技术领域
[0001] 本
发明属于
燃料电池系统领域，特别涉及一种自循环燃料电池控制系统及其方法。
背景技术
[0002] 燃料电池堆通常多个电池单元构成，每个电池单元包括两个
电极(双极板)和隔开该两个电极的模电极组件(MEA)，并且彼此
串联地组装，形成燃料电池堆。通过给每个电极供给适当的反应物，即给一个电极供给燃料而另一个供给
氧化剂，实现电化学反应，从而在电极之间形成电位差，并且因此产生
电能。
[0003] 典型的以空气中的氧为
氧化剂的燃料电池系统中，燃料与空气分别通过一组通道进入燃料电池。空气进入燃料电池之前，需要进行如下处理：
[0004] 1、通过
过滤器对空气进行过滤，以避免空气中混合的其它有害气体造成燃料电池寿命的缩短；
[0005] 2、通过
增压循环泵(空气压缩器)进行增压，以保证氧化剂的供给量，并促使反应生成的
水及时排出。
[0006] 3、根据需要，增加
加湿器，用于对空气进行加湿，以保证燃料电池电化学反应速度；
[0007] 4、根据需要，增加加热器，用于对空气进行加热，以保证燃料电池的
工作温度。
[0008] 进入燃料电池的空气中的氧部分与燃料发生电化学反应后，空气中未参与电化学反应的部分与反应生成的水、热一起排出，由于气体的进入与排出相对处于一个开放的环境中，因此可以称之为开放型的燃料电池系统。这种燃料电池系统存在以下缺点：
[0009] 1、受限于空气中氧浓度，燃料电池需要较高的工作压
力，增压
循环泵工作负荷较大；
[0010] 2、反应生成的水主要随空气一起排出，不易控制，未能在燃料电池中得到有效利用，对进入的空气需要额外的加湿器或者需要在燃料电池中需要增加比较好保湿措施；
[0011] 3、反应生成的水需要较大的压力才能排出，这进一步造成增压循环泵的工作负担；
[0012] 4、反应产生的热量随空气一起排出，未能在燃料电池得到较好的利用，即使通
过热交换等方式部分地用于燃料电池，但受制于其开放型的结构，反应产生的热量不易控制。
[0013] 5、过滤器虽然可滤除空气中的部分杂质，但在高污染的环境中，难以进行持续工作，严重影响燃料电池的性能。
[0014] 6、虽然可通过增压循环泵进行增压，但在高原等氧化剂稀薄的环境中，增压循环泵的工作负荷进一步加大，这难以保证燃料电池电化学反应速度，对燃料电池的性能也会产生重大影响。
[0015] 目前的解决方案：
[0016] 采用单个性能强劲的回收泵对燃料电池电堆燃料通道或氧化剂通道进行排
水循环，换热、换气。该方案的缺点是，如果回收泵发生故障，则燃料电池堆无法正常工作。
[0017] 有鉴于此，本领域技术人员针对上述问题，提供了一种结构简单，运行方便，且成本低廉的自循环燃料电池控制系统及其方法。
发明内容
[0018] 本
申请的目的之一在于，提供一种自循环燃料电池系统。
[0019] 本申请的另一目的在于，提供一种自循环燃料电池控制系统。
[0020] 本申请的另一目的在于，提供一种自循环燃料电池控制方法。
[0021] 本申请采用如下技术方案：
[0022] 本发明提供一种自循环燃料电池系统，包括设有燃料通道和氧化剂通道的燃料电池电堆，所述燃料电池电堆双向进、排气，所述氧化剂通道的一端设有用于装氧化剂的氧化剂容器，另一端分为两路，分别通过第一电磁
阀和第四
电磁阀连接燃料电池电堆的两端，所述第一电磁阀与所述燃料电池电堆之间连接带有第三电磁阀的旁通管，所述第四电磁阀与所述燃料电池电堆之间连接带有第二电磁阀的旁通管。
[0023] 本发明还提供一种自循环燃料电池系统，包括设有燃料通道和氧化剂通道的燃料电池电堆，所述燃料电池电堆双向进、排气，所述氧化剂通道的一端设有用于装氧化剂的氧化剂容器，另一端分为两路，分别通过第一电磁阀和第四电磁阀连接燃料电池电堆的两端，所述第一电磁阀与所述燃料电池电堆之间设有第一气水分离器，带有第三电磁阀的旁通管连接所述第一气水分离器，所述第四电磁阀与所述燃料电池电堆之间设有第二气水分离器，带有第二电磁阀的旁通管连接所述第二气水分离器。
[0024] 本发明还提供一种自循环燃料电池控制系统，包括设有燃料通道和氧化剂通道的燃料电池电堆，所述燃料电池电堆双向进、排气，所述氧化剂通道的一端设有用于装氧化剂的氧化剂容器，另一端分为两路，分别通过第一电磁阀和第四电磁阀连接燃料电池电堆的两端，所述第一电磁阀与所述燃料电池电堆之间设有第一气水分离器，带有第三电磁阀的旁通管连接所述第一气水分离器；所述第四电磁阀与所述燃料电池电堆之间设有第二气水分离器，带有第二电磁阀的旁通管连接所述第二气水分离器；所述氧化剂通道上依次设有压力
传感器以及进口电磁阀，所述燃料电池电堆上还设有温度传感器；还包括一
控制器，分别与所述电磁阀、
压力传感器、进口电磁阀以及温度传感器相连接。
[0025] 本发明还提供一种自循环燃料电池系统，包括设有燃料通道和氧化剂通道的燃料电池电堆，所述燃料电池电堆双向进、排气，所述氧化剂通道的一端设有用于装氧化剂的容器，另一端分为两路，分别通过第一电磁阀和第四电磁阀连接燃料电池电堆的两端，所述第一电磁阀与所述燃料电池电堆之间连接带有第三电磁阀的旁通管，所述第四电磁阀与所述燃料电池电堆之间连接带有第二电磁阀的旁通管，所述氧化剂容器内容纳液体或气体，所述氧化剂容器自带压力。
[0026] 本发明还提供一种自循环燃料电池控制方法，采用上述不带气水分离器的自循环燃料电池控制系统，包括以下步骤：
[0027] (1)所述第一电磁阀打开，所述第二电磁阀、第三电磁阀以及第四电磁阀保持关闭，所述燃料电池电堆工作；
[0028] (2)保持所述第一电磁阀打开，保持所述第三电磁阀以及第四电磁阀关闭，打开所述第二电磁阀，所述燃料电池电堆排水；
[0029] (3)保持所述第三电磁阀关闭，关闭所述第一电磁阀以及第二电磁阀，打开所述第四电磁阀，所述燃料电池电堆反向进气，继续工作；
[0030] (4)保持所述第一电磁阀以及第二电磁阀关闭，所述第四电磁阀打开，打开所述第三电磁阀，所述燃料电池电堆反向排水。
[0031] 本发明还提供一种自循环燃料电池控制方法，采用上述带有气水分离器的自循环燃料电池控制系统，包括以下步骤：
[0032] (1)所述第一电磁阀打开，所述第二电磁阀、第三电磁阀以及第四电磁阀保持关闭，所述燃料电池电堆工作，排出的气水在第一气水分离器内分离；
[0033] (2)保持第一电磁阀打开，保持所述第三电磁阀以及第四电磁阀关闭，打开所述第二电磁阀，所述第一气水分离器排水；
[0034] (3)保持所述第三电磁阀关闭，关闭所述第一电磁阀以及第二电磁阀，打开所述第四电磁阀，所述燃料电池电堆反向进气，继续工作，排出的气水在第二气水分离器内分离；
[0035] (4)保持所述第一电磁阀以及第二电磁阀关闭，所述第四电磁阀打开，打开所述第三电磁阀，所述第二气水分离器排水。
[0036] 由于采用了上述技术，与
现有技术相比，本申请具有以下优点中的多个或全部：
[0037] 1、无需对氧化剂进行过滤、加湿或加热。
[0038] 2、由于采用容器装的氧化剂作为氧化剂，其氧化剂浓度高，在电化学反应时，燃料电池中无需很高的工作压力，即可保证氧化剂的供给量。
[0039] 3、由于采用相对封闭的循环结构，在高污染和/或氧化剂稀薄的环境中，可以持续地工作。
[0040] 4、本发明无需回收泵或增压循环泵便能实现燃料电池的内部气汽循环，结构简单，运行方便，且成本低廉。
[0041] 以下结合
附图及
实施例进一步说明本申请。
附图说明
[0042] 图1为现有技术的燃料电池系统的模
块连接
框图；
[0043] 图2为实施例1中的自循环燃料电池控制系统的模块连接框图；
[0044] 图3为实施例2中的自循环燃料电池控制系统的模块连接框图；
[0045] 图4为实施例3中的自循环燃料电池控制系统的模块连接框图；
[0046] 图5为实施例4、5中的自循环燃料电池控制系统的模块连接框图；
[0047] 图6为本发明的自循环燃料电池控制方法的一种
流程图；
[0048] 图7为本发明的自循环燃料电池控制方法的另一种流程图；
[0049] 图8为实施例中流程控制
信号的方波图；
[0050] 图9为实施例中的燃料电池电堆两端的压强变化图。
[0051] 附图标记
[0052] 1 第一电磁阀 11 第一电磁阀
[0053] 2 第二电磁阀 12 第二电磁阀
[0054] 3 第三电磁阀 13 第三电磁阀
[0055] 4 第四电磁阀 14 第四电磁阀
[0056] 5 第一气水分离器 15 第一气水分离器
[0057] 6 第二气水分离器 16 第二气水分离器
[0058] 7 进口电磁阀 17 进口电磁阀
[0059] 8 调压阀 18 调压阀
[0061] 10 压力传感器 20 压力传感器
[0062] 31 燃料电池电堆
[0063] 41 氧化剂容器
[0064] 42 氢气容器
具体实施方式
[0065] 下面通过图2至9来介绍本发明的五个具体实施例。
[0066] 实施例1
[0067] 如图1所示，一种环燃料电池系统，包括燃料通道和氧化剂通道的燃料电池电堆103，所述燃料通道上设有用于装氧化剂的氧化剂容器101，所述氧化剂容器101与燃料电池电堆103入口端的氧化剂通道上连接有第一混合器104，所述燃料电池电堆103出口端的氧化剂通道上依次设有气水分离器105和第一增压循环泵106，所述第一增压循环泵106的输出端与所述第一混合器104管路连接。其中燃料电池电堆103出口端间断排水至气水分离器105，水被排除，气汽通过第一增压循环泵106吸入第一混合器104，与氧化剂混合后，进入燃料电池电堆103。该方案相对可靠，但依旧需要一个高性能的增压循环泵，成本较高。
[0068] 如图2所示，本发明的一种自循环燃料电池系统，包括设有燃料通道和氧化剂通道的燃料电池电堆31。所述燃料电池电堆31双向进、排气，所述氧化剂通道的一端设有用于装氧化剂的氧化剂容器41，另一端分为两路，分别通过第一电磁阀1和第四电磁阀4连接燃料电池电堆31的两端，所述第一电磁阀1与所述燃料电池电堆31之间连接带有第三电磁阀3的旁通管，所述第四电磁阀4与所述燃料电池电堆31之间连接带有第二电磁阀2的旁通管。所述氧化剂通道上依次连接有截止阀9、调压阀8、压力传感器10、进口电磁阀7。在氧化剂容器41提供的压强和化学反应本身的压强变化下，通过控制这些电磁阀，就能使燃料电池堆31排出的气汽，排水后回流到燃料电池堆31内，减少了热量和未反应气体的损失。
[0069] 其中，所述氧化剂容器41可以是能够承受一定压力的设备，如氧化剂瓶、氧化剂罐等，其内装有氧化剂浓度较高的气体，也可以是纯氧化剂，并且氧化剂容器41内的氧化剂的形态可以是
液化的，并且所述氧化剂容器41可以是通过长距离的输送管道与所述燃料电池堆31相连接，即所述燃料电池堆31与所述氧化剂容器41相隔较远的距离。所述氧化剂容器41还可以同时为其它的需要氧化剂的场所提供氧化剂。此外，所述氧化剂容器41本身还可以包括能够制造氧化剂的设备。所述氧化剂容器41内可以容纳液体或气体，所述氧化剂容器41自带压力，且该液体或气体的浓度可以有变化范围。
[0070] 如图6所示，本发明的一种自循环燃料电池控制方法，采用上述的自循环燃料电池控制系统，包括以下步骤：
[0071] (1)所述第一电磁阀1打开，所述第二电磁阀2、第三电磁阀3以及第四电磁阀4保持关闭，所述燃料电池电堆31工作，经过燃料电池电堆31的氧化剂部分地与燃料发生电化学反应，产生电能、水和热量。
[0072] (2)保持所述第一电磁阀1打开，保持所述第三电磁阀3以及第四电磁阀4关闭，打开所述第二电磁阀2，所述燃料电池电堆31排出大部分水分，并且还可排出部分气体，该部分气体中所含氧浓度低。
[0073] (3)保持所述第三电磁阀3关闭，关闭所述第一电磁阀1以及第二电磁阀2，打开所述第四电磁阀4，所述燃料电池电堆31反向进气，继续工作，经过燃料电池电堆31的氧化剂部分地与燃料发生电化学反应，产生电能、水和热量。
[0074] (4)保持所述第一电磁阀1以及第二电磁阀2关闭，所述第四电磁阀4打开，打开所述第三电磁阀3，所述燃料电池电堆31反向排出大部分水分，并且还可排出部分气体，该部分气体中所含氧浓度低。
[0075] 如图8所示，假设在实际使用中，控制器控制燃料通道或氧化剂通道的六个电磁阀开闭状态的数字
电路方波图。1表示阀
门开启，0表示阀门关闭。则步骤(1)的数
电信号为(1，0，0，0)；步骤(2)的数电信号为(1，1，0，0)；步骤(3)的数电信号为(0，0，0，1)；步骤(4)的数电信号为(0，0，1，1)。
[0076] 如图2和9所示，设燃料电池电堆31的入口端为A点，出口端为B点，则在步骤(1)之步骤(4)的过程中，其A点和B点的压强变化关系通过图4中的三条直线表示。步骤(1)中，A点和B点的压强相等，燃料电池电堆工作，产生水；步骤(2)中，B点的压强下降，A点压强大于和B点的压强，燃料电池电堆排水；步骤(3)中，B点的压强上升，A点和B点的压强相等，燃料电池电堆反向进气，继续工作，产生水；步骤(4)中，A点的压强下降，B点压强大于和A点的压强，燃料电池电堆反向排水。
[0077] 实施例2
[0078] 如图3所示，本发明的一种自循环燃料电池系统，包括设有燃料通道和氧化剂通道的燃料电池电堆31。所述燃料电池电堆31双向进、排气，所述氧化剂通道的一端设有用于装氧化剂的氧化剂容器41，另一端分为两路，分别通过第一电磁阀1和第四电磁阀4连接燃料电池电堆31的两端，所述第一电磁阀1与所述燃料电池电堆31之间连接带有第三电磁阀3的旁通管，所述第四电磁阀4与所述燃料电池电堆31之间连接带有第二电磁阀2的旁通管。所述氧化剂通道上依次连接有截止阀9、调压阀8、压力传感器10、进口电磁阀7。所述燃料通道的一端设有用于装氢气的氢气容器42，另一端分为两路，分别通过第一电磁阀11和第四电磁阀14连接燃料电池电堆31的两端，所述第一电磁阀11与所述燃料电池电堆31之间连接带有第三电磁阀13的旁通管，所述第四电磁阀14与所述燃料电池电堆
31之间连接带有第二电磁阀12的旁通管。所述燃料通道上依次连接有截止阀19、调压阀
18、压力传感器20、进口电磁阀17。此外，所述氧化剂容器41本身还可以包括能够制造氧化剂的设备。所述氧化剂容器41内可以容纳液体或气体，所述氧化剂容器41自带压力，且该液体或气体的浓度可以有变化范围。
[0079] 本实施例中的装置对燃料通道增加了相同的管路架构，其各部件特征以及工作情况等均与实施例1中的一致。
[0080] 实施例3
[0081] 如图4所示，本发明的一种自循环燃料电池系统，包括设有燃料通道和氧化剂通道的燃料电池电堆31，所述燃料电池电堆31双向进、排气，所述氧化剂通道的一端设有用于装氧化剂的氧化剂容器41，另一端分为两路，分别通过第一电磁阀1和第四电磁阀4连接燃料电池电堆31的两端，所述第一电磁阀1与所述燃料电池电堆31之间设有第一气水分离器5，带有第三电磁阀3的旁通管连接所述第一气水分离器5，所述第四电磁阀4与所述燃料电池电堆31之间设有第二气水分离器6，带有第二电磁阀2的旁通管连接所述第二气水分离器6。所述氧化剂通道上依次连接有截止阀9、调压阀8、压力传感器10、进口电磁阀7。在氧化剂容器41提供的压强和化学反应本身的压强变化下，通过控制这些电磁阀，就能使燃料电池堆31排出的气汽，排水后回流到燃料电池堆31内，减少了热量和未反应气体的损失。
[0082] 其中，所述氧化剂容器41可以是能够承受一定压力的设备，如氧化剂瓶、氧化剂罐等，其内装有氧化剂浓度较高的气体，也可以是纯氧化剂，并且氧化剂容器41内的氧化剂的形态可以是液化的，并且所述氧化剂容器41可以是通过长距离的输送管道与所述燃料电池堆31相连接，即所述燃料电池堆31与所述氧化剂容器41相隔较远的距离。所述氧化剂容器41还可以同时为其它的需要氧化剂的场所提供氧化剂。此外，所述氧化剂容器41本身还可以包括能够制造氧化剂的设备。此外，所述氧化剂容器41本身还可以包括能够制造氧化剂的设备。所述氧化剂容器41内可以容纳液体或气体，所述氧化剂容器41自带压力，且该液体或气体的浓度可以有变化范围。
[0083] 本实施例中的装置对氧化剂通道增加了第一气水分离器5和第二气水分离器6，对燃料电池堆31排出的未反应气体、水和热量进行缓冲储存，使得反向进气时，能将这部分的未反应气体、水和热量带回到燃料电池堆31中。其余各部件特征以及工作情况等均与实施例1中的一致。
[0084] 如图7所示，本发明的一种自循环燃料电池控制方法，采用上述的自循环燃料电池控制系统，包括以下步骤：
[0085] (1)所述第一电磁阀打开，所述第二电磁阀、第三电磁阀以及第四电磁阀保持关闭，所述燃料电池电堆工作，经过燃料电池电堆31的氧化剂部分地与燃料发生电化学反应，产生电能、水和热量，排出的气水在第一气水分离器内分离。
[0086] (2)保持所述第一电磁阀打开，保持所述第三电磁阀以及第四电磁阀关闭，打开所述第二电磁阀，所述燃料电池电堆排出大部分水分，并且还可排出部分气体，该部分气体中所含氧浓度低。
[0087] (3)保持所述第三电磁阀关闭，关闭所述第一电磁阀以及第二电磁阀，打开所述第四电磁阀，所述燃料电池电堆反向进气，继续工作，经过燃料电池电堆31的氧化剂部分地与燃料发生电化学反应，产生电能、水和热量，排出的气水在第二气水分离器内分离；
[0088] (4)保持所述第一电磁阀以及第二电磁阀关闭，所述第四电磁阀打开，打开所述第三电磁阀，所述燃料电池电堆反向排出大部分水分，并且还可排出部分气体，该部分气体中所含氧浓度低。
[0089] 实施例4
[0090] 如图5所示，本发明的一种自循环燃料电池系统，包括设有燃料通道和氧化剂通道的燃料电池电堆31，所述燃料电池电堆31双向进、排气，所述氧化剂通道的一端设有用于装氧化剂的氧化剂容器41，另一端分为两路，分别通过第一电磁阀1和第四电磁阀4连接燃料电池电堆31的两端，所述第一电磁阀1与所述燃料电池电堆31之间设有第一气水分离器5，带有第三电磁阀3的旁通管连接所述第一气水分离器5，所述第四电磁阀4与所述燃料电池电堆31之间设有第二气水分离器6，带有第二电磁阀2的旁通管连接所述第二气水分离器6。所述氧化剂通道上依次连接有截止阀9、调压阀8、压力传感器10、进口电磁阀7。此外，所述氧化剂容器41本身还可以包括能够制造氧化剂的设备。所述氧化剂容器41内可以容纳液体或气体，所述氧化剂容器41自带压力，且该液体或气体的浓度可以有变化范围。
[0091] 所述燃料通道的一端设有用于装氢气的氢气容器42，另一端分为两路，分别通过第一电磁阀11和第四电磁阀14连接燃料电池电堆31的两端，所述第一电磁阀11与所述燃料电池电堆31之间设有第一气水分离器15，带有第三电磁阀13的旁通管连接所述第一气水分离器15；所述第四电磁阀14与所述燃料电池电堆31之间设有第二气水分离器16，带有第二电磁阀12的旁通管连接所述第二气水分离器16。所述燃料通道上依次连接有截止阀19、调压阀18、压力传感器20、进口电磁阀17。
[0092] 本实施例结合了实施例2和实施例3的方案，该装置对氧化剂通道增加了第一气水分离器5和第二气水分离器6，对燃气通道增加了第一气水分离器15和第二气水分离器16，对燃料电池堆31排出的未反应气体、水和热量进行缓冲储存，使得反向进气时，能将这部分的未反应气体、水和热量均能带回到燃料电池堆31中。其余各部件特征以及工作情况等均与实施例1中的一致。
[0093] 实施例5
[0094] 如图5所示，本发明的一种自循环燃料电池控制系统，包括设有燃料通道和氧化剂通道的燃料电池电堆31，所述燃料电池电堆31双向进、排气；所述氧化剂通道的一端设有用于装氧化剂的氧化剂容器41，另一端分为两路，分别通过第一电磁阀1和第四电磁阀4连接燃料电池电堆31的两端，所述第一电磁阀1与所述燃料电池电堆31之间设有第一气水分离器5，带有第三电磁阀3的旁通管连接所述第一气水分离器5；所述第四电磁阀4与所述燃料电池电堆31之间设有第二气水分离器6，带有第二电磁阀2的旁通管连接所述第二气水分离器6；所述氧化剂通道上依次设有压力传感器10以及进口电磁阀7，所述燃料电池电堆31上还设有温度传感器；还包括一控制器(图中未标示)，分别与所述第一电磁阀1、第二电磁阀2、第三电磁阀3、第四电磁阀4、压力传感器10、进口电磁阀7以及温度传感器相连接。所述氧化剂通道上、氧化剂容器41至压力传感器10之间依次设有与控制器相连的截止阀9以及调压阀8。此外，所述氧化剂容器41本身还可以包括能够制造氧化剂的设备。所述氧化剂容器41内可以容纳液体或气体，所述氧化剂容器41自带压力，且该液体或气体的浓度可以有变化范围。
[0095] 所述燃料通道的一端设有用于装氢气的氢气容器42，另一端分为两路，分别通过第一电磁阀11和第四电磁阀14连接燃料电池电堆31的两端，所述第一电磁阀11与所述燃料电池电堆31之间设有第一气水分离器15，带有第三电磁阀13的旁通管连接所述第一气水分离器15；所述第四电磁阀14与所述燃料电池电堆31之间设有第二气水分离器16，带有第二电磁阀12的旁通管连接所述第二气水分离器16；所述燃料通道上依次设有连接所述控制器的压力传感器20以及进口电磁阀17，所述电磁阀11、12、13、14分别连接所述控制器。所述燃料通道上、氢气容器42至压力传感器20之间依次设有与控制器相连的截止阀19以及调压阀18。
[0096] 本实施例中的装置在实施例4的
基础上主要增加了控制单元，对所有的电磁阀进行精确控制，对燃料电池堆31排出的未反应气体、水和热量进行缓冲储存，使得反向进气时，能将这部分的未反应气体、水和热量带回到燃料电池堆31中。其余各部件特征以及工作情况等均与实施例1中的一致。
[0097] 综上可知，由于采用了上述技术，本申请具有以下优点中的多个或全部：
[0098] 1、无需对氧化剂进行过滤、加湿或加热。
[0099] 2、由于采用容器装的氧化剂作为氧化剂，其氧化剂浓度高，在电化学反应时，燃料电池中无需很高的工作压力，即可保证氧化剂的供给量。
[0100] 3、由于采用相对封闭的循环结构，在高污染和/或氧化剂稀薄的环境中，可以持续地工作。
[0101] 4、本发明无需回收泵或增压循环泵便能实现燃料电池的内部气汽循环，结构简单，运行方便，且成本低廉。
[0102] 以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的
专利范围，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。
