[发明专利]一种燃料电池氢气温湿调控系统及其调控方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池氢气温湿调控系统及其调控方法，属于燃料电池领域。本发明包括电堆、储氢装置、氢气入口管路、氢气出口管路、冷却液出口管路、氢气控制阀和换热装置，电堆上设置有氢气入口、氢气出口和冷却液出口，氢气入口管路自储氢装置连接至氢气入口，氢气出口管路自氢气出口连接至氢气入口管路，氢气控制阀设置在氢气入口管路和换热装置的连接处，换热装置设置在冷却液出口管路内，且氢气入口管路通过氢气控制阀选择性地与换热装置连通。从储氢装置过来的气体，通过换热装置的蛇形管段，进行高效的热量交互，换热效率明显提升，且并不会额外增加复杂装置，节省了发动机实际应用过程中的空间和重量，提升系统性能参数。

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氢气温湿调控系统及其调控方法。

背景技术

随着氢燃料电池技术的发展，对于燃料电池发动机氢气供应技术提出了更高的要求，目前技术下，要求氢气进入燃料电池发动机的整个过程中不能有液态水存在，同时还要有一定的混合湿度，以达到更好的反应效果，目前氢气入口湿度调控方式，多通过调节氢气回流量的方式进行，如果氢气入口湿度较高，则适当降低回流量，如果氢气入口湿度较低，则适当提高回流量，该方式简单粗暴，不能做到精准的控制，同时氢气计量比的提高或者降低，也会对电堆的性能造成影响。在冬季条件下，从氢瓶出来的氢气为低温气体，其与从燃料电池氢循环路的湿热气体混合，就会产生冷凝水，因此为了避免该问题的出现，就需要对氢瓶供应的氢气进行处理，提高其温度，避免产生冷凝水进入电堆，对发动机造成损伤。

现有技术中，CN112582642A专利中有保温和加热两种装置，保温单元设置在冷却液出口管道和氢气出口管道之间，并利用冷却液出口管道中的冷却液对氢气出口管道中的氢气进行保温；加热单元设置在冷却液出口管道和氢气入口管道之间并利用冷却液出口管道中的冷却液对氢气入口管道的氢气进行加热。系统是利用冷却液废热对氢气路进行保温加热，减少了系统额外零部件，降低了系统额外功耗；而且可通过三通调节阀对冷却液流量进行调节，进而控制燃料电池电堆入口氢气温湿度，以满足不同燃料电池电堆及不同工况条件下对入口氢气温湿度的需求。CN112713285A专利中，燃料电池的一侧设置有氢气加热除湿机构，另一侧设置有氧气加热除湿机构，所述氢气加热除湿机构的进气端设置有氢气管，加热除湿机构的出气端设置有氢气进气管，氢气进气管的中间位置处设置有氢气回流阀，氢气回流阀的一侧密封连接有氢气回流管，氧气加热除湿机构的进气端设置有氧气管，氧气加热除湿机构的出气端设置有氧气进气管，氢燃料电池下方的一侧设置有吸热机构。通过对于温湿度的共同调控，达到温湿度达标的目的。CN112713286A专利中的燃料电池系统包括电堆、阳极混合气腔室和冷却液腔室，换热装置包括第一换热单元和第二换热单元，第一换热单元位于阳极混合气腔室内，第二换热单元位于冷却液腔室内，第二换热单元能够与电堆内出来的高温冷却液进行换热，并将热量传到第一换热单元，进而第一换热单元能够将进入电堆前的氢气混合气进行加热。实现燃料电池阳极入电堆前的氢气混合气的温度接近系统适宜温度，同时避免阳极氢气混合气过量冷凝液态水进入电堆的风险。且该方案能量利用率高，无需外部供给热源，优化了电堆水热管理方式，整个换热装置与电堆端板集成，结构紧凑，空间利用率高。CN211320222U专利中，循环水进水管连接于水泵的出水口与电堆的冷却液进口之间；循环水出水管连接于水泵的回水口与电堆的冷却液出口之间；换热器设置在电堆的堆前氢气进气管上，中冷器设置在电堆的堆前空气进气管上且位于空气进气管的空压机下游；换热器的出水口与循环水出水管连通，换热器的回水口与中冷器的出水口连通；中冷器的回水口与循环水进水管连通。该氢气加热水循环系统避免了堆前氢气的环境温度与进堆的空气存在较大温差，影响反应效率和对电堆具有不良影响的问题。

现有技术中存在以下技术问题：

CN112582642A中，利用冷却液的废热对气体进行保温加热，效率不高，而且仅仅能够对温度进行调控，达不到燃料电池工作的要求。同时针对于流量的调控，范围不大，且有很大可能会提升燃料电池出口温度，对发动机造成损伤。