CN103474685A - 一种用于燃料电池的氢气安全排放方法 - Google Patents

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陈华
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Abstract

本发明公开了一种用于燃料电池的氢气安全排放方法，采用包括空气供应机械、增湿器、主路调节系统、支路调节系统、氢稀释器、氢浓度传感器和控制器的空气供应系统，所述的空气供应系统在控制器的控制下，工作步骤包括：空气供应机械产出的空气量高于燃料电池稳定可靠运行所需的空气量；控制空气主路调节系统和空气支路调节系统，使得流入增湿器、燃料电池电堆的空气量和空气压力等满足燃料电池稳定可靠运行的要求，使得多余的空气通过空气支路调节系统参与氢气尾排稀释环节。从而进一步降低氢气尾排浓度，实现氢安全排放。

Description

一种用于燃料电池的氢气安全排放方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种用于燃料电池的氢气安全排放方法。
背景技术
燃料电池是一种将化学能通过电化学反应直接转变为电能的发电装置。它不经过热机过程，不受卡诺循环限制，能量转换率高，环境友好。其中，质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）同时还具有可常温快速启动、寿命长、比能量高等优点。因此，质子交换膜燃料电池可用作车、船舰和新型空间飞行器等的电力系统，又可用作便携式、移动式、固定式的发电系统。它以氢气为燃料，氧气为氧化剂，通过电化学反应释放电能，产物为污染的水。电池反应为：
阳极反应：H2→2H++2e
阴极反应：1/2O2+2H++2e→H2O
____________________
电池反应：H2+O2→H2O
在燃料电池运行过程中，作为燃料的氢气不可避免的含有一定量的杂质，随着电池的运行，杂质在电池中不断累积，会对电池的性能产生负面影响。兼顾氢气利用率和电池性能，利用尾排电磁阀或调节阀对电堆内部的氢气进行间歇性排放或连续排放。或因燃料电池氢气超压，为了保证安全，通过电磁阀或安全阀所进行的氢气排放。
而氢气为易燃易爆气体，在空气中的爆炸极限为4%～75%，在此范围内的氢空混合气遇明火或电火花均可能引发爆炸，严重威胁生产、生命安全。因此，燃料电池系统的尾排氢气需要经过处理，将其浓度降至爆炸极限以下方可排入大气。
一般采取的方法为电堆尾排空气与电堆尾排氢气混合稀释排放，但在尾排氢气脉冲排放瞬间、尤其在燃料电池系统小功率运行情况下，尾排氢气浓度较高，为了维持燃料电池最佳工作而配给的空气流量不足以将氢气稀释到爆炸极限以下，简单的将加大空气供应量会降低燃料电池性能和效率，为此需要另一种安全可靠的降低氢气尾排浓度的方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种简洁快速强化氢气安全排放的空气供应系统控制方法，以解决氢尾排浓度超标问题，为燃料电池安全运行创造条件。
本发明的技术方案是：
1、一种用于燃料电池的氢气安全排放方法，其特征在于，采用包括空气供应机械、增湿器、主路调节系统、支路调节系统、氢稀释器、氢浓度传感器和控制器的空气供应系统，所述的空气供应系统在控制器的控制下，工作步骤包括：
空气供应机械输入环境空气；
空气供应机械输出的一路空气依次流经增湿器、燃料电池电堆、增湿器、主路调节系统、氢稀释器；
空气供应机械输出的另一路空气流经支路调节系统后进入氢稀释器；
控制主路调节系统和支路调节系统，使得进入燃料电池电堆的空气量和空气压力等满足燃料电池载荷稳定可靠运行的要求。
2、一种用于燃料电池的氢气安全排放方法，其特征在于，采用包括空气供应机械、增湿器、主路调节系统、支路调节系统、氢稀释器、氢浓度传感器和控制器的空气供应系统，所述的空气供应系统在控制器的控制下，工作步骤包括：
空气供应机械输入环境空气；
空气供应机械输出的一路空气依次流经增湿器、燃料电池电堆、增湿器、主路调节系统、氢稀释器；
空气供应机械输出的另一路空气流经支路调节系统，与主路调节系统输出气体混合后再进入氢稀释器；
控制主路调节系统和支路调节系统，使得进入燃料电池电堆的空气量和空气压力等满足燃料电池载荷稳定可靠运行的要求。
3、一种用于燃料电池的氢气安全排放方法，其特征在于，采用包括空气供应机械、增湿器、主路调节系统、支路调节系统、氢稀释器、氢浓度传感器和控制器的空气供应系统，所述的空气供应系统在控制器的控制下，工作步骤包括：
空气供应机械输入环境空气；
空气供应机械输出的一路空气依次流经增湿器、燃料电池电堆、增湿器、主路调节系统、氢稀释器；
空气供应机械输出的另一路空气流经支路调节系统后与氢稀释器的输出气体混合排空；
控制主路调节系统和支路调节系统，使得进入燃料电池电堆的空气量和空气压力等满足燃料电池载荷稳定可靠运行的要求。
所述的空气供应机械为鼓风机或空压机，通过调节机械运行转速便可改变气量。
所述的主路调节系统和支路调节系统为电控调节装置，如电动阀门、比例调节阀等可调节空气流路的流通截面来调节空气流量的器件。
所述的氢稀释器是氢气、空气混合稀释装置，气源为电堆尾排氢气、燃料电池系统超压保护排放氢气、电堆尾排空气、支路调节空气。
所述的增湿器为气-气换热增湿的装置。
所述的控制器可为一个控制器，也可为多个控制器。
所述的控制器可调控空气供应机械，可调控空气主路调节系统，可调控空气支路调节系统.。
所述的燃料电池的载荷是燃料电池0%～70%额定功率。
本发明是一种强化氢气安全排放的燃料电池空气供应系统控制方法，该空气供应系统包括空气供应机械、增湿器、主路调节系统、支路调节系统、氢稀释器、氢浓度传感器以及控制器，有机组成一体。该控制方法通过控制器使得在燃料电池中、小载荷下空气供应机械产生的空气量高于燃料电池稳定可靠运行所需的空气量；通过控制器调控主路调节系统使得流入增湿器、燃料电池等的主路空气气量和空气压力满足燃料电池稳定可靠运行的要求；通过控制器调控支路调节系统使空气供应机械产生的多余的空气通过空气支路调节系统参与氢尾排稀释后再排空。从而加强对氢气的稀释能力，实现氢安全排放。
附图说明
图1为本发明实施例1的流程示意图。
图2为本发明实施例2的流程示意图。
图3为本发明实施例3的流程示意图。
具体实施方式
本发明的方法采用控制空气供应方式，旨在强化燃料电池的氢气安全排放，该系统包括空气供应机械、增湿器、主路调节系统、支路调节系统以及氢稀释器。
下面结合附图对实施例作进一步说明。
实施例1
如图1，空气供应机械11产生空气分为两路，一路经增湿器18增湿后进入燃料电池14发生反应，然后再进增湿器18进行热湿交换，流过主路调节系统13后进入氢稀释器15；另一路流过支路调节系统17直接进入氢稀释器15。控制器12采集燃料电池运行电压V、电流I、空气流量FAir、空气压力pAir以及尾排氢浓度16，分析燃料电池运行配给气量。根据分析结果，控制器12调控空气供气机械11运行转速r以及主路、支路调节系统运行参数（P1、P2），使得在满足阴极空气最佳配给供应的情况下，多余空气通过支路调节系统17直接进入氢稀释器15，强化氢气尾排稀释能力，进一步降低氢气尾排浓度16。
实施例2
如图2，空气供应机械21产生空气分为两路，一路经增湿器28增湿后进入燃料电池24发生反应，然后再进增湿器28进行热湿交换，流过主路调节系统23后进入氢稀释器25；另一路流过支路调节系统27，与主路尾排空气汇合，混合后进入氢稀释器25。控制器22采集燃料电池运行电压V、电流I、空气流量FAir、空气压力pAir以及尾排氢浓度26，分析燃料电池运行配给气量。根据分析结果，控制器调控空气供气机械21运行转速r以及主路、支路调节系统运行参数（P1、P2），使得在满足阴极空气最佳配给供应的情况下，多余空气流过支路调节系统27与主路尾排空气汇合，混合后进入氢稀释器25，强化氢气尾排稀释能力，进一步降低氢气尾排浓度。
实施例3
如图3，空气供应机械31产生空气分为两路，一路经增湿器38增湿后进入燃料电池34发生反应，然后再进增湿器38进行热湿交换，流过主路调节系统33后进入氢稀释器35；另一路流过支路调节系统37，与氢稀释器35排放气体混合排空。控制器32采集燃料电池运行电压V、电流I、空气流量FAir、空气压力pAir以及尾排氢浓度36，分析燃料电池运行配给气量。根据分析结果，控制器调控空气供气机械31运行转速r以及主路、支路调节系统运行参数（P1、P2），使得在满足阴极空气最佳配给供应的情况下，多余空气流过支路调节系统37与氢稀释器35排放气体混合，强化氢气尾排稀释能力，进一步降低氢气尾排浓度。

Claims (9)

1.一种用于燃料电池的氢气安全排放方法，其特征在于，采用包括空气供应机械、增湿器、主路调节系统、支路调节系统、氢稀释器、氢浓度传感器和控制器的空气供应系统，所述的空气供应系统在控制器的控制下，工作步骤包括：
空气供应机械输入环境空气；
空气供应机械输出的一路空气依次流经增湿器、燃料电池电堆、增湿器、主路调节系统、氢稀释器；
空气供应机械输出的另一路空气流经支路调节系统后进入氢稀释器；
控制主路调节系统和支路调节系统，使得进入燃料电池电堆的空气量和空气压力等满足燃料电池载荷工况稳定可靠运行的要求。
2.一种用于燃料电池的氢气安全排放方法，其特征在于，采用包括空气供应机械、增湿器、主路调节系统、支路调节系统、氢稀释器、氢浓度传感器和控制器的空气供应系统，所述的空气供应系统在控制器的控制下，工作步骤包括：
空气供应机械输入环境空气；
空气供应机械输出的一路空气依次流经增湿器、燃料电池电堆、增湿器、主路调节系统、氢稀释器；
空气供应机械输出的另一路空气流经支路调节系统，与主路调节系统输出气体混合后再进入氢稀释器；
控制主路调节系统和支路调节系统，使得进入燃料电池电堆的空气量和空气压力等满足燃料电池载荷工况稳定可靠运行的要求。
3.一种用于燃料电池的氢气安全排放方法，其特征在于，采用包括空气供应机械、增湿器、主路调节系统、支路调节系统、氢稀释器、氢浓度传感器和控制器的空气供应系统，所述的空气供应系统在控制器的控制下，工作步骤包括：
空气供应机械输入环境空气；
空气供应机械输出的一路空气依次流经增湿器、燃料电池电堆、增湿器、主路调节系统、氢稀释器；
空气供应机械输出的另一路空气流经支路调节系统后与氢稀释器的输出气体混合排空；
控制主路调节系统和支路调节系统，使得进入燃料电池电堆的空气量和空气压力等满足燃料电池载荷工况稳定可靠运行的要求。
4.如权利要求1或2或3所述的用于燃料电池的氢气安全排放方法，其特征在于，所述的控制器可为一个控制器，也可为多个控制器。
5.如权利要求1或2或3所述的用于燃料电池的氢气安全排放方法，其特征在于，所述的空气供应机械为鼓风机或空压机等一类装置，通过调节机械运行转速便可改变气量。
6.如权利要求1或2或3所述的用于燃料电池的氢气安全排放方法，其特征在于，所述的主路调节系统和支路调节系统为电控调节装置，如电动阀门、比例调节阀等可调节空气流路的流通截面来调节空气流量的器件。
7.如权利要求1或2或3所述的用于燃料电池的氢气安全排放方法，其特征在于，所述的氢稀释器是氢气、空气混合稀释装置，气源为电堆尾排氢气、燃料电池系统超压保护排放氢气、电堆尾排空气、支路调节空气。
8.如权利要求1或2或3所述的用于燃料电池的氢气安全排放方法，其特征在于，所述的控制器可调控空气供应机械，可调控空气主路调节系统，可调控空气支路调节系统.。
9.如权利要求1-8中任一所述的用于燃料电池的氢气安全排放方法，其特征在于，所述的燃料电池载荷工况是燃料电池0%～70%额定功率。
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