CN217280877U - 一种质子交换膜燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种质子交换膜燃料电池系统，氢气供应子系统的氢气循环部分使用并联的引射器代替传统的氢气循环泵，减少了电池系统的额外功耗，噪音小，集成度高；空气供应子系统利用板式换热器对氢气进行加热，充分利用了空压机出口处以及电堆空气出口处的空气的热量，实现了空气热量的循环利用，提高了整个电池系统的热效率；气体增湿子系统利用电堆尾气中的液态水对氢气和空气进行增湿，相比于传统的外部加湿器，进一步减小了电池的系统额外功耗，而且还实现了阴阳极尾气中水的循环利用。该电池系统不仅能够提供压力、流量、湿度、温度可控的氢气和空气，还实现了电池系统中的水和热的充分循环利用，大大提高了电池系统能量利用效率。

Description

一种质子交换膜燃料电池系统

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池系统。

背景技术

如今，化石能源仍然在人类社会占据不可动摇的地位，但是能源短缺和环境污染问题的加剧迫使人们去寻求新能源，以实现人类的可持续发展。燃料电池的能量利用率高，使用过程中无污染，是一种可持续发展的新能源。

燃料电池进气系统是整个燃料电池系统不可或缺的组成部分，燃料电池进气系统可对反应气的流量、温度、湿度、压力进行控制，并实现尾气的循环利用。目前，大部分氢气供应子系统中采用氢气循环泵实现阳极尾气中氢气的循环利用，但是这无疑增加了系统的额外功耗，降低了系统的电效率；还有一部分氢气供应子系统中采用了引射器，但是大多是单引射器，引射器工作范围有限，引射器低功率下引射效果不佳；对反应气湿度的控制大多采用外部加湿器，这无疑也增加了系统额外功耗，而且还不能实现阴阳极尾气中水的循环利用。经过空压机压缩的空气以及从电堆排出的空气为高温空气，目前这些高温空气大多直接排出，造成这些高温空气的热量直接浪费掉，对这些高温空气进行循环利用，无疑可以提高整个系统的热功率。

实用新型内容

为解决背景技术中所述的问题，本实用新型提出了一种质子交换膜燃料电池系统。

本实用新型的技术方案包括质子交换膜燃料电池电堆、与质子交换膜燃料电池电堆相连接的氢气供应子系统和空气供应子系统，还包括气体增湿子系统，所述的气体增湿子系统包括气液分离模块和储水模块；所述的氢气供应子系统通过依次连接的储氢装置、一号板式换热器、氢气电磁阀、一号氢气大质量流量引射器、一号电动三通阀、并联的二号氢气大质量流量引射器与小质量流量引射器和二号板式换热器与质子交换膜燃料电池电堆的氢气输入端相连接；所述的质子交换膜燃料电池电堆的氢气输出端与气体增湿子系统的气液分离模块相连接，所述的气液分离模块分离出来的氢气经由二号电动三通阀与并联的二号氢气大质量流量引射器与小质量流量引射器相连接，气液分离模块分离出来的液态水储存至储水模块中，所述的储水模块与氢气供应子系统的一号氢气大质量流量引射器相连接用于适时对氢气进行加湿；所述的空气供应子系统通过依次连接的无油空压机、一号板式换热器、空气电磁阀、空气大质量流量引射器与质子交换膜燃料电池电堆的空气输入端相连接；所述的质子交换膜燃料电池电堆的空气输出端通过二号板式换热器与气体增湿子系统的气液分离模块相连接；所述的气液分离模块分离出来的空气直接排出，气液分离模块分离出来的液态水储存至储水模块中，所述的储水模块与空气供应子系统的空气大质量流量引射器相连接用于适时对空气进行加湿。

本实用新型的氢气供应子系统用于向所述质子交换膜燃料电池电堆提供氢气，空气供应子系统用于向所述质子交换膜燃料电池电堆提供空气，气体增湿子系统用于加湿所述氢气供应子系统的氢气和空气供应子系统的空气；氢气供应子系统的氢气循环部分包括氢气进气段依次连接的一号电动三通阀、并联的二号氢气大质量流量引射器与小质量流量引射器、氢气回收段的二号电动三通阀，故而电池系统在工作时，氢气供应子系统可根据质子交换膜燃料电池电堆的实际工作功率大小通过所述的两个电动三通阀选择不同质量流量的引射器，解决引射器工作区间有限的问题，克服引射器在电堆低功率时引射效果不佳的问题；空气供应子系统中，无油空压机出口的高温空气通过一号板式换热器将热量传递给氢气，电堆空气输出端的高温空气通过二号板式换热器将热量传递给氢气，不仅控制了氢气的温度，还实现了空气热量的循环利用，提高了整个电池系统的热效率；气体增湿子系统中，气液分离模块用于分离阳极氢气排气和阴极空气尾气中的液态水，避免了循环的尾气中液态水过多，在质子交换膜燃料电池中堆积造成水淹，气液分离模块分离出来的液态水储存至储水模块中，储水模块与氢气供应子系统和空气供应子系统的引射器相连接用于适时对空气进行加湿，实现了对尾气中液态水的循环利用。

进一步地，所述的气体增湿子系统还包括交流阻抗测量仪，所述的交流阻抗测量仪用于测量质子交换膜燃料电池的交流阻抗以反应质子交换膜的含水情况，所述的气体增湿子系统通过质子交换膜的含水情况来确定是否对氢气和空气进行加湿。根据交流阻抗测量仪测量出的交流阻抗可进一步推算出质子交换膜的等效阻抗，该等效阻抗可以精确反应质子交换膜的含水情况。当质子交换膜等效阻抗值位于预设阻抗值范围之内，说明膜含水量正常；当质子交换膜等效阻抗值大于预设阻抗值范围时，说明需要进行加湿操作，通过引射器喷嘴处低压高流速的空气和氢气将所述储水箱中的水吸入引射器混合室内，从而对氢气和空气进行加湿；当质子交换膜等效阻抗值小于预设阻抗值范围时，说明需要进行除水操作，通过控制的无油空压机的功率，对电堆的阴极进行脉冲式吹扫，直至质子交换膜的等效阻抗值达到预设的阻抗值范围之内。

进一步地，所述的气体增湿子系统的气液分离模块包括阴极尾气气液分离器和阳极尾气气液分离器，所述的阴极尾气气液分离器用于空气的气液分离，所述的阳极尾气气液分离器用于氢气的气液分离。

更进一步地，所述的气体增湿子系统的储水模块包括储水箱，所述的储水箱内设置有阴极尾气气液分离器和阳极尾气气液分离器，所述的储水箱的侧壁设置有用于防止水位过高的开口，所述的开口位置低于阴极尾气气液分离器和阳极尾气气液分离器的底部，以避免影响气液分离器工作。

更进一步地，所述的质子交换膜燃料电池电堆的空气输出端依次通过空气背压调节阀、空气排放三通阀和二号板式换热器与阴极尾气气液分离器相连接；所述的质子交换膜燃料电池电堆的氢气输出端依次通过氢气背压调节阀和氢气排放三通阀与阳极尾气气液分离器相连接。

更进一步地，所述的储水箱依次通过一号过滤器和一号增湿电磁阀与空气供应子系统的空气大质量流量引射器相连接；所述的储水箱依次通过二号过滤器和二号增湿电磁阀与氢气供应子系统的一号氢气大质量流量引射器相连接；所述的一号增湿电磁阀和二号增湿电磁阀的启闭依据交流阻抗测量仪的测量值来确定。

更进一步地，所述的氢气供应子系统还包括氢气一级减压阀和氢气二级减压阀，所述的氢气一级减压阀设置于储氢装置和一号板式换热器之间，所述的氢气二级减压阀设置于二号板式换热器与质子交换膜燃料电池电堆的氢气输入端之间。

更进一步地，所述的氢气二级减压阀与质子交换膜燃料电池电堆的氢气输入端之间还依次设置有氢气温度传感器、氢气流量传感器和氢气压力传感器。

更进一步地，所述的空气供应子系统还包括空气一级减压阀和空气二级减压阀，所述的空气一级减压阀设置于无油空压机和一号板式换热器之间，所述的空气二级减压阀设置于空气大质量流量引射器与质子交换膜燃料电池电堆的空气输入端之间。

更进一步地，所述的空气二级减压阀与质子交换膜燃料电池电堆的空气输入端之间还依次设置有空气温度传感器、空气流量传感器和空气压力传感器。

本实用新型与现有技术相比，氢气供应子系统的氢气循环部分使用并联的引射器代替传统的氢气循环泵，减少了电池系统的额外功耗，噪音小，集成度高；空气供应子系统利用板式换热器对氢气进行加热，充分利用了空压机出口处以及电堆空气出口处的空气的热量，实现了空气热量的循环利用，提高了整个电池系统的热效率；气体增湿子系统利用电堆尾气中的液态水对氢气和空气进行增湿，相比于传统的外部加湿器，进一步减小了电池的系统额外功耗，而且还实现了阴阳极尾气中水的循环利用。本实用新型的质子交换膜燃料电池系统不仅能够提供压力、流量、湿度、温度可控的氢气和空气，还实现了电池系统中的水和热的充分循环利用，大大提高了电池系统能量利用效率。

附图说明

图1为质子交换膜燃料电池系统的结构示意图。

其中：1-储氢装置；2-氢气一级减压阀；3-一号板式换热器；4-氢气电磁阀；5-一号氢气大质量流量引射器；6-一号电动三通阀；7-二号氢气大质量流量引射器；8-小质量流量引射器；9-二号电动三通阀；10-二号板式换热器；11-氢气二级减压阀；12-氢气温度传感器；13-氢气流量传感器；14-氢气压力传感器；15-空气排放三通阀；16-空气背压调节阀；17-无油空压机；18-空气一级减压阀；19-空气电磁阀；20-空气大质量流量引射器；21-空气二级减压阀；22-空气温度传感器；23-空气流量传感器；24-空气压力传感；25-氢气背压调节阀；26-氢气排放三通阀；27-一号增湿电磁阀；28-一号过滤器；29-储水箱；30-阴极尾气气液分离器；31-阳极尾气气液分离器；32-二号过滤器；33-二号增湿电磁阀；34-质子交换膜燃料电池电堆；35-交流阻抗测量仪。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明，便于清楚的了解本实用新型，但它们不对实用新型构成限定。实施例中所述的位置关系均与附图所示一致。

质子交换膜燃料电池系统的结构如图1所示，电池的空气输入端为阴极，电池的氢气输入端为阳极。该电池系统包括质子交换膜燃料电池电堆34、氢气供应子系统、空气供应子系统和气体增湿子系统，氢气供应子系统用于向质子交换膜燃料电池电堆34提供氢气，空气供应子系统用于向质子交换膜燃料电池电堆34提供空气，气体增湿子系统包括气液分离模块和储水模块，用于加湿氢气供应子系统的氢气和空气供应子系统的空气。

具体地，氢气供应子系统中，氢气储存在储氢装置1中，储氢装置1可为串联或并联的15Mpa氢气瓶组，储氢装置1中的氢气依次经由氢气一级减压阀2、一号板式换热器3、氢气电磁阀4、一号氢气大质量流量引射器5、一号电动三通阀6、并联的二号氢气大质量流量引射器7、小质量流量引射器8、二号板式换热器10、氢气二级减压阀11、氢气温度传感器12、氢气流量传感器13和氢气压力传感器14进入质子交换膜燃料电池电堆34中参与反应，质子交换膜燃料电池电堆34反应完毕的氢气尾气经由氢气背压调节阀25和氢气排放三通阀26与气体增湿子系统的气液分离模块相连接，气液分离模块分离出来的氢气经由二号电动三通阀9与并联的二号氢气大质量流量引射器7与小质量流量引射器8相连接，气液分离模块分离出来的液态水储存至气体增湿子系统的储水模块中。

氢气一级减压阀2、氢气二级减压阀11和氢气背压调节阀25用于根据氢气压力传感器14的测量值精确控制质子交换膜燃料电池电堆34入口的氢气压力。氢气电磁阀4用于根据氢气流量传感器13的测量值精确控制质子交换膜燃料电池电堆34的氢气流量。氢气排放三通阀26用于停机吹扫以及氢气需要向外排放的紧急情况。氢气供应子系统的氢气循环部分包括氢气进气段的一号电动三通阀6、并联的二号氢气大质量流量引射器7与小质量流量引射器8、氢气回收段的二号电动三通阀9，故而电池系统在工作时，氢气供应子系统可根据质子交换膜燃料电池电堆34的实际工作功率大小通过的两个电动三通阀选择不同质量流量的引射器，解决引射器工作区间有限的问题，克服引射器在电堆低功率时引射效果不佳的问题。

具体地，空气供应子系统中，空气通过无油空压机17输入，再经由空气一级减压阀18、一号板式换热器3、空气电磁阀19、空气大质量流量引射器20、空气二级减压阀21、空气温度传感器22、空气流量传感器23和空气压力传感器24进入质子交换膜燃料电池电堆34中，质子交换膜燃料电池电堆34反应完毕的空气尾气经由空气背压调节阀16、空气排放三通阀15和二号板式换热器10与气体增湿子系统的气液分离模块相连接，气液分离模块分离出来的空气直接排出，气液分离模块分离出来的液态水储存至气体增湿子系统的储水模块中。

空气一级减压阀18、空气二级减压阀21、空气背压调节阀16用于根据空气压力传感器24的测量值精确控制质子交换膜燃料电池电堆34入口处的空气压力。空气电磁阀19用于根据空气流量传感器23的测量值精确控制质子交换膜燃料电池电堆34的空气流量。

气体增湿子系统中，气液分离模块将阳极氢气排气和阴极空气尾气中的液态水分离出来储存至储水模块中，储水模块与氢气供应子系统的一号氢气大质量流量引射器5相连接用于适时对氢气进行加湿，储水模块与空气供应子系统的空气大质量流量引射器20相连接用于适时对空气进行加湿。具体地，在本实施例中，气液分离模块由阴极尾气气液分离器30和阳极尾气气液分离器31组成，空气尾气汇入阴极尾气气液分离器30中进行气液分离，氢气尾气汇入阳极尾气气液分离器31中进行气液分离；储水模块为储水箱29，阴极尾气气液分离器30和阳极尾气气液分离器31设置于储水箱29中，储水箱29的侧壁设置有开口，该开口的设置位置低于阴极尾气气液分离器30和阳极尾气气液分离器31的底部，用于防止储水箱29内水位过高，避免影响气液分离器工作；储水箱29依次通过一号过滤器28和一号增湿电磁阀27与空气供应子系统的空气大质量流量引射器20相连接，储水箱29还依次通过二号过滤器32和二号增湿电磁阀33与氢气供应子系统的一号氢气大质量流量引射器5相连接。

气体增湿子系统中还设置有交流阻抗测量仪35，交流阻抗测量仪35用于测量质子交换膜燃料电池的交流阻抗，根据交流阻抗测量仪35测量出的交流阻抗可进一步推算出质子交换膜的等效阻抗，该等效阻抗可以精确反应质子交换膜的含水情况。

质子交换膜的等效阻抗可以按照如下公式推出：

其中,R_PEM为质子交换膜的等效阻抗，S_cell为质子交换膜的面积，R_CA、C_CA、R_AN、C_AN分别为质子交换膜燃料电池阴极和阳极的电荷转移电阻和双层电容参数。

当质子交换膜等效阻抗值位于预设阻抗值范围之内，说明膜含水量正常，无需开启一号增湿电磁阀27和二号增湿电磁阀33。

当质子等效交换膜阻抗值大于预设阻抗值范围时，说明需要进行加湿操作，开启一号增湿电磁阀27和二号增湿电磁阀33，此时空气大质量流量引射器20和一号氢气大质量流量引射器5引射储水箱29中的液态水对空气和氢气进行加湿，使质子交换膜的湿度升高至预设阻抗值范围，然后关闭一号增湿电磁阀27和二号增湿电磁阀33，加湿结束。

当质子交换膜等效阻抗值小于预的阻抗值范围时，说明需要进行除水操作，通过控制的无油空压机17的功率，对质子交换膜燃料电池电堆34的阴极进行脉冲式吹扫，直至质子交换膜的等效阻抗值达到预设的阻抗值范围之内。

以上结合附图及具体实施例详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池系统，包括质子交换膜燃料电池电堆(34)、与质子交换膜燃料电池电堆(34)相连接的氢气供应子系统和空气供应子系统，其特征在于：还包括气体增湿子系统，所述的气体增湿子系统包括气液分离模块和储水模块；

所述的氢气供应子系统通过依次连接的储氢装置(1)、一号板式换热器(3)、氢气电磁阀(4)、一号氢气大质量流量引射器(5)、一号电动三通阀(6)、并联的二号氢气大质量流量引射器(7)与小质量流量引射器(8)和二号板式换热器(10)与质子交换膜燃料电池电堆(34)的氢气输入端相连接；

所述的质子交换膜燃料电池电堆(34)的氢气输出端与气体增湿子系统的气液分离模块相连接，所述的气液分离模块分离出来的氢气经由二号电动三通阀(9)与并联的二号氢气大质量流量引射器(7)与小质量流量引射器(8)相连接，气液分离模块分离出来的液态水储存至储水模块中，所述的储水模块与氢气供应子系统的一号氢气大质量流量引射器(5)相连接用于适时对氢气进行加湿；

所述的空气供应子系统通过依次连接的无油空压机(17)、一号板式换热器(3)、空气电磁阀(19)、空气大质量流量引射器(20)与质子交换膜燃料电池电堆(34)的空气输入端相连接；

所述的质子交换膜燃料电池电堆(34)的空气输出端通过二号板式换热器(10)与气体增湿子系统的气液分离模块相连接；所述的气液分离模块分离出来的空气直接排出，气液分离模块分离出来的液态水储存至储水模块中，所述的储水模块与空气供应子系统的空气大质量流量引射器(20)相连接用于适时对空气进行加湿。

2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：所述的气体增湿子系统还包括交流阻抗测量仪(35)，所述的交流阻抗测量仪(35)用于测量质子交换膜燃料电池的交流阻抗以反应质子交换膜的含水情况，所述的气体增湿子系统通过质子交换膜的含水情况来确定是否对氢气和空气进行加湿。

3.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：所述的气体增湿子系统的气液分离模块包括阴极尾气气液分离器(30)和阳极尾气气液分离器(31)，所述的阴极尾气气液分离器(30)用于空气的气液分离，所述的阳极尾气气液分离器(31)用于氢气的气液分离。

4.根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：所述的气体增湿子系统的储水模块包括储水箱(29)，所述的储水箱(29)内设置有阴极尾气气液分离器(30)和阳极尾气气液分离器(31)，所述的储水箱(29)的侧壁设置有用于防止水位过高的开口，所述的开口的位置低于阴极尾气气液分离器(30)和阳极尾气气液分离器(31)的底部。

5.根据权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：所述的质子交换膜燃料电池电堆(34)的空气输出端依次通过空气背压调节阀(16)、空气排放三通阀(15)和二号板式换热器(10)与阴极尾气气液分离器(30)相连接；所述的质子交换膜燃料电池电堆(34)的氢气输出端依次通过氢气背压调节阀(25)和氢气排放三通阀(26)与阳极尾气气液分离器(31)相连接。

6.根据权利要求5所述的一种质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：所述的储水箱(29)依次通过一号过滤器(28)和一号增湿电磁阀(27)与空气供应子系统的空气大质量流量引射器(20)相连接；所述的储水箱(29)还依次通过二号过滤器(32)和二号增湿电磁阀(33)与氢气供应子系统的一号氢气大质量流量引射器(5)相连接；所述的一号增湿电磁阀(27)和二号增湿电磁阀(33)的启闭依据交流阻抗测量仪(35)的测量值来确定。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：所述的氢气供应子系统还包括氢气一级减压阀(2)和氢气二级减压阀(11)，所述的氢气一级减压阀(2)设置于储氢装置(1)和一号板式换热器(3)之间，所述的氢气二级减压阀(11)设置于二号板式换热器(10)与质子交换膜燃料电池电堆(34)的氢气输入端之间。

8.根据权利要求7所述的一种质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：所述的氢气二级减压阀(11)与质子交换膜燃料电池电堆(34)的氢气输入端之间还依次设置有氢气温度传感器(12)、氢气流量传感器(13)和氢气压力传感器(14)。

9.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：所述的空气供应子系统还包括空气一级减压阀(18)和空气二级减压阀(21)，所述的空气一级减压阀(18)设置于无油空压机(17)和一号板式换热器(3)之间，所述的空气二级减压阀(21)设置于空气大质量流量引射器(20)与质子交换膜燃料电池电堆(34)的空气输入端之间。

10.根据权利要求9所述的一种质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：所述的空气二级减压阀(21)与质子交换膜燃料电池电堆(34)的空气输入端之间还依次设置有空气温度传感器(22)、空气流量传感器(23)和空气压力传感器(24)。

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