一种燃料电池系统阳极加湿系统及其加湿方法与流程

1.本发明涉及燃料电池控制，尤其涉及一种燃料电池系统阳极加湿系统及其加湿方法。


背景技术：

2.燃料电池系统是一个复杂且多耦合系统，系统工作温度与湿度等因素均能影响燃料电池系统的效率和寿命，其中堆内湿度对系统效率影响最大。
3.燃料电池系统中水有气态和液态两种，其来源包括由电化学反应产生的水和由加湿的反应气体带入的水；就湿度而言，燃料电池的质子交换膜需要维持在合适的操作湿度下才能使燃料电池保持较高的效能。质子交换膜水过多或过少都会对燃料电池系统运行带来负面影响，且质子交换膜失水过多会导致膜电导率下降，使电堆的欧姆极化内阻增大。
4.因此，需要对燃料电池系统中阳极进行实时控制湿度，以优化燃料电池的性能。


技术实现要素：

5.本发明克服了现有技术的不足，提供一种燃料电池系统阳极加湿系统及其加湿方法。
6.本发明的目的在于提供一种利用阳极中的水对氢气路进行控湿的燃料电池系统，该燃料电池系统将阳极中电化学反应产生的水和由加湿的反应气体带入的水通过未反应阳极气体，回流至氢气路中；依据燃料电池系统需求功率调节氢气路中阳极气体的进气湿度，进而调节燃料电池电堆中质子交换膜的湿度。
7.本发明的另一目的是提供一种具有未反应阳极气体处理的燃料电池系统，该燃料电池系统可以将阳极中未反应阳极气体通过回流管进行重新循环利用，取代了现有技术中需要额外通过触媒转化器处理阳极中未反应的阳极气体，不仅降低了燃料系统处理未反应气体的成本，还能增加进气的流量，提高燃料电池系统的性能。
8.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种燃料电池系统阳极加湿系统，其特征在于，包括：燃料电池电堆，与所述燃料电池电堆阳极连通的氢气路和回流路；
9.所述燃料电池电堆中包括：阳极气体入口、质子交换膜以及阳极气体出口；
10.所述氢气路连通所述阳极气体入口，所述氢气路中设置有阳极气体供应源，所述阳极气体供应源为所述燃料电池电堆阳极供给阳极气体；
11.所述回流路连通所述阳极气体出口，所述所述回流路的主路上依次设置有水汽分离器和氢气循环泵，所述水汽分离器输入端和输出端并联有一加湿调节阀；所述水汽分离器对所述燃料电池电堆阳极回流气体中的水分进行过滤，并形成有干气体；所述加湿调节阀的开度决定所述燃料电池电堆阳极回流气体中水的含量；所述水汽分离器的一端设置有排水路。
12.本发明一个较佳实施例中，所述回流路的回流气体为：所述燃料电池中未反应的阳极气体以及气体中裹挟的水。
13.本发明一个较佳实施例中，所述回流气体中的水来源于：所述燃料电池电堆阳极反应产生的水和由所述氢气路、所述回流路加湿的阳极气体带入的水。
14.本发明一个较佳实施例中，以所述燃料电池电堆的需求功率为限定条件，设定为所述回流路的启动条件。
15.本发明一个较佳实施例中，所述阳极气体供应源包括并联连接的若干氢气喷射器。
16.本发明还提供了一种燃料电池系统阳极加湿系统的加湿方法，其特征在于：
17.s1、启动燃料电池系统，待燃料电池系统进入稳定状态；
18.s2、检测燃料电池系统需求功率，当燃料电池系统需求功率小于p1，关闭回流路的加湿作用，氢气路通过阳极气体供应源输入阳极气体，并继续检测需求功率；当燃料电池系统需求功率大于p1，开启回流路的加湿功能，并跳入s3；
19.s3、检测到需要对氢气路中阳极气体进行加湿时，开始调节回流路中加湿调节阀的开度，同时开启水汽分离器；水汽分离器和加湿调节阀输出的气体在混合后，通过氢气循环泵接入氢气路中，且与氢气路中的阳极气体汇合，以增加阳极气体的进气湿度，进而调节燃料电池电堆中质子交换膜的湿度；
20.s4、记录当前工况点加湿调节阀的开度。
21.本发明一个较佳实施例中，在所述s3中，所述加湿调节阀的调节开度依据是，使得所述燃料电池系统平均单片电压最高。
22.本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
23.(1)本发明中提供了一种燃料电池系统阳极加湿系统，该加湿系统可使燃料系统中的水回流，并且更具有将回流气体与氢气路中的阳极气体混合，以增加阳极气体的进气湿度的功能，进而调节燃料电池电堆中质子交换膜的湿度，提高燃料电池的效能。
24.(2)本发明中回流路中通过水汽分离器和加湿调节阀的配合，实现对干气体和湿气体的混合，结合干湿气体混合控湿的方法，进而实现对氢气路中的阳极气体的精准控湿，保证进入的阳极气体符合燃料电池保持较高效能所需的合适的操作湿度。
25.(3)本发明可将未反应的阳极气体通过回流路，重新与氢气路中的阳极气体汇合，增加了氢气路中阳极气体的流量，且能够实现未反应的阳极气体重新导入燃料电池循环利用，进而提升燃料电池的性能。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
27.图1是本发明的优选实施例的燃料电池系统阳极加湿系统的结构示意图；
28.图中：1、燃料电池电堆；11、阳极气体入口；12、阳极气体出口；2、氢气路；21、氢气喷射器；3、回流路；31、水汽分离器；32、氢气循环泵；33、加湿调节阀；4、排水路。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
31.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
32.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
33.如图1所示，示出了本发明中的一种燃料电池系统阳极加湿系统的结构示意图。本发明的目的在于提供一种利用阳极中的水对氢气路进行控湿的燃料电池系统，该燃料电池系统将阳极中电化学反应产生的水和由加湿的反应气体带入的水通过未反应阳极气体，回流至氢气路2中；依据燃料电池系统需求功率调节氢气路2中阳极气体的进气湿度，进而调节燃料电池电堆中质子交换膜的湿度。本发明的另一目的是提供一种具有未反应阳极气体处理的燃料电池系统，该燃料电池系统可以将阳极中未反应阳极气体通过回流管进行重新循环利用，取代了现有技术中需要额外通过触媒转化器处理阳极中未反应的阳极气体，不仅降低了燃料系统处理未反应气体的成本，还能增加进气的流量，提高燃料电池系统的性能。
34.该燃料电池系统阳极加湿系统包括：燃料电池电堆1，与燃料电池电堆1阳极连通的氢气路2和回流路3。
35.燃料电池电堆1中包括：阳极气体入口11、质子交换膜以及阳极气体出口 12。
36.本发明中氢气路2连通阳极气体入口11，氢气路2中设置有阳极气体供应源，阳极气体供应源为燃料电池电堆1阳极供给阳极气体。本发明中阳极气体供应源不限于使用氢气罐、储氢合金或氢气喷射器21，亦可为其他公知型式的气体供应源。本发明中优选使用阳极气体供应源包括并联连接的若干氢气喷射器21，以提高阳极气体的供应量，满足燃料电池系统的需求功率。
37.回流路3连通阳极气体出口12，回流路3的主路上依次设置有水汽分离器 31和氢气循环泵32，水汽分离器31输入端和输出端并联有一加湿调节阀33。本发明中加湿调节阀33作为控制回流气体的排放之用，故在等效的目的及功能下，加湿调节阀33可为节流阀或
电磁阀，或其它任何公知型式的控制阀。
38.水汽分离器31对燃料电池电堆1阳极回流气体中的水分进行过滤，并形成有干气体。其中，回流路3的回流气体为：燃料电池中未反应的阳极气体以及气体中裹挟的水。回流气体中的水来源于：燃料电池电堆1阳极反应产生的水和由氢气路2、回流路3加湿的阳极气体带入的水。
39.加湿调节阀33的开度决定燃料电池电堆1阳极回流气体中水的含量。以燃料电池电堆1的需求功率为限定条件，设定为回流路3的启动条件；即，当燃料电池系统需求功率小于p1，关闭回流路3的加湿作用，氢气路2通过阳极气体供应源输入阳极气体，并继续检测需求功率；当燃料电池系统需求功率大于 p1，开启回流路3的加湿功能。
40.本发明中回流路3中通过水汽分离器31和加湿调节阀33的配合，实现对干气体和湿气体的混合，结合干湿气体混合控湿的方法，进而实现对氢气路2 中的阳极气体的精准控湿，保证进入的阳极气体符合燃料电池保持较高效能所需的合适的操作湿度。
41.本发明的提供的燃料电池系统还具有处理未反应阳极气体的功能，该燃料电池系统可以将阳极中未反应阳极气体通过回流管进行重新循环利用，取代了现有技术中需要额外通过触媒转化器处理阳极中未反应的阳极气体，不仅降低了燃料系统处理未反应气体的成本，还能增加氢气路2进气的流量，提高燃料电池系统的性能。
42.本发明的水汽分离器31的一端设置有排水路4，以排放水汽分离器31过滤后的水。
43.本发明还提供了一种燃料电池系统阳极加湿系统的加湿方法，包括以下步骤：
44.s1、启动燃料电池系统，待燃料电池系统进入稳定状态；
45.s2、检测燃料电池系统需求功率，当燃料电池系统需求功率小于p1，关闭回流路3的加湿作用，氢气路2通过阳极气体供应源输入阳极气体，并继续检测需求功率；当燃料电池系统需求功率大于p1，开启回流路3的加湿功能，并跳入s3；
46.s3、检测到需要对氢气路2中阳极气体进行加湿时，开始调节回流路3中加湿调节阀33的开度，同时开启水汽分离器31；水汽分离器31和加湿调节阀 33输出的气体在混合后，通过氢气循环泵32接入氢气路2中，且与氢气路2中的阳极气体汇合，以增加阳极气体的进气湿度，进而调节燃料电池电堆1中质子交换膜的湿度；
47.s4、记录当前工况点加湿调节阀33的开度。
48.其中，加湿调节阀33的调节开度依据是，使得燃料电池系统平均单片电压最高，以保证燃料电池系统的性能最大化。
49.以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。