一种解决大功率电堆液态水过多的集成模块及集成方法与流程

本发明涉及燃料电池，具体涉及一种解决大功率电堆液态水过多的集成模块及集成方法。

背景技术：

1、目前对燃料电池在商用车领域需求逐渐增大，对大功率的氢燃料电池系统研发也逐步加深，随着燃料电池系统功率增大，电堆片数的增多，但单片电堆的抗水性并未提高，故需提高系统的分水与排水能力，避免因阳极液态水过多发生“单低”，特别是搭载引射器的燃料电池系统。一个130kw车用燃料电池堆一般包括大约300-400片燃料电池。燃料电池堆又包括一系列位于堆内多个mea之间的流场或双极板。在双极板的阳极侧设有阳极气体流动通道，允许阳极气体流向mea的阳极侧。在双极板的阴极侧设有阴极气体流动通道，允许阴极气体流向mea的阴极侧。双极板之间还包括冷却流体流经的通道。而mea是非常敏感的一个零件，其对温度，湿度的要求都较为苛刻。在燃料电池系统中，通常需要过量的氢气供应，以避免堆中的反应物饥饿。燃料电池系统在设计时，为了提高氢气的利用效率和电堆的反应性能，会把阳极“堆出”的多余“废氢”循环利用，和新氢混合起来，再次进入电堆进行反应，尽管燃料电池在发电过程中会在电池阴极处生成水，但由于浓度梯度的存在，一部分水仍然可能通过电池内部的扩散作用渗透至阳极一侧，即“反扩散”现象。为了解决这一问题，在电堆阳极出口通常会安装一个分水器。该分水器的作用在于有效分离并冷凝电堆产生的“废氢”中的液态水和/或水蒸汽。分离储存的液态水通过排水阀定周期的开启/关闭将其排出，以保证燃料电池系统稳定、高效的运行。然而，在某些情况下，即使系统中已安装分水器，仍有可能出现部分液态水随着氢气气流进入电堆阳极的情况。

2、目前国内大功率的电堆系统大多数都存在液态水反渗透的现象，特别是搭载了引射器的系统，生成的液态水在电堆阳极进气歧管底部流动，这导致当液态水进入电堆时，大部分水会在电堆头部的几片区域集中，进而引发严重的“水淹”现象，在这种情况下，由于头部几片单电池阳极流道被水阻塞，膜上无法接收反应物气体的区域局部会出现“欠氢”现象，无法产生电能。出现单片或某几片电压下降和损失的情况，在严重情况下，局部“欠氢”可能导致系统无法正常运行，甚至对单电池和电堆造成无法逆转的永久性损害。

3、液态水随着氢气流入电堆阳极端引起单片或某几片电压下降和损失的情况主要包括但不限于以下几种情况：

4、1.在搭载引射器的燃料电池中，当高温高湿的再循环阳极氢气与来自新鲜、干燥且经过喷嘴增压吸热后的低温入堆氢气混合时，由于温差的存在，再循环阳极氢气中的水蒸气可能会凝结成液态水滴；

5、2.在瞬态拉载至大功率时，由于气流流速瞬间增大，可能超出分水器设计的处理能力，从而导致部分液态水可能随循环气体进入电堆；

6、3.在低温工况下，管路内部也可能会产生冷凝水；

7、4.分水器本身的设计和匹配问题也有可能导致液态水未能被有效分离，从而进入电堆阳极。

技术实现思路

1、本发明提供一种解决大功率电堆液态水过多的集成模块及集成方法，集成了自动排水引射分水循环以及氢水换热，其旨在解决大功率氢燃料电池系统液态水入堆过多导致电堆损伤和电压损失的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

3、一种解决大功率电堆液态水过多的集成模块，包括氢水换热器单元、引射器单元、高压进气组件单元、自排双分水器单元、氢气尾排阀单元；

4、所述氢水换热器单元氢路入口连接氢燃料电池氢路循环系统，水路入口、水路出口均连接氢燃料电池热管理冷却系统，氢路出口经高压进气组件单元连接引射器单元；

5、所述引射器单元引射出口连接氢燃料电池电堆氢气入口；

6、所述氢燃料电池电堆氢气出口连接自排双分水器单元氢气入口，自排双分水器单元排水排氢出口连接氢气尾排阀单元。

7、作为上述方案的优选，所述氢水换热器单元包括引射换热阀体、氢水换热器盖板，所述引射换热阀体与氢水换热盖板固定连接，引射换热阀体通过水路竹节接头连接氢燃料电池热管理冷却路，通过高压进气接头连接氢燃料电池氢路循环系统氢瓶，引射换热阀体上安装有低压传感器。

8、作为上述方案的优选，所述引射器单元包括引射器喷嘴、引射出口法兰竹节，所述引射换热阀体内部有文丘里管结构，文丘里管出口处安装有引射出口法兰竹节，文丘里管前端安装有引射器喷嘴。

9、作为上述方案的优选，所述高压进气组件单元包括高压组件阀体，所述高压组件阀体与引射换热阀体螺纹连接，高压组件阀体上安装有高压电磁开关阀、比例阀、高压传感器。

10、作为上述方案的优选，所述自排双分水器单元包括分水器盒体、分水器盒盖、堵头，所述分水器盒体内分为两层分水腔体，各腔体分别连接有一个氢气尾排阀单元和低压传感器。

11、作为上述方案的优选，所述氢气尾排阀单元包括氢尾排电磁阀阀座、尾排电磁阀，所述氢尾排电磁阀阀座固定在分水盒底部，尾排电磁阀安装在氢尾排电磁阀阀座上。

12、一种解决大功率电堆液态水过多的集成模块的集成方法，包括氢燃料电池氢路循环系统氢瓶内的氢气经过二级减压后进入氢水换热单元，燃料电池系统冷却路的水路同时经过引射换热阀体，氢气与冷却水在引射换热阀体中完成换热，通过冷却水的高温给低温新氢完成加热；

13、加热后的氢气进入高压进气组件单元，先通过高压电磁开关阀，再流入比例阀，由比例阀调节开度来控制新氢进入引射器的流量，随后进入引射喷嘴进行氢喷；

14、氢喷后的氢气会与回流的氢气相遇，混合后的氢气进入电堆，在电堆内反应后出电堆，出堆后的氢气进入分水器盒体，进行氢气与气态水的分离，分离出来的气态水大部分转换为液态水，在分水器盒体底部储蓄，由尾排电磁阀控制排水频次，氢气从上部回流到引射换热阀体中循环再利用。

15、作为上述方案的优选，在分水器盒体内，低压传感器检测每个腔的压力波动进行反馈，先标定好各电流点下的单腔氢压，运行时氢压如超过标定值5-10kpa即打开尾排阀进行排水排氢，排水排氢时，压力再次下降，下降超过标定值的5-10kpa即关闭尾排阀。

16、由于具有上述结构，本发明的有益效果在于：

17、1、解决了混合氢气液态水过多的问题，混合氢气生成液态水若大量进入电堆，会造成电堆首节积水且会产生电压波动和其他节单低的情况，有效解决电压损失问题，提高电堆耐久性，保证电堆的正常使用寿命；在结构上包含了氢燃料电池系统主体氢路部分除电堆外的所有零部件，实现了高度一体化，体积最小化，可完全代替传统的氢气循环泵，减小氢泵带来体积大，功耗高，成本高，售后维修难等问题；而且易集成布置，无功耗，由于不再使用氢气循环泵，降低了氢耗，提高了燃料电池系统效率；

18、2、自排双分水器能有效的分离出氢气里携带的水蒸气，通过传感器检测腔内压强判断分水盒内的液态水是否过多或已排空，进一步控制氢气尾排阀的开启和关闭，相比目前的标定好氢尾排阀的开关时间的控制逻辑，能有效减少氢气的浪费率和分水盒内部液态水回水的可能性，保障氢燃料电池的正常运行更加顺畅与安全；

19、3、将引射主体与氢水换热主体部分集成到了一个阀体中，使模块体积小，质量轻，有效降低其成本。