提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路及方法

本发明属于燃料电池系统，具体涉及一种提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路及方法。

背景技术：

1、燃料电池系统是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。随着燃料电池电堆功率的不断增大，电堆产出水量不断增多，燃料电池系统上的零部件所消耗的功率也不断增加。

2、现有技术对电堆产出水的利用率不高，当电堆功率增加时，产出水增多，大部分被排出了燃料电池系统，造成了水资源的浪费。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：提供一种提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路及方法，能够减小燃料电池系统上零部件消耗的功率，同时节约水资源。

2、本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路，包括：

3、液氢支路，包括液氢气化器和引射器；其中，液氢气化器将液氢加热气化后通过引射器输出氢气给电堆；

4、电堆冷却水回路，包括冷却水箱和循环水泵；用于冷却电堆的水从电堆输出后流入冷却水箱，然后经循环水泵分为堆冷却支路和液氢加热支路，其中电堆冷却支路输出给电堆用于冷却电堆，液氢加热支路输出给所述液氢气化器用于加热液氢气化器，加热完液氢气化器的水再回到所述电堆用于冷却电堆；所述的冷却水箱通过散热器对水冷却；

5、水利用回路，包括气液分离器和集水器；其中，气液分离器与电堆的阴极尾排流道连接，将电堆产出的水蒸气进行气液分离，气液分离器的第一输出端将分离出的高温空气输出给所述液氢气化器用于液氢气化器加热，气液分离器的第二输出端将分离出的水输出给集水器；

6、设备养护回路，包括空压机、第一喷雾器和第二喷雾器；其中，空压机对电堆提供入堆空气，还与所述集水器连接提供高压气体；集水器中的水通过第一喷雾器喷洒散热器冷却；集水器的水通过第二喷雾器喷洒空压机冷却；

7、控制单元，用于根据所述输出氢气的流量控制所述液氢加热支路的流速、根据散热器和空压机的温度分别控制第一喷雾器和第二喷雾器的喷雾流速、控制所述高压气体的流量在一定范围内。

8、按上述方案，所述气液分离器的第二输出端将分离出的水分为两路，一路通过第一电磁阀输出给液氢气化器加热，另一路输出给集水器；所述第一电磁阀的开度由所述控制单元根据所述输出氢气的流量控制。

9、按上述方案，所述的冷却水箱通过比例阀与所述集水器连接，所述控制单元根据冷却水箱和集水器内的水位利用比例阀控制冷却水箱给集水器供水的流量。

10、按上述方案，所述集水器、第一喷雾器和第二喷雾器通过三通阀连接。

11、按上述方案，所述散热器上还设有与所述集水器连接的过滤器，用于将喷洒散热器冷却的水回收到集水器。

12、按上述方案，所述输出氢气的流量通过流量传感器得到；所述液氢加热支路的流速由控制单元利用第二电磁阀控制；所述散热器和空压机的温度分别利用温度传感器得到；所述高压气体的流量通过流量传感器得到，并由控制单元利用第三电磁阀控制。

13、一种所述的提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路的控制方法，本方法包括：

14、判断输出氢气的流量是否满足电堆需求，若输出氢气的流量大于预设范围，则减小液氢加热支路的流速；若输出氢气的流量小于预设范围，则增大液氢加热支路的流速；

15、当空压机电机温度小于预设电机温度，则关闭第二喷雾器；当空压机电机温度大于或等于预设电机温度，则开启第二喷雾器；

16、当散热器温度小于预设散热温度，则控制第一喷雾器按预设的小喷雾流速喷雾；当散热器温度大于或等于预设散热温度，则增大第一喷雾器的喷雾流速；

17、当所述高压气体的流量无法满足所述第一喷雾器和第二喷雾器的喷雾流速，则提高所述高压气体的流量。

18、按上述方法，所述的冷却水箱通过比例阀与所述集水器连接；本方法还包括：

19、当集水器内水位高于预设最高安全高度，或者冷却水箱水含量小于预设含量时，则关闭所述比例阀；当集水器内水位低于预设最低安全高度，且冷却水箱水含量大于预设含量，则调整比例阀的开度，使得集水器内水位在预设最高安全高度和最低安全高度之间。

20、按上述方法，所述的冷却水箱水含量通过冷却水箱流向循环水泵的水流量确定。

21、按上述方法，电堆工作电流与入堆氢气质量流量的关系如下：

22、

23、式中，为氢气质量流量，kg/s；为氢气摩尔质量,kg/mol；为阳极过量比；f为法拉第常数，c/mol；n为电堆中单电池片数；i为电堆工作电流，a。

24、根据实际电堆工作电流的需求，通过上述公式计算输出氢气的流量的预设范围。

25、本发明的有益效果为：

26、1、采用液氢气化器为电堆提供氢气，利用电堆冷却水的温度对液氢气化器进行加热，减少液氢气化器自身的加热功率；利用气液分离器将电堆的阴极尾排流道产出的水进行充分利用，热量用于进一步加热液氢气化器；设置与内循环水连通的集水器，并利用喷雾器对散热器和空压机进行冷却，降低了散热器和空压机消耗的功率；通过采用液氢支路、电堆冷却水回路、水利用回路和设备养护回路的组合，将电堆产出的水完全用于燃料电池系统中，避免了水资源的浪费，同时降低燃料电池系统中设备的消耗功率。

27、2、本发明通过控制单元对各个部分进行协调控制，降低了系统的反应延迟时间。

技术特征：

1.一种提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路，其特征在于：所述气液分离器的第二输出端将分离出的水分为两路，一路通过第一电磁阀输出给液氢气化器加热，另一路输出给集水器；所述第一电磁阀的开度由所述控制单元根据所述输出氢气的流量控制。

3.根据权利要求1所述的提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路，其特征在于：所述的冷却水箱通过比例阀与所述集水器连接，所述控制单元根据冷却水箱和集水器内的水位利用比例阀控制冷却水箱给集水器供水的流量。

4.根据权利要求1所述的提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路，其特征在于：所述集水器、第一喷雾器和第二喷雾器通过三通阀连接。

5.根据权利要求1所述的提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路，其特征在于：所述散热器上还设有与所述集水器连接的过滤器，用于将喷洒散热器冷却的水回收到集水器。

6.根据权利要求1所述的提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路，其特征在于：所述输出氢气的流量通过流量传感器得到；所述液氢加热支路的流速由控制单元利用第二电磁阀控制；所述散热器和空压机的温度分别利用温度传感器得到；所述高压气体的流量通过流量传感器得到，并由控制单元利用第三电磁阀控制。

7.一种权利要求1所述的提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路的控制方法，其特征在于：本方法包括：

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：所述的冷却水箱通过比例阀与所述集水器连接；本方法还包括：

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于：所述的冷却水箱水含量通过冷却水箱流向循环水泵的水流量确定。

10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：

技术总结
本发明提供一种提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路，液氢气化器将液氢加热气化后通过引射器输出氢气给电堆；用于冷却电堆的水从电堆输出后流入冷却水箱，然后经循环水泵分为堆冷却支路和液氢加热支路，电堆冷却支路用于冷却电堆，液氢加热支路用于加热液氢气化器，加热完液氢气化器的水再冷却电堆；气液分离器将电堆产出的水蒸气进行气液分离，分离出的高温空气用于液氢气化器加热，分离出的水输出给集水器，通过第一喷雾器喷洒散热器冷却；集水器的水通过第二喷雾器喷洒空压机冷却。本发明充分利用了电堆生成的水，用于电堆冷却、液氢气化器加热以及散热器和空压机的冷却，既节约水资源，又减小设备损耗，提高设备寿命。

技术研发人员：李其仲,石博,吉柏锋,章嵩,涂溶
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4