CN117199437A - 一种提高燃料电池性能的自增湿系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高燃料电池性能的自增湿系统包括：燃料电池电堆、空气泵、水泵、散热器、氢进气阀组和分水器；所述空气泵入口与大气环境相通，空气泵出口与燃料电池电堆空气端入口相通，燃料电池电堆空气出口与大气环境相通，所述水泵入口与散热器出口相连接，所述水泵的出口端与燃料电池电堆的冷却液入口端相连接，燃料电池电堆的冷却液出口与散热器的入口端相连接，燃料电池电堆的氢气出口端与分水器相连接，所述氢进气阀组包括进气入口、回流引射口和喷射口，所述氢进气阀组的进气入口与氢气源端相通，氢进气阀组的喷射口与燃料电池电堆氢气入口端相通，所述分水器的出气口与所述氢进气阀组的回流引射口相连接从而形成一套完整的燃料电池系统。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池控制技术领域，尤其涉及一种提高燃料电池性能的自增湿系统。
背景技术
氢燃料电池是一种以氢气和氧气为原料进行电化学反应生成水、同时将化学能转化成电能的电化学发电装置，具有能量转化效率高、环境友好、结构简单、操作方便等优点。
PEMFC一般采用全氟磺酸树脂膜作为质子交换膜，试验表明只有在一定湿度情况下才能发挥较好的质子交换性。目前很难做到电池内部自增湿的方式稳定燃料电池工作性能，通常在空气进气口增加增湿器的方式，增加进气空气的湿度用于保证燃料电池的输出性能。目前，燃料电池系统中普遍采用膜管式增湿器或板式增湿器，通过浓度差的形式将反应过程含水量较大的空气中的水传递到新进空气侧，增加新进空气的湿度，保证燃料电池性能输出。但是，增湿器体积通常较大，会导致系统结构复杂，且膜增湿器会导致阴极侧气体阻力增加，使阴极侧的供气空压机或鼓风机功耗增加，导致系统效率降低。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种提高燃料电池性能的自增湿系统包括：燃料电池电堆、空气泵、水泵、散热器、氢进气阀组和分水器；所述空气泵入口与大气环境相通，空气泵出口与燃料电池电堆空气端入口相通，燃料电池电堆空气出口与大气环境相通，所述水泵入口与散热器出口相连接，所述水泵的出口端与燃料电池电堆的冷却液入口端相连接，燃料电池电堆的冷却液出口与散热器的入口端相连接，燃料电池电堆的氢气出口端与分水器相连接，所述氢进气阀组包括进气入口、回流引射口和喷射口，所述氢进气阀组的进气入口与氢气源端相通，氢进气阀组的喷射口与燃料电池电堆氢气入口端相通，所述分水器的出气口与所述氢进气阀组的回流引射口相连接从而形成一套完整的燃料电池系统；
所述分水器内设有气水分离的滤芯和液位传感器，所述滤芯用于将进入分水器的气体内的水分离至出水口，所述液位传感器用于判定分水器内的液位高度，并及时从出水口排出，所述分水器的排水口设置有排水阀，通过控制排水阀从而将分水器出水口的水排出。
所述燃料电池电堆的阴极侧出口端连接有三通调节阀，通过三通阀的控制将燃料电池电堆阴极出口的尾气分成两个通路，其中通路一直接排放到大气中，通路二是与燃料电池电堆阴极入口的空气混合后进入到燃料电池系统。
所述燃料电池电堆上连接有鼓风机，鼓风机通过调节转速将一定流量的新鲜空气泵入燃料电池电堆中，通过控制三通阀的开度，从而控制通路一和通路二的空气流量，进而控制该燃料电池系统阴极出口尾气回流的流量，经过与阴极入口的新鲜空气混合后，形成一定湿度的混合空气进入燃料电池中，从而使燃料电池电堆性能达到最佳状态。
所述鼓风机将一定流量的新鲜空气泵入燃料电池电堆中，该空气化学计量比为2-5倍。
经过尾气回流后混合进入燃料电池阴极入口的空气湿度为40％-60％。
通过控制三通阀的开度，使通路二的尾气回流空气流量与新鲜空气流量比值为1:1-1:3。
该燃料电池系统的燃料电池电堆冷却液出口温度为50-70℃。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种提高燃料电池性能的自增湿系统，该系统在燃料电池系统运行中，通过阴极尾气回流混合方式，提高燃料电池性能的燃料电池自增湿效果；在燃料电池系统中，不采用增湿器零件的条件下，实现燃料电池的自增湿目的；通过调节三通阀开度，控制尾气回流量，改变燃料电池性能，使其达到最佳性能状态。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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的附图。
图1为本发明提高燃料电池性能的自增湿系统的结构框图。
图中：1、燃料电池电堆，2、空气泵，3、水泵，4、散热器5、氢进气阀组，6、分水器，7、三通调节阀。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：
如图1所示的一种提高燃料电池性能的自增湿系统，包括燃料电池电堆1、空气泵2、水泵3、散热器4、氢进气阀组5和分水器6，空气泵2入口与大气环境连接，空气泵2出口与燃料电池电堆1空气入口连接，燃料电池电堆1空气出口与大气环境连接；水泵3入口与散热器4出口连接，水泵3出口与燃料电池电堆1冷却液入口连接，燃料电池电堆1冷却液出口与散热器4入口连接；所述氢进气阀组5包含进气入口、回流引射口和喷射口，氢进气阀组5的进气入口与氢气源连接，氢进气阀组5的喷射口与燃料电池电堆1氢气入口连接，燃料电池电堆1氢气出口与分水器连接。
所述分水器6的具有进气口、出气口和出水口，所述出气口位于所述进气口的上方，所述出水口位于所述进气口的下方，所述分水器6内设有气水分离的滤芯和液位传感器，所述滤芯用于将进入分水器6的气体内的水分离至所述出水口，所述液位传感器用于判定分水器6内的液位高度，并及时从所述出水口排出，所述排水口设置有排水阀，通过控制排水阀从而将出水口的水排出，所述分水器6的出气口与所述氢进气阀组5的回流引射口连接，从而形成一套完整的燃料电池系统。
进一步的，所述燃料电池电堆1上连接有鼓风机，鼓风机是将空气泵入到燃料电池电堆中，三通阀设置在燃料电池阴极侧出口处，通过三通阀控制，可将阴极出口的尾气分成两个通路，其中一个通路直接排放到大气中标识为通路一，另一个通路是与燃料电池阴极入口的空气混合后进入到燃料电池系统中标识为通路二。
在燃料电池系统中采用鼓风机将新鲜空气以一定流量泵入燃料电池电堆中，在燃料电池电堆阴极出口设置有三通调节阀7，通过控制三通调节阀7的开度，可将阴极出口的尾气分成两个通路，其中通路一为阴极空气和液态水排放出口通道，通道二为一定流量的阴极湿空气回流通道，通道二与阴极新鲜空气管路连接，经过混合后泵入到燃料电池电堆1中，在燃料电池系统运行过程中，鼓风机通过调节转速，将一定流量的新鲜空气泵入燃料电池电堆1中，通过控制出口三通阀开度，从而控制通路一和通路二的空气流量，进而可以控制该燃料电池系统阴极出口尾气回流的流量，尾气回流量较大会使燃料电池阴极欠气，回流量较小则达不到阴极入口增湿的目的，因此控制适当流量，经过与阴极入口的新鲜空气混合后，变成一定湿度的混合空气进入燃料电池中，从而使燃料电池电堆性能达到最佳状态。
在燃料电池系统运行过程中，鼓风机通过调节转速，将一定流量的新鲜空气泵入燃料电池电堆中，通过控制出口三通阀开度，从而控制通路1和通路2的空气流量，进而可以控制该燃料电池系统阴极出口尾气回流的流量，经过与阴极入口的新鲜空气混合后，形成一定湿度的混合空气进入燃料电池中，从而使燃料电池电堆性能达到最佳状态。
进一步的，鼓风机将一定流量的新鲜空气泵入燃料电池电堆1中，该空气化学计量比为2-5倍。
进一步的，经过尾气回流后混合进入燃料电池阴极入口的空气湿度为40％-60％。
进一步的，通过控制出口三通阀的开度，使通路2的尾气回流空气流量与新鲜空气流量比值为1:1-1:3。
进一步的，该燃料电池系统的电堆冷却液出口温度约为50-70℃。设置在燃料电池阴极出口的三通阀，可使阴极产生的液态水全部通过通路一，流经通路二的空气不包含液态水。
实施例
采用110节燃料电池电堆，通过鼓风机送风方式，为燃料电池阴极入口提供空气，空气流量计量比约为4倍，空气绝压约为1.15bar，燃料电池电堆冷却液出口温度约为50℃，通过调节燃料电池阴极出口三通阀，可控制通路1和通路2的流量，当通路2的流量为0时，即阴极出口尾气不进行回流，此时，燃料电池运行功率为3kW，电压约为77V，当控制通路1流量与通路2流量比为1:2，此时，燃料电池电压约为73V，功率约为3.3kW，从而可以看到，通过采取阴极尾气回流，可以明显提高燃料电池电堆性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种提高燃料电池性能的自增湿系统，其特征在于包括：燃料电池电堆(1)、空气泵(2)、水泵(3)、散热器(4)、氢进气阀组(5)和分水器(6)；所述空气泵(2)入口与大气环境相通，空气泵(2)出口与燃料电池电堆(1)空气端入口相通，燃料电池电堆(1)空气出口与大气环境相通，所述水泵(3)入口与散热器(4)出口相连接，所述水泵(3)的出口端与燃料电池电堆(1)的冷却液入口端相连接，燃料电池电堆(1)的冷却液出口与散热器(4)的入口端相连接，燃料电池电堆(1)的氢气出口端与分水器(6)相连接，所述氢进气阀组(5)包括进气入口、回流引射口和喷射口，所述氢进气阀组(5)的进气入口与氢气源端相通，氢进气阀组(5)的喷射口与燃料电池电堆(1)氢气入口端相通，所述分水器(6)的出气口与所述氢进气阀组(5)的回流引射口相连接从而形成一套完整的燃料电池系统。
2.根据权利要求1所述的一种提高燃料电池性能的自增湿系统，其特征在于：所述分水器(6)内设有气水分离的滤芯和液位传感器，所述滤芯用于将进入分水器(6)的气体内的水分离至出水口，所述液位传感器用于判定分水器(6)内的液位高度，并及时从出水口排出，所述分水器(6)的排水口设置有排水阀，通过控制排水阀从而将分水器(6)出水口的水排出。
3.根据权利要求2所述的一种提高燃料电池性能的自增湿系统，其特征在于：所述燃料电池电堆(1)的阴极侧出口端连接有三通调节阀(7)，通过三通阀(7)的控制将燃料电池电堆(1)阴极出口的尾气分成两个通路，其中通路一直接排放到大气中，通路二是与燃料电池电堆(1)阴极入口的空气混合后进入到燃料电池系统。
4.根据权利要求3所述的一种提高燃料电池性能的自增湿系统，其特征在于：所述燃料电池电堆(1)上连接有鼓风机，鼓风机通过调节转速将一定流量的新鲜空气泵入燃料电池电堆(1)中，通过控制三通阀(7)的开度，从而控制通路一和通路二的空气流量，进而控制该燃料电池系统阴极出口尾气回流的流量，经过与阴极入口的新鲜空气混合后，形成一定湿度的混合空气进入燃料电池中，从而使燃料电池电堆性能达到最佳状态。
5.根据权利要求4所述的一种提高燃料电池性能的自增湿系统，其特征在于：所述鼓风机将一定流量的新鲜空气泵入燃料电池电堆(1)中，该空气化学计量比为2-5倍。
6.根据权利要求4所述的一种提高燃料电池性能的自增湿系统，其特征在于：经过尾气回流后混合进入燃料电池阴极入口的空气湿度为40％-60％。
7.根据权利要求3所述的一种提高燃料电池性能的自增湿系统，其特征在于：通过控制三通阀(7)的开度，使通路二的尾气回流空气流量与新鲜空气流量比值为1:1-1:3。
8.根据权利要求3所述的一种提高燃料电池性能的自增湿系统，其特征在于：该燃料电池系统的燃料电池电堆(1)冷却液出口温度为50-70℃。
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