CN115411296A - 燃料电池加热加湿系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池加热加湿系统及其控制方法，涉及燃料电池技术领域。系统中设置水循环支路的两端分别连接到电堆模块的水入口和水出口，水循环支路包括第一换热器和第二换热器；空气加湿支路连接到第一换热器，用于提高空气加湿支路中的水温；水散热支路连接到第二换热器，用于降低水循环支路中的水温；空气加热支路的两端分别连接到加湿罐的出气口和电堆模块的空气入口，空气加热支路包括第三换热器；水循环支路连接到第三换热器，用于提高空气加热支路中空气的温度。该系统能够利用电堆模块使用过程产生的热量对进入加湿罐的水流进行加热，不仅系统的设备成本降低，而且实现了热量回收利用、降低了能耗。

Description

燃料电池加热加湿系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池加热加湿系统及其控制方法。
背景技术
在电堆模块的使用过程中，需要持续向电堆模块输送加湿的空气，形成加湿的空气也需要对进入加湿罐的水流进行加热，现有技术中一般都是采用加热器对进入加湿罐的水流进行加热，能耗较多。同时，电堆模块的使用过程中也会产生较多的热量，还会单独设置散热模块对电堆模块进行散热，也是系统的设备成本较高。
发明内容
本发明的目的包括提供了一种燃料电池加热加湿系统及其控制方法，其能够利用电堆模块使用过程产生的热量对进入加湿罐的水流进行加热，不仅系统的设备成本降低，而且实现了热量回收利用、降低了能耗。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明提供一种燃料电池加热加湿系统，燃料电池加热加湿系统包括：
电堆模块，包括水入口、水出口、空气入口和空气出口；
水循环支路，两端分别连接到水入口和水出口，水循环支路包括第一换热器和第二换热器；
空气加湿支路，通过第一换热器与水循环支路换热连接，水循环支路用于提高空气加湿支路中的水温，空气加湿支路包括依次连接的空气增压器和加湿罐；
水散热支路，通过第二换热器与水循环支路换热连接，水散热支路用于降低水循环支路中的水温；
空气加热支路，空气加热支路的一端连接到加湿罐的出气口，空气加热支路的另一端连接到电堆模块的空气入口，空气加热支路包括第三换热器，水循环支路通过第三换热器与空气加热支路换热连接，水循环支路用于提高空气加热支路中空气的温度。
在可选的实施方式中，水循环支路还包括第一三通阀，第一三通阀用于控制水循环支路中的水流通过或跳过第一换热器。
在可选的实施方式中，水循环支路还包括第二三通阀，第二三通阀用于控制水循环支路中的水流通过或跳过第三换热器。
在可选的实施方式中，空气加湿支路包括第一水泵和加热器，第一水泵、加热器、第一换热器和加湿罐连接形成循环回路。
在可选的实施方式中，加热器位于第一换热器的入口处或出口处。
在可选的实施方式中，水循环支路还包括第二水泵，第二水泵位于电堆模块的水入口。
在可选的实施方式中，水散热支路包括散热器和第三水泵，散热器、第三水泵和第二换热器连接形成循环回路。
第二方面，本发明提供一种燃料电池加热加湿系统的控制方法，应用于前述实施方式的燃料电池加热加湿系统，控制方法包括：
在燃料电池加热加湿系统启动之后，若空气加湿支路输出的空气的温度T1小于第一预设温度T1_ref，则控制水循环支路对空气加湿支路中的水流加热。
在可选的实施方式中，控制方法还包括：
在燃料电池加热加湿系统启动之后，若空气入口的空气温度T2小于第二预设温度T2_ref，则控制水循环支路对空气加热支路中的空气加热。
在可选的实施方式中，控制方法还包括：
在燃料电池加热加湿系统启动之后，若水循环支路中水流的温度T3大于第三预设温度T3_ref，则控制水散热支路对水循环支路中的水流降温。
本发明实施例提供的燃料电池加热加湿系统及其控制方法的有益效果包括：
1.通过增设与电堆模块的水入口和水出口连接的水循环支路，将电堆模块的热量引入到水循环支路，并利用换热器将水循环支路中的热量用来加热进入加湿罐的水流，不仅减少了对电堆模块设置单独的散热模块的设备成本，而且也降低了加热空气加湿支路中水流的能耗，实现了电堆模块的废热再利用；
2.还增设了与水循环支路连接的空气加热支路，可以对加湿罐输出的湿空气进行进一步加热，保证进入电堆模块的湿空气的温度达到要求，而且也不会增加能耗；
3.还增设了与水循环支路连接的水散热支路，可以进一步提高水循环支路中水流的散热能力，也就保证了水循环支路对电堆模块的散热能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例提供的燃料电池加热加湿系统的组成框图；
图2为本发明实施例提供的燃料电池加热加湿系统的第一种具体组成示意图；
图3为本发明实施例提供的燃料电池加热加湿系统的第二种具体组成示意图；
图4为本发明实施例提供的燃料电池加热加湿系统的第三种具体组成示意图；
图5为本发明实施例提供的燃料电池加热加湿系统的第四种具体组成示意图。
图标：100-燃料电池加热加湿系统；1-电堆模块；11-水入口；12-水出口；13-空气入口；14-空气出口；2-空气加湿支路；21-空气增压器；22-加湿罐；23-第一水泵；24-加热器；3-水循环支路；31-第一换热器；32-第二换热器；33-第一三通阀；34-第二三通阀；35-第二水泵；4-水散热支路；41-散热器；42-第三水泵；5-空气加热支路；51-第三换热器；6-第一温度传感器；7-第二温度传感器；8-第三温度传感器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
请参考图1，本实施例提供了一种燃料电池加热加湿系统100，燃料电池加热加湿系统100包括电堆模块1、水循环支路3、空气加湿支路2、水散热支路4和空气加热支路5。
其中，电堆模块1包括水入口11、水出口12、空气入口13和空气出口14。这里的空气出口14可以直接与大气连通，也可以连接到其它需要利用热空气的设备。
水循环支路3两端分别连接到水入口11和水出口12，形成循环回路，这样，利用水循环支路3中的水流可以将电堆模块1中的热量带出，起到对电堆模块1散热的效果。其中，水循环支路3包括第一换热器31和第二换热器32。第一换热器31可以是板式换热器、水浴汽化器等可以实现气体和液体换热的装置。
空气加湿支路2通过第一换热器31与水循环支路3换热连接，空气加湿支路2中的水流可以从第一换热器31吸热，从而提高空气加湿支路2中的水温，也能够降低水循环支路3中的水温。其中，空气加湿支路2包括依次连接的空气增压器21和加湿罐22，从而使加湿罐22能够输出加压的湿空气，并吸收了水循环支路3中的热量。这样，利用第一换热器31将水循环支路3中的热量用来加热进入加湿罐22的水流，不仅减少了对电堆模块1设置单独的散热模块的设备成本，而且也降低了加热空气加湿支路2中水流的能耗，实现了电堆模块1的废热再利用。其中，加湿罐22可以是喷淋加湿装置，内部有喷淋头、除沫层等。
水散热支路4通过第二换热器32与水循环支路3换热连接，水散热支路4中的水流可以吸收第二换热器32中的热量，并降低水循环支路3中的水温。这样，可以进一步提高水循环支路3中水流的散热能力，也就保证了水循环支路3对电堆模块1的散热能力。
空气加热支路5的一端连接到加湿罐22的出气口，空气加热支路5的另一端连接到电堆模块1的空气入口13。其中，空气加热支路5包括第三换热器51，水循环支路3通过第三换热器51与空气加热支路5换热连接，空气加热支路5中的湿空气可以通过第三换热器51吸热水循环支路3中的热量。这样，可以对加湿罐22输出的湿空气进行进一步加热，保证进入电堆模块1的湿空气的温度达到要求，而且也不会增加能耗。
具体的，请查阅图2，水循环支路3还包括第一三通阀33、第二三通阀34和第二水泵35，其中，三通阀均选用电控三通阀。第一三通阀33安装在第一换热器31的入口端，第一三通阀33用于控制水循环支路3中的水流通过或跳过第一换热器31。第二三通阀34安装在第三换热器51的入口端，第二三通阀34用于控制水循环支路3中的水流通过或跳过第三换热器51。第二水泵35位于电堆模块1的水入口11，第二水泵35用于将水循环支路3中的水流引入电堆模块1的水入口11。
水散热支路4还包括散热器41和第三水泵42，其中，散热器41、第三水泵42和第二换热器32依次首尾连接形成循环回路。
空气加湿支路2还包括第一水泵23和加热器24，其中，第一水泵23、加热器24、第一换热器31和加湿罐22依次首尾连接形成循环回路。
本实施例中，加热器24安装在第一换热器31的入口处。在其它实施例中，请查阅图3，加热器24也可以安装在第一换热器31的出口处，这样，第一水泵23、第一换热器31、加热器24和加湿罐22依次首尾连接形成循环回路。
本实施例中，第一三通阀33安装在第一换热器31的入口处。在其它实施例中，请查阅图4，第一三通阀33也可以安装在第一换热器31的出口处。
当然，在其它实施例中，请查阅图5，加热器24也可以安装在第一换热器31的出口处，第一三通阀33也可以安装在第一换热器31的出口处。
此外，燃料电池加热加湿系统100还包括第一温度传感器6、第二温度传感器7和第三温度传感器8，其中，第一温度传感器6安装在加湿罐22的出口处，用于检测加湿罐22的出口输出的湿空气的温度T1。第二温度传感器7安装在电堆模块1的空气入口13处，用于检测空气入口13处的湿空气的温度T2。第三温度传感器8安装在电堆模块1的水出口12处，用于检测水出口12处的水流的温度T3。
本实施例还提供上述燃料电池加热加湿系统100的控制方法(以下简称：控制方法)，控制方法主要用于控制T1、T2以及T3，主要控制策略则是：如果需要提高T1，则控制第一三通阀33中的水流进入第一换热器31，反之，则控制第一三通阀33中的水流不进入第一换热器31；如果需要提高T2，则控制第二三通阀34中的水流进入第三换热器51，反之，则控制第二三通阀34中的水流不进入第三换热器51；如果需要降低T3，则控制散热器41的风扇提高转速，反之，则控制散热器41的风扇降低转速。
具体的，在电堆模块1运行阶段，控制方法控制T1的过程为：
S11：控制第一水泵23按照设定转速转动，并获取第一温度传感器6检测到的温度T1。
S12：判断是否T1＜T0_ref，其中，T0_ref为电加热预设温度，即第一温度传感器6的电加热参考温度。
若T1≥T0_ref，则关闭加热器24，停止加热器24给空气加湿支路2中的水流加热。
若T1＜T0_ref，则控制加热器24加热空气加湿支路2中的水流，以T0_ref减去T1的差作为控制器的输入，以控制器的输出作为加热器24的控制量，使加热器24在控制器的输出越大时，对应的加热器24的加热功率越高。
S13：判断是否T1＜T1_ref，其中，T1_ref为第一预设温度，即第一温度传感器6的参考温度，该第一预设温度满足T1_ref>T0_ref。
若T1≥T1_ref，则控制第一三通阀33中的水流不进入第一换热器31，即不利用水循环支路3对空气加湿支路2中的水流加热。
若T1＜T1_ref，则控制第一三通阀33中的水流进入第一换热器31，即控制水循环支路3对空气加湿支路2中的水流加热。具体的，以T1_ref减去T1的差作为控制器的输入，以控制器的输出作为第一三通阀33的控制量，使第一三通阀33在控制器的输出越大时，对应的经过第一三通阀33进入第一换热器31的流量越多。
在电堆模块1运行期间，控制方法控制T2的过程为：
S21：控制第二水泵35按照设定转速转动，并获取第二温度传感器7检测到的温度T2。
S22：判断是否T2＜T2_ref，其中，T2_ref为第二预设温度，即第二温度传感器7的参考温度。
若T2≥T2_ref，则控制第二三通阀34中的水流不进入第三换热器51，并返回S21，即不利用水循环支路3对空气加热支路5中的湿空气加热。
若T2＜T2_ref，则控制第二三通阀34中的水流进入第三换热器51，并返回S21，即利用水循环支路3对空气加热支路5中的湿空气加热。具体的，以T2_ref减去T2的差作为控制器的输入，以控制器的输出作为第二三通阀34的控制量，使第二三通阀34在控制器的输出越大时，对应的经过第二三通阀34进入第三换热器51的流量越多。
在电堆模块1运行期间，控制方法控制T3的过程为：
S31：控制第三水泵42按照设定转速转动，并获取第三温度传感器8检测到的温度T3。
S32：判断是否T3＜T3_ref，其中，T3_ref为第三预设温度，即第三温度传感器8的参考温度。
若T3＜T3_ref，则控制散热器41的风扇的转速降低，返回S31，降低水散热支路4对水循环支路3中水流的散热能力。具体的，以T3_ref减去T3的差作为控制器的输入，以控制器的输出作为风扇的控制量，使风扇在控制器的输出越大时，对应的风扇的转速越低。
若T3≥T3_ref，则控制控制散热器41的风扇的转速增加，并返回S31，即增加水散热支路4对水循环支路3中水流的散热能力。具体的，以T3减去T3_ref的差作为控制器的输入，以控制器的输出作为风扇的控制量，使风扇在控制器的输出越大时，对应的风扇的转速越高。
本实施例提供的燃料电池加热加湿系统100及其控制方法的有益效果包括：
1.通过增设与电堆模块1的水入口11和水出口12连接的水循环支路3，将电堆模块1的热量引入到水循环支路3，并利用换热器将水循环支路3中的热量用来加热进入加湿罐22的水流，不仅减少了对电堆模块1设置单独的散热模块的设备成本，而且也降低了加热空气加湿支路2中水流的能耗，实现了电堆模块1的废热再利用；
2.还增设了与水循环支路3连接的空气加热支路5，可以对加湿罐22输出的湿空气进行进一步加热，保证进入电堆模块1的湿空气的温度达到要求，而且也不会增加能耗；
3.还增设了与水循环支路3连接的水散热支路4，可以进一步提高水循环支路3中水流的散热能力，也就保证了水循环支路3对电堆模块1的散热能力。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池加热加湿系统，其特征在于，所述燃料电池加热加湿系统包括：
电堆模块(1)，包括水入口(11)、水出口(12)、空气入口(13)和空气出口(14)；
水循环支路(3)，两端分别连接到所述水入口(11)和水出口(12)，所述水循环支路(3)包括第一换热器(31)和第二换热器(32)；
空气加湿支路(2)，通过所述第一换热器(31)与所述水循环支路(3)换热连接，所述水循环支路(3)用于提高所述空气加湿支路(2)中的水温，所述空气加湿支路(2)包括依次连接的空气增压器(21)和加湿罐(22)；
水散热支路(4)，通过所述第二换热器(32)与所述水循环支路(3)换热连接，所述水散热支路(4)用于降低所述水循环支路(3)中的水温；
空气加热支路(5)，所述空气加热支路(5)的一端连接到所述加湿罐(22)的出气口，所述空气加热支路(5)的另一端连接到所述电堆模块(1)的所述空气入口(13)，所述空气加热支路(5)包括第三换热器(51)，所述水循环支路(3)通过所述第三换热器(51)与所述空气加热支路(5)换热连接，所述水循环支路(3)用于提高所述空气加热支路(5)中空气的温度。
2.根据权利要求1所述的燃料电池加热加湿系统，其特征在于，所述水循环支路(3)还包括第一三通阀(33)，所述第一三通阀(33)用于控制所述水循环支路(3)中的水流通过或跳过所述第一换热器(31)。
3.根据权利要求1所述的燃料电池加热加湿系统，其特征在于，所述水循环支路(3)还包括第二三通阀(34)，所述第二三通阀(34)用于控制所述水循环支路(3)中的水流通过或跳过所述第三换热器(51)。
4.根据权利要求1所述的燃料电池加热加湿系统，其特征在于，所述空气加湿支路(2)包括第一水泵(23)和加热器(24)，所述第一水泵(23)、所述加热器(24)、所述第一换热器(31)和所述加湿罐(22)连接形成循环回路。
5.根据权利要求4所述的燃料电池加热加湿系统，其特征在于，所述加热器(24)位于所述第一换热器(31)的入口处或出口处。
6.根据权利要求1所述的燃料电池加热加湿系统，其特征在于，所述水循环支路(3)还包括第二水泵(35)，所述第二水泵(35)位于所述电堆模块(1)的所述水入口(11)。
7.根据权利要求1所述的燃料电池加热加湿系统，其特征在于，所述水散热支路(4)包括散热器(41)和第三水泵(42)，所述散热器(41)、所述第三水泵(42)和所述第二换热器(32)连接形成循环回路。
8.一种燃料电池加热加湿系统的控制方法，应用于权利要求1所述的燃料电池加热加湿系统，其特征在于，所述控制方法包括：
在所述燃料电池加热加湿系统启动之后，若所述空气加湿支路(2)输出的空气的温度T1小于第一预设温度T1_ref，则控制所述水循环支路(3)对所述空气加湿支路(2)中的水流加热。
9.根据权利要求8所述的燃料电池加热加湿系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
在所述燃料电池加热加湿系统启动之后，若所述空气入口(13)的空气温度T2小于第二预设温度T2_ref，则控制所述水循环支路(3)对所述空气加热支路(5)中的空气加热。
10.根据权利要求9所述的燃料电池加热加湿系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
在所述燃料电池加热加湿系统启动之后，若所述水循环支路(3)中水流的温度T3大于第三预设温度T3_ref，则控制所述水散热支路(4)对所述水循环支路(3)中的水流降温。
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