CN113381043A - 一种燃料电池空气供应*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池空气供应***，本发明在燃料电池正常运行过程中，将电堆排出的大量液态水进行气水分离，从而避免大量液态水进入增湿器，影响增湿器的增湿效率、增湿器的使用寿命及燃料电池的冷启动时间。本发明在燃料电池腔体出现氢气浓度过高的情况下，控制一部分空气依次经过旁通路进入电堆PACK内，对电堆PACK内的氢气进行稀释吹扫，并最终汇入混排口，通过尾排排入大气，减少氢气在电堆腔体内的聚集，引发安全隐患。本发明通过在旁通路上增加单向阀，阻止了混排口处的氢气混合气进入电堆PACK内，减少了电堆PACK内氢气浓度值超高的频率，降低了氢气浓度传感器和流量调节器动作的次数，进而增加了零部件的使用寿命及燃料电池的工作效率。

Description

一种燃料电池空气供应***
技术领域
本发明涉及一种燃料电池的空气供应***，属于燃料电池领域。
背景技术
在燃料电池***运行过程中，燃料电池PACK内以及尾排混排口中会聚集未反应完成的氢气。现有的结构设计，都是将通过燃料电池PACK内的旁通路直接接入尾排混排口，混排口中未反应完成的氢气等混合气体会通过旁通路直接回流至燃料电池PACK内。如果PACK内氢气浓度值超标，会触发氢气浓度传感器报警。氢气浓度值超标不多时，会导致燃料电池运行出现故障，影响燃料电池正常运行；如氢气浓度值超标严重时，容易引发氢安全隐患。此外，在燃料电池***运行过程中，氢气与氧气发生电化学反应，反应产物为水，水在三相界面(可以理解为催化位点)产生时是气态的，会在浓度梯度下向流场扩散，进入流场后在气流的对流作用下被带走。当气体从较高温度的电堆中出来的时候，由于出口管路一般直接暴露在环境温度中，水蒸气受冷凝结，生成大量的液态水。当大量的液态水进入增湿器后，会导致增湿器内通道堵塞，水汽无法完全进入增湿通道，进而影响增湿器的增湿效率。如增湿效率被影响下降以后，进入电堆的空气湿度也会随着降低。此外，当液态水进入增湿通道的时候，在关机吹扫时，增湿通道内的液态水不易吹出或吹扫不干净，在低温环境下，会导致液态水在增湿器通道内结冰，从而影响增湿器的使用寿命及增加燃料电池的低温冷启动时间。因此，防止液态水进入增湿器，可以保证增湿器的增湿效率，以及增湿器的使用寿命。
现有专利中，CN 110649288 A解决了空压机喘振和电堆腔体浓度过高的问题，但在腔体出气端直接连接到了尾排管路节气门后端，这样在旁通路停止供气的时候，尾排中含氢的气体会沿着旁通路回流至电堆腔体内部。如旁通路一直供气进行吹扫，这样会增加空压机的工作压力，降低空压机的工作效率，进而影响整个燃料电池的工作效率，从根本上，电堆腔体内部氢浓度问题并没有完全解决。
发明内容
本发明要解决的技术问题：大量液态水进入增湿器及燃料电池腔体内，导致氢气浓度值过高。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种燃料电池空气供应***，其特征在于，包括空气冷却压缩单元，空气冷却压缩单元包括用于压缩空气的空压机，空气冷却压缩单元的出口分别与增湿器的第一入口以及第一旁通路相连通；
由第一入口进入增湿器的气体经由第一出口出增湿器，自第一出口排出增湿器的气体经进气节气门由电堆入口进入电堆PACK内的电堆，电堆排出的经过反应后的混合气体被送入水气分离器，水气分离器的气体出口与增湿器的第二入口相连通，水气分离器的液体出口经由排水阀与混排口相连通；由第二入口进入增湿器的气体经由第二出口出增湿器，增湿器的第二出口经出气节气门与混排口相连通；
第一旁通路上设有流量调节器，且第一旁通路与电堆PACK的通风入口相连通；在以下两种情况下打开流量调节器：
第一种情况：在空压机出现喘振的时候，调节流量调节器的开度以及控制空压机的转速，来使空压机跳出喘振线；
第二种情况：当电堆PACK内的氢浓度传感器报警的时候，调节流量调节器的开度，使出空气冷却压缩单元的一部分空气通过第一旁通路，从电堆PACK的通风入口进入电堆PACK后再从电堆PACK的通风出口出来，对电堆PACK内的氢气浓度进行稀释吹扫，并通过单向阀排至混排口，从而解决电堆PACK内氢气浓度高的故障问题；
除上述两种情况外，保持流量调节器处于关闭状态；
电堆PACK的通风出口经由第二旁通路连接至混排口，第二旁通路上设有单向阀。
优选地，所述空气冷却压缩单元还包括用于过滤空气的空气过滤器以及用于冷却空气的中冷器。
优选地，还包括温压湿一体传感器，通过温压湿一体传感器监测出所述增湿器的气体。
优选地，通过所述电堆每秒生成的水和所述水气分离器的储水腔体容积，来计算所述水气分离器内水含量的多少，从而控制所述排水阀的开启间隔时间，将所述水气分离器内的水排至混排口。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明在燃料电池正常运行过程中，将电堆排出的大量液态水进行气水分离，从而避免大量液态水进入增湿器，影响增湿器的增湿效率、增湿器的使用寿命及燃料电池的冷启动时间；
(2)本发明在燃料电池腔体出现氢气浓度过高的情况下，控制一部分空气依次经过旁通路进入电堆PACK内，对电堆PACK内的氢气进行稀释吹扫，并最终汇入混排口，通过尾排排入大气，减少氢气在电堆腔体内的聚集，引发安全隐患；
(3)本发明通过在旁通路上增加单向阀，阻止了混排口处的氢气混合气进入电堆PACK内，减少了电堆PACK内氢气浓度值超高的频率，降低了氢气浓度传感器和流量调节器动作的次数，进而增加了零部件的使用寿命及燃料电池的工作效率。
附图说明
图1为本发明的原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，本发明提供一种质子交换膜燃料电池空气供应***包括空气过滤器1、流量计2、空压机3、中冷器4、增湿器5、流量调节器6、温压湿一体传感器7、进气节气门8、氢浓度传感器9、温压一体传感器10、水气分离器11、排水阀12、出气节气门13、单向阀14、混排口15。
经空气过滤器1过滤后的空气流经流量计2后进入空压机3被压缩。压缩后的空气再通过中冷器4被冷却。冷却后的压缩空气可分为两路：一路经由第一入口进入增湿器5，另一路进入第一旁通路。
进入增湿器5的冷却后的压缩空气，经温压湿一体传感器7监测后，通过进气节气门8由电堆入口进入电堆PACK内的电堆。经过反应后的混合气体排出电堆后，经温压一体传感器10监测后进入水气分离器11。经过水气分离器11分离后的气体经由第二入口返回增湿器5。增湿器5将返回的气体回收利用后，将剩余的气体由出气节气门13控制排入混排口15。经过水气分离器11分离后的水通过排水阀12直接排至混排口15。
第一旁通路上设有流量调节器6，且第一旁通路与电堆PACK的通风入口相连通。电堆PACK的通风出口经由第二旁通路连接至混排口15。第二旁通路上设有单向阀14。
在燃料电池堆正常运行时，流量调节器6是关闭的。在以下两个情况下将流量调节器6打开：第一)在空压机3出现喘振的时候，调节流量调节器6的开度以及控制空压机3的转速，来使空压机3跳出喘振线；第二)当电堆PACK内的氢浓度传感器9报警的时候，调节流量调节器6的开度，使空压机3的一部分空气通过第一旁通路，从电堆PACK的通风入口进入电堆PACK后再从电堆PACK的通风出口出来，对电堆PACK内的氢气浓度进行稀释吹扫，并通过单向阀14排至混排口15，从而来解决电堆PACK内氢气浓度高的故障问题。混排口15内会含有未反应完全的氢气等混合气，在第二旁通路中设计单向阀14，可阻止混排口15中的氢气混合气倒灌入电堆PACK内，导致电堆PACK内氢气浓度值超标，触发氢气浓度传感器9报警，***出现故障停机等现象。即使按现有专利CN110649288A中技术来解决此问题，不设计单向阀14，第一会增加流量调节器6的开启频率，增加流量调节器6的故障率，进而降低流量调节器6的使用寿命；第二会增加空压机3的工作流量，降低空压机3的工作效率，进而影响燃料电池的工作效率。现有***设计技术中，旁通路直接通入电堆PACK内，中途未设计流量调节器6，这样空压机3出来的压缩空气会分为两路，一路通过旁通路进入电堆PACK，一部分来给电堆PACK内的电堆供应空气。这样旁通路会一直分流空压机3出来的压缩空气，从而增加空压机3的寄生功率，使整个***的工作效率降低。
本发明另一个要解决的问题是，电堆反应生成后的液态水进入增湿器5，会导致增湿器5内增湿孔堵塞，降低增湿器5的增湿效率。而且在低温的环境下，在停机后增湿器5内液态水不易吹扫，液态水会在增湿器5内结冰，影响增湿器5的寿命及增加冷启动的时间。本发明在电堆的排气口处，增加了一个水气分离器11，从而将出电堆排气口的水汽进行分离，降低大量液态水进入增湿器5。通过电堆每秒生成的水和水气分离器11的储水腔体容积，来计算水气分离器11内水含量的多少，从而控制排水阀12的开启间隔时间，将水气分离器11内的水排至混排口15。

Claims (4)

1.一种燃料电池空气供应***，其特征在于，包括空气冷却压缩单元，空气冷却压缩单元包括用于压缩空气的空压机，空气冷却压缩单元的出口分别与增湿器的第一入口以及第一旁通路相连通；
由第一入口进入增湿器的气体经由第一出口出增湿器，自第一出口排出增湿器的气体经进气节气门由电堆入口进入电堆PACK内的电堆，电堆排出的经过反应后的混合气体被送入水气分离器，水气分离器的气体出口与增湿器的第二入口相连通，水气分离器的液体出口经由排水阀与混排口相连通；由第二入口进入增湿器的气体经由第二出口出增湿器，增湿器的第二出口经出气节气门与混排口相连通；
第一旁通路上设有流量调节器，且第一旁通路与电堆PACK的通风入口相连通；在以下两种情况下打开流量调节器：
第一种情况：在空压机出现喘振的时候，调节流量调节器的开度以及控制空压机的转速，来使空压机跳出喘振线；
第二种情况：当电堆PACK内的氢浓度传感器报警的时候，调节流量调节器的开度，使出空气冷却压缩单元的一部分空气通过第一旁通路，从电堆PACK的通风入口进入电堆PACK后再从电堆PACK的通风出口出来，对电堆PACK内的氢气浓度进行稀释吹扫，并通过单向阀排至混排口，从而解决电堆PACK内氢气浓度高的故障问题；
除上述两种情况外，保持流量调节器处于关闭状态；
电堆PACK的通风出口经由第二旁通路连接至混排口，第二旁通路上设有单向阀。
2.如权利要求1所述一种燃料电池空气供应***，其特征在于，所述空气冷却压缩单元还包括用于过滤空气的空气过滤器以及用于冷却空气的中冷器。
3.如权利要求1所述一种燃料电池空气供应***，其特征在于，还包括温压湿一体传感器，通过温压湿一体传感器监测出所述增湿器的气体。
4.如权利要求1所述一种燃料电池空气供应***，其特征在于，通过所述电堆每秒生成的水和所述水气分离器的储水腔体容积，来计算所述水气分离器内水含量的多少，从而控制所述排水阀的开启间隔时间，将所述水气分离器内的水排至混排口。
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