一种阳极防凝露燃料电池系统以及车辆的制作方法

1.本发明涉及新能源技术领域，具体涉及一种阳极防凝露燃料电池系统以及车辆。


背景技术：

2.现有的燃料电池系统中，为提高燃料电池系统性能，提高氢气利用率、改善系统水平衡，燃料电池系统中均采用阳极回流系统，即燃料电池阳极氢气反应气体过量供给电堆，电堆电化学反应消耗部分氢气，剩余氢气连同反应生成物混合排出电堆，出堆混合物经由驱动装置(氢循环泵或引射器)驱动回流，在电堆阳极入口之前与新供给的氢气混合，重新进入电堆。
3.燃料电池阳极出堆混合物中主要为氢气、氮气、水蒸气及液态水，为去除燃料电池氢气侧电堆出堆混合物中的所含的液态水滴，电堆氢气出口均设有气液分离结构或装置，该装置又称“分水器”。即使电堆氢气侧出口气液分离结构或装置已很好分离出液态水滴，仍难以避免下游气态水蒸汽再次凝结为液态水的情况。首先，燃料电池氢气侧出堆混合物温度一般为60-90度，显著高于环境温度，出堆混合物沿回流路流动过程中会经壁面向环境散热，温度逐步降低；其次，车用燃料电池氢气存储于氢瓶，供气温度接近环境温度，回流混合物与新鲜供给氢气混合后温度降低，混合物中所含的气态水遇冷析出液态水；再次，燃料电池系统氢气侧压力针对其运行工况瞬调整，氢气侧不同位置压力也不相同，也会产生液态水；总之，单纯在电堆氢气出口的采用气液分离结构，难以避免因冷凝的液态水进入电堆的情况。
4.现有的燃料电池电堆由数百单片单元堆叠而成，每个单片单元含若干气流微通道；因水的气相、液相间的密度差异巨大，液态水的含量直接影响气体在燃料电池系统通道内流动状态，液态水累积严重的情况会阻塞气体传输通道，影响系统正常运行；尤其针对低温环境和燃料电池系统启动暖机过程，燃料电池阳极循环系统温度较低，水蒸气冷凝现象更为突出，严重情况会影响系统正常运行。
5.为了解决上述问题，现有技术中，主要通过提高气液分离装置的分离效率，分离掉较大比例的液态水。为缓解液态水进入电堆后的影响，现有技术如专利us7163760b2和us2018/0342744a1在电堆内部增设旁通单元，分流液态水的措施；但是，燃料电池系统架构在电堆氢气侧出口常设有气液分离结构或装置，难以避免其下游的冷凝水进入电堆；电堆内部增设旁通单元可缓解其下游正常反应单元受液态水影响的风险。增设旁通单元会增加电堆长度、影响电堆内部密封可靠性、接触压力分布、甚至关系到电堆整体性能。方案实施影响变量多、配适调整难度大。
6.且现有技术中，燃料电池系统中阳极气液分离信息较多；但在阳极气体温湿控制方面公开的信息资料较少。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是：提供一种防止燃料电池阳极氢气混合物中的气态
水冷凝，以液态水形式进入电堆的阳极防凝露燃料电池系统以及车辆。
8.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
9.一种阳极防凝露燃料电池系统，包括氢气瓶、电堆和循环泵，所述氢气瓶和循环泵通过混合接口与电堆的氢侧入口连通；
10.所述系统还包括加热装置，所述加热装置包括导热本体和加热件，所述导热本体上开设有供介质流通的通道，所述通道的一端为气体入口并与混合接口连通，另一端为气体出口与氢侧入口连通；
11.所述加热件加热通道内的介质。
12.为了解决上述技术问题，本发明采用的另一技术方案为：
13.一种车辆，包括上述的阳极防凝露燃料电池系统。
14.本发明的有益效果在于：通过加热装置，能够实现对通过通道的混合气体(介质)(来自氢气瓶和循环泵送入的气体)对流换热，使得混合气体(介质)内的冷凝水蒸发，能够有效防止液态水进入电堆；且加热装置结构简单，与系统管路连接的气体流通通道，气体流动顺畅，没有复杂部件，布置紧凑，能够灵活布置。
附图说明
15.图1为本发明的一种阳极防凝露燃料电池系统的架构图；
16.图2为本发明实施例一的一种阳极防凝露燃料电池系统的连接块与加热装置的配合示意图；
17.图3为图2的连接块与加热装置分离状态的示意图；
18.图4为图2的剖视图；
19.图5为本发明实施例二的一种阳极防凝露燃料电池系统的连接块与加热装置的配合示意图；
20.图6为图5的连接块与加热装置分离状态的示意图；
21.图7为图5的剖视图；
22.标号说明：1、氢气瓶；2、减压阀；3、安全阀；4、氢气控制阀；5、连接块；51、容纳槽；52、第一接口；53、第二接口；6、电堆；6_1、氢侧入口；6_2、氢侧出口；7、加热装置；71、导热本体；711、密封槽；72、加热件；721、加热翅片；73、通道；731、气体入口；732、气体出口；74、盖板；75、装配孔；76、接线柱；8、循环泵；9、排气排水阀；10、控制器；10_1、燃料电池系统控制装置；10_2、电源；10_3、控制开关。
具体实施方式
23.为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
24.请参照图1至图7，一种阳极防凝露燃料电池系统，包括氢气瓶1、电堆6和循环泵8，所述氢气瓶1和循环泵8通过混合接口与电堆6的氢侧入口6_1连通；
25.所述系统还包括加热装置7，所述加热装置7包括导热本体71和加热件72，所述导热本体71上开设有供介质流通的通道73，所述通道73的一端为气体入口731并与混合接口连通，另一端为气体出口732与氢侧入口6_1连通；
26.所述加热件72加热通道73内的介质。
27.从上述描述可知，通过加热装置7，能够实现对通过通道73的混合气体(介质)(来自氢气瓶1和循环泵8送入的气体)对流换热，使得混合气体(介质)内的冷凝水蒸发，能够有效防止液态水进入电堆6；且加热装置7结构简单，与系统管路连接的气体流通通道73，气体流动顺畅，没有复杂部件，布置紧凑，能够灵活布置。
28.进一步的，所述导热本体71内开设有加热腔，所述加热件72为电加热片，所述电加热片设置在加热腔内。
29.从上述描述可知，通过采用电加热片，电加热片具有瞬态响应快，加热效率高的特点；通过加热腔的设置，能够实现无接触加热混合气体(介质)。
30.进一步的，所述加热腔与电加热片之间具有导热硅胶。
31.从上述描述可知，通过导热硅胶的设置，能够方便均匀导热。
32.进一步的，进一步的，所述加热件72为加热柱，所述加热柱设置在通道73内。
33.进一步的，所述加热柱的外表面上设置有加热翅片721。
34.从上述描述可知，通过加热翅片721的设置，能够提升与混合气体(介质)的接触面积，提升工作效率。
35.进一步的，所述导热本体71外表面上开设有密封槽711，所述密封槽711的底部上开设有与通道73连通的安装孔，所述加热柱通过安装孔伸入到通道73内，所述加热柱远离通道73的一端上设置有盖板74；
36.所述密封槽711和盖板74上开设有相互配合的装配孔75。
37.从上述描述可知，通过盖板74的设置，能够方便加热装置7的装配。
38.进一步的，所述系统还包括连接块5，所述连接块5上开设有容纳加热装置7的容纳槽51，所述连接块5上开设有与气体入口731、气体出口732对应的第一接口52和第二接口53，所述气体入口731通过第一接口52与混合接口连通，所述气体出口732通过第二接口53与氢侧入口6_1连通；
39.所述容纳槽51与加热装置7之间通过密封圈密封。
40.从上述描述可知，通过密封圈的设置，能够提升连接的密封性。
41.进一步的，所述系统还包括控制器10，所述控制器10包括电源10_2与控制开关10_3；
42.所述加热件72通过接线柱76分别与电源10_2与控制开关10_3电性连接。
43.从上述描述可知，通过控制器10的设置，能够方便调节温度。
44.进一步的，所述系统还包括减压阀2、安全阀3、氢气控制阀4和排气排水阀9；
45.所述氢气瓶1、减压阀2、安全阀3、氢气控制阀4与混合接口依次连接；
46.所述电堆6还包括氢侧出口6_2；
47.所述氢侧出口6_2通过循环泵8与混合接口连通；所述排气排水阀9与氢侧出口6_2连通；
48.所述控制器10还包括控制系统运行的燃料电池系统控制装置10_1。
49.所述加热件将介质加热，所述被加热过的介质温度超过100℃，保证冷凝水的充分蒸发。
50.从上述描述可知，本技术的工作过程为：
51.在冷态环境或电堆启动工况运行时，在循环泵8的驱动下，含氢气的混合物(介质，含水蒸气、少量液态水等)与新鲜氢气在连接块5的第一接口51(混合接口)处混合，因来自氢气瓶的新鲜氢气温度很低，因此在混合后的管路内生成一定量的冷凝水，第一接口51将含冷凝水的混合物引入加热装置7的通道73内，通过加热件72与气体混合物的对流换热将冷凝水蒸发，将除冷凝后的高温高湿气体运输至6_1、氢侧入口。
52.一种车辆，包括上述任意一项所述的阳极防凝露燃料电池系统。
53.实施例一
54.参照图1至图4，一种阳极防凝露燃料电池系统，包括氢气瓶、电堆和循环泵，所述氢气瓶和循环泵通过混合接口与电堆的氢侧入口连通；
55.其特征在于，所述系统还包括加热装置，所述加热装置包括导热本体和加热件，所述导热本体上开设有供介质流通的通道，所述通道的一端为气体入口并与混合接口连通，另一端为气体出口与氢侧入口连通；
56.所述加热件加热通道内的介质。
57.所述导热本体内开设有加热腔，所述加热件为电加热片(陶瓷加热片)，所述电加热片设置在加热腔内。
58.所述加热腔与电加热片之间具有导热硅胶。
59.所述系统还包括连接块，所述连接块上开设有容纳加热装置的容纳槽，所述连接块上开设有与气体入口、气体出口对应的第一接口和第二接口，所述气体入口通过第一接口与混合接口连通，所述气体出口通过第二接口与氢侧入口连通；
60.所述容纳槽与加热装置之间通过密封圈密封。
61.所述系统还包括控制器，所述控制器包括电源与控制开关；
62.所述加热件通过接线柱分别与电源与控制开关电性连接。
63.所述系统还包括减压阀、安全阀、氢气控制阀和排气排水阀；
64.所述氢气瓶、减压阀、安全阀、氢气控制阀与混合接口依次连接；
65.所述电堆还包括氢侧出口；
66.所述氢侧出口通过循环泵与混合接口连通；所述排气排水阀与氢侧出口连通；
67.所述控制器还包括控制系统运行的燃料电池系统控制装置，也可增设温度传感器等对加热装置温度的监测。
68.所述导热本体导热性好的材料，如铝合金、铜合金等。
69.实施例二
70.参照图1、图5至图7，一种阳极防凝露燃料电池系统，与实施例一相同之处不再赘述，其中
71.所述加热件为加热柱，所述加热柱设置在通道内。
72.所述加热柱的外表面上设置有加热翅片。所述加热翅片形状尺寸、伸入管路的长度可以根据需求调整。
73.所述导热本体外表面上开设有密封槽，所述密封槽的底部上开设有与通道连通的安装孔，所述加热柱通过安装孔伸入到通道内，所述加热柱远离通道的一端上设置有盖板；
74.所述密封槽和盖板上开设有相互配合的装配孔。
75.实施例三
76.一种车辆，包括实施例一或实施例二所述的阳极防凝露燃料电池系统。
77.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。