本发明属于燃料电池领域，涉及透水双极板燃料电池，具体地说是涉及一种带水路调压功能的燃料电池系统。
背景技术：
燃料电池是一种能够将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学反应装置，具有启动速度快、工作效率高、绿色环保等特点，是近年来新能源领域的研究热点之一。
透水双极板燃料电池是燃料电池的一种，它是利用透水板透水阻气的特性将电池内的液态水通过透水板排入冷却剂腔，进而再排出电池。透水双极板燃料电池具有增湿、排水、散热的功能，最早是由utc公司将其应用于氢空燃料电池中，然而在氢氧燃料电池应用较少。
对于使用透水双极板的燃料电池系统，在运行时需要将透水板两侧的压差控制在一定的合理范围内，压差既不能过大也不能过小。因为透水板存在泡点，若透水板两侧压力差过大、超过泡点，会出现透水板阻气透水失效甚至损坏等问题；此外由于电池运行时生成水不断增加，若透水板两侧压力差过小，将不能及时将生成水排入冷却水腔，导致膜电极发生水淹，降低电池性能和可靠性。
透水板两侧压差设置由透水板透水阻力的特性所决定，与燃料电池操作压力无关。目前常见的透水双极板燃料电池多为常压操作，水路无需增压。然而，对于操作压力较高的系统，为操持透水板两侧压差需要使水路带压运行。此外，在燃料电池的持续运行中，由于通过透水板进入水腔的水量越来越多，而且水在穿过透水板的过程中可能会携带少量气体，另外也会有部分溶解于水中的气体因压力降低而析出，因此水路气体会越积越多，压力也越来越大，这时需要释放部分气体和水，即需要合适的方法调节水路压力，即可保持透水板两侧压差的均衡。
技术实现要素：
本发明目的在于开发一种带水路调压功能的燃料电池系统，此系统能够动态调节燃料电池冷却水路压力的高低，进而控制透水板两侧压差始终位于合理范围内，保护透水板不损坏的同时，还能够正常排水、排气。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种带水路调压功能的燃料电池系统，包括水箱、高压气源、注气管路、排气管路和排水管路；
所述水箱设置于燃料电池的冷却水水路中，水箱连接有注气管路、排气管路、排水管路，注气管路、排气管路、排水管路相对独立，分别通过各自管路上安装相应的控制阀实现独立开启和关闭；
所述注气管路通过注气控制阀与高压气源连接，所述的排气管路连接在水箱顶部，且排气管路上设置有排气控制阀，所述的排水管路连接在水箱底部，且排水管路上设置有排水控制阀，注气控制阀、排气控制阀和排水控制阀分别连接燃料电池控制系统。
进一步地，所述的高压气源使用外部高压气源，或者使用燃料电池自身反应气。
进一步地，所述的外部高压气源为氮气或空气。
进一步地，所述排气管路、排水管路能够合并为排气/水管路，连接排气/水控制阀。当水箱压力过高时，通过排气/水控制阀排出水或气体；水箱压力恢复正常后，排气/水控制阀关闭。这种设置可简化系统流程，减少水路阀件，有利于提高燃料电池系统可靠性。
进一步地，所述的排气管路与燃料电池的进气管路能够直接连接，排气管路通过排气控制阀和气泵连接燃料电池的进气管路，且排气控制阀和气泵联动。当水箱压力过高、需要排气时，将水箱内气体通过排气管路直接导引回到燃料电池反应气进气管路。气泵与控制阀联动，具有提高气体压力的作用，用于将水箱内气体抽入燃料电池反应气进气管路。这种设置可避免燃料电池反应气浪费，保证气体的高利用率。
进一步地，所述注气控制阀、排气控制阀、排水控制阀采用脉冲或开度连续调节的电磁阀。
进一步地，所述的水箱内设置有液位传感器，液位传感器接燃料电池控制系统。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明能够动态调节燃料电池冷却水路压力的高低，进而控制透水板两侧压差始终位于合理范围内，保护透水板不损坏的同时，还能够正常排水、排气；此系统流程简便、容易实现，不受燃料电池操作压力的影响，非常适合应用于高压透水板燃料电池中。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中一种带水路调压功能的燃料电池系统的流程图；
图中：1、透水双极板燃料电池电堆，2、电池负载，3a、燃料入口，3b、燃料出口,4a、氧化剂入口，4b、氧化剂出口，5、冷却水水路，6、水箱，7、水泵，ecu、燃料电池控制系统，8、注气管路，9、排气管路，10、排水管路，11、注气控制阀，12、排气控制阀，13、排水控制阀，14、为注气管路的高压气源，15、液位传感器
图2是本发明实施例2中一种带水路调压功能的燃料电池系统的流程图；
图中：1、透水双极板燃料电池电堆，2、电池负载，3a、燃料入口，3b、燃料出口,4a、氧化剂入口，4b、氧化剂出口，5、冷却水水路，6、水箱，7、水泵，ecu、燃料电池控制系统，20、注气管路，21、排气/水管路，22、注气控制阀，23、排气/水控制阀；
图3是本发明实施例3中一种带水路调压功能的燃料电池系统的流程图；
图中：1、透水双极板燃料电池电堆，2、电池负载，3a、燃料入口，3b、燃料出口,4a、氧化剂入口，4b、氧化剂出口，5、冷却水水路，6、水箱，7、水泵，ecu、燃料电池控制系统，10、排水管路，13、排水控制阀，15、液位传感器，20、注气管路，22、注气控制阀，30、排气管路，31、气泵，32、排气控制阀。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1所示，一种带水路调压功能的燃料电池系统，包括水箱6、高压气源14、注气管路8、排气管路9和排水管路10；水箱6设置于燃料电池的冷却水水路中，水箱6中安装有浮球液位计15，液位计15连接燃料电池控制系统ecu，水箱6连接有注气管路8、排气管路9、排水管路10，注气管路8、排气管路9、排水管路10相对独立，注气管路8通过注气控制阀11与高压气源14连接，本实施例中高压气源14使用外部高压气源，注气管路8通过注气控制阀11连接外置高压氮气气瓶；排气管路9连接在水箱顶部，且排气管路9上设置有排气控制阀12，排水管路10连接在水箱6底部，且排水管路10上设置有排水控制阀13，注气控制阀11、排气控制阀12和排水控制阀13连接燃料电池控制系统ecu。注气控制阀11、排气控制阀12和排水控制阀13为电磁阀，工作方式包括脉冲、开度连续调节等，可根据实际实验情况自由选择。
透水双极板燃料电池电堆1运行时，燃料电池控制系统ecu通过与氧化剂、水路连接的压力传感器实时监测透水双极板燃料电池电堆1的透水板的压差p的高低。本实施例燃料电池运行时，p正常范围为0.1～0.2bar，当燃料电池控制系统ecu检测到p值高于0.2bar时，需要对冷却水水路增压时，此时燃料电池控制系统ecu控制注气控制阀11开启，高压气源14中的氮气将进入水箱6，冷却水水路压力升高，p值降低；当p降至正常范围内时，注气控制阀11关闭，停止补气增压。当燃料电池控制系统ecu检测到p值低于0.1bar时，需要对冷却水水路排气，此时燃料电池控制系统ecu控制排气控制阀12开启，水箱6中的气体通过排气管路9排出，冷却水水路压力降低，p值升高；当p升至正常范围内时，排气控制阀12关闭，停止排气。
透水双极板燃料电池电堆1运行中生成水不断进入冷却水水路，因此水箱6内液位越来越高，水箱6中安装有浮球液位计15，燃料电池控制系统ecu通过液位计15监控水箱6内的液位高低，进而控制排水控制阀13开启或关闭。水箱6中液位高时，排水控制阀13开启，开始排水；当液位降至正常以后，排水控制阀13关闭。
实施例2
如图2所示，本实施例中一种带水路调压功能的燃料电池系统，注气管路20通过注气控制阀22直接与氧化剂入口4a连接，即利用压力较高的氧化剂入口气体作为水箱6注气的高压气源；排气管路、排水管路合并为排气/水管路21，连接排气/水控制阀23，其它结构与实施例1相同。
透水双极板燃料电池电堆1运行时，燃料电池控制系统ecu通过与氧化剂、水路连接的压力传感器实时监测透水双极板燃料电池电堆1的透水板的压差p的高低，本实施例中p正常范围为0.2～0.4bar。当ecu检测到p值高于0.4bar时，需要对冷却水水路增压时，此时ecu控制注气控制阀22开启，部分氧化剂气体将进入水箱6，冷却水水路压力升高，p值降低；当p降至正常范围内时，注气控制阀22关闭，停止注气。当ecu检测到p值低于0.2bar时，需要对冷却水水路排气，此时ecu控制排气/水控制阀23开启，水箱6中的气体通过排气/水管路21排出，冷却水水路压力降低，p值升高；当p升至正常范围内时，电磁阀12关闭，停止排气。随着燃料电池的运行，水箱6内的液位逐渐升高，当水箱满后，排气/水控制阀23开启时，排气/水管路21开始排水，即只要压差p过低，排气/水控制阀23即开始工作，排气/水管路21既可排气，也可排水。
通过与实施例1比较可以看出，实施例2无需附带外置高压气源，且流程更为简化，减少了部分管路、阀件的使用，有利于提高燃料电池系统可靠性。
实施例3
如图3所示，本实施例中一种带水路调压功能的燃料电池系统，注气管路20通过注气控制阀22直接与氧化剂入口4a连接，即利用压力较高的氧化剂入口气体作为水箱6注气的高压气源；排气管路30通过排气控制阀32和气泵31与氧化剂入口4a进气管路直接连接，且排气控制阀32和气泵31联动,其它结构与实施例1相同。
与实施例1和实施例2不同的是，排气管路30不是将水箱6内多余的气体直接排出，而是将气体导引回到氧化剂入口4a。由于氧化剂入口4a处气体压力高于水箱6压力，故在排气管路30中设置气泵31提升气体压力，32为排气控制阀，由ecu控制，与气泵31联动。
透水双极板燃料电池电堆1运行时，ecu通过与氧化剂、冷却水水路连接的压力传感器实时监测透水双极板燃料电池电堆1的透水板的压差p的高低，p正常范围为0.5～0.8bar。当ecu检测到p值高于0.8bar时，需要对冷却水水路补气，此时ecu控制注气控制阀22开启，部分氧化剂气体将进入水箱6，冷却水水路压力升高，p值降低；当p降至正常范围内时，注气控制阀22关闭，停止注气。当ecu检测到p值低于0.5bar时，需要对冷却水水路排气，此时ecu控制排气控制阀32开启，同时气泵31开始运行，将水箱6中的气体抽出、并排入氧化剂入口4a管路，冷却水水路压力降低，p值升高；当p升至正常范围内时，气泵31和排气控制阀32关闭，停止排气。在透水双极板燃料电池电堆1的运行中，若ecu通过液位传感器15检测到水箱6内的液位高于设定值，排水控制阀13开启，排水管路10开始排水；水箱6内液位恢复正常后，排水控制阀13关闭，停止排水。
本实施例中，系统工作中对外部环境只排水，不排气，这种设置可避免燃料电池反应气浪费，可以保证燃料电池的高气体利用率。
通过以上实施例可以看到，利用本发明所述透水双极板燃料电池水路调压系统，可方便调节燃料电池冷却水路压力的高低，进而控制透水板两侧压差始终位于合理范围内，保护透水板不损坏的同时，还能够正常排水、排气；此系统流程简便、容易实现，不受燃料电池操作压力的影响，非常适合应用于高压透水板燃料电池中。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
1.一种带水路调压功能的燃料电池系统，其特征在于，包括水箱、高压气源、注气管路、排气管路和排水管路；
所述水箱设置于燃料电池的冷却水水路中，水箱连接有注气管路、排气管路、排水管路，注气管路、排气管路、排水管路相对独立，分别通过各自管路上安装相应的控制阀实现独立开启和关闭；
所述注气管路通过注气控制阀与高压气源连接，所述的排气管路连接在水箱顶部，且排气管路上设置有排气控制阀，所述的排水管路连接在水箱底部，且排水管路上设置有排水控制阀，注气控制阀、排气控制阀和排水控制阀分别连接燃料电池控制系统。
2.根据权利要求1所述的一种带水路调压功能的燃料电池系统，其特征在于，所述的高压气源使用外部高压气源，或者使用燃料电池自身反应气。
3.根据权利要求2所述的一种带水路调压功能的燃料电池系统，其特征在于，所述的外部高压气源为氮气或空气。
4.根据权利要求1所述的一种带水路调压功能的燃料电池系统，其特征在于，所述排气管路、排水管路能够合并为排气/水管路，连接排气/水控制阀。
5.根据权利要求1所述的一种带水路调压功能的燃料电池系统，其特征在于，所述的排气管路与燃料电池的进气管路能够直接连接，排气管路通过排气控制阀和气泵连接燃料电池的进气管路，且排气控制阀和气泵联动。
6.根据权利要求1所述的一种带水路调压功能的燃料电池系统，其特征在于，所述注气控制阀、排气控制阀、排水控制阀采用脉冲或开度连续调节的电磁阀。
7.根据权利要求1所述的一种带水路调压功能的燃料电池系统，其特征在于，所述的水箱内设置有液位传感器，液位传感器连接燃料电池控制系统。
技术总结