湿度，从而保证燃料电池电堆的工作性能；
2.本发明根据测量的压降曲线所呈现的波动频率、幅度，判断燃料电池电堆阴极通道中水含量的积聚、去除情况，并依据不同的压缩空气流速下测量的压降曲线所呈现的波动频率、幅度，确定合适的压缩空气流速，智能调节燃料电池电堆中通过的压缩空气的质量流量和流速，将燃料电池电堆阴极通道中形成的液态水快速排出，保持阴极通道的畅通，从而保证燃料电池电堆的工作性能；
本发明质子交换膜燃料电池阴极水管理系统根据当前燃料电池运行功率以及电池内部膜的湿度情况选择加湿路线，智能调节雾化加湿量和鼓泡加湿量，维持燃料电池电解质膜的合适湿度；同时根据测量的压降曲线所呈现的波动频率、幅度，确定阴极通道中液态水的合适去除速度，提高燃料电池的输出性能以及使用寿命。
附图说明
图1为本发明质子交换膜燃料电池阴极水管理系统的结构示意图；
图2为图1中的雾化喷嘴的结构示意图；
图3为一段时间内阴极通道入口与出口之间的压降变化；
图4为压缩空气的气体流速为1.0m/s时，阴极通道入口与出口之间的压降曲线；
图5为压缩空气的气体流速为2.0m/s时，阴极通道入口与出口之间的压降曲线；
图6为压缩空气的气体流速为3.0m/s时，阴极通道入口与出口之间的压降曲线；
图中：空气压缩模块1、空气计量和加湿模块2、空气雾化模块3、氢气供应模块4、燃料电池电堆模块5、湿度监测模块6、压降值测量模块7、水分离模块8、液体计量模块9、储水模块10、控制中心模块11；
空气过滤器a、空气压缩机b、第一气体流量计c-1、第二气体流量计c-2、鼓泡加湿器d、雾化喷嘴e、燃料电池电堆f、水分离器g、液体流量计h、储水罐i、压差计j、第一开关阀k、第二开关阀m。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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，因此不能理解为对发明的限制。
如图1所示，本发明质子交换膜燃料电池阴极水管理系统包括空气压缩模块1、空气计量和加湿模块2、空气雾化模块3、氢气供应模块4、燃料电池电堆模块5、湿度监测模块6、压降值测量模块7、水分离模块8、液体计量模块9、储水模块10、控制中心模块11。
其中，空气压缩模块1用于通过空气过滤器a对输入的空气进行过滤，并将过滤后空气通过空气压缩机b进行压缩，压缩成能够满足体积流量要求、质量流量要求的压缩空气。
所述空气压缩机b满足的体积流量Vair要求为
式中，
Vair为空气压缩机b所需的空气体积流量，
N为电堆中单电池数量，
I为电流，单位A，
F为法拉第常数。
所述空气压缩机b满足的质量流量Mairin要求为
式中，
Mairin为空气压缩机b所需的空气质量流量，
I为电流，单位A，
N为电堆中单电池个数，
Mair为空气的摩尔质量，
F为法拉第常数，
λca为阴极化学计量比。
空气计量和加湿模块2用于将压缩空气分解成两条支路，在第一条支路上通过设置的第一气体流量计c-1自动控制通过的压缩空气的质量流量；在第二条支路上不仅通过设置的第二气体流量计c-2自动控制通过的压缩空气的质量流量，而且通过设置的鼓泡加湿器d对压缩空气进行补水处理，增大压缩空气的湿度。
空气压缩机b出口分别与空气计量和加湿模块2中的第一气体流量计c-1入口、第二气体流量计c-2入口相连。
空气雾化模块3用于通过设置的雾化喷嘴e第二气体通道接收空气计量和加湿模块2中第一条支路上输出的压缩空气，通过设置的雾化喷嘴e第一气体通道接收空气计量和加湿模块2中第二条支路上输出的压缩空气；并利用第二气体通道中的压缩空气提供的压差对输入雾化喷嘴e液体流道中的液态水进行雾化，将液态水雾化成能够满足尺寸要求的液滴，输出到燃料电池电堆f阴极。
所述雾化喷嘴e为双流体外部混合式空气辅助雾化喷嘴，包括第一气体通道、第二气体通道和液体流道，其结构简图如图2所示。对于给定的液体流速和空气供应压力，这种雾化器最低只需提供50Kpa的压差就可以将注入的液态水均匀精细雾化，其压差是由较高气液比(气体质量流量与液体质量流量之比)提供的，而合适的空压机完全可以满足雾化喷嘴所需的气液比条件。优选地，所述液态水雾化成液滴的尺寸要求为液滴直径小于100μm。
氢气供应模块4用于为燃料电池电堆f阳极供应氢气，并将多余氢气回收循环利用。
燃料电池电堆模块5用于在阴极催化剂作用下，将输入到燃料电池电堆f阴极的雾化空气、以及输入到燃料电池电堆f阳极的氢气进行化学反应，形成水分子，并使水分子从阴极通道出口处排出。
本实施例以实验室搭建的燃料电池为对象，使用纯氢气和空气，空气采用上述雾化加湿方式进行加湿，电池温度维持在60℃，阳极和阴极中的压力为100KPa，质子交换膜的有效面积为5cm2，工作电流稳定在1000mA/cm2左右。
湿度监测模块6用于实时监测燃料电池电堆f中的质子交换膜的湿度，并将湿度数据传输到控制中心模块11。
优选地，所述湿度监测模块6通过嵌置在燃料电池电堆f中的湿度传感器对质子交换膜的湿度进行实时监测。
压降值测量模块7用于实时监测燃料电池电堆f阴极通道入口和出口之间的压力差值，通过压降曲线的波动频率、幅度反映燃料电池电堆f阴极通道中水含量的积聚、去除情况，并将压力差数据传输到控制中心模块11。
优选地，所述压降值测量模块7通过连接在燃料电池电堆f阴极通道入口和出口之间的压差计j对燃料电池电堆f阴极通道入口和出口之间的压力差值进行实时监测。
水分离模块8用于通过设置的水分离器g冷却燃料电池电堆f阴极通道出口处排出的水分子，并提取出液态水。
液体计量模块9用于通过设置的液体流量计h将水分离模块8中的液态水传输到空气雾化模块3液体流道进行雾化，并自动控制通过的液态水的质量流量。
储水模块10用于通过储水罐i储存水分离器g和鼓泡加湿器d中排出的多余液态水，或者为水分离器g和鼓泡加湿器d补充液态水。
优选地，所述储水模块10通过控制储水罐i与水分离器g之间设置的第一开关阀k，储存水分离器g排出的多余液态水、或者为水分离器g补充液态水；通过控制储水罐i与鼓泡加湿器d之间设置的第二开关阀m，储存鼓泡加湿器d排出的多余液态水、或者为鼓泡加湿器d补充液态水。
具体地，当电堆停止工作时，为了防止在寒冷环境下水分离器g、雾化喷嘴e和鼓泡加湿器d等重要元件结冰，可以将水分离器g和鼓泡加湿器d中的水排放到储水罐i中储存起来。当采用雾化加湿时，若电堆刚开启工作或者仅仅依靠电堆反应后水分离器g提取出的水不足，为了提供足够的水流量进行雾化，维持电堆内部处于合适湿度，可以将储水罐i中的水输送到水分离器g中增加雾化量。当采用鼓泡加湿器d加湿时，工作过程中鼓泡加湿器d中的水被消耗，液位会逐渐降低，此时可以将储水罐i中的水输送到鼓泡加湿器d中补充水量，从而恢复液位维持鼓泡加湿效率。
整个阴极水管理系统综合了两种加湿方法，在燃料电池电堆f较低功率运行或正常功率运行时，雾化加湿灵敏便捷，加湿效率高，效果显著同时还可实现辅助冷却；在燃料电池电堆f较大功率运行时，首先采用鼓泡加湿，快捷充分，必要时还可以通过雾化喷嘴e对鼓泡加湿器d加湿后的气流进行二次加湿。
控制中心模块11用于接收湿度监测模块6传输的湿度数据和压降值测量模块7传输的压力差数据，根据湿度监测模块6监测到的湿度数据大小，智能调节鼓泡加湿器d的功率、以及液体流量计h输出至雾化喷嘴e液体流道的液态水的质量流量和流速，保持质子交换膜的湿度，从而保证燃料电池的工作性能；根据不同的压缩空气流速下，压降值测量模块7测量的压降曲线所呈现的波动频率、幅度，确定合适的压缩空气流速，并智能调节第一气体流量计c-1和第二气体流量计c-2中通过的压缩空气的质量流量和流速，将燃料电池电堆f阴极通道中形成的液态水快速排出，保持阴极通道的畅通，从而保证燃料电池电堆f的工作性能。
具体地，所述控制中心模块11智能调节鼓泡加湿器d的功率、以及液体流量计h输出至雾化喷嘴e液体流道的液态水的质量流量和流速的控制方法为，
若燃料电池电堆f以较低功率或正常功率运行，仅需采用电池反应产生的水进行加湿和助冷却，则启动雾化喷嘴e，并根据质子交换膜的湿度情况，智能调节液体流量计h输出至雾化喷嘴e液体流道的液态水的质量流量和流速；
若燃料电池电堆f以较高功率运行，不仅需要采用电池反应产生的水进行加湿和助冷却，还需要外部补充的水进行加湿和助冷却，则启动雾化喷嘴e，同时启动鼓泡加湿器d进行协同加湿，并根据质子交换膜的湿度情况，智能调节鼓泡加湿器d的功率，达到快速充分加湿。
具体地，燃料电池低功率输出时，电堆负荷小、温度低，加湿冷却压力小，此时雾化所需的水可由电堆产生的水提供，循环利用。
燃料电池正常功率运行时，燃料电池产生的水由阴极出口处的水分离器处理回收，供给雾化喷嘴使用，燃料电池反应产生的水基本足以进行加湿和助冷却，不需要额外供水。
燃料电池以高输出功率工作时，系统负荷高，需要的加湿量较大，此时控制中心通过监测膜的湿度具体情况，根据目标湿度，调用鼓泡加湿器工作并控制其加湿效率，鼓泡加湿器可以快速对通入的空气充分加湿，加湿快、加湿量大。鼓泡加湿器加湿量大，液态水消耗快，电池反应产生的水不足以进行补充，需要进行外部补水。
若燃料电池电堆f以较低功率或正常功率运行，则燃料电池电堆f产水率计算公式为
式中，
Mwa pro为燃料电池电堆f产水率，
I为电流，单位A，
N为电堆中单电池个数，
Mwa为水分子摩尔质量，
F为法拉第常数；
若燃料电池电堆f以较高功率运行，则外部补充的水量计算公式为
式中，
Mwa in为外部补充的水量，
Mw为水分的摩尔质量，
Ma为空气的摩尔质量，
Φt为目标湿度，
Φin初始进气湿度，
P为露点处压力，
Ps为系统工作压力，
Mair in为输入的空气质量流量。
通过选用足够精度的差压计j连接燃料电池阴极通道的入口和出口，在一段时间内由所得的实验数据绘成的压降变化曲线如图3所示。图3中，在前300s左右的运行时间中，压降曲线一直呈上升趋势，因为通道中正在凝聚水，使出口处的压力减小，压降增大；而在325s、405s、465s等处压降曲线呈现跳跃式下降，因为在这些时刻凝聚在一起的液态水滴被排出，阻塞故障被排出，阴极通道恢复正常。压降曲线的波动频率与幅度表明液态水的排出情况。由图3可知，压降的变化确实可以证明燃料电池阴极通道中含水量的变化情况，从而由压降曲线可以判断燃料电池是否出现溢流之类的水故障。
在燃料电池运行期间监测阴极通道入口和出口之间的压降并记录，压降随着通道中液态水含量的增加而增加，压降急剧下降对应于水堵塞的排放。因此压降可以用作诊断信号来监测通道中液态水的积累和去除。这种局部压降法对燃料电池具有非破坏性，能够直接在线监测通道中水滴的积聚和去除，并提供实时液态水积聚信息。
图4、图5、图6分别是通入阴极的气流在1.0m/s、2.0m/s和3.0m/s不同的气体流速下所呈现的压降曲线，体现了通入气体的流速对液态水去除的影响。由图4、图5、图6对比可知，在气体流速为1.0m/s时，压降曲线极不稳定，全程出现显著波折，通道在不断的堵塞和通畅间循环。在气体流速为2.0m/s时，压降曲线反复波折的频率明显下降，但仍然有较大的波动。而在流速为3m/s时，压降曲线变得平滑，波动也显著减小，说明液态水被及时排出，通道内几乎没有液态水聚集。因此，在可供选择的气体流速选择范围中，3.0m/s是最合适的液态水去除速度。根据压降曲线可以确定合适的液态水去除速度，及时解决通道中出现的溢流情况，这对优化燃料电池运行、提高输出性能非常有帮助。
本发明质子交换膜燃料电池阴极水管理系统根据当前燃料电池运行功率以及电池内部膜的湿度情况选择加湿路线，智能调节雾化加湿量和鼓泡加湿量，维持燃料电池电解质膜的合适湿度；同时根据测量的压降曲线所呈现的波动频率、幅度，确定阴极通道中液态水的合适去除速度，提高燃料电池的输出性能以及使用寿命。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种质子交换膜燃料电池阴极水管理系统，其特征在于：包括空气压缩模块(1)、空气计量和加湿模块(2)、空气雾化模块(3)、氢气供应模块(4)、燃料电池电堆模块(5)、湿度监测模块(6)、压降值测量模块(7)、水分离模块(8)、液体计量模块(9)、储水模块(10)、控制中心模块(11)；其中，
空气压缩模块(1)用于通过空气过滤器(a)对输入的空气进行过滤，并将过滤后空气通过空气压缩机(b)进行压缩，压缩成能够满足体积流量要求、质量流量要求的压缩空气；
空气计量和加湿模块(2)用于将压缩空气分解成两条支路，在第一条支路上通过设置的第一气体流量计(c-1)自动控制通过的压缩空气的质量流量；在第二条支路上不仅通过设置的第二气体流量计(c-2)自动控制通过的压缩空气的质量流量，而且通过设置的鼓泡加湿器(d)对压缩空气进行补水处理，增大压缩空气的湿度；
空气雾化模块(3)用于通过设置的雾化喷嘴(e)第二气体通道接收空气计量和加湿模块(2)中第一条支路上输出的压缩空气，通过设置的雾化喷嘴(e)第一气体通道接收空气计量和加湿模块(2)中第二条支路上输出的压缩空气；并利用第二气体通道中的压缩空气提供的压差对输入雾化喷嘴(e)液体流道中的液态水进行雾化，将液态水雾化成能够满足尺寸要求的液滴，输出到燃料电池电堆(f)阴极；
氢气供应模块(4)用于为燃料电池电堆(f)阳极供应氢气，并将多余氢气回收循环利用；
燃料电池电堆模块(5)用于在阴极催化剂作用下，将输入到燃料电池电堆(f)阴极的加湿空气、以及输入到燃料电池电堆(f)阳极的氢气进行化学反应，生成水，并使水从阴极通道出口处排出；
湿度监测模块(6)用于实时监测燃料电池电堆(f)中的质子交换膜的湿度，并将湿度数据传输到控制中心模块(11)；
压降值测量模块(7)用于实时监测燃料电池电堆(f)阴极通道入口和出口之间的压力差值，通过压降曲线的波动频率、幅度反映燃料电池电堆(f)阴极通道中水含量的积聚、去除情况，并将压力差数据传输到控制中心模块(11)；
水分离模块(8)用于通过设置的水分离器(g)冷却燃料电池电堆(f)阴极通道出口处排出的水分子，并提取出液态水；
液体计量模块(9)用于通过设置的液体流量计(h)将水分离模块(8)中的液态水传输到空气雾化模块(3)液体流道进行雾化，并自动控制通过的液态水的质量流量；
储水模块(10)用于通过储水罐(i)储存水分离器(g)和鼓泡加湿器(d)中排出的多余液态水，或者为水分离器(g)和鼓泡加湿器(d)补充液态水；
控制中心模块(11)用于接收湿度监测模块(6)传输的湿度数据和压降值测量模块(7)传输的压力差数据，根据湿度监测模块(6)监测到的湿度数据大小，智能调节鼓泡加湿器(d)的功率、以及液体流量计(h)输出至雾化喷嘴(e)液体流道的液态水的质量流量和流速，保持质子交换膜的湿度，从而保证燃料电池的工作性能；根据不同的压缩空气流速下，压降值测量模块(7)测量的压降曲线所呈现的波动频率、幅度，确定合适的压缩空气流速，并智能调节第一气体流量计(c-1)和第二气体流量计(c-2)中通过的压缩空气的质量流量和流速，将燃料电池电堆(f)阴极通道中形成的液态水快速排出，保持阴极通道的畅通，从而保证燃料电池电堆(f)的工作性能。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池阴极水管理系统，其特征在于：空气压缩模块(1)中，所述空气压缩机(b)满足的体积流量Vair要求为
式中，
Vair为空气压缩机(b)所需的空气体积流量，
N为电堆中单电池数量，
I为电流，单位A，
F为法拉第常数。
3.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池阴极水管理系统，其特征在于：空气压缩模块(1)中，所述空气压缩机(b)满足的质量流量M airin要求为
式中，
M airin为空气压缩机(b)所需的空气质量流量，
I为电流，单位A，
N为电堆中单电池个数，
Mair为空气的摩尔质量，
F为法拉第常数，
λca为阴极化学计量比。
4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池阴极水管理系统，其特征在于：空气雾化模块(3)中，所述雾化喷嘴(e)为双流体外部混合式空气辅助雾化喷嘴，包括第一气体通道、第二气体通道和液体流道。
5.根据权利要求4所述的质子交换膜燃料电池阴极水管理系统，其特征在于：空气雾化模块(3)中，所述液态水雾化成液滴的尺寸要求为液滴直径小于100μm。
6.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池阴极水管理系统，其特征在于：所述湿度监测模块(6)通过嵌置在燃料电池电堆(f)中的湿度传感器对质子交换膜的湿度进行实时监测。
7.根据权利要求6所述的质子交换膜燃料电池阴极水管理系统，其特征在于：所述压降值测量模块(7)通过连接在燃料电池电堆(f)阴极通道入口和出口之间的压差计(j)对燃料电池电堆(f)阴极通道入口和出口之间的压力差值进行实时监测。
8.根据权利要求7所述的质子交换膜燃料电池阴极水管理系统，其特征在于：所述储水模块(10)通过控制储水罐(i)与水分离器(g)之间设置的第一开关阀(k)，储存水分离器(g)排出的多余液态水、或者为水分离器(g)补充液态水；通过控制储水罐(i)与鼓泡加湿器(d)之间设置的第二开关阀(m)，储存鼓泡加湿器(d)排出的多余液态水、或者为鼓泡加湿器(d)补充液态水。
9.根据权利要求8所述的质子交换膜燃料电池阴极水管理系统，其特征在于：所述控制中心模块(11)智能调节鼓泡加湿器(d)的功率、以及液体流量计(h)输出至雾化喷嘴(e)液体流道的液态水的质量流量和流速的控制方法为，
若燃料电池电堆(f)以较低功率或正常功率运行，仅需采用电池反应产生的水进行加湿和助冷却，则启动雾化喷嘴(e)，并根据质子交换膜的湿度情况，智能调节液体流量计(h)输出至雾化喷嘴(e)液体流道的液态水的质量流量和流速；
若燃料电池电堆(f)以较高功率运行，不仅需要采用电池反应产生的水进行加湿和助冷却，还需要外部补充的水进行加湿和助冷却，则启动雾化喷嘴(e)，同时启动鼓泡加湿器(d)进行协同加湿，并根据质子交换膜的湿度情况，智能调节鼓泡加湿器(d)的功率，达到快速充分加湿。
10.根据权利要求9所述的质子交换膜燃料电池阴极水管理系统，其特征在于：若燃料电池电堆(f)以较低功率或正常功率运行，则燃料电池电堆(f)产水率计算公式为
式中，
Mwapro为燃料电池电堆(f)产水率，
I为电流，单位A，
N为电堆中单电池个数，
Mwa为水分子摩尔质量，
F为法拉第常数；
若燃料电池电堆(f)以较高功率运行，则外部补充的水量计算公式为
式中，
Mwain为外部补充的水量，
Mw为水分的摩尔质量，
Ma为空气的摩尔质量，
Φt为目标湿度，
Φin初始进气湿度，
P为露点处压力，
Ps为系统工作压力，
Mairin为输入的空气质量流量。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210613031.9A CN115133071A (zh) | 2022-05-31 | 2022-05-31 | 质子交换膜燃料电池阴极水管理系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210613031.9A CN115133071A (zh) | 2022-05-31 | 2022-05-31 | 质子交换膜燃料电池阴极水管理系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115133071A true CN115133071A (zh) | 2022-09-30 |
Family
ID=83378883
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210613031.9A Pending CN115133071A (zh) | 2022-05-31 | 2022-05-31 | 质子交换膜燃料电池阴极水管理系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115133071A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115939449A (zh) * | 2023-01-30 | 2023-04-07 | 广州汽车集团股份有限公司 | 燃料电池系统及其增湿方法和补水方法 |
| CN117080498A (zh) * | 2023-09-21 | 2023-11-17 | 佛山市清极能源科技有限公司 | 一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060134482A1 (en) * | 2004-12-20 | 2006-06-22 | Detlef Gunther | Air humidification for fuel cell applications |
| CN110414157A (zh) * | 2019-07-31 | 2019-11-05 | 四川嘉垭汽车科技有限公司 | 质子交换膜燃料电池系统多目标滑模控制方法 |
| DE102020113991A1 (de) * | 2020-05-26 | 2021-12-02 | Volkswagen Ag | Brennstoffzellensystem mit einem kathodenseitigen Flüssigkeitsreservoir und Kraftfahrzeug |
| CN114551944A (zh) * | 2022-01-07 | 2022-05-27 | 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 | 质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法及系统 |
-
2022
- 2022-05-31 CN CN202210613031.9A patent/CN115133071A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060134482A1 (en) * | 2004-12-20 | 2006-06-22 | Detlef Gunther | Air humidification for fuel cell applications |
| CN110414157A (zh) * | 2019-07-31 | 2019-11-05 | 四川嘉垭汽车科技有限公司 | 质子交换膜燃料电池系统多目标滑模控制方法 |
| DE102020113991A1 (de) * | 2020-05-26 | 2021-12-02 | Volkswagen Ag | Brennstoffzellensystem mit einem kathodenseitigen Flüssigkeitsreservoir und Kraftfahrzeug |
| CN114551944A (zh) * | 2022-01-07 | 2022-05-27 | 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 | 质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法及系统 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 黄亮;全书海;徐化伟;全睿;: "质子交换膜燃料电池增湿系统建模与控制研究", 武汉理工大学学报, no. 10, 30 May 2009 (2009-05-30) * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115939449A (zh) * | 2023-01-30 | 2023-04-07 | 广州汽车集团股份有限公司 | 燃料电池系统及其增湿方法和补水方法 |
| CN115939449B (zh) * | 2023-01-30 | 2024-03-08 | 广州汽车集团股份有限公司 | 燃料电池系统及其增湿方法和补水方法 |
| CN117080498A (zh) * | 2023-09-21 | 2023-11-17 | 佛山市清极能源科技有限公司 | 一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法 |
| CN117080498B (zh) * | 2023-09-21 | 2023-12-22 | 佛山市清极能源科技有限公司 | 一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11721819B2 (en) | Fuel cell system and air vehicle | |
| CN115133071A (zh) | 质子交换膜燃料电池阴极水管理系统 | |
| EP3874551B1 (en) | Fuel cell system comprising an ejector for recirculating off-gas from a stack | |
| CN100502115C (zh) | 燃料电池系统及其控制方法 | |
| US9029037B2 (en) | Fuel cell system with a liquid separator | |
| US7820333B2 (en) | Fuel cell operating method with improved hydrogen and oxygen utilization | |
| US20080160363A1 (en) | Control of the Polymer Humidifying Membrane of a Fuel Cell | |
| CN104253281B (zh) | 燃料电池系统和燃料电池净化设备 | |
| US10497952B2 (en) | Vehicle fuel cell purging system | |
| AU2005316096A1 (en) | Alkaline fuel cell system | |
| US7799473B2 (en) | Anode recirculation for a parallel dual stack fuel cell system | |
| KR100534698B1 (ko) | 연료전지 시스템 | |
| CN102456900A (zh) | 燃料电池用加湿器及用其作为辅助加湿器的燃料电池系统 | |
| CN102163728A (zh) | 用于检测压力控制的阳极中的孔流相变的方法 | |
| MX2011004545A (es) | Enfriamiento de celda de combustible. | |
| CN115939449B (zh) | 燃料电池系统及其增湿方法和补水方法 | |
| US20040121218A1 (en) | Fuel cell water management | |
| US8273501B2 (en) | System and method for hydrating a proton exchange membrane fuel cell | |
| CN203398223U (zh) | 给燃料电池堆提供加湿的阴极流体流的设备和车辆燃料电池系统 | |
| CN114792827B (zh) | 一种质子交换膜燃料电池自增湿系统 | |
| US11862827B2 (en) | System and method of enhanced purge strategy for fuel cell in vehicle | |
| US20240055624A1 (en) | Fuel cell system having improved humidification | |
| US20040131899A1 (en) | System and method for process gas stream delivery and regulation using down spool control | |
| JP2007109555A (ja) | 燃料電池システム及び燃料電池車両 | |
| JP2001006704A (ja) | 燃料電池システム |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |