CN102938467A - 一种燃料电池阳极系统 - Google Patents

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戚朋
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Abstract

本发明公开了一种燃料电池阳极系统，包括氢过滤器、控制阀、文丘里管回流器、分水器、电动回流泵、电磁阀和背压阀，所述的氢过滤器经文丘里管回流器与电堆模块连接；所述电堆模块经分水器与电动回流泵连接，所述的电动回流泵分别与文丘里管回流器的抽吸口端和背压阀连接。所述的文丘里管回流器和电动回流泵的输出功率和回流比均按照回流比与电堆输出功率曲线选取。本发明在电堆输出功率未达到文丘里管开始回流时的电堆输出功率值，由电动回流泵来进行回流；当达到文丘里管开始回流时的电堆输出功率值，由电动回流泵和文丘里管回流器共同实现回流，这样做即实现了全工况回流，在使用过程中，不需要按功率切换控制，控制简单。

Description

一种燃料电池阳极系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池技术，特别是一种燃料电池阳极系统。
背景技术
为保护环境，减少城市中的大气污染，以PEMFC（质子交换膜燃料电池）为动力的装置受到越来越多的关注，当PEMFC以纯氢为燃料时，它能达到真正的“零”排放。目前PEMFC在交通、通讯等领域均有一定的应用。为提高燃料电池组寿命，燃料电池阳极采用回流（尾气循环）的方式，即尾排湿氢气与反应干氢气进行混合进入燃料电池电堆，这样做有以下优点：①有助于反应气增湿；②增大氢气进堆计量比，改进电池组内各节单池间的气体分配；③易排放电化学反应产生的液态水。目前回流主要采用机械式回流（气源压力作动力，利用尾气循环）和电动回流两种方式。但机械式回流方式以气源压力作动力，不降低燃料电池系统效率，但在低载段，回流比（循环的尾气量与电池组电化学反应消耗的反应气量之比）低，回流效果不明显。而电动回流方式因回流介质为氢气，氢气密度低，在高载段，满足大流量、高压头的回流，需电动回流装置功耗大，体积大，噪音大，但电动回流可满足全工况回流。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种既可以实现全工况回流，又可以实现低功耗、小体积、低噪音的燃料电池阳极系统。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种燃料电池阳极系统，包括氢过滤器、控制阀、文丘里管回流器、分水器、电动回流泵、电磁阀和背压阀，所述的氢过滤器经控制阀连接到文丘里管回流器，所述的文丘里管回流器的喷射端与电堆模块连接；所述的分水器的入口端与电堆模块连接、分水器的出口端与电动回流泵连接、分水器的存水端与电磁阀连接；所述的电动回流泵分别与文丘里管回流器的抽吸口端和背压阀连接；
所述的文丘里管回流器和电动回流泵的输出功率和回流比均按照回流比与电堆输出功率曲线选取，且保证在相同电堆输出功率情况下，工作点回流比不小于需求回流比；具体选取步骤如下：
A、文丘里管回流器的输出功率及回流比按电堆满负荷输出功率Pe2及电堆满负荷输出时的回流比需求值Re2进行选取；
B、选定文丘里管回流器后，从电堆满负荷输出功率Pe2开始，按照功率P由大至小核对回流比R值，直到回流比R小于或等于需求回流比，并定义回流比R小于或等于需求回流比的电堆输出功率为电堆回流临界输出功率Pe1，对应的回流比需求值为电堆回流临界输出时的回流比需求值Re1；再按照电堆回流临界输出功率Pe1及电堆回流临界输出时的回流比需求值Re1选取电动回流泵的输出功率及回流比。
本发明所述的电堆回流临界输出功率Pe1小于或等于电堆满负荷输出功率Pe2的30%。
本发明所述的控制阀是质量流量控制器或压力控制器或开度可控的阀门。
本发明的工作原理如下：外界氢气源经氢过滤器进入控制阀，后进入文丘里管回流器喷射端，后进入电堆模块，发生电化学反应后，尾排氢气进入分水器进行分水处理，分水后氢气进电动回流泵，分成两个支路，一支路回到文丘里管回流器抽吸口端，另一支路进入背压阀；分水器存水端与电磁阀相连，通过电磁阀进行脉冲排放。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明将文丘里管回流器、电堆模块、分水器和电动回流泵按串联方式的连接，在电堆输出功率未达到文丘里管开始回流时的电堆输出功率值，由电动回流泵来进行回流；当达到文丘里管开始回流时的电堆输出功率值，由电动回流泵和文丘里管回流器共同实现回流，这样做即实现了全工况回流，在使用过程中，电动回流泵一直处于工作状态，不需要按功率切换控制，控制简单；
2、在现有技术相比，所选用电动回流泵输出功率必须满足满负荷Pe2时使用要求，而本发明的电动回流泵仅是为了弥补文丘里管回流器在电堆输出功率≤Pe1段的回流量不足，通常Pe1≤30%Pe2，因此只需选择小规格的回流泵即可，功耗低、体积小、低噪音；
3、本发明通过尾排氢气端背压阀的使用，可以控制电堆在稳态压力下工作，低、中、高压力均可；
4、本发明分水器存水端与电磁阀相连，电磁阀除起到排水控制阀的作用外，还起到电堆压力超压排放及安全压力保护的作用。
附图说明
本发明共有附图6张，其中：
图1是机械回流式的燃料电池阳极系统组成示意图。
图2是文丘里管回流器回流比与功率曲线图。
图3是电动回流式的燃料电池阳极系统组成示意图。
图4是电动回流方式回流比与功率曲线图。
图5是本发明的系统组成示意图。
图6是本发明的回流比与功率曲线图。
图中：1、氢过滤器，2、控制阀，3、文丘里管回流器，4、分水器，5、电动回流泵，6、电磁阀，7、背压阀，8、电堆模块，10、文丘里管回流器回流比与功率曲线，20、电动回流泵回流比与功率曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图5-6所示，一种燃料电池阳极系统，包括氢过滤器1、控制阀2、文丘里管回流器3、分水器4、电动回流泵5、电磁阀6和背压阀7，所述的氢过滤器1经控制阀2连接到文丘里管回流器3，所述的文丘里管回流器3的喷射端与电堆模块8连接；所述的分水器4的入口端与电堆模块8连接、分水器4的出口端与电动回流泵5连接、分水器4的存水端与电磁阀6连接；所述的电动回流泵5分别与文丘里管回流器3的抽吸口端和背压阀7连接；
所述的文丘里管回流器3和电动回流泵5的输出功率和回流比均按照回流比与电堆输出功率曲线选取，且保证在相同电堆输出功率情况下，工作点回流比不小于需求回流比；具体选取步骤如下：
A、文丘里管回流器3的输出功率及回流比按电堆满负荷输出功率Pe2及电堆满负荷输出时的回流比需求值Re2进行选取；
B、选定文丘里管回流器3后，从电堆满负荷输出功率P2开始，按照功率P由大至小核对回流比R值，直到回流比R小于或等于需求回流比，并定义回流比R小于或等于需求回流比的电堆输出功率为电堆回流临界输出功率Pe1，对应的回流比需求值为电堆回流临界输出时的回流比需求值Re1；再按照电堆回流临界输出功率Pe1及电堆回流临界输出时的回流比需求值Re1选取电动回流泵5的输出功率及回流比。
本发明所述的电堆回流临界输出功率Pe1小于或等于电堆满负荷输出功率Pe2的30%。
本发明所述的控制阀2是质量流量控制器或压力控制器或开度可控的阀门。
本发明的工作原理如下：外界氢气源经氢过滤器1进入控制阀2，后进入文丘里管回流器3喷射端，后进入电堆模块8，发生电化学反应后，尾排氢气进入分水器4进行分水处理，分水后氢气进电动回流泵5，分成两个支路，一支路回到文丘里管回流器3抽吸口端，另一支路进入背压阀7；分水器4存水端与电磁阀6相连，通过电磁阀6进行脉冲排放。
下面通过现有技术的分析对本发明进行进一步的说明。
图1所示为采用机械式回流方式的燃料电池阳极系统流程图，氢过滤器1经控制阀2连接到文丘里管回流器3，所述的文丘里管回流器3的喷射端与电堆模块8连接；所述的分水器4的入口端与电堆模块8连接、分水器4的出口端与文丘里管回流器3的抽吸口端和电磁阀6相连接。
图2所示为机械式回流方式中文丘里管回流器3回流比与功率曲线。图中，R为回流比（循环的尾气量与电池组电化学反应消耗的反应气量之比），P为电堆输出功率，P0为该款文丘里管开始回流时的电堆输出功率值（这里假设氢气通过电堆的压差为60mbar；氢气流量和电堆输出功率之间计算按单节电压0.8v进行计算）。机械式回流方式以气源压力作动力，不降低燃料电池系统效率，但在低载段，回流比（循环的尾气量与电池组电化学反应消耗的反应气量之比）低，回流效果不明显。
图3所示为采用电动回流方式的燃料电池阳极系统流程图，氢过滤器1经控制阀2连接到电堆和电动回流泵5的出口端；所述的分水器4的入口端与电堆模块8连接、分水器4的出口端与电动回流泵5的吸入口端和外界环境相连接。
图4所示为电动回流方式中电动回流泵5回流比与功率曲线。图中，R为回流比（循环的尾气量与电池组电化学反应消耗的反应气量之比），P为电堆输出功率（这里假设氢气通过电堆的压差为60mbar；氢气流量和电堆输出功率之间计算按单节电压0.8v进行计算）。电动回流方式因回流介质为氢气，氢气密度低，在高载段，满足大流量、高压头的回流，需电动回流装置功耗大，体积大，噪音大，但电动回流泵5可满足全工况回流。
下面通过实施例对本发明进行进一步地说明。
本发明的满负荷功率为40kW，并按图5所示进行设计，外界氢气源经氢过滤器1进入质量流量控制器后进入文丘里管回流器3喷射端，后进入电堆模块8，发生电化学反应后，尾排氢气进入分水器4进行分水处理，分水后氢气进入电动回流泵5，分成两个支路，一支路回到文丘里管回流器3抽吸口端，一支路进入背压阀7，分水器4存水端与电磁阀6相连。
图6所示为文丘里管回流器回流比与功率曲线10和电动回流泵回流比与功率曲线20的交叉情况。本发明实施例的电堆满负荷功率为40kW，阳极系统设计要求全工况回流比不小于0.2。选择文丘里管回流器3输出功率为40kW、回流比为0.2；从满负荷点40kW、回流比0.2开始核对；当功率为5kW时，回流比为0.2；当功率低于5kW时，回流比低于0.2，因此选择电动回流泵5的输出功率为5kW、回流比为0.2。
本发明实施例的背压阀7稳压压力为35kPa，电磁阀6超压排放压力为60kPa，排放0.1s，关闭电磁阀6，安全保护压力80kPa，超过安全保护压力常排。
从实验结果上来看，氢回流比，全工况维持在0.2之上；氢压稳定，入堆氢压维持在45~65kPa之间峰值和谷值主要出现在变载过程电磁阀6超压排放瞬间，出堆氢压维持在35~40kPa之间，全工况氢气利用率超过95%。

Claims (3)

1.一种燃料电池阳极系统，其特征在于：包括氢过滤器（1）、控制阀（2）、文丘里管回流器（3）、分水器（4）、电动回流泵（5）、电磁阀（6）和背压阀（7），所述的氢过滤器（1）经控制阀（2）连接到文丘里管回流器（3），所述的文丘里管回流器（3）的喷射端与电堆模块（8）连接；所述的分水器（4）的入口端与电堆模块（8）连接、分水器（4）的出口端与电动回流泵（5）连接、分水器（4）的存水端与电磁阀（6）连接；所述的电动回流泵（5）分别与文丘里管回流器（3）的抽吸口端和背压阀（7）连接；
所述的文丘里管回流器（3）和电动回流泵（5）的输出功率和回流比均按照回流比与电堆输出功率曲线选取，且保证在相同电堆输出功率情况下，工作点回流比不小于需求回流比；具体选取步骤如下：
A、文丘里管回流器（3）的输出功率及回流比按电堆满负荷输出功率Pe2及电堆满负荷输出时的回流比需求值Re2进行选取；
B、选定文丘里管回流器（3）后，从电堆满负荷输出功率Pe2开始，按照功率P由大至小核对回流比R值，直到回流比R小于或等于需求回流比，并定义回流比R小于或等于需求回流比的电堆输出功率为电堆回流临界输出功率Pe1，对应的回流比需求值为电堆回流临界输出时的回流比需求值Re1；再按照电堆回流临界输出功率Pe1及电堆回流临界输出时的回流比需求值Re1选取电动回流泵（5）的输出功率及回流比。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池阳极系统，其特征在于：所述的电堆回流临界输出功率Pe1小于或等于电堆满负荷输出功率Pe2的30%。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池阳极系统，其特征在于：所述的控制阀（2）是质量流量控制器或压力控制器或开度可控的阀门。
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