CN219350276U - 一种燃料电池空气系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体公开了一种燃料电池空气系统，该空气系统包括依次连接的入堆管路、电堆、出堆管路和尾排，所述入堆管路上设置有增湿罐，所述增湿罐设有液体入口和空气出口，所述出堆管路上设有汽水分离器，所述汽水分离器设有第一液体出口、第二液体出口和气体出口，其中增湿罐的液体入口和汽水分离器的第一液体出口通过电磁控制阀相连通；该系统在运转时可用过控制电磁控制阀将汽水分离器内分离出的液态水排至增湿罐内用于对入堆空气进行加湿处理；整个系统能在较宽的范围内调节入堆空气的湿度，提高增湿效率，避免了增湿器自身性能对入堆空气湿度的影响，还能维持燃料电池阴极的水平衡。

Description

一种燃料电池空气系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池空气系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池是通过氢气和氧气的化学反应释放电能，因其不受卡诺极限限制，是目前最高效的氢能利用方式，质子交换膜燃料电池具有众多突出的优点，如能量转化率高、能量密度高、噪音低以及零排放等。质子交换膜燃料电池水淹和膜干是其在运行过程中最常见的故障，燃料电池内部水含量过高会造成水淹，而水含量不足则会导致膜干。电堆水淹/膜干主要受电流、温度、气体压力及过量系数等因素影响。热管理和水管理出现失衡时，会出现液态水积聚在电堆流道及气体扩散层内无法排出或者质子交换膜水分太少而影响质子的传导，导致燃料电池进入水淹/膜干状态，影响燃料电池的正常工作，系统的耐久性降低，使用寿命缩短。因此，需要合理的水热管理系统及其控制方法来实现燃料电池的水平衡；

现燃料电池系统空气路均采用气-气增湿器的模式，通过出堆湿空气对入堆空气进行加湿，满足燃料电池运行过程中对空气湿度的需求；该途径对增湿器性能(换湿效率)要求较为严格，随着增湿器的老化过程，会对发动机性能产生影响；且增湿器对入堆空气产生流阻，增加空压机功耗。

由此可见，现有的燃料电池系统存在以下问题：

(1)需考虑增湿器换湿效率及耐久性能对燃料电池发动机入堆空气湿度的影响，且对于湿度的控制不够精确；

(2)增湿器会对入堆空气产生流阻，为满足空气入堆压力，需增加空压机出口压力，从而增加空压机功耗；

(3)增湿器成本(包括自身维护成本)及其产生的流阻导致的空压机功耗增加升高了燃料电池发动机的成本，降低了发动机效率；

(4)热管理和水管理出现失衡时，存在水淹和膜干的问题，影响燃料电池的性能。

实用新型内容

为了解决现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种燃料电池空气系统，该空气系统采用自增湿模式，能够有效控制入堆空气的湿度，维持燃料电池内部的水平衡。

本实用新型采用以下技术方案：

一种燃料电池空气系统，包括电堆、尾排、入堆管路和出堆管路，所述出堆管路与尾排相连接：

所述入堆管路上设置有增湿罐，所述增湿罐设置有空气入口、液体入口和空气出口，所述增湿罐的空气出口与电堆入口相连通；

所述出堆管路上设置有汽水分离器，所述汽水分离器设置有第一液体出口、第二液体出口和气体出口，所述汽水分离器的第一液体出口与增湿罐的液体入口通过电磁控制阀相连通，所述汽水分离器的第二液体出口和气体出口与尾排相连通。

进一步的，所述燃料电池空气系统还包括燃料电池控制器，所述燃料电池控制器可对整个空气系统进行监控。

进一步的，所述入堆管路上设置有依次连接的空气滤清器、空气流量计、空压机和中冷器，所述中冷器的出口与增湿罐的空气入口相连通，空气通过空气滤清器进入入堆管路；

优选的，所述入堆管路的增湿罐与电堆之间还设置有依次连接的温度传感器、湿度传感器和第一压力传感器，用于对入堆的空气进行温度、湿度和压力数值的测量，测量结果反馈给燃料电池控制器；

优选的，所述中冷器和增湿罐之间还设置有三通阀，所述三通阀的入口与中冷器的出口相连接，所述三通阀的一个出口与增湿罐的空气入口相连接，所述三通阀的另一个出口与增湿罐的空气出口相连接形成旁通管路，可控制空气不经过增湿罐直接进入电堆。

进一步的，所述出堆管路上还设置有依次连接的第二压力传感器和背压节气门，所述背压节气门的出口与汽水分离器的入口相连通。

进一步的，所述增湿罐内设置有液位传感器和加热器，如此设置，液位传感器可用于监控增湿罐内水位的高低，并将水位信息反馈给燃料电池控制器，加热器可接受燃料电池控制器的命令对增湿罐内的液态水进行加热；

优选的，所述液位传感器设置为低液位传感器和高液位传感器。

进一步的，所述汽水分离器与增湿罐之间还设置有依次连接的离子过滤器、电导率传感器和电磁控制阀。

本实用新型至少具有以下有益效果：

1、本实用新型提供的一种燃料电池空气系统，通过将汽水分离器内的液态水通入至增湿罐内对入堆空气加湿处理，可在较宽的范围内调节入堆空气的湿度，提高增湿效率；

2、本实用新型提供的一种燃料电池空气系统，不同于传统的通过出堆空气对入堆空气加湿处理，避免了增湿器自身性能对入堆空气湿度的影响，节约了零部件成本，同时减小空气路流阻，提升发动机效率；

3、本实用新型提供的一种燃料电池空气系统，通过燃料电池控制器对管路空气湿度进行控制，能够维持燃料电池的水平衡，避免出现水淹和膜干的问题。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种燃料电池空气系统的结构示意图。

标号说明：1、空气滤清器；2、空气流量计；3、空压机；4、中冷器；5、三通阀；6、增湿罐；7、低液位传感器；8、高液位传感器；9、加热器；10、温度传感器；11、湿度传感器；12、第一压力传感器；13、电堆；14、第二压力传感器；15、背压节气门；16、汽水分离器；17、离子过滤器；18、电导率传感器；19、电磁控制阀。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

实施例一

结合图1所示，本实用新型公开的一种燃料电池空气系统，包括入堆管路、电堆13、出堆管路和尾排，入堆管路、电堆13、出堆管路和尾排依次连接，整个空气系统由燃料电池控制器控制，

其中，入堆管路上依次设置有空气滤清器1、空气流量计2、空压机3、中冷器4、三通阀5、增湿罐6、温度传感器10、湿度传感器11和第一压力传感器12，增湿罐6设有空气入口、液体入口和空气出口，三通阀5的入口与中冷器4的出口相连通，三通阀5的一个出口与增湿罐6的空气入口相连通，三通阀5的另一出口与增湿罐6的空气出口相连通，在增湿罐6处形成旁通管路，增湿罐6内设置有低液位传感器7、高液位传感器8和加热器9；

其中，出堆管路上依次设置有第二压力传感器14、背压节气门15和汽水分离器16，汽水分离器16设置有第一液体出口、第二液体出口和气体出口，第一液体出口与增湿罐6的液体入口相连通，第二液体出口和气体出口与尾排相连通，汽水分离器16的气体出口的位置高于第一液体出口和第二液体出口；

其中，汽水分离器16和增湿罐6之间还依次设置有离子过滤器17、电导率传感器18和电磁控制阀19。

实际操作时，燃料电池发动机开始运行，空气进入空气滤清器，经过空气流量计到达空压机进行压缩，随后经过中冷器进行降温，此时调节三通阀开度，部分空气进入增湿罐进行加湿处理，部分空气不经过增湿罐进入旁通管路，干湿混合的空气从增湿罐的空气出口流出后依次经过温度传感器、湿度传感器和第一压力传感器后进入电堆参与燃料电池的电化学反应，未参与反应的空气经过第二压力传感器和背压节气门后进入汽水分离器进行气液分离，分离后的气体直接从气体出口进入尾排后排出，分离后的液态水则存放在汽水分离器底部，在该过程中电磁控制阀处于关闭状态；

增湿罐内的液位低于设定的低液位值时，低液位传感器监测到该状态会将信息反馈给燃料电池控制器，燃料电池控制器控制电磁控制阀打开，气液分离器内的液态水从第一液体出口流出依次通过离子过滤器、电导率传感器和电磁控制阀进入增湿罐；当液位高于设定的高液位值时，高液位传感器监测到该状态同样将信息反馈给燃料电池控制器，此时燃料电池控制器控制电磁控制阀关闭，汽水分离器内的液态水则会通过汽水分离器的第二液体出口流出流经尾排排出；在整个过程中，增湿罐内的加热器可对罐内液态水进行加热保证空气加湿效果。

当燃料电池空气系统处于停机吹扫过程时，可通过调节三通阀开度降低空气入堆湿度空或关闭三通阀与增湿罐的管路使得空气全部经旁通管路进入电堆，同时关闭电磁控制阀，可更高效的将阴极侧膜吹干。

实施例二

本实用新型公开的一种燃料电池空气系统，该空气系统的结构与实施例一相同，此处不再阐述。

在该实施例中，该燃料电池空气系统的燃料电池控制器通过获得的入堆时空气湿度数值(湿度传感器测得)并与设定的数值比较，可判断阴极侧膜的干湿状态，若入堆的空气湿度数值小于设定的数值说明燃料电池的阴极侧处于膜干状态，若入堆的空气湿度数值大于设定的数值说明燃料电池的阴极侧处于水淹状态；

根据判断的情况，燃料电池控制器可控制三通阀的开度来调整进入增湿罐的空气流量，还可以调整增湿罐内的加热器的加热温度，达到调节入堆空气湿度的目的，保证燃料电池阴极侧的水平衡。

实施例三

本实用新型公开的一种燃料电池空气系统，该空气系统的结构与实施例一相同，此处不再阐述。

与实施例二不同的是，在该实施例中是通过监测入堆的空气压力(第一压力传感器测得)并与理论的数值比较，判断出阴极侧膜的干湿状态，当入堆的空气压力数值小于理论的压力数值时说明燃料电池的阴极侧处于膜干状态，当入堆的空气压力数值大于理论的压力数值时说明燃料电池的阴极侧处于水淹状态；判断后的调节入堆空气湿度的手段与实施例二相同。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种燃料电池空气系统，包括电堆、尾排、入堆管路和出堆管路，其特征在于，

所述入堆管路上设置有增湿罐，所述增湿罐设置有空气入口、液体入口和空气出口；

所述出堆管路上设置有汽水分离器，所述汽水分离器设置有第一液体出口、第二液体出口和气体出口，所述汽水分离器的第一液体出口与增湿罐的液体入口通过电磁控制阀相连通，所述汽水分离器的第二液体出口和气体出口与尾排相连通。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气系统，其特征在于，所述入堆管路上还设置有依次连接的空气滤清器、空气流量计、空压机、中冷器和增湿罐，所述中冷器的出口与增湿罐的空气入口相连通。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池空气系统，其特征在于，所述增湿罐与电堆之间还设置有温度传感器、湿度传感器和第一压力传感器。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池空气系统，其特征在于，所述出堆管路上还设置有依次连接的第二压力传感器和背压节气门，所述背压节气门的出口与汽水分离器的入口相连通。

5.根据权利要求3所述的一种燃料电池空气系统，其特征在于，所述中冷器和增湿罐之间还设置有三通阀，所述三通阀的入口与中冷器的出口相连接，所述三通阀的一个出口与增湿罐的空气入口相连接，所述三通阀的另一个出口与增湿罐的空气出口相连接形成旁通管路。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池空气系统，其特征在于，所述增湿罐内设置有液位传感器和加热器。

7.根据权利要求6所述的一种燃料电池空气系统，其特征在于，所述液位传感器包括低液位传感器和高液位传感器。

8.根据权利要求7所述的一种燃料电池空气系统，其特征在于，所述汽水分离器与增湿罐之间还设置有依次连接的离子过滤器、电导率传感器和电磁控制阀。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种燃料电池空气系统，其特征在于，所述燃料电池空气系统还包括燃料电池控制器。

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