阅读说明：本技术 一种燃料电池电堆供气系统 (Fuel cell stack gas supply system ) 是由 高勇 陈斌 张选高 张海波 徐增师 于 2019-08-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种提升发电效率的燃料电池电堆供气系统,包括空气供给单元、氧气供给单元和混配气体供给单元；空气供给单元包括空滤、空压机和中冷器；氧气供给单元包括氧气储罐、电动调压阀和流量控制器；混配气体供给单元包括混配罐、气液分离器和循环泵,气液分离器对燃料电池电堆电化学反应产生的尾气进行气液分离,经循环泵增压后送入混配罐,与压缩空气和氧气完成均匀混合。本发明设计科学合理,利用气体混配技术有效提升供给燃料电池电堆气体中氧气浓度,利用气体循环技术使燃料电池电堆尾气形成循环达到未反应氧气循环利用和混配气增湿目的,最终实现燃料电池电堆发电效率的提升,具有结构简单、技术难度低、安全可靠和经济效益良好等优点。(The invention discloses a fuel cell stack gas supply system for improving power generation efficiency, which comprises an air supply unit, an oxygen supply unit and a mixed gas supply unit; the air supply unit comprises an air filter, an air compressor and a intercooler; the oxygen supply unit comprises an oxygen storage tank, an electric pressure regulating valve and a flow controller; the mixed gas supply unit comprises a mixing tank, a gas-liquid separator and a circulating pump, wherein the gas-liquid separator is used for carrying out gas-liquid separation on tail gas generated by the electrochemical reaction of the fuel cell stack, and the tail gas is pressurized by the circulating pump and then sent into the mixing tank to be uniformly mixed with compressed air and oxygen. The invention has scientific and reasonable design, effectively improves the concentration of oxygen in the gas supplied to the fuel cell stack by utilizing the gas mixing technology, forms circulation of the tail gas of the fuel cell stack by utilizing the gas circulation technology to achieve the purposes of recycling unreacted oxygen and humidifying mixed gas, and finally realizes the improvement of the power generation efficiency of the fuel cell stack, and has the advantages of simple structure, low technical difficulty, safety, reliability, good economic benefit and the like.)

一种燃料电池电堆供气系统

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，更具体地，涉及一种提升燃料电池电堆发电效率的供气系统。

背景技术

燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置，具有高能量转换效率、高能量密度、低振动噪声、零排放等优点。此外，氢是可再生能源，可通过太阳能、风能、水势能、生物能等绿色能源制氢获得。因此，燃料电池被视为21世纪清洁、高效的理想动力装置，是解决资源匮乏和污染恶化这两大问题重要的途径，在汽车、船舶、分布式发电等领域具有广阔发展和应用前景。

燃料电池电堆作为燃料电池发电装置的核心部件，其高发电效率指标一直是人们所追求的。目前，国内外专家学者采取的主要技术途径是改进燃料电池电堆本体，如双极板结构优化、膜电极材料优化等，但是这对设计人员的专业素质、工艺设备参数、材料的先进性要求较高，且技术难度较大。

发明内容

基于此，本发明设计了一种提升燃料电池电堆发电效率的供气系统，该系统利用气体混配技术实现提升燃料电池电堆的发电效率，具有结构简单、技术难度低、安全可靠和经济效益良好等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种燃料电池电堆供气系统，包括空气供给单元、氧气供给单元和混配气体供给单元；所述的空气供给单元包括通过管路依次连接的空滤、空压机和中冷器；所述的氧气供给单元包括通过管路依次连接的氧气储罐、电动调压阀和流量控制器；所述的混配气体供给单元包括分别与中冷器、流量控制器和燃料电池电堆连接的混配罐，空压机产生的压缩空气经过中冷器冷却降温后进入混配罐，氧气罐储存的高压氧气经电动调压阀和流量控制器进入混配罐；所述的混配气体供给单元还包括通过管路依次连接的气液分离器和循环泵，气液分离器对燃料电池电堆电化学反应产生的尾气进行气液分离，经循环泵增压后送入混配罐，与压缩空气和氧气完成均匀混合。

所述的一种燃料电池电堆供气系统，其混配气体供给单元还包括与气液分离器连接的脉冲电磁阀，通过周期为50ms的脉冲排放燃料电池电堆尾气。

所述的一种燃料电池电堆供气系统，其混配罐上还设置有实现罐内气体泄压排放的超压自动排空阀和实现罐内积液自动排放的机械式自动排水阀，罐体材质为304不锈钢。

所述的一种燃料电池电堆供气系统，其混配气体供给单元还包括氧气浓度传感器，用于分析混配气中氧气浓度并将浓度值信号反馈给空压机、流量控制器和循环泵，实现混配罐内气体中氧气浓度值的调整。

所述的一种燃料电池电堆供气系统，其混配气体供给单元还包括压力传感器，用于分析混配气压力并将压力值信号反馈给空压机和电动调压阀，实现混配罐内气体压力值的调整。

所述的一种燃料电池电堆供气系统，其空压机和中冷器冷却型式为风冷。

所述的一种燃料电池电堆供气系统，其气液分离器配置过滤器和机械式自动排水阀。

本发明的有益效果在于：

1，本发明采用气体混配技术方案，有效提升供给燃料电池电堆气体中氧气浓度，实现燃料电池电堆发电效率的提升；

2，本发明采用气体循环技术方案，使燃料电池电堆尾气形成循环，达到未反应氧气循环利用和混配气增湿目的，实现氧气利用率提高和减配增湿器。

3，本发明系统结构简单、技术难度低、安全可靠、经济效益良好。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2是本发明混配罐的结构示意图；

图3是本发明混配罐的原理示意图。

各附图标记为：1—空气供给单元，11－空滤，12－空压机，13－中冷器；2—氧气供给单元，21－氧气罐，22－电动调压阀，23－流量控制器；3—混配气体供给单元，3-1－混配罐，1-1－上端盖，1-2－罐体，1-2-1－空气进气道，1-2-2－氧气进气道，1-2-3－尾气进气道，1-3－下端盖，3-2—过滤器，3-3—压力传感器，3-4－氧气浓度传感器，3-5－超压排空阀，3-6－集液器，3-7－液位开关，3-8—电磁阀，32－气液分离器，33－脉冲电磁阀，34—循环泵，a—氧气浓度传感器，b—压力传感器。

具体实施方式

针对现有提高燃料电池电堆电性能指标技术存在的问题，本发明的目的在于，提供一种提升燃料电池电堆发电效率的供气系统，该系统能够有效实现燃料电池电堆的发电效率的提升，具有结构简单、技术难度低、安全可靠和经济效率良好等优点。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，实施例如下。

如图1所示，本发明公开了一种提升燃料电池电堆发电效率的供气系统，包括空气供给单元1、氧气供给单元2和混配气体供给单元3。

所述空气供给单元1包括通过管路依次连接的空滤11、空压机12和中冷器13，且空压机12和中冷器13冷却型式为风冷。

所述氧气供给单元2包括通过管路依次连接的氧气罐21、电动调压阀22和流量控制器23。

所述混配气体供给单元3包括混配罐3-1、气液分离器32、脉冲电磁阀33、循环泵34、氧气浓度传感器a和压力传感器b；其中所述循环泵34用于为燃料电池尾气循环至混配罐3-1提供动力，实现氧气循环利用和混配罐3-1内气体增湿；所述氧气浓度传感器a用于分析混配气中氧气浓度，并将浓度值信号反馈给空压机12、流量控制器23和循环泵34，实现混配罐3-1内气体中氧气浓度值的调整；所述压力传感器b用于分析混配气压力，并将压力值信号反馈给空压机12和电动调压阀22，实现混配罐3-1内气体压力值的调整。

所述混配罐3-1材质为304不锈钢，且设置超压自动排空阀和机械式自动排水阀，实现混配罐3-1内气体的泄压排放和积液的自动排放。具体结构如图2和图3所示：包括通过螺栓依次连接的上端盖1-1、罐体1-2和下端盖1-3，用于气体增湿、气液分离和均匀混配。所述的罐体1-2一边侧壁沿切线方向设置有空气进气道1-2-1和氧气进气道1-2-2，一边侧壁沿切线方向设置有燃料电池电堆尾气进气道1-2-3，过滤器3-2材质为316不锈钢，过滤层微孔直径为2um，通过螺栓与上端盖1-1连接，用于混配气体的过滤。压力传感器3-3和氧气浓度传感器3-4通过螺纹与混配灌上端盖1-1连接，且设置在过滤器3-2通径内，用于混配气体压力和浓度监测。超压排空阀3-5类型为机械阀，通过螺纹与混配灌上端盖1-1连接，用于混配气体超压自动排空。集液器3-6材质为316不锈钢，通过螺栓与与混配灌下端盖1-3连接。所述的液位开关3-7和电磁阀3-8通过螺纹与集液器3-6连接，液位开关3-7将收集的信号反馈给电磁阀8，进行集液器3-6内液态水排放。工作状态下，电堆阴极电化学反应的尾气与空气、氧气从混配罐3-1切线方向的进气道进入，在罐体1-2内壁的导向下，形成气旋，一方面使尾气、空气和氧气混配均匀，另一方面使混合气中的液态水产生离心运动，降落在罐体1-2内壁上，在重力的作用下流向混配罐3-1底部，实现气水分离。沉积在混配罐3-1底部集液器3-6的液态水蒸发汽化后，对混配气体增湿，当集液器3-6沉积的液态水过多时，液位开关3-7导通，电磁阀3-8打开，将液态水排出集液器3-6。安装在混配灌上端盖1-1上的氧气浓度传感器3-4用于混配气体浓度监测，可将收集信号反馈给空气和氧气供给管路上的电动阀组，在氧气浓度高时增加空气的进气量，并减小氧气的进气量，氧浓度低时反之。安装在混配灌上端盖1-1上的压力传感器3-3用于混配气体压力的监测，超压排空阀3-5用于混配气体超压自动排空，过滤器3-2一方面将混配气体中的杂质过滤掉，另一方面对混配气体中的液态水进行二次分水。

所述气液分离器32配置过滤器和机械式自动排水阀，其中氧气浓度传感器a和氧气浓度传感器3-4可以使用同一个，压力传感器b和压力传感器3-3可以使用同一个。

所述脉冲电磁阀33的脉冲开启时间50ms，用于周期性的排出混配气体中过量的杂质气体。

结合本发明的系统结构，对本发明的技术原理作如下说明：

工作状态下，空压机12产生的压缩空气经过中冷器13冷却降温后，进入混配罐3-1；氧气罐21储存的高压氧气经电动调压阀22和流量控制器23进入混配罐3-1；燃料电池电堆电化学反应的尾气经气液分离器32完成气液分离，随后经循环泵34增压进入混配罐3-1；压缩空气、氧气、燃料电池尾气在混配罐3-1中完成均匀混合。

空压机12、循环泵34采用变频电机调节转速，从而控制空气和燃料电池尾气的流量，氧气流量通过流量控制器23调节，依据来自氧气浓度传感器a的信号，调整空压机12、循环泵34及流量控制器23的流量，获得设定氧气浓度的混配气体：运行过程中，一旦混配气中氧气浓度与设定值发生偏离，氧气浓度传感器a立即反馈调整空压机12、循环泵34及氧气流量控制器23的流量，从而实现混配气中氧气浓度调整。

混配气体的压力由空压机12、电动调压阀22调节，依据来自压力传感器b的信号，调整空压机12和电动调压阀22获得设定压力的混配气体：运行过程中，一旦混配气压力与设定值发生负偏离，压力传感器b立即反馈调整空压机12和调压阀22，从而实现混配气压力值调整；若出现超压，混配罐3-1上的超压排空阀立即泄压。

燃料电池尾气中的饱和水蒸汽进入混配罐3-1后，对混配气体进行增湿，混配气体中的液态水在混配罐中进行气水分离，沉积在混配罐3-1底部，通过安装在混配罐3-1底部的自动排水阀排出。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。