一种空冷堆燃料电池氢气交替循环进气系统
阅读说明：本技术 一种空冷堆燃料电池氢气交替循环进气系统 (Air cooling stack fuel cell hydrogen alternate circulation air intake system ) 是由 范冬琪 曹寅亮 孙健 徐乃涛 陈泽民 林滨 徐鹏杰 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种空冷堆燃料电池氢气交替循环进气系统,包括燃料电池空冷堆,所述燃料电池空冷堆具有分别用作氢气进口和氢气出口的两个氢气接口,所述空冷堆燃料电池氢气交替循环进气系统还包括：分别连接两个氢气接口的两根进出氢气管,每根进出氢气管上均设有一个定期打开用以排气的尾排阀,进出氢气管位于氢气接口与尾排阀之间的一段上还设有用于在排气时收集水分并在进氢气时给氢气加湿的集水加湿器；二位三通电磁阀,具有三个接口,其中一个接口作为进口用于连接稳压氢气源,另两个接口作为出口用于分别连接两根进出氢气管位于尾排阀和集水加湿器之间的位置,通过所述二位三通电磁阀控制向两个氢气接口切换进气。(The invention discloses a hydrogen alternate circulation air inlet system of an air-cooled stack fuel cell, which comprises a fuel cell air-cooled stack, wherein the fuel cell air-cooled stack is provided with two hydrogen interfaces which are respectively used as a hydrogen inlet and a hydrogen outlet, and the hydrogen alternate circulation air inlet system of the air-cooled stack fuel cell further comprises: the hydrogen inlet and outlet pipes are respectively connected with the two hydrogen interfaces, each hydrogen inlet and outlet pipe is provided with a tail exhaust valve which is opened periodically for exhausting, and one section of the hydrogen inlet and outlet pipe, which is positioned between the hydrogen interfaces and the tail exhaust valve, is also provided with a water collecting humidifier for collecting water during exhausting and humidifying hydrogen during hydrogen inlet; and the two-position three-way electromagnetic valve is provided with three interfaces, one interface is used as an inlet and is used for connecting a pressure-stabilizing hydrogen source, the other two interfaces are used as outlets and are respectively connected with the positions of the two hydrogen inlet and outlet pipes between the tail discharge valve and the water collection humidifier, and the two hydrogen interfaces are switched to supply air under the control of the two-position three-way electromagnetic valve.)
技术领域
本发明涉及燃料电池的进气系统领域，特别涉及一种空冷堆燃料电池氢气交替循环进气系统。
背景技术
燃料电池由于其突出的不含运动部件、工作可靠、维修少且工作时噪音低，工作过程不产生有害物质等优点，在生产生活中的应用越来越广泛，因此，人们对燃料电池的寿命和稳定性提出了越来越高的要求。
能否对膜电极进行良好的水管理是影响燃料电池能否稳定工作的重要因素之一，对膜电极进行水管理的目的是为了保持进入燃料电池电堆的氢气的湿润度。
现有的对膜电极进行水管理的结构如公开号为CN108539229A的中国专利公开的一种燃料电池电堆氢气循环装置及方法，包括电堆、氢气进气阀、氢气循环管路、氢气循环泵、温度传感器、可增湿集水器和排水阀；所述电堆内设有阳极流道入口和阳极流道出口，所述可增湿集水器的输入端与所述阳极流道出口通过氢气循环管路连通，所述可增湿集水器的输出端与所述氢气循环泵的输入端通过氢气循环管路连通，所述氢气循环泵的输出端与所述阳极流道入口通过氢气循环管路连通，所述温度传感器位于所述氢气循环泵输出端和所述阳极流道入口之间的氢气循环管路上，所述排水阀通过排水管道与所述可增湿集水器连通，所述氢气进气阀通过进气管路连接在所述温度传感器和所述氢气循环泵输出端之间的氢气循环管路上。
又如公开号为CN212517263U的中国专利公开的一种燃料电池氢气引射器及其氢气循环系统，包括喷嘴、引射器主体与调控主体；所述引射器主体包括依次连通设置的吸入室、混合室与扩散室；所述吸入室一侧设有用于高压氢气流入的一次流入口，所述扩散室一侧设有用于混合气体流出的混合气体出口；所述喷嘴设于吸入室内；所述调控主体设有冷媒通道与混合冷却通道；所述冷媒通道用于冷媒的流通；所述混合冷却通道用于从电堆排出的高温氢气水蒸气混合气体和冷媒换热冷却；所述混合冷却通道与吸入室相连通。
上述专利申请提供的用于对膜电极进行水管理的氢气循环系统均为单向进气，单向排气，此种结构在运行过程中容易出现电池内部水分布不均，部分区域水含量过低的现象。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种空冷堆燃料电池氢气交替循环进气系统，通过设置双向的集水加湿器和进出氢气管的结构，并利用二位三通电磁阀控制氢气的进气、排气的方向实现了氢气轮换进气，达到了在工作过程中燃料电池内部水分布均匀的目的。
一种空冷堆燃料电池氢气交替循环进气系统，包括燃料电池空冷堆，所述燃料电池空冷堆具有分别用作氢气进口和氢气出口的两个氢气接口，所述空冷堆燃料电池氢气交替循环进气系统还包括：
分别连接两个氢气接口的两根进出氢气管，每根进出氢气管上均设有一个定期打开用以排气的尾排阀，进出氢气管位于氢气接口与尾排阀之间的一段上还设有用于在排气时收集水分并在进氢气时给氢气加湿的集水加湿器；
二位三通电磁阀，具有三个接口，其中一个接口作为进口用于连接稳压氢气源，另两个接口作为出口用于分别连接两根进出氢气管位于尾排阀和集水加湿器之间的位置，通过所述二位三通电磁阀控制向两个氢气接口切换进气。
具体的，两个氢气接口分设于燃料电池空冷堆的同一侧的两端，每个氢气接口均通过进出氢气管与集水加湿器、尾排阀连接，通过控制二位三通电磁阀的连通状态，控制氢气从两个氢气接口轮换进入燃料电池空冷堆；
此外，氢气进入燃料电池空冷堆之前会经过集水加湿器，集水加湿器对空气进行湿润，反应完之后的尾气在到达尾排阀之前会经过另一集水加湿器，集水加湿器将尾气中的水分吸收储存的工作方式还可实现水的循环利用。
优选的，所述集水加湿器包括一个外壳，外壳内具有用于放置吸水模块的内腔，所述外壳具有用于接入进出氢气管的第一接口和第二接口，
所述集水加湿器的内腔中还设有连接第一接口和第二接口的网管，网管上具有在排气时供水分进入吸水模块、在进氢气时供吸水模块对氢气加湿的气孔。
具体的，所述内腔为外壳与网管之间的部分，因此能对吸水模块进行良好的固定；同时，由于网管上设置有若干气孔，因此吸水模块能良好的对氢气进行湿润或吸收尾气中的水分。
优选的，所述网管内设有温湿度传感器。
具体的，温湿度传感器用于检测集水加湿器内的氢气的温湿度，故此温湿度传感器可为一温度传感器和一湿度传感器，亦可为集成为一体的温湿度传感器。
优选的，所述集水加湿器的内腔中还设有用于在进氢气时对吸水模块中水分加热的加热模块。
具体的，加热模块可将吸水海绵中的液态水加热气化成水蒸气，当氢气进入时能更好的将氢气进行湿润。
优选的，所述吸水模块为填充在集水加湿器的内腔中的脱脂棉或吸水海绵中的至少一种。
具体的，脱脂棉和吸水海绵具有十分良好的吸水性能。
优选的，所述网管位于集水加湿器内腔的中部。
具体的，网管位于加湿器内腔中部，则网管与外壳之间的环形区域均可填充脱脂棉和/或吸水海绵，能更好的对氢气进行湿润或吸收尾气中的水分。
优选的，所述第一接口位于接近燃料电池空冷堆一侧，第二接口位于远离燃料电池空冷堆一侧，所述集水加湿器上还设有一段冷凝管，所述第二接口位于所述冷凝管的端部。
具体的，设置冷凝管的结构可使尾气中未被吸水模块完全吸收的水蒸气在冷凝管中液化成水，而后被吸水模块吸收，此种结构能有效防止尾气中未被完全吸收的水蒸气直接经尾排阀排出。
优选的，将其中一个氢气接口定义为第一氢气接口，将另一个氢气接口定义为第二氢气接口，则控制方法如下：
由二位三通电磁阀控制稳压氢气源向第一氢气接口进氢气，工作t1时长后打开与第二氢气接口连接的进出氢气管上的尾排阀进行排气，排气t2时长后关闭尾排阀停止排气，同时由二位三通电磁阀控制切换进气方向，控制稳压氢气源向第二氢气接口进氢气，工作t1时长后打开与第一氢气接口连接的进出氢气管上的尾排阀进行排气，排气t2时长后关闭尾排阀停止排气，再次由二位三通电磁阀控制切换进气方向，依次循环切换进气方向。
优选的，t1时长为15～60s，t2时长为100～500ms。
本发明还提供一种空冷堆燃料电池氢气交替循环进气控制方法，使用上述任一所述的空冷堆燃料电池氢气交替循环进气系统，将其中一个氢气接口定义为第一氢气接口，将另一个氢气接口定义为第二氢气接口，所述空冷堆燃料电池氢气交替循环进气控制方法如下：
由二位三通电磁阀控制稳压氢气源向第一氢气接口进氢气，工作t1时长后打开与第二氢气接口连接的进出氢气管上的尾排阀进行排气，排气t2时长后关闭尾排阀停止排气，同时由二位三通电磁阀控制切换进气方向，控制稳压氢气源向第二氢气接口进氢气，工作t1时长后打开与第一氢气接口连接的进出氢气管上的尾排阀进行排气，排气t2时长后关闭尾排阀停止排气，再次由二位三通电磁阀控制切换进气方向，依次循环切换进气方向，
其中，t1时长为15～60s，t2时长为100～500ms。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
(1)通过设置双向的集水加湿器和进出氢气管的结构，并利用二位三通电磁阀控制氢气的进气、排气的方向实现了氢气轮换进气，达到了在工作过程中燃料电池内部水分布均匀的目的。
(2)利用温湿度传感器实时监控集水加湿器内氢气的温湿度，使得氢气的温湿度可视化，能更好的对氢气的温湿度进行控制又能。
(3)氢气进气时利用加热模块将吸水模块的水加热气化成水蒸气，能够更均匀、更快速的对氢气进行湿润。
附图说明
图1为本发明提供的空冷堆燃料电池氢气交替循环进气系统的结构示意图；
图2为本发明提供的空冷堆燃料电池氢气交替循环进气系统的集水加湿器的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。
如图1-2所示，燃料电池空冷堆100同一侧的两端均设有氢气接口110，氢气接口110均通过进出氢气管200连接有尾排阀300，进出氢气管200为氢气流动的通道，尾排阀300用于排出在燃料电池空冷堆100中反应完之后的尾气，氢气接口110与尾排阀300之间设有集水加湿器400。
当进入集水加湿器400内的气体为未经反应的氢气时，集水加湿器400将氢气润湿，当进入集水加湿器400内的气体为反应之后的尾气时，集水加湿器吸收尾气中的水蒸气，两个集水加湿器400与稳压氢气源600之间通过二位三通电磁阀500连接，通过控制二位三通电磁阀500的联通状况，可以控制氢气进入燃料电池空冷堆100的方向。
集水加湿器400包括外壳410，外壳410为空腔，空腔中部设有带有气孔441的网管440，网管440与外壳410之间形成圆筒的区域设有吸水模块420，网管440外侧一圈均为吸水模块420能更好的对氢气进行湿润或吸收尾气中的水分，带有气孔441的网管440和外壳410能对吸水模块420进行良好的固定；同时，由于网管440上设置有若干气孔441，因此不影响吸水模块420对氢气进行湿润或吸收尾气中的水分。
外壳410端部设有第一接口431，该第一接口431与氢气接口110连接且与网管440连通，外壳410的另一端通过冷凝管470与第二接口432连接，第二接口432与二位三通电磁阀500、尾排阀300连接且与网管440连通。
冷凝管470的结构可使尾气中未被吸水模块420完全吸收的水蒸气在冷凝管470中液化成水，而后被吸水模块420吸收，此种结构能有效防止尾气中未被完全吸收的水蒸气直接经尾排阀300排出。
此外，吸水模块420为具有良好吸水性的脱脂棉和/或吸水海绵。
集水加湿器400内还设有加热模块460用于将吸水模块420中的液态水加热气化成水蒸气。
当进入该集水加湿器400内的气体为未经反应的氢气时，加热模块460启动，将吸水模块420中的液体水加热使其蒸发为水蒸气，水蒸气能更加均匀的分布在网管440内，故而水蒸气能更均匀、快速的润湿未经反应氢气。
当进入集水加湿器400内的气体为反应后的尾气时，加热模块460为不启动的状态，便于吸水模块420更加迅速的吸收尾气中的水分。
为实施监控氢气的温度与湿度，集水加湿器400内设有温湿度传感器450。
温湿度传感器450可为一温度传感器和一湿度传感器，亦可为集成为一体的温湿度传感器。
具体工作时，为便于描述，将其中一个氢气接口110定义为第一氢气接口，将另一个氢气接口定义为第二氢气接口，控制方法如下：
由二位三通电磁阀500控制稳压氢气源600的氢气通过集水加湿器400润湿后经由第一氢气接口进入燃料电池空冷堆100，工作15～60s后打开与第二氢气接口连接的进出氢气管200上的尾排阀300，此时，尾气先经过与第二氢气接口连接的集水加湿器400，集水加湿器400将尾气中的水分吸收后，尾气通过尾排阀300排出，排气100～500ms后关闭尾排阀300停止排气，同时由二位三通电磁阀500控制切换进气方向，控制稳压氢气源600的氢气通过第二氢气接口进入燃料电池空冷堆100，工作15～60s时长后打开与第一氢气接口连接的进出氢气管200上的尾排阀300进行排气，排气100～500ms时长后关闭尾排阀300停止排气，再次由二位三通电磁阀500控制切换进气方向，依次循环切换进气方向。
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