CN112635793B - 一种双堆双循环的燃料电池*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双堆双循环的燃料电池***。该***包括氢气循环供气模块、空气循环供气模块、冷却模块及双电堆，氢气循环供气模块与双电堆连接；空气循环供气模块与双电堆连接；冷却模块与双电堆连接。氢气循环供气模块使用喷射器和引射器为双电堆提供氢源，无需氢气循环泵等组件，具有无源、高效和可靠性高等特点。空气循环供气模块采用独特的空气循环方案，由双空压机供气，采用同一分水器‑加湿器为双电堆提供氧气，可提高燃料利用率、快速循环提供氧气及降低由于缺氧造成的催化剂性能下降导致电堆性能衰退。冷却模块用于燃料电池双堆的散热、保温等提供保障。该***能为整车提供动力来源，解决整车对燃料电池***实现长寿命、高效率的要求。

Description

一种双堆双循环的燃料电池***
技术领域
本发明属于燃料***技术领域，特别涉及一种双堆双循环的燃料电池***。
背景技术
燃料电池作为一种通过化学能直接转换为电能的电化学转换装置(发电装置)得到广泛的应用。其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)采用氢气和氧气为燃料通过化学反应输出电能，具有清洁无污染、能量转化效率、无卡诺循环限制等特点，是作为新能源汽车等领域的重要发展方向。《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》等政策文件将氢燃料电池技术创新作为重点攻关的对象。因此，推动燃料电池技术创新发展，特别是在当前阶段优化燃料电池***设计以及保证燃料电池***长寿命高效持续运行具有重要的发展意义。
对于大功率燃料电池***(如＞60KW)，考虑到水热管理、气体分配、温度控制以及应用环境等因素限制。一般采用双堆或者多堆串联或者并联等方式满足大功率的需求。如中国专利公布号为CN110247084A公开了一种多电堆燃料电池***及其控制方法、车辆。该多堆燃料电池***主要包括供电电路、冷却水管路和供气管路。多堆可采用串联或者并联方式，燃料电池启动时通过供电开关首先启动一个电堆，然后先启动的电堆热源为下一个或者多个电堆提供热量来源从而启动电堆。供水管路和供气管理通过电磁水阀和电磁气阀来控制管路的开关。各电堆除了连接供气和供水支路外，每个电堆并联一个旁路支路。可知，当采用双电堆或者多电堆时，与之相对应带来的燃料电池***设计的难度大大增加，BOP***复杂性提升。这不仅增加了***成本，也难以保证燃料电池***高效稳定运行，同时间接提高了燃料电池***出现故障的概率。因此，一方面需要保证燃料电池***满足长寿命稳定，高效要求，另一方面需要考虑如何提高BOP***设计，燃料利用率等。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种双堆双循环的燃料电池***。
本发明的目的是为了提供一种双堆双循环的燃料电池***，用以解决双堆燃料电池***供气***控制模块复杂，成本高，燃料利用率低的问题。特别是氢气供气循环采用喷射器和引射器串联或者并联结合，无氢循环泵设计，空气采用循环使用设计等方式提高燃料电池***长寿命稳定运行，降低成本。
本发明提出的一种针对双堆燃料电池***的氢气供气循环***、空气供气循环***和冷却模块，即双堆共用一套冷却和供气***，满足燃料电池性能要求的同时实现燃料电池***设计简化、紧凑的目的。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
本发明提供的双堆双循环的燃料电池***采用双循环供气模块；其中氢气循环供气模块采用引射器和喷射器串联或者并联设计为双电堆提供氢气，无氢循环泵等装置；所述空气循环供气模块采用高效往复回流设计为双堆提供空气；所述冷却模块采用外部单一循环回路，内部分支流模式为双堆实时提供不同冷却需求。
本发明提供的双堆双循环的燃料电池***，包括氢气循环供气模块、空气循环供气模块、冷却模块及双电堆，所述氢气循环供气模块与双电堆连接，为双电堆提供氢气和循环回流；所述空气循环供气模块与双电堆连接，为双电堆提供空气；所述冷却模块与双电堆连接，对双电堆进行冷却。
进一步地，所述氢气循环供气模块包括氢气罐、调压阀、喷射器及引射器；所述氢气罐、调压阀、喷射器及引射器依次连接；所述引射器与双电堆连接。
优选地，所述氢气循环供气模块包括氢气罐、调压阀、喷射器、第一引射器、第二引射器、阳极除雾器及排水阀；所述第二引射器与第一引射器并联，第二引射器与出气口串联，即可作为第一引射器的备用引射器，也可作为出口氢气直接回流第二引射器到进口端提供氢气。所述氢气循环供气模块为双电堆提供循环氢气。
进一步地，所述空气循环供气模块(氧气供气循环模块)包括过滤器、空气压缩机(带膨胀机)、预冷器、加湿器-分水器及管路-阀模块。其中所述管路-阀模块还包括排水阀和旁通阀，排水阀与加湿器-分水器和两个空气压缩机连接，旁通阀一端与空气压缩机到预冷器的管路连接，另一端连接出口到消音器；所述过滤器、空气压缩机、预冷器、加湿器-分水器及管路-阀模块依次连接；所述空气压缩机包含膨胀机；所述加湿器-分水器与双电堆连接。
优选地，所述空气循环供气模块采用双空气压缩机并联提供氧气来源，空气压缩机采用电机和膨胀机驱动；空气进口端采用加湿器-分水器同时为双堆提供双电堆的进口端的空气和双电堆出口端的氢气循环回路增湿；空气循环供气模块中的加湿器-分水器连接空气压缩机，当出口端空气含水量过高时，可通过加湿器-分水器脱离水，当出口端空气含水量不高时，空气可通过循环回路使用；当氧含量过低时，可直接通过排出口排掉，当氧含量满足要求时，空气循环使用。
进一步地，所述冷却模块包括冷却泵、离子过滤器、冷却液箱、散热器、恒温器及粒子过滤器；所述双电堆与冷却泵连接；所述冷却泵分别与散热器、恒温器及离子过滤器连接；所述离子过滤器与冷却液箱连接；所述恒温器与粒子过滤器连接，所述粒子过滤器与双电堆连接。
优选地，所述冷却模块采用双冷却泵并联为双电堆和空气预冷提供冷却管路；双冷却泵为第一冷却泵和第二冷却泵；所述第一冷却泵和第二冷却泵根据燃料电池***冷却需求来调节冷却泵流量；冷却泵进口端同时和电堆、冷却液箱连接，冷却泵出口端和散热器连接，冷却液进口端设置一个离子过滤器，防止粒子在冷却液里面进入到电堆里堵塞流道或者导致冷却液离子电导率升高。
进一步地，该***的氢气出口端和空气出口端分别设置一个除雾器，两个除雾器分别和不同的排水阀相连。
进一步地，通过BOP***，通过机械结构设计，使得双电堆的进气和进液实现均匀分配，减少控制***的负担，实现无源控制策略。
本发明提供的双堆双循环的燃料电池***的BOP采用耦合高效设计成单氢气、空气供气模块和单一冷却模块。解决了传统多堆***复杂的BOP组件设计的问题，其集成度高。
本发明提供的双堆双循环的燃料电池***可根据整车功率需求，特别是在大功率要求下，采用双电堆串联或者并联可满足大功率稳定输出，电压波动小。
本发明提供的双堆双循环的燃料电池***包括辅助***(BOP)组件。该燃料电池***包括：电堆模块(第一电堆和第二电堆)、氢气循环供气模块(氢气罐、喷射器、引射器、调压阀、管路-阀模块)、空气循环供气模块(过滤器、空气压缩机(带膨胀机)、预冷器、加湿器-分水器、管路-阀模块)、冷却模块(冷却泵、离子过滤器、冷却液箱、散热器、恒温器、粒子过滤器)。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明提供的双堆双循环的燃料电池***中，氢气循环供气模块使用喷射器和引射器为双电堆提供氢源，无需氢气循环泵等组件，具有无源、高效和可靠性高等特点；空气循环供气模块采用独特的空气循环技术方案，由双空压机供气，进口和出口采用同一加湿器-分水器为双电堆提供氧气，可提高燃料利用率、快速循环提供氧气及降低由于缺氧造成的催化剂性能下降导致电堆性能衰退；冷却模块用于燃料电池双堆的散热、保温等提供保障；通过上述模块构成燃料电池双电堆***为整车提供动力来源，解决整车对燃料电池***实现长寿命、高效率的要求。
附图说明
图1为本发明实施例提供的双堆燃料电池***的结构示意图。
图中：1-离子过滤器，2-第一冷却泵，3-冷却液箱，4-第一温度传感器，5-第一电堆，6-第一压力传感器，7-第一引射器，8-第二引射器，9-喷射器，10-调压阀，11-氢气罐，12-第二电堆，13-散热器，14-第二冷却泵，15-阳极除雾器，16-第二温度传感器，17-粒子过滤器，18-恒温器，19-第一排水阀，20-吹扫阀，21-第二压力传感器，22-阴极分水器，23-阴极除雾器，24-第二排水阀，25-空气预冷器，26-第二膨胀机，27-第二发动机，28-第二空气压缩机，29-过滤器，30-背压阀，31-消音器，32-第一空气压缩机，33-第一发动机，34-第一膨胀机，35-旁通阀，36-第三压力传感器，37-第三温度传感器。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。
本发明的核心思想在于采用一种双电堆双循环的燃料电池***，通过设计双循环的供气***执行机构与冷却模块，满足大功率输出需求，减少了一套供气装置，实现燃料的高效利用，提高了***效率，简化了***体积和成本，同时提高了***的可靠性。
如图1所示，该***包括供氢循环模块。所述氢气循环供气模块包括氢气罐11、调压阀10、喷射器9及引射器和第一压力传感器6；所述氢气罐11、调压阀10、喷射器及引射器依次连接；所述引射器与双电堆连接。该模块通过氢气管路连接所有的执行机构。氢气罐出口连接一个调压阀10把管路压力调至管路所需压力值，然后进入喷射器，喷射器连接控制器可控制氢气的压力和流量，与喷射器连接的是第一引射器7和第二引射器8，第一引射器7和第二引射器8并联。正常运行情况下，经喷射器出来的氢气直接进入第一引射器后在经过歧管分配进入到第一电堆5和第二电堆12。当第一引射器7出现故障时，喷射器9出来的氢气可经过第二引射器8进入电堆。氢气出口设置一个阳极除雾器15，经过电堆未反应完的氢气经过排水阀(包括第一排水阀19和第二排水阀24)后可经第一引射器7或者第二引射器8重新进入电堆循环使用。所述阳极除雾器15还连接有吹扫阀20。
该***还包括空气循环模块。所述空气循环供气模块包括过滤器29、空气压缩机、预冷器、加湿器-分水器、管路-阀模块和第二压力传感器21、阴极除雾器23、第二发动机27、第一发动机33和背压阀30、第三压力传感器36和第三温度传感器37。其中所述管路-阀模块还包括排水阀和旁通阀35，排水阀分别与加湿器-分水器和空气压缩机连接，旁通阀一端与第一空气压缩机32到空气预冷器25的管路连接，另一端连接出口到消音器31；所述过滤器、空气压缩机、预冷器、加湿器-分水器及管路-阀模块依次连接；所述空气压缩机包含膨胀机；所述加湿器-分水器与双电堆连接。该模块通过空气管路连接所有的执行机构。空气经过滤器后进入第一空气压缩机32和第二空气压缩机28，经第一空气压缩机32和第二空气压缩机28出来的气体进入到空气预冷器25，然后进入到加湿器-分水器中的阴极分水器22(增湿器)。经过加湿后的气体通过歧管分配到第一电堆5和第二电堆12。所述空气压缩机带有膨胀机(第一空气压缩机32带有第一膨胀机34，第二空气压缩机28带有第二膨胀机26)。未反应完的空气同样返回到加湿器-分水器里，经过传感器检测判断空气湿度，氧气含量等信息后，符合要求的空气可直接通过混合新空气后返回到第一电堆5和第二电堆12。如不符合可通过阴极除雾器返回到空压机或者经过排水阀排出去。第一空气压缩机32出口设置一个旁通阀35，当管路中空气过多时可通过旁通阀35排出。
该***还包括冷却模块。所述冷却模块包括第一温度传感器4、第二温度传感器16、散热器13、第一冷却泵2、第二冷却泵14、离子过滤器1、冷却液箱3、散热器、恒温器18及粒子过滤器17；所述双电堆与冷却泵连接；所述冷却泵分别与散热器、恒温器18及离子过滤器1连接；所述离子过滤器1与冷却液箱3连接；所述恒温器18与粒子过滤器17连接，所述粒子过滤器与双电堆连接。该模块通过冷却管路连接所有的执行机构。当启动燃料电池***，燃料电池***温度不高，启动小循环，第一电堆5和第二电堆12出口的冷却液经过冷却泵(包括第一冷却泵2和第二冷却泵14)后进入恒温器，在经过粒子过滤器后小部分进入空气预冷器，大部分返回电堆。当电堆温度升高时，启动大循环，进过冷却泵出来的冷却液经过散热器后进入恒温器，然后小部分进入到空气预冷器后返回到冷却液箱，大部分返回到电堆内部。此时冷却液进入空气预冷器25有助于充分利用冷却液的温度为空气加热或者冷却温度后在进入电堆，提高燃料电池***稳定性。当冷却液离子浓度过高时可将冷却泵出口的液体经过离子过滤器后进入冷却液箱在返回到冷却液泵进行循环，可快速降低冷却液离子浓度。
以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种双堆双循环的燃料电池***，包括氢气循环供气模块、空气循环供气模块、冷却模块及双电堆，其特征在于，所述氢气循环供气模块与双电堆连接，为双电堆提供氢气和循环回流；所述空气循环供气模块与双电堆连接，为双电堆提供空气；所述冷却模块与双电堆连接，对双电堆进行冷却；所述空气循环供气模块包括过滤器、空气压缩机、预冷器、加湿器-分水器及管路-阀模；所述过滤器、空气压缩机、预冷器、加湿器-分水器及管路-阀模块依次连接；所述空气压缩机包含膨胀机；所述加湿器-分水器与双电堆连接；所述空气循环供气模块采用双空气压缩机并联提供氧气来源，空气压缩机采用电机和膨胀机驱动；空气进口端采用加湿器-分水器同时为双堆提供双电堆的进口端的空气和双电堆出口端的氢气循环回路增湿；空气循环供气模块中的加湿器-分水器连接空气压缩机，当出口端空气含水量过高时，可通过加湿器-分水器脱离水，当出口端空气含水量不高时，空气可通过循环回路使用；当氧含量过低时，可直接通过排出口排掉，当氧含量满足要求时，空气循环使用。
2.根据权利要求1所述的双堆双循环的燃料电池***，其特征在于，所述氢气循环供气模块包括氢气罐、调压阀、喷射器及引射器；所述氢气罐、调压阀、喷射器及引射器依次连接；所述引射器与双电堆连接。
3.根据权利要求2所述的双堆双循环的燃料电池***，其特征在于，所述氢气循环供气模块包括氢气罐、调压阀、喷射器、第一引射器、第二引射器、阳极除雾器及排水阀；所述第二引射器与第一引射器并联，第二引射器与出气口串联。
4.根据权利要求1所述的双堆双循环的燃料电池***，其特征在于，所述管路-阀模块包括排水阀和旁通阀，排水阀分别与加湿器-分水器和空气压缩机连接，旁通阀一端与空气压缩机到预冷器的管路连接，另一端连接出口到消音器的管路。
5.根据权利要求1所述的双堆双循环的燃料电池***，其特征在于，所述冷却模块包括冷却泵、离子过滤器、冷却液箱、散热器、恒温器及粒子过滤器；所述双电堆与冷却泵连接；所述冷却泵分别与散热器、恒温器及离子过滤器连接；所述离子过滤器与冷却液箱连接；所述恒温器与粒子过滤器连接，所述粒子过滤器与双电堆连接。
6.根据权利要求5所述的双堆双循环的燃料电池***，其特征在于，所述冷却模块采用双冷却泵并联为双电堆和空气预冷器提供冷却管路；双冷却泵为第一冷却泵和第二冷却泵；所述第一冷却泵和第二冷却泵根据电池***冷却需求来调节冷却泵流量；冷却泵进口端同时和电堆、冷却液箱连接，冷却泵出口端和散热器连接，冷却液进口端设置一个离子过滤器，防止粒子在冷却液里面进入到电堆里堵塞流道或者导致冷却液离子电导率升高。
7.根据权利要求1所述的双堆双循环的燃料电池***，其特征在于，该***的氢气出口端和空气出口端分别设置除雾器，除雾器和排水阀相连。
8.根据权利要求1所述的双堆双循环的燃料电池***，其特征在于，通过辅助***，双电堆的进气和进液实现均匀分配，减少控制***的负担，实现无源控制策略。
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