CN216671700U - 一种阳极回路水管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及燃料电池技术领域，公开了一种阳极回路水管理系统。该系统包括电堆、氢气输送管路、氢气循环管路，以及控制器和用于检测环境温度的第一温度传感器。其中：氢气输送管路的一端连接储氢装置，另一端与电堆的氢气进口连接，氢气输送管路中设置有第一加热器；氢气循环管路的一端与电堆的氢气出口连接，另一端接入氢气输送管路且位于第一加热器和氢气进口之间，氢气循环管路中设置有用于监测循环氢气温度的第二温度传感器；第一温度传感器、第二温度传感器、第一加热器均与控制器信号连接。本实用新型能够避免由储氢瓶出来的氢气与经循环泵循环回来的高温高湿气体混合时产生大量液态水，从而避免电堆氢气入口处的水淹风险。

Description

一种阳极回路水管理系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种阳极回路水管理系统。

背景技术

燃料电池具有环境适应性强、零污染、燃料加注速度快等优势，可以同时弥补内燃机污染严重，锂电池充电时间长、低温适应性差的不足，是理想的动力系统替代方案。

燃料电池的阳极回路水管理系统对燃料电池的性能和寿命有重要影响。若水含量不足，则会导致进入电堆的氢气湿度不够，燃料电池性能下降；若水含量太多，则会阻塞氢气流道，导致阳极氢气供应不均匀，严重的话会导致电堆反极，加速电堆性能衰减，严重影响燃料电池寿命。

燃料电池工作过程中，电堆出口氢气的温度一般在70℃左右且湿度较大，经氢气循环泵压缩后的氢气温度可达到80℃以上，经储氢瓶进入燃料电池的氢气温度一般低于环境温度，特别是在-30℃左右的低温环境中运行时，储氢瓶出来的氢气温度低于-30℃，与经循环泵循环回来的高温高湿气体混合后会产生大量液态水，导致电堆氢气入口处水淹，从而导致电堆阳极氢气流道堵塞，电堆发生反极。

因此，如何避免由储氢瓶出来的氢气与经循环泵循环回来的高温高湿气体混合时产生大量液态水，以避免电堆氢气入口处的水淹风险，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种用于燃料电池的阳极回路水管理系统，能够避免由储氢瓶出来的氢气与经循环泵循环回来的高温高湿气体混合时产生大量液态水，从而避免电堆氢气入口处的水淹风险。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种阳极回路水管理系统，包括电堆、氢气输送管路、氢气循环管路，以及控制器和用于检测环境温度的第一温度传感器，其中：

所述氢气输送管路的一端连接储氢装置，另一端与所述电堆的氢气进口连接，所述氢气输送管路中设置有第一加热器；

所述氢气循环管路的一端与所述电堆的氢气出口连接，另一端接入所述氢气输送管路且位于所述第一加热器和所述氢气进口之间，所述氢气循环管路中设置有用于监测循环氢气温度的第二温度传感器；

所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述第一加热器均与所述控制器信号连接。

可选地，在上述阳极回路水管理系统中，所述氢气循环管路中设置有气液分离器，所述气液分离器包括气液分离腔，以及设置在所述气液分离腔的外侧底部且与所述气液分离腔的液态水收集腔连通的排水管路，所述排水管路中设置有排水阀。

可选地，在上述阳极回路水管理系统中，所述气液分离器中还包括设置在所述气液分离腔的外侧且与所述气液分离腔的气体收集腔连通的排氮管路，所述排氮管路中设置有排氮阀。

可选地，在上述阳极回路水管理系统中，所述气液分离器中还包括用于对所述气液分离腔内的液位进行监测的液位传感器。

可选地，在上述阳极回路水管理系统中，所述氢气输送管路中设置有第一开关阀；

所述电堆的空气入口与空气输送管路连接，所述空气输送管路设置有第二开关阀；

所述液位传感器与所述第一开关阀信号连接，或者，所述液位传感器与所述第二开关阀信号连接。

可选地，在上述阳极回路水管理系统中，所述气液分离器中还包括用于对所述排水阀进行加热的第二加热器。

可选地，在上述阳极回路水管理系统中，所述电堆设置有用于监测电堆内部电阻的阻抗监测仪，所述阻抗监测仪和所述排水阀信号连接。

可选地，在上述阳极回路水管理系统中，所述氢气循环管路中设置有循环泵，所述气液分离器设置在所述循环泵的进口和所述电堆的氢气出口之间连接的管路中。

可选地，在上述阳极回路水管理系统中，所述氢气输送管路中设置有第一开关阀、调压阀和泄压阀。

可选地，在上述阳极回路水管理系统中，所述第一加热器设置有加热介质进口和加热介质出口，所述加热介质为水。

从上述技术方案可以看出，本实用新型提供的阳极回路水管理系统中，由于设置有用于对由储氢瓶出来的氢气进行加热的第一加热器，从而使得由储氢装置出来的氢气与循环回来的高温高湿氢气之间的温差不会太大。而且，该阳极回路水管理系统中，由于设置有用于检测环境温度的第一温度传感器，以及用于监测循环氢气温度的第二温度传感器，从而能够根据二者检测到的温度差值调节第一加热器的加热功率，使得由储氢装置出来的氢气与由电堆氢气出口循环回来的氢气之间的温度差值保持在适当范围，从而避免二者汇合后产生冷凝水，以避免电堆氢气入口处水淹、电堆阳极氢气流道堵塞、电堆发生反极等风险。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例提供的阳极回路水管理系统的结构示意图。

其中：

1-过滤器，2-开关阀，3-调压阀，4-泄压阀，5-第一加热器，

6-循环泵，7-电堆，8-阻抗监测仪，

9-第二温度传感器，10-气液分离器，

101-气液分离腔，102-第二加热器，

103-排水阀，104-排氢阀，105-液位传感器。

具体实施方式

本实用新型公开了一种用于燃料电池的阳极回路水管理系统，能够避免由储氢瓶出来的氢气与经循环泵循环回来的高温高湿气体混合时产生大量液态水，从而避免电堆氢气入口处的水淹风险。

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做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。

请参阅图1，本实用新型实施例提供的阳极回路水管理系统，包括电堆7、氢气输送管路、氢气循环管路，以及控制器和用于检测环境温度的第一温度传感器。其中：

氢气输送管路的一端连接储氢装置，另一端与电堆7的氢气进口连接，用于向电堆7内输送氢气，氢气输送管路中设置有第一加热器5，第一加热器5用于对由储氢装置出来的氢气在进入电堆氢气入口前进行加热，保证由储氢装置出来的氢气与经循环泵6循环回来的氢气之间的温差不会太大，避免二者汇合后产生冷凝水；

氢气循环管路的一端与电堆7的氢气出口连接，另一端接入氢气输送管路且位于第一加热器5和氢气进口之间，氢气循环管路中设置有循环泵6，循环泵6的作用为将电堆氢气出口的氢气泵送入电堆氢气入口，以对未发生反应的氢气进行循环利用，而且，氢气循环管路中还设置有用于监测循环氢气温度的第二温度传感器9；

第一温度传感器、第二温度传感器9、第一加热器5均与控制器信号连接，以通过控制器计算第一温度传感器检测到的环境温度和第二温度传感器9检测到的循环氢气温度之间的差值，并以此控制和调节第一加热器5的加热功率，从而使得由储氢装置出来的氢气与由电堆氢气出口循环回来的氢气之间的温度差值保持在适当范围，避免二者由于温差过大导致混合时产生液态水，从而避免电堆氢气入口处发生水淹，避免电堆阳极氢气流道堵塞、电堆发生反极等风险。

例如，具体实施时，上述控制过程如下：

1)通过第一加热器5，能够保证由储氢装置输送过来的氢气与经氢气循环管路循环回来的氢气之间的温差保持在合适范围△T1内，避免二者混合时产生大量液态水；

2)同时，第一加热器5的加热功率可以根据电堆氢气出口温度和环境温度之间的差值△T2进行调节：在低温环境下△T2较大，则提升第一加热器5的加热功率；在高温环境下△T2较小，则降低第一加热器5的功率。例如，当△T2≥m时，加热功率为P1，当n＜△T2＜m时，加热功率为P2，当△T2≤n时，加热功率为P3，其中，P1＜P2＜P3。

具体地，上述氢气循环管路中设置有气液分离器10，用于对电堆出口的混合气体进行水气分离。如图1中所示，该气液分离器10设置在循环泵6的进口和电堆7的氢气出口之间连接的管路中，分离出的气体经循环泵6再次进入电堆。

请参见图1，气液分离器10包括气液分离腔101，以及用于将气液分离腔101内分离出的液态水进行排放的排水管路，该排水管路设置在气液分离腔101的外侧底部且与气液分离腔101的液态水收集腔连通。而且，该排水管路中设置有排水阀103，排水阀103与控制器信号连接，以按照预设程序开闭，定时将分离出的水排出电池系统外。

优选实施例中，排水阀103的开启频率根据运行电流进行调节，大电流工况电堆7产水量多，排水阀103开启频率高，小电流工况电堆7产水量少，排水阀103开启频率低。

从而可见，本实用新型实施例提供的阳极回路水管理系统，可以根据燃料电池的运行状态实时调节阳极回路水含量，保证燃料电池在不同工况运行时，阳极回路水含量始终保持在合理范围内。

进一步地，气液分离器10中还集成设置有排氮管路，排氮管路中设置有排氮阀104。具体地，该排氮管路设置在气液分离腔101的外侧，且与气液分离腔101的气体收集腔连通。排氮阀104与控制器信号连接，以按照预设程序开闭，以定时开启排氮阀104进行排氮，保证电堆阳极侧氢气浓度。

优选实施例中，排氮阀104的开启频率根据运行电流和运行时间进行调节，在燃料电池运行过程中，电堆阴极侧氮气在浓度梯度的作用下，从阴极渗透到阳极，导致阳极侧氢气浓度下降，进而导致电堆电压下降，因此需要定期开启排氮阀104，排出阳极侧的氮气，保证电堆阳极侧氢气浓度。

在燃料电池运行过程中，如果排水阀103不能正常打开，会导致电堆阳极水淹，电堆烧损，如果排水阀103不能正常关闭，会导致进堆压力波动，电堆电压不稳，影响电堆性能和寿命。

因此，在优选实施例中，气液分离器10中还集成设置有液位传感器105，用于对气液分离腔101内的液位进行监测。

具体地，上述氢气输送管路中设置有第一开关阀2；电堆7的空气入口与空气输送管路连接，空气输送管路设置有第二开关阀；液位传感器105与第一开关阀2信号连接，或者，液位传感器105与第二开关阀信号连接。

当液位传感器105检测到气液分离腔101内的液位超出或低于预设范围，则说明排水管或排水阀103故障，从而通过控制第一开关阀2或第二开关阀控制燃料电池停机。也就是说，液位传感器105可以在燃料电池运行过程中实时监测排水阀103的状态，正常情况下分离出的液态水液位在一定范围内，如果排水阀103出现故障，不能打开或者不能关闭，液态水液位会偏离液位传感器的范围，此时燃料电池会受控停机，避免电堆损坏。

进一步地，气液分离器10中还设置有用于对排水阀进行加热的第二加热器102，以避免低温环境中排水阀内结冰堵塞导致排水故障。

优选实施例中，电堆7设置有用于监测电堆内部电阻的阻抗监测仪8，阻抗监测仪8和排水阀103信号连接。阻抗监测仪的作用为在运行过程中实时监测电堆内部电阻，进而实时反应电堆内部液态水含量。具体实施时，排水阀103的开启频率可以根据阻抗监测仪8的监测结果进行实时调节，在保证气液分离腔101中的液态水在合理液位范围之内的前提下，在运行过程中，根据阻抗监测仪8调节排水阀103的开启频率，当阻抗监测仪8检测到的电阻变小时，说明电堆7内部水含量增加，此时可以增加排水阀103开启频率，当阻抗监测仪8检测到的电阻变大时，说明电堆7内部水含量减少，此时可以降低排水阀103开启频率，保证燃料电池运行过程中，电堆7的内部液态水含量控制在合理的范围之内。

在具体实施例中，上述氢气输送管路中还设置有过滤器1、第一开关阀2、调压阀3和泄压阀4。其中，过滤器1的作用为过滤氢气中的杂质；第一开关阀2的作用为控制氢气输送管路中的氢气流的通断，即控制进入电堆内的氢气六的通断；调压阀3的作用为调节氢气输送管路中的氢气流的压力，即调节进入电堆内的氢气压力；泄压阀4的作用为当调压阀3失效，进入电堆内的氢气压力超过一定值时，令氢气输送管路中的氢气从泄压阀4排放到大气中，防止电堆7受到损坏。

在具体实施例中，上述第一加热器5设置有加热介质进口和加热介质出口，加热介质为水，优选采用为电堆进行散热冷却的循环水。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种阳极回路水管理系统，其特征在于，包括电堆(7)、氢气输送管路、氢气循环管路，以及控制器和用于检测环境温度的第一温度传感器，其中：

所述氢气输送管路的一端连接储氢装置，另一端与所述电堆(7)的氢气进口连接，所述氢气输送管路中设置有第一加热器(5)；

所述氢气循环管路的一端与所述电堆(7)的氢气出口连接，另一端接入所述氢气输送管路且位于所述第一加热器(5)和所述氢气进口之间，所述氢气循环管路中设置有用于监测循环氢气温度的第二温度传感器(9)；

所述第一温度传感器、所述第二温度传感器(9)、所述第一加热器(5)均与所述控制器信号连接。

2.根据权利要求1所述的阳极回路水管理系统，其特征在于，所述氢气循环管路中设置有气液分离器(10)，所述气液分离器(10)包括气液分离腔(101)，以及设置在所述气液分离腔(101)的外侧底部且与所述气液分离腔(101)的液态水收集腔连通的排水管路，所述排水管路中设置有排水阀(103)。

3.根据权利要求2所述的阳极回路水管理系统，其特征在于，所述气液分离器(10)中还包括设置在所述气液分离腔(101)的外侧且与所述气液分离腔(101)的气体收集腔连通的排氮管路，所述排氮管路中设置有排氮阀(104)。

4.根据权利要求2所述的阳极回路水管理系统，其特征在于，所述气液分离器(10)中还包括用于对所述气液分离腔(101)内的液位进行监测的液位传感器(105)。

5.根据权利要求4所述的阳极回路水管理系统，其特征在于，所述氢气输送管路中设置有第一开关阀(2)；

所述电堆(7)的空气入口与空气输送管路连接，所述空气输送管路设置有第二开关阀；

所述液位传感器(105)与所述第一开关阀(2)信号连接，或者，所述液位传感器(105)与所述第二开关阀信号连接。

6.根据权利要求2所述的阳极回路水管理系统，其特征在于，所述气液分离器(10)中还包括用于对所述排水阀进行加热的第二加热器(102)。

7.根据权利要求2所述的阳极回路水管理系统，其特征在于，所述电堆(7)设置有用于监测电堆内部电阻的阻抗监测仪(8)，所述阻抗监测仪(8)和所述排水阀(103)信号连接。

8.根据权利要求2所述的阳极回路水管理系统，其特征在于，所述氢气循环管路中设置有循环泵(6)，所述气液分离器(10)设置在所述循环泵(6)的进口和所述电堆(7)的氢气出口之间连接的管路中。

9.根据权利要求1所述的阳极回路水管理系统，其特征在于，所述氢气输送管路中设置有第一开关阀(2)、调压阀(3)和泄压阀(4)。

10.根据权利要求1所述的阳极回路水管理系统，其特征在于，所述第一加热器(5)设置有加热介质进口和加热介质出口，所述加热介质为水。

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