CN107565148A - 一种燃料电池水淹检测及故障排除系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池水淹检测及故障排除系统,主要包括氢气支路、空气支路、氮气支路、燃料电池、电子负载和数据采集及处理系统;其中,电子负载连接在燃料电池的电能输出端;数据采集及处理系统用于对氢气支路、空气支路、氮气支路进行控制。本发明还提供了上述燃料电池水淹检测及故障排除系统的工作方法。本发明的燃料电池水淹检测及故障排除系统及其工作方法能对燃料电池内部是否发生水淹现象进行诊断,并能可靠、有效排除该故障。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池测试领域,具体涉及一种燃料电池水淹检测及故障排除系统及其工作方法。
背景技术
燃料电池是一种新型的能源转化装置,它能将燃料中的化学能直接转化为电能,它具有高能量密度,低噪声,低排放(甚至零排放),高能量转化效率等优点。
根据电池所用电解质的不同,燃料电池可分为碱性燃料电池、聚合物电解质膜或质子交换膜燃料电池、磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池等五类,其中质子交换膜燃料电池可在低温工作,并且具有较高的功率密度,所以在实际应用上很有吸引力。
其中,氢氧质子交换膜燃料电池以氢气和空气为燃料,反应后生成水和热,无污染且可循环利用。正因其具有上述优点,所以它可作为汽车内燃机的替代产品,也可应用于小型集中供电或分散式供电系统中,是一种极具发展潜力和应用前景的绿色环保能源。
然而,燃料电池仍有许多问题有待解决,比如水淹、寿命短、成本高等;其中,水淹现象在很大程度上导致电池性能骤降,严重的话甚至会导致电池损坏。
发明内容
本发明的目的正是为了能及时发现燃料电池是否发生水淹现象,并及时采取有效措施来减缓,最终消除电池的水淹现象。本发明提供了燃料电池水淹检测及故障排除系统及其工作方法,能使燃料电池运行更加安全,其性能和寿命也能得到保障。
本发明首先提供了一种燃料电池水淹检测及故障排除系统,主要包括氢气支路、空气支路、氮气支路、燃料电池、电子负载和数据采集及处理系统;其中,氢气支路主要包括依次设置的氢气瓶、过滤器一、测量装置一、加湿器一、测量装置二;空气支路主要包括依次设置的空气泵、过滤器三、测量装置三、加湿器二、测量装置四;氮气支路主要包括依次设置的氮气瓶、过滤器一、测量装置一、加湿器一、测量装置二;氢气支路、氮气支路连接在燃料电池的阳极,空气支路连接在燃料电池的阴极;电子负载连接在燃料电池的电能输出端;数据采集及处理系统同时采集测量装置一、测量装置二、测量装置三、测量装置四与电子负载的参数信息,以便对氢气支路、空气支路、氮气支路进行控制。
进一步地,所述氢气支路中,氢气瓶与过滤器一之间设有减压阀一;过滤器一与测量装置一之间设有电控开关阀一;测量装置一与测量装置二之间设有电控开关阀二和电控开关阀三构成的并联气路,并且电控开关阀三的气路上串联有加湿器一,该加湿器一用于在电控开关阀三打开时对氢气进行加湿;电控开关阀二和电控开关阀三构成的并联气路经测量装置二连接至交换膜燃料电池的阳极。
作为一种优选手段,加湿器一的排水口上通过电控开关阀四连接有废水收集器一,加湿器一的进水口上通过过滤器二连接有去离子储水罐一。
其中,测量装置一与测量装置二均用于测量氢气的流量、湿度、温度和压力。
进一步地,所述空气支路中,空气泵连接有过滤器三;过滤器三与测量装置三之间设有电控开关阀五;在测量装置三与测量装置四之间设有电控开关阀六和电控开关阀七构成的并联气路,并且电控开关阀七的气路上串联有加湿器二,该加湿器二用于在电控开关阀七打开时对空气进行加湿;电控开关阀六和电控开关阀七构成的并联气路经测量装置四连接至质子交换膜燃料电池的阴极。
作为一种优选手段,所述加湿器二的排水口上通过电控开关阀八连接有废水收集器二,加湿器二的进水口上通过过滤器四连接有去离子储水罐二。
其中,所述测量装置三与测量装置四均用于测量空气的流量、湿度、温度和压力。
作为优选,所述燃料电池为质子交换膜燃料电池。
本发明还提供了前述一种燃料电池水淹检测及故障排除系统的工作方法,包含如下步骤:
由氢气瓶和空气泵提供的其、空气通过各自的进气支路进行压力调整和湿度控制后,分别进入燃料电池的阳极和阴极反应;
氢气和空气进入燃料电池充分反应后,对排出的混合气在燃料电池的排水区进行水气分离;
通过数据采集与处理系统对实验数据进行采集和后续处理;
在燃料电池反应过程中,数据采集与处理系统检测到电子负载两端的电压下降,即判定燃料电池内部发生了水淹故障;
数据采集与处理系统开启氮气支路,采取吹扫干氮气来排除燃料电池反应区内的残留氢气和空气以及多余的积水,以此停止燃料电池继续发生反应并缓解电池水淹故障,并一直保持干氮气吹扫直到水淹现象消失。
作为一种优选手段,数据采集与处理系统根据燃料电池温度的高低来决定是否运行辅助冷却系统对燃料电池进行冷却降温处理。
本发明的燃料电池水淹检测及故障排除系统及其工作方法,当燃料电池系统运行过程出现错误或问题时,本发明的燃料电池水淹检测及故障排除系统能对燃料电池内部是否发生水淹现象进行诊断,数据采集与处理系统会自动切换进气,将氢气换成氮气,氮气会按照氢气不加湿路线进行扫气处理,并能可靠、有效排除该故障。
附图说明
图1是本发明的总体方案流程图;
图中:1、氢气瓶;2、氮气瓶;3、减压阀一;4、减压阀二;5、过滤器一;6、电控开关阀一;7、测量装置一;8、电控开关阀二;9、电控开关阀三;10、加湿器一;11、电控开关阀四;12、废水收集器一;13、过滤器二;14、去离子储水罐一;15、测量装置二;16、质子交换膜燃料电池;17、电子负载;18、数据采集及处理系统;19、空气泵;20、过滤器三;21、电控开关阀五;22、测量装置三;23、电控开关阀六;24、电控开关阀七;25、加湿器二;26、电控开关阀八;27、废水收集器二;28、过滤器四;29、去离子储水罐二;30、测量装置四;31、背压阀;32、储水罐;33、手动排水阀;34、废水收集器三。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述:
本发明的一种燃料电池水淹检测及故障排除系统,主要包括氢气支路、空气支路、氮气支路、燃料电池、电子负载和数据采集及处理系统。
其中,氢气支路主要包括依次设置的氢气瓶1、过滤器一5、测量装置一7、加湿器一10、测量装置二15。
氢气瓶1与过滤器一5之间设有减压阀一3,用于调整输出氢气的压力。过滤器一5与测量装置一7之间设有电控开关阀一6,用于调节氢气输出量。测量装置一7与测量装置二15之间设有电控开关阀二8和电控开关阀三9构成的并联气路,并且电控开关阀三9的气路上串联有加湿器一10,该加湿器一10用于在电控开关阀三9打开时对氢气进行加湿。进一步地,加湿器一10的排水口上通过电控开关阀四11连接有废水收集器一12,加湿器一10的进水口上通过过滤器二13连接有去离子储水罐一14。其中,测量装置一7与测量装置二15均用于测量氢气的流量、湿度、温度和压力。电控开关阀二8和电控开关阀三9构成的并联气路经测量装置二15连接至质子交换膜燃料电池16的阳极。
氮气支路主要包括依次设置的氮气瓶2、过滤器5一、测量装置一7、加湿器一10、测量装置二15。氮气瓶2与过滤器一5之间设有减压阀二4。即氮气支路的氮气瓶2(含减压阀二4)与氢气瓶1(含减压阀一3)并联连接在过滤器一5上,与氢气瓶1共用连接至质子交换膜燃料电池16的气路。当氮气瓶2对质子交换膜燃料电池16进行吹扫时,打开电控开关阀二8并关闭电控开关阀三9。
空气支路主要包括依次设置的空气泵19、过滤器三20、测量装置三22、加湿器二25、测量装置四30。过滤器三20与测量装置三22之间设有电控开关阀五21,用于调节空气的输出量。在测量装置三22与测量装置四30之间设有电控开关阀六23和电控开关阀七24构成的并联气路,并且电控开关阀七24的气路上串联有加湿器二25,该加湿器二25用于在电控开关阀七24打开时对空气进行加湿。进一步地,加湿器二25的排水口上通过电控开关阀八26连接有废水收集器二27,加湿器二25的进水口上通过过滤器四28连接有去离子储水罐二29。其中,测量装置三22与测量装置四30均用于测量空气的流量、湿度、温度和压力。电控开关阀六23和电控开关阀七24构成的并联气路经测量装置四30连接至质子交换膜燃料电池16的阴极。
质子交换膜燃料电池16的排水区经背压阀31连接储水罐32。储水罐32上通过手动排水阀33连接有废水收集器三34。
质子交换膜燃料电池16的电能输出端连接有电子负载17,供电池性能测试时使用。
数据采集及处理系统18同时采集测量装置一7、测量装置二15、测量装置三22、测量装置四30与电子负载17的参数信息,以便对氢气支路、空气支路、氮气支路中的各电磁开关阀、背压阀进行控制。
现结合附图1及以上描述将本发明的一种燃料电池水淹检测及故障排除系统的工作原理和方法详细阐述如下。
根据实验要求,将反应气体按要求参数(气体流量、气体湿度、进气温度、进排气压力等)通入质子交换膜燃料电池16(氢气从电池阳极进入,空气从电池阴极进入)。
由氢气瓶1和空气泵19提供的反应气体(氢气、空气)通过各自的进气支路(包括减压阀一3、过滤器一5、电控开关阀一6、测量装置一7、过滤器三20、电控开关阀五21、测量装置三22等)进行压力调整后,经加湿控制装置(包括加湿器一10、电控开关阀四11、废水收集器一12、过滤器二13、去离子储水罐一14、加湿器二25、电控开关阀八26、废水收集器二27、过滤器四28和去离子储水罐二29)控制进气相对湿度,进入质子交换膜燃料电池16。
氢气和空气进入燃料电池16充分反应后,对排出的混合气(未完全反应的氢气、空气,以及水蒸气)在电池排水区进行水气分离,废气排入大气,水则积存在电池排水区内。当反应生成的水达到指定量时,即可打开手动排水阀33排水到废水收集罐34。
去离子储水罐一14通过过滤器二13向加湿器一10进行补水。去离子储水罐二29通过过滤器四28向加湿器二25进行补水。
通过数据采集与处理系统18对实验数据进行采集和后续处理。在实验过程(燃料电池反应)中一旦数据采集与处理系统检测到电子负载17两端的电压下降,即可以判定燃料电池16的电压异常,从而就能确定燃料电池16内部发生了水淹故障。
此时数据采集与处理系统18将开启氮气支路,即关闭减压阀一3、电控开关阀五21和电控开关阀三9,并开启电控开关阀二8和氮气瓶2上的减压阀二4,采取吹扫干氮气来排除燃料电池16反应区内的残留氢气和空气以及多余的积水,以此停止燃料电池16继续发生反应并缓解电池水淹故障,并一直保持干氮气吹扫直到水淹现象消失,然后重新进行新的实验。
本发明的燃料电池水淹检测及故障排除系统及其工作方法,当燃料电池系统运行过程出现错误或问题时,数据采集与处理系统会自动切换进气,将氢气换成氮气,氮气会按照氢气不加湿路线进行扫气处理,同时会根据燃料电池温度的高低来决定是否运行辅助冷却系统(未图示)对燃料电池进行冷却降温处理。辅助冷却系统为水循环系统。
综上,本发明的燃料电池水淹检测及故障排除系统能对燃料电池内部是否发生水淹现象进行诊断,并能可靠、有效排除该故障。
对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
本发明不限于以上对实施例的描述,本领域技术人员根据本发明揭示的内容,在本发明基础上不必经过创造性劳动所进行的改进和修改,都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种燃料电池水淹检测及故障排除系统,其特征在于:主要包括氢气支路、空气支路、氮气支路、燃料电池、电子负载和数据采集及处理系统;其中,
氢气支路主要包括依次设置的氢气瓶、过滤器一、测量装置一、加湿器一、测量装置二;
空气支路主要包括依次设置的空气泵、过滤器三、测量装置三、加湿器二、测量装置四;
氮气支路主要包括依次设置的氮气瓶、过滤器一、测量装置一、加湿器一、测量装置二;
氢气支路、氮气支路连接在燃料电池的阳极,空气支路连接在燃料电池的阴极;
电子负载连接在燃料电池的电能输出端;
数据采集及处理系统同时采集测量装置一、测量装置二、测量装置三、测量装置四与电子负载的参数信息,以便对氢气支路、空气支路、氮气支路进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池水淹检测及故障排除系统,其特征在于:
所述氢气支路中,氢气瓶与过滤器一之间设有减压阀一;过滤器一与测量装置一之间设有电控开关阀一;测量装置一与测量装置二之间设有电控开关阀二和电控开关阀三构成的并联气路,并且电控开关阀三的气路上串联有加湿器一,该加湿器一用于在电控开关阀三打开时对氢气进行加湿;电控开关阀二和电控开关阀三构成的并联气路经测量装置二连接至交换膜燃料电池的阳极。
3.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池水淹检测及故障排除系统,其特征在于:
加湿器一的排水口上通过电控开关阀四连接有废水收集器一,加湿器一的进水口上通过过滤器二连接有去离子储水罐一。
4.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池水淹检测及故障排除系统,其特征在于:测量装置一与测量装置二均用于测量氢气的流量、湿度、温度和压力。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池水淹检测及故障排除系统,其特征在于:
所述空气支路中,空气泵连接有过滤器三;过滤器三与测量装置三之间设有电控开关阀五;在测量装置三与测量装置四之间设有电控开关阀六和电控开关阀七构成的并联气路,并且电控开关阀七的气路上串联有加湿器二,该加湿器二用于在电控开关阀七打开时对空气进行加湿;电控开关阀六和电控开关阀七构成的并联气路经测量装置四连接至质子交换膜燃料电池的阴极。
6.根据权利要求1或5所述的一种燃料电池水淹检测及故障排除系统,其特征在于:
所述加湿器二的排水口上通过电控开关阀八连接有废水收集器二,加湿器二的进水口上通过过滤器四连接有去离子储水罐二。
7.根据权利要求1或5所述的一种燃料电池水淹检测及故障排除系统,其特征在于:
所述测量装置三与测量装置四均用于测量空气的流量、湿度、温度和压力。
8.根据权利要求1或2或5所述的一种燃料电池水淹检测及故障排除系统,其特征在于:
所述燃料电池为质子交换膜燃料电池。
9.一种工作方法,基于权利要求1-8任一项所述的一种燃料电池水淹检测及故障排除系统,其特征在于,包含如下步骤:
由氢气瓶和空气泵提供的其、空气通过各自的进气支路进行压力调整和湿度控制后,分别进入燃料电池的阳极和阴极反应;
氢气和空气进入燃料电池充分反应后,对排出的混合气在燃料电池的排水区进行水气分离;
通过数据采集与处理系统对实验数据进行采集和后续处理;
在燃料电池反应过程中,数据采集与处理系统检测到电子负载两端的电压下降,即判定燃料电池内部发生了水淹故障;
数据采集与处理系统开启氮气支路,采取吹扫干氮气来排除燃料电池反应区内的残留氢气和空气以及多余的积水,以此停止燃料电池继续发生反应并缓解电池水淹故障,并一直保持干氮气吹扫直到水淹现象消失。
10.根据权利要求9所述的,其特征在于:。
数据采集与处理系统根据燃料电池温度的高低来决定是否运行辅助冷却系统对燃料电池进行冷却降温处理。
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