一种自动调节湿度的质子交换膜燃料电池气体再循环系统

本发明属于氢能、燃料电池汽车等领域，具体涉及可适应燃料电池汽车实际运行过程中宽工作范围的质子交换膜燃料电池气体再循环加湿系统。

背景技术：

1、近年来，传统的化石能源造成的环境污染问题日益严重，世界能源结构正经历深刻变革。氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的清洁能源。质子交换膜燃料电池（pemfc）具有高效率、高能量密度、低排放、模块化等优点被人们广泛关注。 pemfc的实际应用中，氢气流量较小会造成膜电极的损伤，为始终保持高效的电池运行状态，通常的做法是提供过量的氢气。然而，过量的氢气会造成氢气利用率的下降、环境污染以及一些安全问题。pemfc阳极氢气燃料处理方式主要有三种，分别为流通模式、死端模式和再循环模式。相对于前面两种模式，再循环模式使得pemfc的发电效率大幅度提高，是燃料处理方式中主要的研究和发展方向，已经广泛应用于市场上的氢燃料电池汽车中。目前市面上的循环模式主要有氢气再循环泵、单引射器、多引射器模式等。

2、上述阳极气体再循环模式存在以下问题：1、单个的氢气再循环泵具有较大的噪声及振动，在燃料电池汽车运行全程中使用会造成过多的额外功率消耗。2、单个引射器的工作范围较窄，低功率区间可靠性差, 不能主动调节。3、多个引射器提高了汽车管路的复杂性，各个结构之间缺少关联性，造成成本增加。4、传统再循环模式中对于湿度对引射器的引射比及燃料电池系统影响的考虑较少。

技术实现思路

1、针对上述提出的各种不足，本发明所要解决的技术问题是针对存在的单引射器的窄工作范围、多模式下管路复杂性、对引射器和循环气体的湿度控制等不足，提出一种自动调节湿度的质子交换膜燃料电池气体再循环系统，通过采用氢气循环泵、涉及适合中功率和高功率的引射器，实现低、中、高三个不同功率的再循环模式切换，使得质子交换膜燃料电池在不同功率下均可以实现较大程度的气体再循环功能。此外，通过对再循环气体的湿度控制，使引射器保持在较高引射比下工作，燃料电池也在较适宜的湿度下运行。实现了气体再循环系统的宽工作范围和良好湿度控制的高效耦合系统。

2、为解决上述问题，本发明主要采用如下技术方案：

3、一种自动调节湿度的质子交换膜燃料电池气体再循环系统，包括质子交换膜燃料电池单元、阳极气体再循环单元、阴极气体再循环单元和湿度控制单元；所述质子交换膜燃料电池单元包括：储氢罐、空气压缩机、质子交换膜燃料电池、水箱、第六阀门、第七阀门；所述阳极气体再循环单元包括：第一阀门、第二阀门、第一引射器、第二引射器、第三阀门、第四阀门、氢气循环泵、第五阀门、第一气液分离器；所述阴极气体再循环单元包括：第三引射器、第二气液分离器；所述湿度控制单元包括：第一加湿器、第二加湿器、第一控制器、第二控制器、流量传感器、压力传感器、温度传感器等。

4、作为进一步的技术方案，所述质子交换膜燃料电池单元：储氢罐出口分别与第一阀门、第二阀门入口相连，空气压缩机出口与第三引射器一次流入口相连，质子交换膜燃料电池阳极出口与第一气液分离器入口相连，第一气液分离器液体出口分别与水箱和第六阀门入口相连，第六阀门出口与外界相通，质子交换膜燃料电池阴极出口与第二气液分离器入口相连，第二气液分离器液体出口分别与水箱和第七阀门入口相连，第七阀门出口与外界相通，水箱阶段性为第一加湿器和第二加湿器供水。

5、作为进一步的技术方案，所述阳极气体再循环单元：第一气液分离器出口分别与第三阀门和氢气循环泵入口相连，氢气循环泵出口与第一加湿器入口相连，第一加湿器出口分别于第三阀门、第四阀门入口相连，第三阀门出口与第一引射器二次流入口相连，第一引射器混合流出口与质子交换膜燃料电池阳极入口相连，第四阀门出口与第二引射器二次流入口相连，第二引射器混合流出口与质子交换膜燃料电池阳极入口相连，第一阀门出口与第一引射器一次流入口相连，第二阀门出口与第二引射器一次流入口相连。所述阴极气体再循环单元：第二气液分离器出口分别与第七阀门和第二加湿器入口相连，第二加湿器出口与第三引射器二次流入口相连，第三引射器混合流出口与质子交换膜燃料电池阴极入口相连。

6、作为进一步的技术方案，质子交换膜燃料电池在低、中、高三种不同运行功率下，切换不同的阳极气体再循环模式。低功率时，关闭第二阀门、第三阀门、第五阀门，此时第一引射器、第二引射器不具有引射能力，视为管路，质子交换膜燃料电池阳极出口处未反应完全的氢气通过氢气循环泵重新进入质子交换膜燃料电池阳极入口。中功率时，关闭第一阀门、第三阀门、氢气循环泵，此时未反应完全的氢气进入第二引射器的二次流入口，被引射后重新参与反应。高功率时，关闭第二阀门、第四阀门、氢气循环泵，此时未反应完全的氢气进入第一引射器的二次流入口，被引射后重新参与反应。

7、优选的，第一控制器与第一加湿器相连，实时检测第一引射器和第二引射器一次流入口和二次流入口处的流量、压力和温度。第二控制器与第二加湿器相连，实时检测第三引射器一次流入口和二次流入口处的流量、压力和温度。通过计算引射比控制加湿量，使引射器性能达到最优。

8、优选的，在阴极和阳极出口加装第一气液分离器、第二气液分离器，反应生成的水可储存在水箱中；加装的第七阀门和第六阀门，周期性开关以控制质子交换膜燃料电池内部的水含量及氮气含量。

9、优选的，通过实验及模拟设计处低、中、高功率下两个引射器的几何参数，应用于再循环系统中；通过改变阀门开关，实现低、中、高三种运行模式的切换。

10、本发明一种自动调节湿度的质子交换膜燃料电池气体再循环系统，具有如下有益效果：

11、1、将氢气循环泵、不同几何参数引射器应用于燃料电池再循环系统中，减少了氢气循环泵的耗电及噪音，并且解决了引射器窄工作范围的问题。

12、2、通过第一控制器和第二控制器对再循环管路中的湿度控制，实现对引射比和燃料电池性能的协同控制，控制加湿量，将两者的性能得到较好的发挥。

13、3、同时对阳极和阴极气体实现再循环，从气体利用效率和燃料电池水管理两个角度实现性能的优化。

14、综上，本发明系统将质子交换膜燃料电池阴极出口的未反应完全的氧气、阳极出口处未反应的氢气通入气体再循环系统，实现气体的重复利用，减少氢气的损耗，增加整个系统的燃料利用率；同时三个再循环装置可以适应不同工况下整个系统的运行，满足燃料电池在实际运用过程中需要宽工作范围的要求。

技术特征：

1.一种自动调节湿度的质子交换膜燃料电池气体再循环系统，其特征在于，包括质子交换膜燃料电池单元、阳极气体再循环单元、阴极气体再循环单元和湿度控制单元；所述质子交换膜燃料电池单元包括：储氢罐（1）、空气压缩机（17）、质子交换膜燃料电池（9）、第六阀门（12）、第七阀门（16）；根据质子交换膜燃料电池（9）在低、中、高三种不同运行功率下情况，通过改变阀门开关，切换阳极气体再循环单元不同的气体再循环模式。

2.如权利要求1中所述的一种自动调节湿度的质子交换膜燃料电池气体再循环系统，其特征在于，所述阳极气体再循环单元包括：第一阀门（2）、第二阀门（4）、第一引射器（3）、第二引射器（7）、第三阀门（5）、第四阀门（6）、氢气循环泵（10）、第五阀门（11）、第一气液分离器（13）；所述阴极气体再循环单元包括：第三引射器（18）、第二气液分离器（14）；所述湿度控制单元包括：水箱（15）、第一加湿器（8）、第二加湿器（20）、第一控制器（21）、第二控制器（19）。

3.如权利要求1中所述的一种自动调节湿度的质子交换膜燃料电池气体再循环系统，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池单元：储氢罐（1）出口分别与第一阀门（2）、第二阀门（4）入口相连，空气压缩机（17）出口与第三引射器（18）一次流入口相连，质子交换膜燃料电池（9）阳极出口与第一气液分离器（13）入口相连，第一气液分离器（13）液体出口分别与水箱（15）和第六阀门（12）入口相连，第六阀门（12）出口与外界相通，质子交换膜燃料电池（9）阴极出口与第二气液分离器（14）入口相连，第二气液分离器（14）液体出口分别与水箱（15）和第七阀门（16）入口相连，第七阀门（16）出口与外界相通，水箱（15）阶段性为第一加湿器（8）和第二加湿器（20）供水。

4.如权利要求1中所述的一种自动调节湿度的质子交换膜燃料电池气体再循环系统，其特征在于，所述阳极气体再循环单元：第一气液分离器（13）出口分别与第三阀门（5）和氢气循环泵（10）入口相连，氢气循环泵（10）出口与第一加湿器（8）入口相连，第一加湿器（8）出口分别于第三阀门（5）、第四阀门（6）入口相连，第三阀门（5）出口与第一引射器（3）二次流入口相连，第一引射器（3）混合流出口与质子交换膜燃料电池（9）阳极入口相连，第四阀门（6）出口与第二引射器（7）二次流入口相连，第二引射器（7）混合流出口与质子交换膜燃料电池（9）阳极入口相连，第一阀门（2）出口与第一引射器（3）一次流入口相连，第二阀门（4）出口与第二引射器（7）一次流入口相连。

5.如权利要求1中所述的一种自动调节湿度的质子交换膜燃料电池气体再循环系统，其特征在于，所述阴极气体再循环单元：第二气液分离器（14）出口分别与第七阀门（16）和第二加湿器（20）入口相连，第二加湿器（20）出口与第三引射器（18）二次流入口相连，第三引射器（18）混合流出口与质子交换膜燃料电池（9）阴极入口相连。

6.如权利要求1中所述的一种自动调节湿度的质子交换膜燃料电池气体再循环系统，其特征在于，所述湿度控制单元：第一控制器（21）与第一加湿器（8）相连，实时检测第一引射器（3）和第二引射器（7）一次流入口和二次流入口处的流量、压力和温度；第二控制器（19）与第二加湿器（20）相连，实时检测第三引射器（18）一次流入口和二次流入口处的流量、压力和温度；通过计算引射比控制加湿量，使引射器性能达到最优。

7.如权利要求3中所述的一种自动调节湿度的质子交换膜燃料电池气体再循环系统，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池单元，在阴极出口和阳极出口加装第一气液分离器（13）、第二气液分离器（14），反应生成的水可储存在水箱（15）中；加装的第七阀门（16）和第六阀门（12），周期性开关以控制质子交换膜燃料电池（9）内部的水含量及氮气含量。

8.如权利要求4中所述的一种自动调节湿度的质子交换膜燃料电池气体再循环系统，其特征在于，所述阳极气体再循环单元：质子交换膜燃料电池（9）在低、中、高三种不同运行功率下，切换不同的阳极气体再循环模式，具体为：低功率时，关闭第二阀门（4）、第三阀门（5）、第五阀门（11），此时第一引射器（3）、第二引射器（7）不具有引射能力，视为管路，质子交换膜燃料电池（9）阳极出口处未反应完全的氢气通过氢气循环泵（10）重新进入质子交换膜燃料电池（9）阳极入口；中功率时，关闭第一阀门（2）、第三阀门（5）、氢气循环泵（10），此时未反应完全的氢气进入第二引射器（7）的二次流入口，被引射后重新参与反应；高功率时，关闭第二阀门（4）、第四阀门（6）、氢气循环泵（10），此时未反应完全的氢气进入第一引射器（3）的二次流入口，被引射后重新参与反应。

技术总结
一种自动调节湿度的质子交换膜燃料电池气体再循环系统，包括质子交换膜燃料电池单元、阳极气体再循环单元、阴极气体再循环单元和湿度控制单元；质子交换膜燃料电池单元包括质子交换膜燃料电池等；阳极气体再循环单元包括引射器、氢循环泵、气液分离器等；阴极气体再循环单元包括引射器、气液分离器等；湿度控制单元包括加湿器、控制单元、水箱等；本发明系统将质子交换膜燃料电池阴极出口的未反应完全的氧气、阳极出口处未反应的氢气通入气体再循环系统，实现气体的重复利用，减少氢气的损耗，增加整个系统的燃料利用率；同时三个再循环装置可以适应不同工况下整个系统的运行，满足燃料电池在实际运用过程中需要宽工作范围的要求。

技术研发人员：徐英杰,王杰董,周水清,何兴,高增梁
受保护的技术使用者：嵊州市浙江工业大学创新研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16