CN213459811U - 一种甲醇重整燃料电池进气量控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种甲醇重整燃料电池进气量控制系统，包括电堆、甲醇重整制氢装置、空气过滤器和控制器；空气过滤器的第一空气出口通过第一风机与电堆的进气口相连，空气过滤器的第二空气出口通过第二风机与甲醇重整制氢装置的进气口相连；甲醇重整制氢装置的氢气出口与电堆的进气口相连；电堆的排气管道上设有第一氧传感器，甲醇重整制氢装置的排气管道上设有第二氧传感器；第一风机、第二风机、第一氧传感器、第二氧传感器均与控制器相连接。本实用新型能够实现燃料电池各个管道进气量的准确控制，且不会增加进气风机的负担。

Description

一种甲醇重整燃料电池进气量控制系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种甲醇重整燃料电池进气量控制系统。

背景技术

对于甲醇重整制氢部分来说，燃烧室无论采用催化燃烧还是明火燃烧，均需靠氧气助燃。而对于燃料电池本身来说，就是氢气和氧气的反应，也离不开对氧气的控制。

目前主流燃料电池的进气量控制方式多采用气体流量计检测的方式，控制器根据流量计的反馈值调整进气风机从而改变进气量。但是，由于流量计需要整个串联在管道中，这导致增大了管路整体的压损，进而增大了风机的静压风机需要更大的静压才能满足流量要求，因此增加了进气风机的负担。

实用新型内容

本实用新型提供了一种甲醇重整燃料电池进气量控制系统，以解决上述技术问题，能够实现燃料电池各个管道进气量的准确控制，且不会增加进气风机的负担。

为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种甲醇重整燃料电池进气量控制系统，包括电堆、甲醇重整制氢装置、空气过滤器和控制器；

所述空气过滤器的第一空气出口通过第一风机与所述电堆的进气口相连，所述空气过滤器的第二空气出口通过第二风机与所述甲醇重整制氢装置的进气口相连；

所述甲醇重整制氢装置的氢气出口与所述电堆的进气口相连；

所述电堆的排气管道上设有第一氧传感器，所述甲醇重整制氢装置的排气管道上设有第二氧传感器；

所述第一风机、所述第二风机、所述第一氧传感器、所述第二氧传感器均与所述控制器相连接。

作为优选方案，还包括预热器；所述空气过滤器的第三出口通过第三风机与所述预热器的进气口相连；所述预热器的排气管道上设有第三氧传感器；所述第三风机、所述第三氧传感器与所述控制器连接。

作为优选方案，所述空气过滤器的第一空气出口为通过所述第一风机与所述电堆的阴极进气口相连。

作为优选方案，所述空气过滤器的第二空气出口为通过第二风机与所述甲醇重整制氢装置的燃烧室进气口相连。

作为优选方案，所述甲醇重整制氢装置的重整室氢气出口与所述电堆的阳极进气口相连。

作为优选方案，所述电堆的排气管道、所述甲醇重整制氢装置的排气管道均与尾排阀相连。

作为优选方案，所述空气过滤器的进气口与空气源相连。

相比于现有技术，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型实施例提供了一种甲醇重整燃料电池进气量控制系统，包括电堆、甲醇重整制氢装置、空气过滤器和控制器；所述空气过滤器的第一空气出口通过第一风机与所述电堆的进气口相连，所述空气过滤器的第二空气出口通过第二风机与所述甲醇重整制氢装置的进气口相连；所述甲醇重整制氢装置的氢气出口与所述电堆的进气口相连；所述电堆的排气管道上设有第一氧传感器，所述甲醇重整制氢装置的排气管道上设有第二氧传感器；所述第一风机、所述第二风机、所述第一氧传感器、所述第二氧传感器均与所述控制器相连接。本实用新型能够实现燃料电池各管道进气量的准确控制，且不会增加进气风机的负担。

附图说明

图1是本实用新型实施例中的甲醇重整燃料电池进气量控制系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的精密式流量计安装示意图；

图3是本实用新型实施例提供的氧传感器安装示意图；

其中，说明书附图中的附图标记如下：

1、电堆；2、甲醇重整制氢装置；3、空气过滤器；4、第一风机；5、第二风机；6、第三风机；7、第一氧传感器；8、第二氧传感器；9、第三氧传感器；10、预热器；11、尾排阀。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参见图1，本实用新型优选实施例提供了一种甲醇重整燃料电池进气量控制系统，包括电堆1、甲醇重整制氢装置2、空气过滤器3和控制器；

所述空气过滤器3的第一空气出口通过第一风机4与所述电堆1的进气口相连，所述空气过滤器3的第二空气出口通过第二风机5与所述甲醇重整制氢装置2的进气口相连；

所述甲醇重整制氢装置2的氢气出口与所述电堆1的进气口相连；

所述电堆1的排气管道上设有第一氧传感器7，所述甲醇重整制氢装置2的排气管道上设有第二氧传感器8；

所述第一风机4、所述第二风机5、所述第一氧传感器7、所述第二氧传感器8均与所述控制器相连接；

所述控制器被配置为：获取所述第一氧传感器7、所述第二氧传感器8反馈的氧含量数据，并根据所述氧含量数据生成控制指令以对所述第一风机4、所述第二风机5进行控制。

作为优选方案，还包括预热器10；所述空气过滤器3的第三出口通过第三风机6与所述预热器10的进气口相连；所述预热器10的排气管道上设有第三氧传感器9；所述第三风机6、所述第三氧传感器9与所述控制器连接。

作为优选方案，所述空气过滤器3的第一空气出口为通过所述第一风机4与所述电堆1的阴极进气口相连。

作为优选方案，所述空气过滤器3的第二空气出口为通过第二风机5与所述甲醇重整制氢装置2的燃烧室进气口相连。

作为优选方案，所述甲醇重整制氢装置2的重整室氢气出口与所述电堆1的阳极进气口相连。

作为优选方案，所述电堆1的排气管道、所述甲醇重整制氢装置2的排气管道均与尾排阀11相连。

作为优选方案，所述空气过滤器3的进气口与空气源相连。

作为优选方案，所述控制器还被配置为：获取所述第一氧传感器7检测到的第一氧气含量，根据所述第一氧气含量与预设第一目标量的相差值生成第一控制指令，继而根据所述第一控制指令对所述第一风机4进行控制。

作为优选方案，所述控制器还被配置为：获取所述第二氧传感器8检测到的第二氧气含量，根据所述第二氧气含量与预设第二目标量的相差值生成第二控制指令，继而根据所述第二控制指令对所述第二风机5进行控制。

作为优选方案，所述控制器还被配置为：获取所述第三氧传感器9检测到的第三氧气含量，根据所述第三氧气含量与预设第三目标量的相差值生成第三控制指令，继而根据所述第三控制指令对所述第三风机6进行控制。

需要说明的是，甲醇重整燃料电池可以分为两个部分：甲醇重整制氢和燃料电池。对于甲醇重整制氢部分来说，燃烧室无论采用催化燃烧还是明火燃烧，均需靠氧气助燃。而对于燃料电池本身来说，就是氢气和氧气的反应，也离不开对氧气的控制。

现有技术需要将精密式流量计整个串联在管道中，如图2所示，由于内部结构的原因，通常会有1kPa以上的压损，进而增大风机的静压，风机需要更大的静压才能满足流量要求，因此风机的电机功率也需要提升，这样就增加了风机的负担。

而本实用新型实施例中的氧传感器只需要在管路中做一个三通，将探头伸入管路中即可测量氧含量值，如图3所示，对管路压力无影响。

需要说明的是，在本实用新型实施例中，采用氧传感器在各个反应装置后端检测氧气含量，控制器根据氧传感器的数值来调整反应装置前端的进气量。

在本实用新型实施例中，具体的控制逻辑如下：

当第一氧传感器7的数值低于设定目标值，控制器增大第一风机4的进气量流量，直到第一氧传感器7上升的目标值区间；

当第一氧传感器7的数值高于设定目标值，控制器降低第一风机4的进气流量，直到第一氧传感器7下降到目标区间。

同理，甲醇重整制氢装置2的燃烧室的进气调整也是使用第二氧传感器8的数值做闭环控制。

另外，需要说明的是，如果预热器10采用的是催化燃烧加热的方式，就需要用到第三氧传感器9的数值做闭环控制。如果预热器10采用的是电加热的方式，则不需要进气燃烧，无需进行进气量控制。

需要说明的是，在反应装置后端检测氧气的含量是因为：燃料电池的原理是氢气和氧气反应生成水，同时释放电子。燃料电池反应所需的氢气和氧气都是过量的，根据化学反应式计算出的所需氢气量和氧气量(空气量)再分别乘以阳极和阴极的化学计量数(类似安全系数)最终得到的值才是每个电堆反应所需的氢气和氧气量。不同电堆厂家的化学计量数不同，有的厂家阴极空气进气量是理论值乘以2.5，有的厂家阴极空气进气量是理论值乘以1.7。阳极进气量也同理。所以通入过量的空气后，在电堆阴极出口中必然还会有氧气剩余。举例：如果电堆不工作时中正常氧气含量是21％，经过电堆反应后，阴极出口气体中氧传感器显示8.5％，即说明有12.5％的氧气被电堆反应消耗了，剩余8.5％的氧气未反应，如果8.5％的氧传感器是正常值，当氧传感器显示数字低于8.5％，说明此时反应所需的空气量不足，需要增大阴极风机进气量，通入更多空气，氧传感器的数值就会慢慢上升恢复，直到恢复到8.5％即可停止增加风机进气量。

基于上述方案，下面对氧传感器的数值设定进行举例说明：

1、计算反应所需的氧气量：O₂＝I*n/4*F

其中，I：电流；n：电堆片数；F：法拉第常数；

2、计算阴极化学计量比：

以某70片的电堆为例，其给定的空气进气量为Lair＝1.944*I；

而O₂＝70/4.96485*I＝(1.81375*10^-4)*I；

则可求出其阴极化学计量数：λ＝Lair/O₂/0.21＝1.67；

3、计算氧传感器设定值：

对氧传感器来说，λ＝初始值/(初始值-当前氧含量)；

其中，初始值是空气中的氧气没有任何消耗的数值(此值理论接近21％)，受气压和温度的影响实际取19.7左右。则：

当前氧含量＝初始值-(初始值/λ)＝19.7-(19.7/1.67)＝7.9；

所以设置氧传感器目标数值为7.9，例如设置第一氧传感器7的目标数值等于7.9左右，根据这个值做闭环控制。

需要说明的是，氧传感器是检测气体中的氧气含量的测试仪器，在汽车行业较为常见，(发动机节气门均安装有氧传感器)因此成本较为低廉。而精密流量计大多价格都比较昂贵。

与现有技术相比，本实用新型实施例具有如下有益效果：

1、利用氧传感器做闭环控制，成本低廉，控制准确。相对于使用精确气体流量计的方式来说，节省了较大的成本。

2、由于氧传感器只需要把探头接触到管路中的空气，不需要整体全部串联在管路中，所以没有压损，不会对风机造成额外的负担。而精密流量计由于内部结构的原因，通常有1kPa以上的压损。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种甲醇重整燃料电池进气量控制系统，其特征在于，包括电堆、甲醇重整制氢装置、空气过滤器和控制器；

所述空气过滤器的第一空气出口通过第一风机与所述电堆的进气口相连，所述空气过滤器的第二空气出口通过第二风机与所述甲醇重整制氢装置的进气口相连；

所述甲醇重整制氢装置的氢气出口与所述电堆的进气口相连；

所述电堆的排气管道上设有第一氧传感器，所述甲醇重整制氢装置的排气管道上设有第二氧传感器；

所述第一风机、所述第二风机、所述第一氧传感器、所述第二氧传感器均与所述控制器相连接。

2.如权利要求1所述的甲醇重整燃料电池进气量控制系统，其特征在于，还包括预热器；所述空气过滤器的第三出口通过第三风机与所述预热器的进气口相连；所述预热器的排气管道上设有第三氧传感器；所述第三风机、所述第三氧传感器与所述控制器连接。

3.如权利要求1所述的甲醇重整燃料电池进气量控制系统，其特征在于，所述空气过滤器的第一空气出口为通过所述第一风机与所述电堆的阴极进气口相连。

4.如权利要求1所述的甲醇重整燃料电池进气量控制系统，其特征在于，所述空气过滤器的第二空气出口为通过所述第二风机与所述甲醇重整制氢装置的燃烧室进气口相连。

5.如权利要求1所述的甲醇重整燃料电池进气量控制系统，其特征在于，所述甲醇重整制氢装置的重整室氢气出口与所述电堆的阳极进气口相连。

6.如权利要求1所述的甲醇重整燃料电池进气量控制系统，其特征在于，所述电堆的排气管道、所述甲醇重整制氢装置的排气管道均与尾排阀相连。

7.如权利要求1所述的甲醇重整燃料电池进气量控制系统，其特征在于，所述空气过滤器的进气口与空气源相连。

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