CN109950577B - 供氧系统的计算方法及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种供氧系统的计算方法及应用方法，该供氧系统的计算方法包括燃料电池阴极供氧系统，燃料电池阴极供氧系统包括：供气单元、与供气单元连接的反应单元、与反应单元连接的气液分离单元、驱动件及排水单元；供气单元包括并联设置的充气支路与供氧支路；气液分离单元与反应单元串联形成循环回路；驱动件设于循环回路上。上述燃料电池阴极供氧系统，通过设置充气支路充入不与氢气反应的气体，并保证该气体不断的循环，消耗掉的氧气通过供氧支路补充纯氧，保证了燃料电池的使用寿命，燃料电池工作时长的同时，不会降低电池性能，也不需要占用外界空间，进而降低了使用的局限性。

Description

供氧系统的计算方法及应用方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种供氧系统的计算方法及应用方法。

背景技术

氢燃料电池是一种将氢气的化学能转换为电能的装置，工作过程因不受卡诺循环限制，理论效率为75％-100％，现有水平也可达40％-60％，远高于内燃机的30％-35％。燃料电池有着较高的质量功率密度，在航空航天、汽车及潜艇等领域有很大的应用价值。

氢燃料电池的阳极侧需要通入纯氢或高纯氢，而阴极侧气体含氧量选择范围较大，在相同流量条件下，含氧量越高，电池的输出性能越高。若携带的阴极反应气体为氧气和其他气体的混合气，进入燃料电池后，其中的氧组分会消耗一部分，若再循环进入阴极板，会造成阴极板进气含氧量下降，电池性能下降；如果将阴极出口气体储存，需要气体存储设备，会占用外界空间，增加氢燃料电池的使用成本。若携带的阴极气体为纯氧，电池阴极出口气体可循环利用，且纯氧有助于提高氢燃料电池的工作时长。但若循环系统中的气体为纯氧，由于其强氧化性，极易助燃，对循环系统内的设备和管路的安全性要求更高，且纯氧环境中，电堆膜电极使用寿命会更快减少，这就使氢燃料电池使用的局限性更大。

发明内容

基于此，有必要针对氢燃料电池使用局限性大的问题，提供一种供氧系统的计算方法及应用方法。

一种供氧系统的计算方法，包括燃料电池阴极供氧系统，所述燃料电池阴极供氧系统包括：供气单元，所述供气单元包括并联设置的充气支路与供氧支路；所述充气支路与供氧支路连通于供气端D1；反应单元，与所述供气单元连接；该反应单元设有进气端D4与出气液端D5，进气端D4与供气端D1相连通；气液分离单元，与所述反应单元串联形成循环回路；所述气液分离单元包括分离器；所述分离器设有进气液口D6、排气口D7及排液口D8，所述进气液口D6与出气液端D5连通，该排气口D7与进气端D4连通；驱动件，设于所述循环回路上，所述驱动件用于驱动所述供气单元所供的气体以及气液分离单元排出的气体流向所述反应单元；及排水单元，所述排水单元设有出液端D9，该出液端D9与排液口D8相连通；该供氧系统计算方法用于计算燃料电池阴极供氧系统内含氧量n与绝对压力P，所述供氧系统的计算方法为：

设打开充气支路后，外界气源内的气体进入燃料电池阴极供氧系统，此时燃料电池阴极供氧系统内部压力为P₀，外界气源内气体的含氧量为n₀，此时氧气的分压为P_氧1；

根据气体分压分体积定律可知：P_氧1＝P₀×n₀；

供氧支路包括串联的储氧件、调节阀及控制阀；打开控制阀，调整调节阀开度后，储氧件中的纯氧通入燃料电池阴极供氧系统后，此时燃料电池阴极供氧系统的内部压力为P₁，燃料电池阴极供氧系统增压P_氧2，即P_氧2＝P₁-P₀；

启动驱动件后，此时燃料电池阴极供氧系统内部的压力为P；燃料电池阴极供氧系统绝对压力增加ΔP，即P＝P₀+P_氧2+ΔP；

所以可知燃料电池阴极供氧系统内的含氧量为：

其中，P₀、P₁、P通过设置检测件直接读取数据。

上述燃料电池阴极供氧系统，通过供氧系统的计算方法即可计算出燃料电池阴极供氧系统内的含氧量，进而保证对燃料电池性能进行控制。

在其中一个实施例中，所述检测件临近所述进气端D4设置。

在其中一个实施例中，所述调节阀与控制阀位于储氧件的出气口与所述供气端D1之间。

在其中一个实施例中，所述充气支路包括进气阀，该进气阀的出气口连通所述供气端D1。

在其中一个实施例中，所述分离器的排气口D7与供气端D1相连通；所述供氧支路、充气支路及分离器连通于供气端D1，并对应与反应单元的进气端D4相连通。

在其中一个实施例中，所述反应单元为燃料电池的阴极板。

在其中一个实施例中，所述排水单元包括排水阀，所述排水阀的进水口连通所述排液口D8。

在其中一个实施例中，所述进气液口D6与排气口D7分别对应设置在所述分离器的两侧，所述排液口D8对应设置于所述分离器的底部。

本发明还提供了一种供氧系统的应用方法，基于本申请实施例描述中任意一项所述的供氧系统的计算方法，所述供氧系统的应用方法包括如下步骤：

步骤S1：将排水单元打开，并将所述充气支路与外界气源连通，其中所述气源的气体为不与氢气反应的气体，或不与氢气反应的气体与氧气的混合气；

步骤S2：将所述充气支路打开，启动所述驱动件，使外界气源内的气体进入该燃料电池阴极供氧系统，部分通过排水单元排出到外界；

步骤S3：循环一段时间后，将排水单元关闭，使燃料电池阴极供氧系统内的压力达到预定值，再将充气支路关闭，并停止驱动件工作；

步骤S4：供氧支路包括串联的储氧件、调节阀及控制阀；将控制阀打开，调整调节阀的开度，使该燃料电池阴极供氧系统内压力达到要求的数值；

步骤S5：启动驱动件，使该燃料电池阴极供氧系统内的气体循环，储氧件对燃料电池阴极供氧系统内消耗的氧气进行补充。

在其中一个实施例中，所述步骤S5之后还包括：

步骤S51：待燃料电池阴极供氧系统内氧气反应，使分离器内的水累积到一定程度后需要排出时，将所述排水单元打开，将所述分离器内液态水通过排水单元排出到外界；

步骤S52：待分离器内液态水下降到标准量后，将排水单元关闭。

附图说明

图1为本发明一实施方式的燃料电池阴极供氧系统的结构示意图；

图2为图1所述的燃料电池阴极供氧系统的结构框图；

图3为燃料电池阴极供氧系统的结构示意图。

附图中标号的含义为：

100-燃料电池阴极供氧系统；

10-供气单元、20-充气支路、25-进气阀、30-供氧支路、31-储氧件、32-调节阀、33-控制阀；

40-反应单元；

50-气液分离单元、55-分离器；

60-驱动件；

70-检测件；

80-排水单元、85-排水阀。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1与图2，为本发明一实施方式的燃料电池阴极供氧系统100，供气单元10、与供气单元10连接的反应单元40、与反应单元40连接的气液分离单元50、与反应单元40连接的驱动件60、及与气液分离单元50连接的排水单元80；该燃料电池阴极供氧系统100用于燃料电池的阴极，为燃料电池阴极提供反应原料氧气，以与阳极的氢气发生反应进而产生电能。

该供气单元10包括并联设置在充气支路20与供氧支路30；该充气支路20与供氧支路30连通于供气端D1，充气支路20设有充气端D2，充气端D2对应与供气端D1相连通，充气支路20用于与外界气源连接，进而将外界气源内的气体输入燃料电池阴极供氧系统100内；该充气支路20包括进气阀25，该进气阀25的出气口连通供气端D1，进气阀25用于控制充气支路20的工作状态，即控制充气支路20的通断，进而控制外界气源的气体是否进入燃料电池阴极供氧系统100内。可以理解地，该外界气源内的气体为不与氢气反应的气体，或不与氢气反应的气体与氧气的混合气。

供氧支路30设有供氧端D3，供氧端D3与供气端D1相连通，该供氧端D3与充气端D2并联于供气端D1，供氧支路30用于将纯氧输入燃料电池阴极供氧系统100内；该供氧支路30包括串联的储氧件31、调节阀32及控制阀33。该储氧件31呈中空结构设置，储氧件31内设置有高压纯氧，储氧件31用于补充燃料电池阴极供氧系统100反应所消耗的氧气；调节阀32与控制阀33位于储氧件31的出气口与供气端D1之间，储氧件31依次与调节阀32及控制阀33连接后通过该供氧端D3与供气端D1连接，该调节阀32设置在储氧件31的一侧，调节阀32与储氧件31连接，调节阀32用于调节储氧件31输入反应单元40的氧气的气压大小；该控制阀33与调节阀32连接，调节阀32设置在控制阀33与储氧件31之间，控制阀33用于控制供氧支路30输送氧气的通断状态。在本实施例中，该控制阀33为电磁阀；该调节阀32为减压阀。

该反应单元40呈矩形直板状结构设置，反应单元40与供气单元10连接，反应单元40用于提供反应场所，反应单元40设有进气端D4与出气液端D5；进气端D4与出气液端D5对应设置在反应单元40的一侧，进气端D4与出气液端D5呈并列状设置在反应单元40上，进气端D4与供气端D1相连通。在本实施例中，该反应单元40为燃料电池的阴极板，进气端D4用于向阴极板内输送待反应的气体，待反应的气体中含有氧气，氧气用于与外界燃料电池阳极板上的氢气反应，进而使燃料电池产生电能。

该气液分离单元50与反应单元40连接，气液分离单元50包括分离器55；该分离器55呈中空结构沿竖直方向设置，分离器55用于将反应单元40排出的反应后的气体中的气与水相对分离；分离器55设有进气液口D6、排气口D7及排液口D8；气液分离单元50与反应单元40串联形成循环回路，该循环回路指分离器55的排气口D7与反应单元40的进气端D4连通，同时反应单元40的出气液端D5与分离器55的进气液口D6连通，该循环回路保证反应单元40内反应后的气体，经过分离器55将气液分离后的气体重新输送进反应单元40内。更进一步地，进气液口D6与排气口D7分别对应设置在分离器55的两侧，进气液口D6用于向分离器55内通入反应单元40反应后的气体，排气口D7用于将分离器55内气水分离后的气体排出；排液口D8对应设置于分离器55的底部，排液口D8用于将分离器55内气水分离后的水排出，该进气液口D6、排气口D7及排液口D8对应与分离器55内部相连通。在本实施例中，该分离器的排气口D7与供气端D1相连通；供氧支路30、充气支路20及分离器55连通于供气端D1，进而对应与反应单元的进气端D4相连通。可以理解地，请参阅图3，所述进气液口D6、排气口D7及排液口D8不具体限制，在其它实施例中，该进气液口D6与排液口D8可对应设置在分离器55的两侧，排液口D8相对设置在分离器55的底端，排气口D7对应设置在分离器55的顶部。

该驱动件60对应与反应单元40连接，驱动件设于循环回路上，该驱动件60用于驱动所述供气单元10所供的气体以及气液分离单元50排出的气体流向反应单元40。在本实施例中，该驱动件60设置在出气液端D5与进气液口D6之间，驱动件60设置在分离器55与反应单元40之间，用于使燃料电池阴极供氧系统100内气体更稳定的循环，使进入反应单元40的气流更稳定，提高工作的平稳性。更进一步地，燃料电池阴极供氧系统100还包括检测件70；检测件70对应设置于循环回路上，检测件70临近进气端D4设置，检测件70用于检测进入反应单元40处的气体压强；具体地，该检测件70为压力传感器。

该排水单元80与气液分离单元50连接，排水单元80设有出液端D9，出液端D9与排液口D8连通，排水单元80用于将分离器55内的水排出到外界；该排水单元80包括排水阀85，排水阀85的进水口连通排液口D8，该排水阀85对应与分离器55相连接，排水阀85用于控制排水单元80的工作状态，即控制排水单元80的通断状态，以控制是否将分离器55内的水排出；更进一步地，该排水单元80与分离器55的底部连通，用于保证分离器55内部的水更好的排出。

本实施例提供一种供氧系统的应用方法，基于上述的燃料电池阴极供氧系统100，所述供氧系统的应用方法包括如下步骤：

步骤S1：将排水单元80打开，并将所述充气支路20与外界气源连通，其中所述气源的气体为不与氢气反应的气体，或不与氢气反应的气体与氧气的混合气；具体地，将排水阀85打开，以将排水单元80打开；

步骤S2：将所述充气支路20打开，启动所述驱动件60，使外界气源内的气体进入该燃料电池阴极供氧系统100，部分通过排水单元80排出到外界；具体地，将进气阀25打开，以保证将充气支路20打开；

步骤S3：循环一段时间后，将排水单元80关闭，使燃料电池阴极供氧系统100内的压力达到预定值，再将充气支路20关闭，并停止驱动件60工作；

步骤S4：供氧支路包括串联的储氧件31、调节阀32及控制阀33；将控制阀33打开，调整调节阀32的开度，使该燃料电池阴极供氧系统100内压力达到要求的数值；

步骤S5：启动驱动件60，使该燃料电池阴极供氧系统100内的气体循环，储氧件31对燃料电池阴极供氧系统100内消耗的氧气进行补充；

步骤S51：待燃料电池阴极供氧系统100内氧气反应，使分离器55内的水累积到一定程度后需要排出时，将所述排水单元80打开，将所述分离器55内液态水通过排水单元80排出到外界；

步骤S52：待分离器55内液态水下降到标准量后，将排水单元80关闭。

其中，该排水单元80打开指将排水阀85打开，对应的排水单元80关闭指将排水阀85关闭；充气支路20打开指将进气阀25打开，对应的充气支路20关闭指将进气阀25关闭。

上述的供氧系统的应用方法通过充气支路20将外界气源的气体引入燃料电池阴极供氧系统100内，由于气体中有不与氢气反应的气体，所以使燃料电池阴极供氧系统100内的气体中含有不参与反应的气体，以防止纯氧的氧化性过高降低各部件的使用寿命；同时通过持续循环一段时间，将系统内原有气体通过排水阀85排出，保证燃料电池阴极供氧系统100内部的气体成分为外界气源气体成分，进而方便对含氧量的精确控制，提高准确性；再将排水阀85与进气阀25对应关闭，将控制阀33打开，调整调节阀32开度，使供氧装置内的纯氧通入燃料电池阴极供氧系统100内，达到规定压力值，在启动驱动件60即可使燃料电池阴极供氧系统100内的气体循环流动，此时如果燃料电池阳极板通入氢气即可对应发生反应，反应单元40反应消耗的氧气由供氧装置内的纯氧进行补充，进而保证燃料电池阴极供氧系统100内的含氧量不变。

本实施例提供一种供氧系统的计算方法，基于上述的燃料电池阴极供氧系统100，该供氧系统计算方法用于计算燃料电池阴极供氧系统100内含氧量n与绝对压力P，该供氧系统的计算方法为：

设打开充气支路20后，外界气源内的气体进入燃料电池阴极供氧系统100，此时燃料电池阴极供氧系统100内部压力为P₀，外界气源内气体的含氧量为n₀，此时氧气的分压为P_氧1；

根据气体分压分体积定律可知：P_氧1＝P₀×n₀；

供氧支路30包括串联的储氧件31、调节阀32及控制阀33；打开控制阀33，调整调节阀32开度后，储氧件31中的纯氧通入燃料电池阴极供氧系统100后，此时燃料电池阴极供氧系统100的内部压力为P₁，燃料电池阴极供氧系统100增压P_氧2，即P_氧2＝P₁-P₀；

启动驱动件60后，此时燃料电池阴极供氧系统100内部的压力为P；；燃料电池阴极供氧系统100绝对压力增加ΔP，即P＝P₀+P_氧2+ΔP；

所以可知燃料电池阴极供氧系统100内的含氧量为：

其中，P₀、P₁、P通过设置检测件70直接读取数据；通过上述的供氧系统的计算方法即可计算出燃料电池阴极供氧系统100内的含氧量，进而保证对燃料电池性能进行控制。

上述燃料电池阴极供氧系统100，通过设置充气支路20保证可以对应充入不与氢气反应的气体；通过进气液口D6与出气液端D5连通，排气口D7与进气端D4连通，形成循环回路，保证该不与氢气反应的气体不断的循环，而消耗掉的氧气可通过供氧支路30补充纯氧，进而保证了燃料电池的使用寿命，同时保证只需要携带纯氧，保证燃料电池工作时长的同时，不会随着使用的循环降低电池性能，也不需要占用外界空间设置储存出气的装置，进而极大的降低了氢燃料电池使用的局限性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种供氧系统的计算方法，包括燃料电池阴极供氧系统，所述燃料电池阴极供氧系统包括：供气单元，所述供气单元包括并联设置的充气支路与供氧支路；所述充气支路与供氧支路连通于供气端D1；反应单元，与所述供气单元连接；该反应单元设有进气端D4与出气液端D5，进气端D4与供气端D1相连通；气液分离单元，与所述反应单元串联形成循环回路；所述气液分离单元包括分离器；所述分离器设有进气液口D6、排气口D7及排液口D8，所述进气液口D6与出气液端D5连通，该排气口D7与进气端D4连通；驱动件，设于所述循环回路上，所述驱动件用于驱动所述供气单元所供的气体以及气液分离单元排出的气体流向所述反应单元；及排水单元，所述排水单元设有出液端D9，该出液端D9与排液口D8相连通；该供氧系统计算方法用于计算燃料电池阴极供氧系统内含氧量n与绝对压力P，其特征在于，所述供氧系统的计算方法为：

设打开充气支路后，外界气源内的气体进入燃料电池阴极供氧系统，此时燃料电池阴极供氧系统内部压力为P₀，外界气源内气体的含氧量为n₀，此时氧气的分压为P_氧1；

根据气体分压分体积定律可知：P_氧1＝P₀×n₀；

供氧支路包括串联的储氧件、调节阀及控制阀；打开控制阀，调整调节阀开度后，储氧件中的纯氧通入燃料电池阴极供氧系统后，此时燃料电池阴极供氧系统的内部压力为P₁，燃料电池阴极供氧系统增压P_氧2，即P_氧2＝P₁-P₀；

启动驱动件后，此时燃料电池阴极供氧系统内部的压力为P；燃料电池阴极供氧系统绝对压力增加ΔP，即P＝P₀+P_氧2+ΔP；

所以可知燃料电池阴极供氧系统内的含氧量为：

其中，P₀、P₁、P通过设置检测件直接读取数据。

2.根据权利要求1所述的供氧系统的计算方法，其特征在于，所述检测件临近所述进气端D4设置。

3.根据权利要求1所述的供氧系统的计算方法，其特征在于，所述调节阀与控制阀位于储氧件的出气口与所述供气端D1之间。

4.根据权利要求3所述的供氧系统的计算方法，其特征在于，所述充气支路包括进气阀，该进气阀的出气口连通所述供气端D1。

5.根据权利要求4所述的供氧系统的计算方法，其特征在于，所述分离器的排气口D7与供气端D1相连通；所述供氧支路、充气支路及分离器连通于供气端D1，并对应与反应单元的进气端D4相连通。

6.根据权利要求5所述的供氧系统的计算方法，其特征在于，所述反应单元为燃料电池的阴极板。

7.根据权利要求1所述的供氧系统的计算方法，其特征在于，所述排水单元包括排水阀，所述排水阀的进水口连通所述排液口D8。

8.根据权利要求1所述的供氧系统的计算方法，其特征在于，所述进气液口D6与排气口D7分别对应设置在所述分离器的两侧，所述排液口D8对应设置于所述分离器的底部。

9.一种供氧系统的应用方法，基于权利要求1-8中任意一项所述的供氧系统的计算方法，其特征在于，所述供氧系统的应用方法包括如下步骤：

步骤S1：将排水单元打开，并将所述充气支路与外界气源连通，其中所述气源的气体为不与氢气反应的气体，或不与氢气反应的气体与氧气的混合气；

步骤S2：将所述充气支路打开，启动所述驱动件，使外界气源内的气体进入该燃料电池阴极供氧系统，部分通过排水单元排出到外界；

步骤S3：循环一段时间后，将排水单元关闭，使燃料电池阴极供氧系统内的压力达到预定值，再将充气支路关闭，并停止驱动件工作；

步骤S4：供氧支路包括串联的储氧件、调节阀及控制阀；将控制阀打开，调整调节阀的开度，使该燃料电池阴极供氧系统内压力达到要求的数值；

步骤S5：启动驱动件，使该燃料电池阴极供氧系统内的气体循环，储氧件对燃料电池阴极供氧系统内消耗的氧气进行补充。

10.根据权利要求9所述的供氧系统的应用方法，其特征在于，所述步骤S5之后还包括：

步骤S51：待燃料电池阴极供氧系统内氧气反应，使分离器内的水累积到一定程度后需要排出时，将所述排水单元打开，将所述分离器内液态水通过排水单元排出到外界；

步骤S52：待分离器内液态水下降到标准量后，将排水单元关闭。

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