[发明专利]一种燃料电池系统及其运行控制方法

说明书

本发明提供了一种燃料电池系统及其运行控制方法。本发明提供的燃料电池系统包括电堆、气体压缩装置、增湿混合装置、气液分离装置和流量控制装置；其中，气液分离装置对出堆气体进行气液分离，得到的液态水通过流量控制装置回流至增湿混合装置对阴极入堆气体进行增湿。在燃料电池系统的工作过程中，当电堆中的水含量偏高或偏低时，通过流量控制装置可以灵活有效的调整电堆的含水量，将电堆维持在最佳的工作状态。本发明的燃料电池系统克服了现有系统集成度低、寿命短、湿度控制不灵活的缺陷，直接利用出堆气体分离得到的液态水进行增湿，提高了系统的集成度和寿命，对湿度的调整更加灵活准确。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池系统及其运行控制方法。

背景技术

燃料电池电堆是电化学反应发生的场所。在质子交换膜燃料电池电堆中，阳极腔的氢气在阳极催化剂的作用下失去电子变为质子，质子通过质子交换膜到达阴极，在阴极催化剂的作用下得到电子并与阴极腔的氧气结合生成水。其中，质子交换膜需要维持一定的含水量，才能维持较高的质子传导能力。在现有燃料电池系统中，常采用增湿器给燃料电池的阴极入堆空气进行增湿，增湿器直接利用出堆湿空气与入堆干空气进行水的交换，从而实现对入堆干空气的增湿，以维持质子交换膜的含水量。

然而，由于电堆和增湿器的耐温较低，而经过空压机压缩后的气体温度超过了电堆和增湿器的耐温阈值，燃料电池系统必须在进行增湿之前设置中冷器，将空气温度降至电堆和增湿器的耐温阈值以下。同时，增湿器的流阻比较大，为了尽可能降低增湿器的流阻以降低空压机的功耗，增湿器的体积均较大，这就导致燃料电池发动机的体积较大，集成度降低。

并且，增湿器中传递水的功能单元可以是中空纤维管，也可以是透水膜，但是不论是中空纤维管式增湿器还是透水膜式增湿器，受到中空纤维管或透水膜的限制，增湿器的寿命较短，影响了燃料电池发动机的整体寿命和维护成本。

进一步的，现有技术直接利用出堆湿空气与入堆干空气进行水的交换，最终得到的入堆湿度与出堆湿空气和入堆干空气的流量、湿度、温度、压力等参数紧密耦合，一方面难以精确的调整入堆湿度，另一方面对湿度的调整往往影响入堆空气的其他参数，对燃料电池电堆的其他工作参数产生影响，因此对湿度的调整受到诸多限制，难以实现灵活准确的调整。

因此，亟需提供一种集成度高、寿命长、可灵活准确的调节湿度的燃料电池系统和其运行控制方法。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种集成度高、寿命长、可灵活准确的调节湿度的燃料电池系统。

作为本发明燃料电池系统的基本构成，该系统包括电堆、气体压缩装置、增湿混合装置、气液分离装置和流量控制装置。

所述电堆是燃料电池的基本构成，具有阴极入口、阳极入口及电堆出口。在电堆的各个入口/出口，均设置有相应的管路，即阴极入堆管路、阳极入堆管路以及出堆管路，以便输送相应的流体。

所述气体压缩装置具有气体压缩端及增压涡轮。其中，所述气体压缩端用于对优选为空气的阴极入堆气体进行压缩，增压涡轮用于回收出堆气体的能量，并用于气体压缩端的工作。

所述增湿混合装置包括气体进口、液体进口及混合出口，所述气体进口与所述气体压缩装置的气体压缩端的至少一个出口连接，所述液体进口与所述流量控制装置的出口连接，所述混合出口连接至所述电堆的阴极入堆管路。所述增湿混合装置能够利用流量控制装置输送的液态水对气体压缩端输出的至少部分气体进行增湿操作，并将增湿后的气体引入阴极入堆管路，从而向电堆提供增湿后的气体。

所述电堆的出堆管路连接至所述气体压缩装置的增压涡轮，以利用出堆气体在增压涡轮中膨胀做功。经过增压涡轮后的出堆气体温度降低、含水量增加，因此所述增压涡轮的出口连接有气液分离装置，将其中的液态水分离，所述气液分离装置的出液口连接至所述流量控制装置的入口，以便将得到的液态水输送至增湿混合装置对气体进行增湿操作。