CN114744238A - 一种燃料电池***及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池***及控制方法，包括电堆模块、供氢***、空气供应***和冷却***，从电堆模块的空气出口排出的尾排气经过一个背压阀组件后排出，外部空气依次经过空气过滤器、流量计、空压机、中冷器和增湿器，然后送到电堆模块的空气入口，冷却***为电堆模块提供冷却液，也为中冷器提供冷却液以便对外部输入空气进行一次冷却，电堆模块的空气出口排出尾排气经过增湿器后进入背压阀组件，利用电堆模块的空气出口排出的尾排气对流经增湿器的外部空气进行二次冷却，既可以有效解决燃料电池***尾排气能量回收问题，又可以有效降低冷却***的功耗，保证了冷却***的使用寿命，降低成本，提高燃料电池***整体的效率和可靠性。

Description

一种燃料电池***及控制方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池***及控制方法。
背景技术
燃料电池是一种通过氢气和氧气电化学反应产生电能的能量转换装置,具有能量转换效率高，结构简单、低噪音、无污染等优点。燃料电池一般需要供氢***、空气供应***和冷却***三大辅助***。在空气供应***中，为了保证燃料电池电堆内空气的供应量，一般都会使用空压机对空气进行增压以提高供气效率，但空压机出口排出的空气温度高达170℃-180℃，而燃料电池电堆要求的进气温度一般不高于80℃。因此，在高温空气进入燃料电池电堆之前，一般需要使用中冷器，用于对高温空气进行降温，以满足燃料电池电堆的空气进气温度要求。中冷器将空压机出口排出的170℃-180℃高温空气降到至燃料电池电堆要求的温度，则需要消耗冷却***中的冷却功耗，或者其它功耗。另外，燃料电池运行时会排放较高压力和温度的气体，这部分压力和温度高于大气的气体，携带有较高的能量，通常会直接排出，不对尾气做任何处理，如此，这一部分的能量将被白白浪费。
所以需要设计一种具有能量回收的燃料电池空气供应***，空气供应***中的中冷器不需要消耗冷却***中的冷却功耗，也能将空压机出口排出的170℃-180℃高温空气降到至燃料电池电堆要求的温度，并且能够回收燃料电池尾排气体中所蕴含的能量。
现有技术中，空气供应***大部分都是利用水冷中冷器，从冷却***中引入冷却液进入中冷器中，与空压机出口的高温空气进行热交换，将空压机出口的空气温度降至燃料电池电堆要求的温度，此方法将冷却***的冷却负担，增加冷却***中散热器的功耗,降低了冷却***的使用寿命，成本高。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池***及控制方法，能解决现有技术中的空气供应***大部分都是利用水冷中冷器，从冷却***中引入冷却液进入中冷器中，与空压机出口的高温空气进行热交换，将空压机出口的空气温度降至燃料电池电堆要求的温度，此方法将冷却***的冷却负担，增加冷却***中散热器的功耗，降低了冷却***的使用寿命，成本高的技术问题。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
本发明的目的是提供一种燃料电池***，包括燃料电池***控制器、电堆模块、供氢***、空气供应***和冷却***，空气供应***的输出端连接到电堆模块的空气入口为电堆模块提供空气，从电堆模块的空气出口排出的尾排气经过一个背压阀组件后排出，燃料电池***控制器控制电堆模块、供氢***、空气供应***和冷却***工作，空气供应***包括空气过滤器、流量计、空压机、中冷器和增湿器，外部空气依次经过空气过滤器、流量计、空压机、中冷器和增湿器，然后送到电堆模块的空气入口，冷却***为电堆模块提供冷却液，也为中冷器提供冷却液以便对外部输入空气进行一次冷却，其特征在于：电堆模块的空气出口排出尾排气经过增湿器后进入背压阀组件，利用电堆模块的空气出口排出的尾排气对流经增湿器的外部空气进行二次冷却。
上述所述的供氢***的输出端连接到电堆模块的氢气入口为电堆模块提供氢气，电堆模块的氢气出口排出的混合气体经过水汽分离器分离后的部分气体输送到背压阀组件，再从背压阀组件排出。
上述所述的电堆模块和供氢***安装在一箱体里面，箱体上设有通风出气口，箱体内部泄漏的含氢气的混合气体从通风出气口输送到背压阀组件，再从背压阀组件排出。
上述所述的从尾排接管的第一出气口排出的气体经过消音器处理后排出。
上述所述的背压阀组件包括背压阀体、进气接管和尾排接管，进气接管和尾排接管分别设置在背压阀体的进气端口和出气端口，尾排接管包括管体，管体的一端设置第一进气口，另一端设置第一出气口，第一进气口与背压阀体的出气端口连通，管体的表面上至少设置一条旁通管，旁通管用于连接外部的排气管路；
从电堆模块的空气出口排出的尾排气经过增湿器后再进入背压阀组件，尾排气从进气接管进入，经过背压阀体后的尾排气从尾排接管的第一出气口排出。
上述所述的旁通管的一端设有第二进气口，另一端设有第二出气口，旁通管的第二进气口设置在管体外，旁通管的第二出气口设置在管体内；
供氢***的水汽分离器的输出端与背压阀组件中尾排接管的旁通管的第二进气口连接，分离后的部分气体从旁通管的第二进气口进入，然后从旁通管的第二出气口排出进入到尾排接管内，再从尾排接管的第一出气口排出；
箱体的通风出气口与背压阀组件中尾排接管的旁通管的第二进气口连接，箱体内部泄漏的含氢气的混合气体从通风出气口排出后进入旁通管的第二进气口，然后从旁通管的第二出气口排出进入到尾排接管内，再从尾排接管的第一出气口排出。
上述所述的旁通管的第二出气口的出气方向顺着管体的出气方向引出。
上述所述的旁通管是焊接于管体上，形成一体化结构。
上述所述的管体的表面上设置两条旁通管，两条旁通管布置在管体的表面上。
上述所述的位于管体的第一进气口边缘处设置有安装法兰，管体的安装法兰与背压阀体之间通过螺钉锁紧。
一种燃料电池***的控制方法，其特征在于：所述的燃料电池***是上述所述的一种燃料电池***，燃料电池***控制器控制电堆模块、供氢***、空气供应***和冷却***工作，该燃料电池***还包括温度传感器，电堆模块的空气出口排出尾排气经过增湿器后进入背压阀组件，利用电堆模块的空气出口排出的尾排气对流经增湿器的外部空气进行二次冷却，从背压阀组件排出，电堆模块的空气入口设有温度传感器，温度传感器检测电堆模块的空气入口处的空气温度，温度传感器将检测的温度信号传送到燃料电池***控制器中，外部空气依次经过空气过滤器、流量计、空压机、中冷器和增湿器；
当温度传感器检测到输入电堆模块的空气温度高于某个设定温度值T1时，燃料电池***控制器根据温度信号控制冷却***增加输入到中冷器的冷却液流量来提高中冷器散热能力，从而调节输入电堆模块的空气温度，保证输入电堆模块的空气温度达到要求；
当温度传感器检测到输入电堆模块的空气温度低于某个设定温度值T2时，燃料电池***控制器根据温度信号控制冷却***减少输入到中冷器的冷去液流量来降低中冷器散热能力，从而调节输入电堆模块的空气温度，保证输入电堆模块的空气温度达到要求；
所述的设定温度值T1大于设定温度值T2。
本发明与现有技术相比，具有如下效果：
1)本发明提供的一种燃料电池***，包括燃料电池***控制器、电堆模块、供氢***、空气供应***和冷却***，空气供应***的输出端连接到电堆模块的空气入口为电堆模块提供空气，从电堆模块的空气出口排出的尾排气经过一个背压阀组件后排出，燃料电池***控制器控制电堆模块、供氢***、空气供应***和冷却***工作，空气供应***包括空气过滤器、流量计、空压机、中冷器和增湿器，外部空气依次经过空气过滤器、流量计、空压机、中冷器和增湿器，然后送到电堆模块的空气入口，冷却***为电堆模块提供冷却液，也为中冷器提供冷却液以便对外部输入空气进行一次冷却，其特征在于：电堆模块的空气出口排出尾排气经过增湿器后进入背压阀组件，利用电堆模块的空气出口排出的尾排气对流经增湿器的外部空气进行二次冷却，既可以有效解决燃料电池***尾排气能量回收问题，又可以有效降低冷却***的功耗，保证了冷却***的使用寿命，降低成本，提高燃料电池***整体的效率和可靠性。
2)本发明的背压阀组件包括背压阀体、进气接管和尾排接管，进气接管和尾排接管分别设置在背压阀体的进气端口和出气端口，尾排接管包括管体，管体的一端设置第一进气口，另一端设置第一出气口，第一进气口与背压阀体的出气端口连通，管体的表面上至少设置一条旁通管，旁通管用于连接外部的排气管路，通过在尾排接管增加旁通管结构布置，有效减少连接管路和接头连接，可减少燃料电池***组装时的零部件数，节省空间，连接简单，降低成本、提高燃料电池***整体的效率和可靠性，降低燃料电池***运行风险。
3)本发明的燃料电池***的控制方法，控制简单，容易实现，保证燃料电池***在最佳的温度范围内正常运行，节省能源，能有效提高燃料电池***效率，充分利用电堆模块的空气出口排出的尾排气对流经增湿器的外部空气进行二次冷却，降低冷却***的负荷，提高能效。
4)本发明的其它优点在实施例部分展开详细描述。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的燃料电池***中空气供应***的原理图；
图2是本发明实施例一提供的燃料电池***中供氢***的原理图；
图3是本发明实施例一提供的燃料电池***中的箱体结构示意图；
图4是本发明实施例一提供的燃料电池***中燃料电池***控制器的控制原理图；
图5是本发明实施例一提供的立体图；
图6是本发明实施例一提供的正视图；
图7是本发明实施例一提供的尾排接管立体图；
图8是本发明实施例一提供的尾排接管的剖面图。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
实施例一：
如图1至图8所示，一种燃料电池***，包括燃料电池***控制器、电堆模块5、供氢***、空气供应***和冷却***，空气供应***的输出端连接到电堆模块5的空气入口为电堆模块5提供空气，从电堆模块5的空气出口排出的尾排气经过一个背压阀组件后排出，燃料电池***控制器控制电堆模块5、供氢***、空气供应***和冷却***工作，空气供应***包括空气过滤器、流量计、空压机、中冷器和增湿器，外部空气依次经过空气过滤器、流量计、空压机、中冷器和增湿器，然后送到电堆模块5的空气入口，冷却***为电堆模块5提供冷却液，也为中冷器提供冷却液以便对外部输入空气进行一次冷却，其特征在于：电堆模块5的空气出口排出尾排气经过增湿器后进入背压阀组件，利用电堆模块5的空气出口排出的尾排气对流经增湿器的外部空气进行二次冷却，既可以有效解决燃料电池***尾排气能量回收问题，又可以有效降低冷却***的功耗，保证了冷却***的使用寿命，降低成本，提高燃料电池***整体的效率和可靠性。
上述的供氢***的输出端连接到电堆模块5的氢气入口为电堆模块5提供氢气，电堆模块5的氢气出口排出的混合气体经过水汽分离器分离后的部分气体输送到背压阀组件，再从背压阀组件排出。
上述的电堆模块5和供氢***安装在一箱体4里面，箱体4上设有通风出气口41，箱体4内部泄漏的含氢气的混合气体从通风出气口41输送到背压阀组件，再从背压阀组件排出。
上述的从尾排接管3的第一出气口312排出的气体经过消音器处理后排出，有效降低燃料电池***的整体噪音。
上述的背压阀组件包括背压阀体1、进气接管2和尾排接管3，进气接管2和尾排接管3分别设置在背压阀体1的进气端口和出气端口，尾排接管3包括管体31，管体31的一端设置第一进气口311，另一端设置第一出气口312，第一进气口311与背压阀体1的出气端口连通，管体31的表面上至少设置一条旁通管32，旁通管32用于连接外部的排气管路，通过在尾排接管增加旁通管结构布置，有效减少连接管路和接头连接，可减少燃料电池***组装时的零部件数，节省空间，连接简单，降低成本、提高燃料电池***整体的效率和可靠性，降低燃料电池***运行风险；
从电堆模块5的空气出口排出的尾排气经过增湿器后再进入背压阀组件，尾排气从进气接管2进入，经过背压阀体1后的尾排气从尾排接管3的第一出气口312排出。
上述的旁通管32的一端设有第二进气口321，另一端设有第二出气口322，旁通管32的第二进气口321设置在管体31外，旁通管32的第二出气口322设置在管体31内，当由外部管路连接旁通管32时，外部气体从旁通管的第二进气口321进入，再从旁通管32的第二出气口322排出进入管体31内，并与尾排接管排出的尾排气一并排出，如此可以减少其它不必要的管路和接头，减少成本；
供氢***的水汽分离器的输出端与背压阀组件中尾排接管3的旁通管32的第二进气口321连接，分离后的部分气体从旁通管的第二进气口321进入，然后从旁通管32的第二出气口322排出进入到尾排接管内，再从尾排接管3的第一出气口312排出，图2中A出气口与图1中A入气口连通，分离后的部分气体经过旁通管32从尾排接管3一同排出，确保燃料电池的安全运行，提高燃料电池***整体的效率和可靠性；
箱体4的通风出气口41与背压阀组件中尾排接管3的旁通管32的第二进气口321连接，箱体4内部泄漏的含氢气的混合气体从通风出气口41排出后进入旁通管32的第二进气口321，然后从旁通管32的第二出气口322排出进入到尾排接管3内，再从尾排接管3的第一出气口312排出，图3中的通风出气口41为B出气口与图1中的B入气口连通，箱体4内的含氢气的混合气体经过旁通管32从尾排接管3一同排出，确保燃料电池***的安全运行，提高燃料电池***整体的效率和可靠性。
上述的旁通管32的第二出气口322的出气方向顺着管体31的出气方向引出，便于若干股气流汇合一并排出，也可以防止气体反流。
上述的旁通管32是焊接于管体31上，形成一体化结构，结构布置合理，保证尾排接管的密封性。
上述的管体31的表面上设置两条旁通管32，两条旁通管32布置在管体31的表面上，便于外部的排气管路连接，结构布置合理。
上述的位于管体31的第一进气口311边缘处设置有安装法兰310，管体31的安装法兰310与背压阀体1之间通过螺钉锁紧，减少连接的管路和接头，节约成本。
实施例二：
一种燃料电池***的控制方法，其特征在于：所述的燃料电池***是实施例一所述的一种燃料电池***，燃料电池***控制器控制电堆模块5、供氢***、空气供应***和冷却***工作，该燃料电池***还包括温度传感器6，电堆模块5的空气出口排出尾排气经过增湿器后进入背压阀组件，利用电堆模块5的空气出口排出的尾排气对流经增湿器的外部空气进行二次冷却，从背压阀组件排出，电堆模块5的空气入口设有温度传感器6，温度传感器6检测电堆模块5的空气入口处的空气温度，温度传感器6将检测的温度信号传送到燃料电池***控制器中，外部空气依次经过空气过滤器、流量计、空压机、中冷器和增湿器；
当温度传感器6检测到输入电堆模块5的空气温度高于某个设定温度值T1时，燃料电池***控制器根据温度信号控制冷却***增加输入到中冷器的冷却液流量来提高中冷器散热能力，从而调节输入电堆模块5的空气温度，保证输入电堆模块5的空气温度达到要求；
当温度传感器6检测到输入电堆模块5的空气温度低于某个设定温度值T2时，燃料电池***控制器根据温度信号控制冷却***减少输入到中冷器的冷去液流量来降低中冷器散热能力，从而调节输入电堆模块5的空气温度，保证输入电堆模块5的空气温度达到要求；
所述的设定温度值T1大于设定温度值T2。
本发明的燃料电池***的控制方法，控制简单，容易实现，保证燃料电池***在最佳的温度范围内正常运行，节省能源，能有效提高燃料电池***效率，充分利用电堆模块的空气出口排出的尾排气对流经增湿器的外部空气进行二次冷却，降低冷却***的负荷，提高能效。
以上实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不限于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种燃料电池***，包括燃料电池***控制器、电堆模块(5)、供氢***、空气供应***和冷却***，空气供应***的输出端连接到电堆模块(5)的空气入口为电堆模块(5)提供空气，从电堆模块(5)的空气出口排出的尾排气经过一个背压阀组件后排出，燃料电池***控制器控制电堆模块(5)、供氢***、空气供应***和冷却***工作，空气供应***包括空气过滤器、流量计、空压机、中冷器和增湿器，外部空气依次经过空气过滤器、流量计、空压机、中冷器和增湿器，然后送到电堆模块(5)的空气入口，冷却***为电堆模块(5)提供冷却液，也为中冷器提供冷却液以便对外部输入空气进行一次冷却，其特征在于：电堆模块(5)的空气出口排出尾排气经过增湿器后进入背压阀组件，利用电堆模块(5)的空气出口排出的尾排气对流经增湿器的外部空气进行二次冷却。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池***，其特征在于：供氢***的输出端连接到电堆模块(5)的氢气入口为电堆模块(5)提供氢气，电堆模块(5)的氢气出口排出的混合气体经过水汽分离器分离后的部分气体输送到背压阀组件，再从背压阀组件排出。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池***，其特征在于：电堆模块(5)和供氢***安装在一箱体(4)里面，箱体(4)上设有通风出气口(41)，箱体(4)内部泄漏的含氢气的混合气体从通风出气口(41)输送到背压阀组件，再从背压阀组件排出。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池***，其特征在于：从尾排接管(3)的第一出气口(312)排出的气体经过消音器处理后排出。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种燃料电池***，其特征在于：背压阀组件包括背压阀体(1)、进气接管(2)和尾排接管(3)，进气接管(2)和尾排接管(3)分别设置在背压阀体(1)的进气端口和出气端口，尾排接管(3)包括管体(31)，管体(31)的一端设置第一进气口(311)，另一端设置第一出气口(312)，第一进气口(311)与背压阀体(1)的出气端口连通，管体(31)的表面上至少设置一条旁通管(32)，旁通管(32)用于连接外部的排气管路；
从电堆模块(5)的空气出口排出的尾排气经过增湿器后再进入背压阀组件，尾排气从进气接管(2)进入，经过背压阀体(1)后的尾排气从尾排接管(3)的第一出气口(312)排出。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池***，其特征在于：旁通管(32)的一端设有第二进气口(321)，另一端设有第二出气口(322)，旁通管(32)的第二进气口(321)设置在管体(31)外，旁通管(32)的第二出气口(322)设置在管体(31)内；
供氢***的水汽分离器的输出端与背压阀组件中尾排接管(3)的旁通管(32)的第二进气口(321)连接，分离后的部分气体从旁通管的第二进气口(321)进入，然后从旁通管(32)的第二出气口(322)排出进入到尾排接管内，再从尾排接管(3)的第一出气口(312)排出；
箱体(4)的通风出气口(41)与背压阀组件中尾排接管(3)的旁通管(32)的第二进气口(321)连接，箱体(4)内部泄漏的含氢气的混合气体从通风出气口(41)排出后进入旁通管(32)的第二进气口(321)，然后从旁通管(32)的第二出气口(322)排出进入到尾排接管(3)内，再从尾排接管(3)的第一出气口(312)排出。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池***，其特征在于：旁通管(32)的第二出气口(322)的出气方向顺着管体(31)的出气方向引出。
8.根据权利要求7所述的一种燃料电池***，其特征在于：旁通管(32)是焊接于管体(31)上，形成一体化结构。
9.根据权利要求8所述的一种燃料电池***，其特征在于：管体(31)的表面上设置两条旁通管(32)，两条旁通管(32)布置在管体(31)的表面上。
10.根据权利要求9所述的一种燃料电池***，其特征在于：位于管体(31)的第一进气口(311)边缘处设置有安装法兰(310)，管体(31)的安装法兰(310)与背压阀体(1)之间通过螺钉锁紧。
11.一种燃料电池***的控制方法，其特征在于：所述的燃料电池***是权利要求1至权利要求10所述的任意一种燃料电池***，燃料电池***控制器控制电堆模块(5)、供氢***、空气供应***和冷却***工作，该燃料电池***还包括温度传感器(6)，电堆模块(5)的空气出口排出尾排气经过增湿器后进入背压阀组件，利用电堆模块(5)的空气出口排出的尾排气对流经增湿器的外部空气进行二次冷却，从背压阀组件排出，电堆模块(5)的空气入口设有温度传感器(6)，温度传感器(6)检测电堆模块(5)的空气入口处的空气温度，温度传感器(6)将检测的温度信号传送到燃料电池***控制器中，外部空气依次经过空气过滤器、流量计、空压机、中冷器和增湿器；
当温度传感器(6)检测到输入电堆模块(5)的空气温度高于某个设定温度值T1时，燃料电池***控制器根据温度信号控制冷却***增加输入到中冷器的冷却液流量来提高中冷器散热能力，从而调节输入电堆模块(5)的空气温度，保证输入电堆模块(5)的空气温度达到要求；
当温度传感器(6)检测到输入电堆模块(5)的空气温度低于某个设定温度值T2时，燃料电池***控制器根据温度信号控制冷却***减少输入到中冷器的冷去液流量来降低中冷器散热能力，从而调节输入电堆模块(5)的空气温度，保证输入电堆模块(5)的空气温度达到要求；
所述的设定温度值T1大于设定温度值T2。
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