CN117039045A - 一种具有能量回收功能的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有能量回收功能的燃料电池系统，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术散热方案存在能量浪费以及电池片内结构复杂的问题。该系统包括电堆、膨胀机、分水件、比例阀，以及雾化装置。电堆的每一电池片内均无水流道。电堆的空气进口接膨胀机的压轮腔出口，其空气尾气出口经膨胀机的涡轮腔接分水件的进气口。分水件的出气口连通外部大气，其出液口依次经比例阀、雾化装置后连通膨胀机的压轮腔入口，以使水雾在膨胀机的压轮腔中与空气混合并压缩后进入电堆的空气道内。该系统利用电堆进气同时携带小水滴，通过小液滴相变气化吸热，以降低电堆温度，使得电池片内部不需要设置水流道，同时通过膨胀机回收电堆尾排能量。

Description

一种具有能量回收功能的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种具有能量回收功能的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池发动机的电堆在工作时会产热，需要实施降温，并进行温度控制，以保证燃料电池发动机的工作状态及寿命。
目前，现有电堆降温方案大多采用冷却水循环降温，即每一电池片的内部设有水流道，冷却水从一端流入、另一端流出，将电堆内部的热量带出并散热至大气中，此过程大多无回收利用，导致电堆产生的大量热量被白白浪费。
同时，现有电堆的单电池片设计中，每一电池片不仅需要设计氢气道、空气道，还需要设计水流道，水流道不但占用电池片体积，且导致电池片结构复杂。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种具有能量回收功能的燃料电池系统，用以解决现有技术散热方案存在能量浪费以及电池片内结构复杂的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种具有能量回收功能的燃料电池系统，包括电堆、膨胀机、分水件、比例阀，以及雾化装置；其中，
电堆由多个电池片堆叠而成，每一电池片内均设置有氢气道、空气道，但均无水流道；
电堆的空气进口接膨胀机的压轮腔出口，其空气尾气出口经膨胀机的涡轮腔接分水件的进气口；分水件的出气口连通外部大气，其出液口依次经比例阀、雾化装置后连通膨胀机的压轮腔入口，以使设定量的水雾在膨胀机的压轮腔中与空气混合并压缩后进入电堆的空气道内降低电堆温度。
上述技术方案的有益效果如下：优化了燃料电池发动机中电堆的冷却及温度控制，结构简单，控制简单。与传统的冷却水循环降温方法不同的是，上述技术方案利用电堆进气同时携带小水滴进入电堆，通过小液滴相变气化吸热，以降低电堆温度，使得电池片内部不需要设置水流道，只需要设置氢气道、空气道即可，小液滴与电堆进气使用同一空气道。利用膨胀机回收携带着电堆热量的尾排能量。
基于上述系统的进一步改进，该燃料电池系统还包括补液装置；其中，
补液装置上设有可调控其输出的液态水量的控制机构；
补液装置的出水口、分水件的出液口并联后经比例阀接雾化装置的进水口。
进一步，该燃料电池系统还包括控制器；其中，
控制器，用于监测电堆温度，识别电堆温度高于设定值或设定范围时调整比例阀的开度以使分水件及补液装置输出的液态水量增加，以及，识别电堆温度低于设定值或设定范围时调整比例阀的开度以使分水件及补液装置输出的液态水量减少，使得通过液态水量调节维持电堆温度始终处于设定值或设定范围。
进一步，膨胀机内设置有电机，电机的输出轴一端安装有压轮腔内的压轮，另一端安装有压轮腔内的涡轮；并且，
所述电机包括发电电机、用于提供膨胀机运行动力的电机中的至少一种。
进一步，该燃料电池系统还包括：
空滤，设于膨胀机的压轮腔进口，用于过滤空气中的灰尘、颗粒以及有害气体；
流量计，也设于膨胀机的压轮腔进口，用于获取入堆空气流量，发送至控制器。
进一步，该燃料电池系统还包括：
喷淋泵，其输入端接分水件的出液口，其输出端接喷淋腔内雾化喷头的供水端；
喷淋腔，其腔内顶部设有雾化喷头，一侧设有进气口，该进气口接膨胀机的压轮腔出口，另一侧设有出气口，该出气口接电堆的空气进口。
进一步，该燃料电池系统还包括：
温度传感器，设于电堆表面或电堆内部，用于实时获取电堆温度发送至控制器。
进一步，补液装置还包括冷水箱和保温水箱；其中，
冷水箱内的水温在0～20℃之间；
保温水箱内的水温在20～70℃之间。
进一步，该燃料电池系统还包括引射器；其中，
引射器的射流入口接膨胀机的压轮腔出口，其引流气体入口接分水件的出气口，其汇流出口接电堆的空气进口。
进一步，该燃料电池系统还包括空气循环泵；其中，
空气循环泵的输入端接分水件的出气口，其输出端接电堆的空气进口，其控制端接控制器。
提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本发明的重要特征或必要特征，也无意限制本发明的范围。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了实施例1燃料电池系统组成示意图；
图2示出了实施例2燃料电池系统的能量回收方式一示意图；
图3示出了实施例2燃料电池系统的能量回收方式二示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
下面首先介绍本发明涉及的专业术语及其定义。
燃料电池发动机：一种氢气和氧气经过电化学反应将化学能转变成电能的发动机系统，具体包括燃料供应系统、氧化剂供应系统、冷却液系统、电堆等。
电堆：作为燃料电池发动机的核心部件，一般内部设有氢气腔(氢气道)、空气腔腔(空气道)、水路腔(水流道)。
实施例1
本发明的一个实施例，公开了一种具有能量回收功能的燃料电池系统，如图1所示，包括电堆、膨胀机、分水件、比例阀，以及雾化装置。
其中，电堆由多个电池片(单电池)堆叠而成，每一电池片内均设置有氢气道、空气道，但均无水流道(省略了水流道设计)。
电堆的空气进口接膨胀机的压轮腔出口，其空气尾气出口经膨胀机的涡轮腔接分水件的进气口。分水件的出气口连通外部大气(需说明的是，分水件的出气口也允许有一部分液态水排出)，其出液口依次经比例阀(通过比例阀的开度调整控制进入雾化装置内的液态水量及空气量)、雾化装置后连通膨胀机的压轮腔入口，以使设定量的水雾在膨胀机的压轮腔中与空气混合并压缩后进入电堆的空气道内降低电堆温度(同理，出液口也允许有一部分空气经过，为的是雾化装置内雾化腔更好雾化)。水雾量由比例阀进行调控。
比例阀放置于分水件的出液口后、雾化装置前，通过比例阀的开度大小控制进入雾化装置内的液态水及空气量。
实施时，电堆尾排处连接一个分水件，分出的液态水经比例阀连接至雾化装置，雾化装置雾化后进入到空压机入口，比例阀开度可以调节以控制进入雾化腔的液态水(小液滴)及空气量，进一步实现控制进入空压机的水雾(小液滴)量，水雾与空气混合且经过空压机压缩后进入电堆，水雾在电堆内部气化吸热以降低电堆内温度，电堆后端连接膨胀机，气化后的水蒸气经电堆排出后，经过膨胀机做功回收能量，膨胀机后端连接分水件，气水分离的液态水一部分进入下一循环，另一部分排出到大气，以此往复循环。电堆温度可以通过液态水循环量的多少来控制，当电堆温度高时，可以适当增加水循环量，当电堆温度低时，可以适当降低水循环量。
与现有技术相比，本实施例优化了燃料电池发动机中电堆的冷却及温度控制，结构简单，控制简单。与传统的冷却水循环降温方法不同的是，上述技术方案利用电堆进气同时携带小水滴进入电堆，通过小液滴相变气化吸热，以降低电堆温度，使得电池片内部不需要设置水流道，只需要设置氢气道、空气道即可，小液滴与电堆进气使用同一空气道。利用膨胀机回收携带着电堆热量的尾排能量。
实施例2
在实施例1的基础上进行改进，该燃料电池系统还包括补液装置，以考虑到分水件产生的水不足的情况下。理想情况如果电堆产生的水足够的话，不需要外置补液装置。补液装置上设有可调控其输出的液态水量的控制机构。补液装置的出水口、分水件的出液口并联后经比例阀接雾化装置的进水口。
优选地，该控制机构具有双向控制功能，即可输入一定量的液态水至补液装置，也可输出一定量的液态水量至电堆，使得燃料电池系统内的水循环量得以更大范围地控制。
优选地，该燃料电池系统还包括温度传感器、控制器。控制器的输入端接温度传感器，其输出端接比例阀及补液装置上控制机构的控制端。
温度传感器，设于电堆表面或电堆内部，用于实时获取电堆温度发送至控制器。
控制器，用于监测电堆温度，识别电堆温度高于设定值或设定范围时调整比例阀的开度以使分水件及补液装置输出的液态水量增加，以及，识别电堆温度低于设定值或设定范围时调整比例阀的开度以使分水件及补液装置输出的液态水量减少，使得通过液态水量调节维持电堆温度始终处于设定值或设定范围。
优选地，膨胀机内设置有电机，膨胀机具体结构参见中国专利CN110739805A、CN113565586A等，电机的输出轴一端安装有压轮腔内的压轮，另一端安装有压轮腔内的涡轮。所述电机包括发电电机、用于提供膨胀机运行动力的电机中的至少一种。压轮腔和涡轮腔中间串联一个电机，此电机即可以发电也可以提供动力。
优选地，该燃料电池系统还包括依次连接的空滤、流量计，如图2所示。
空滤，设于膨胀机的压轮腔进口，用于过滤空气中的灰尘、颗粒以及有害气体。
流量计，也设于膨胀机的压轮腔进口，用于获取入堆空气流量，发送至控制器。
优选地，该燃料电池系统还包括喷淋泵、喷淋腔。可选择地，尾排水再循环也可以在膨胀机出口后以喷淋等形式再进入电堆，如图3所示。
喷淋泵，其输入端接分水件的出液口，其输出端接喷淋腔内雾化喷头的供水端。
喷淋腔，其腔内顶部设有雾化喷头，一侧设有进气口，该进气口接膨胀机的压轮腔出口，另一侧设有出气口，该出气口接电堆的空气进口。
优选地，补液装置还包括冷水箱和保温水箱。其中，冷水箱内的水温在0～20℃之间。保温水箱内的水温在20～70℃之间。
优选地，该燃料电池系统还包括引射器。
引射器的射流入口接膨胀机的压轮腔出口，其引流气体入口接分水件的出气口，其汇流出口接电堆的空气进口。
优选地，该燃料电池系统还包括空气循环泵。空气循环泵的输入端接分水件的出气口，其输出端接电堆的空气进口，其控制端接控制器。
与现有技术相比，本实施例提供的具有能量回收功能的燃料电池系统具有如下有益效果：
1、利用电堆进气同时添加液态水，利用液态水气化吸热降低电堆温度。无需传统的水循环系统，控制简单、结构简单。
2、利用膨胀机回收携带着电堆热量的尾排能量，可实现再发电，节省能量，提高电堆热效率。
3、电池片设计上只需要氢、空气道，不需要水道，简化了电池片设计。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种具有能量回收功能的燃料电池系统，其特征在于，包括电堆、膨胀机、分水件、比例阀，以及雾化装置；其中，
电堆由多个电池片堆叠而成，每一电池片内均设置有氢气道、空气道，但均无水流道；
电堆的空气进口接膨胀机的压轮腔出口，其空气尾气出口经膨胀机的涡轮腔接分水件的进气口；分水件的出气口连通外部大气，其出液口依次经比例阀、雾化装置后连通膨胀机的压轮腔入口，以使设定量的水雾在膨胀机的压轮腔中与空气混合并压缩后进入电堆的空气道内降低电堆温度。
2.根据权利要求1所述的具有能量回收功能的燃料电池系统，其特征在于，还包括补液装置；其中，
补液装置上设有可调控其输出的液态水量的控制机构；
补液装置的出水口、分水件的出液口并联后经比例阀接雾化装置的进水口。
3.根据权利要求1或2所述的具有能量回收功能的燃料电池系统，其特征在于，还包括控制器；其中，
控制器，用于监测电堆温度，识别电堆温度高于设定值或设定范围时调整比例阀的开度以使分水件及补液装置输出的液态水量增加，以及，识别电堆温度低于设定值或设定范围时调整比例阀的开度以使分水件及补液装置输出的液态水量减少，使得通过液态水量调节维持电堆温度始终处于设定值或设定范围。
4.根据权利要求3所述的具有能量回收功能的燃料电池系统，其特征在于，膨胀机内设置有电机，电机的输出轴一端安装有压轮腔内的压轮，另一端安装有压轮腔内的涡轮；并且，
所述电机包括发电电机、用于提供膨胀机运行动力的电机中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的具有能量回收功能的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
空滤，设于膨胀机的压轮腔进口，用于过滤空气中的灰尘、颗粒以及有害气体；
流量计，也设于膨胀机的压轮腔进口，用于获取入堆空气流量，发送至控制器。
6.根据权利要求1、2、4、5任一项所述的具有能量回收功能的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
喷淋泵，其输入端接分水件的出液口，其输出端接喷淋腔内雾化喷头的供水端；
喷淋腔，其腔内顶部设有雾化喷头，一侧设有进气口，该进气口接膨胀机的压轮腔出口，另一侧设有出气口，该出气口接电堆的空气进口。
7.根据权利要求5所述的具有能量回收功能的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
温度传感器，设于电堆表面或电堆内部，用于实时获取电堆温度发送至控制器。
8.根据权利要求7所述的具有能量回收功能的燃料电池系统，其特征在于，补液装置还包括冷水箱和保温水箱；其中，
冷水箱内的水温在0～20℃之间；
保温水箱内的水温在20～70℃之间。
9.根据权利要求1、2、4、5、7、8任一项所述的具有能量回收功能的燃料电池系统，其特征在于，还包括引射器；其中，
引射器的射流入口接膨胀机的压轮腔出口，其引流气体入口接分水件的出气口，其汇流出口接电堆的空气进口。
10.根据权利要求1、2、4、5、7、8任一项所述的具有能量回收功能的燃料电池系统，其特征在于，还包括空气循环泵；其中，
空气循环泵的输入端接分水件的出气口，其输出端接电堆的空气进口，其控制端接控制器。
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