CN111063916B - 燃料电池阳极水管理系统与控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池阳极水管理系统与控制方法，属于质子交换膜燃料电池技术领域。针对质子交换膜燃料电池运行过程中的阳极水管理问题，本发明方案可以实现除水与加湿两种功能，除水过程中从气水分离装置内挡板分离出的液态水被储存起来，并在燃料电池膜干需要加湿时补充给引射器；充分循环利用电堆尾气中的液态水，增加了加湿系统对缺水条件和低温条件的环境适应性；依靠高压氢气和引射器将液态水吸入混合室，避免了雾化喷嘴、超声波雾化器等加湿装置所增加的系统额外功耗。

Description

燃料电池阳极水管理系统与控制方法
技术领域
本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池阳极水管理系统与控制方法。
背景技术
当今全球环境污染与气候变暖问题日益严重，推动了清洁能源科技的创新。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其清洁、高效、紧凑和可靠等优点被认为是最有前途的技术之一。在燃料电池运行过程中，质子交换膜需要保持一定的湿润度才能保证质子传导能力。质子交换膜过干会使电导率下降，欧姆损失增加，严重时导致膜脱水、皱缩甚至破裂；相反，如果反应生成水不能及时排除，可能会堵塞气体扩散层孔隙和气体流道，阻碍反应物质量传输，从而使电池性能下降，甚至降低膜电极寿命。因此，合理有效的水管理，对提高燃料电池性能与寿命具有重要意义。与燃料电池阴极相比，阳极流道截面尺寸更小，氢气体积流量更低，因此如果发生水淹，液态水不易从流道排出，而且在氢气循环模式下尾气中的液态水可能会循环回电堆，从而加剧水淹；另一方面，当膜干需要加湿时，由于氢气出堆流量远小于入堆流量，不能采用与空气路类似的尾气加湿入堆气体的方式，只能单独配置一个水气加湿装置或依靠空气路加湿，这增加了加湿水资源消耗和湿度调节时间。
专利CN 100517842C(2009.7.22)公开了一种带有氢气空气温度与湿度调节装置的燃料电池，该发明在氢气与空气进入电堆之前进行温度与湿度的调节，避免了燃料电池堆内过湿或过干现象，提高了燃料电池的运行稳定性。该发明阳极尾气中液态水被分离出来，之后未被利用，而阳极氢气通过一个增湿装置进行加湿，需要不断补充加湿水，造成水资源浪费，并且在某些应用场合不易实现，如发动机系统与备用电源系统。
专利CN 101345318B(2010.6.16)公开了一种燃料电池增湿系统，该系统所包含的增湿装置引入了湿度测量装置，用于检测进入燃料电池的反应气体的湿度，根据检测到的湿度调节雾化喷嘴的进气量，从而可以对气体的湿度进行实时控制，克服了原有技术中燃料电池增湿装置不能及时调节进入燃料电池反应气体湿度的缺点。该发明针对燃料电池阴极湿度调节问题，采用喷雾方式对入堆气体进行调节，然而水雾化需要高压空气，这额外增加了空压机的功耗。在该发明中，阴极尾气中的液态水经过净化，被循环利用到增湿装置中，但该发明仅对阴极湿度进行管理，未考虑阳极湿度管理问题。
专利CN 108155401A(2018.6.12)公开了一种大流量低温气体温湿度控制设备，与原有技术相比，该发明设置两个热交换器，并在每一次热交换器之后均设置去水组件和管路加热器，可以大幅度降低气体中的水含量，减少可能的结冰量，避免损伤燃料电池。该发明针对冷启动情况，对入堆气体进行除水，然而未考虑对气体进行加湿的情况，反应生成水也未被有效利用。
专利CN 108615911A(2018.10.2)公开了一种车用燃料电池水热管理系统及其控制，该发明可根据燃料电池不同工况进行加热和加湿，利用尾气中的热量和水分，通过热交换器对冷却液进行加热，并通过比例阀将尾气中的部分水蒸气引回到阴极对空气进行加湿。同样，该发明未考虑阳极湿度管理问题。
专利CN 109037736A(2018.12.18)公开了一种燃料电池的加湿控制调节装置和加湿控制方法，首先通过加湿器对气体进行加湿，再通过温度调节装置、湿度调节装置和干气体混合装置的双重或三重作用来调节气体的湿度，由于调节方式有两种，当两种方式同时操作时能够实现快速的调节湿度。该发明未考虑尾气中液态水的循环利用，同时超声波雾化器增加了额外的功耗。
综上，目前现有水管理系统及控制技术具有如下缺点：
1)大多数系统对阴极湿度进行调节，考虑阳极水管理的技术较少。
2)仅考虑加湿或除水两种情况之一，同时实现两种功能的技术较少。
3)尾气中的液态水大多被直接排放，未被循环利用。
4)雾化喷嘴、超声波雾化器等加湿装置增加系统额外功耗。
发明内容
针对以上问题，本发明提出一种燃料电池阳极水管理系统与控制方法。本发明的气水分离装置可以将燃料电池阳极尾气中的湿氢气与液态水分离，有效避免水淹时液态水循环回燃料电池。从阳极尾气分离出的液态水可以存储起来，在膜干时，液态水经过颗粒过滤器与去离子器净化提供给氢气入口引射器，不需要增加额外功耗即可实现快速加湿的目的。
为实现上述系统与方法，本发明采用以下技术方案：
一种燃料电池阳极水管理系统，该系统包括气水分离装置、高压氢气源、减压阀、引射器、氢气入口压力传感器、燃料电池堆、氢气出口压力传感器、氢气循环泵、颗粒过滤器、比例调节阀、去离子器、单向阀、排气电磁阀、湿度传感器。
所述气水分离装置分为气水分离部分和储液部分。所述气水分离部分内布置有若干挡板，当燃料电池堆阳极尾气从氢气进气口进入气水分离部分后，液态水接触挡板，在惯性与重力作用下沿挡板向下滑动，最终脱离挡板并落入储液部分中，不含液态水的湿氢气从挡板之间的空隙绕流到达氢气出气口。气水分离部分可以有效去除燃料电池堆阳极尾气中的液态水，避免氢气循环引起的水淹。
所述气水分离装置储液部分通过浮球式排液开关自动控制储液部分内液面高度。当液位低于设定值时，浮球所受重力大于浮力，在杠杆作用下，活塞堵塞排水口，排水功能关闭；当液位高于设定值时，浮球所受重力小于浮力，在杠杆作用下，活塞脱离排水口，排水功能开启，液位下降到设定值。通过浮球式排液开关，液面高度可以控制在设定值以下，避免了液态水溢出引起的气水分离部分失效。
所述高压氢气源中释放的氢气经过减压阀后压力下降到预设值，随后通过引射器喷嘴进入缩放管，然后再通过阳极入口进入燃料电池堆；燃料电池堆阳极出口连接气水分离装置的氢气进气口，经过气液分离后不含液态水的湿氢气从氢气出气口进入氢气循环泵，保证循环回燃料电池堆阳极入口的氢气不含液态水；
所述燃料电池堆阳极出口处还布置有一旁路，用于定期排出阳极回路内的积水和氮气，该旁路依次通过单向阀和排气电磁阀；所述排气电磁阀的作用是定期执行脉冲式开关动作，单向阀的作用是防止排气瞬间外部空气进入氢气循环回路；
所述氢气入口压力传感器设置于阳极入口处，用于实时监测阳极入口压力，所述氢气出口压力传感器设置于阳极出口处，用于实时监测阳极出口压力；所述湿度传感器设置于氢气循环泵出口处，用于测量氢气循环泵出口氢气湿度；
当燃料电池质子交换膜过干时，开启比例调节阀，储液部分内存储的液态水通过加湿水出口依次流经颗粒过滤器、比例调节阀和去离子器，最终在引射器混合室内与高速流动的氢气混合，共同进入电堆阳极，为电堆阳极加湿；其中，水流量通过改变比例调节阀的开度来控制。
进一步地，为处理冷启动时水结冰问题，储液部分内布置有温度传感器和电加热器，当温度传感器检测到温度低于某一下限值时，电加热器启动，对水进行加热，温度传感器检测到温度高于某一上限值时，电加热器停止工作。
本发明的燃料电池阳极水管理系统控制方法包括以下步骤：
S1：判断阳极水状态。
根据湿度传感器测量值，以及氢气入口压力传感器和氢气出口压力传感器测量得到的电堆阳极压降，可以判断阳极正常、膜干和水淹状态。
当湿度传感器测量值RH小于某一设定的湿度判断阈值时，判定阳极膜干；若湿度传感器测量值RH等于或大于某一设定的湿度判断阈值，同时燃料电池堆阳极出口氢气饱和或者过饱和，加入压降判断条件；当压降大于某一设定的压降判断阈值时，则判断阳极发生水淹；未判断阳极发生膜干与水淹时，默认阳极为正常状态。
S2：调节阳极含水量。
若通过S1步骤判断燃料电池堆为正常状态，则保持原有运行状态。
若通过S1步骤判断燃料电池堆水淹，则加大氢气循环泵转速，加速液态水从阳极出口排出速率，从而降低燃料电池堆阳极含水量直到通过S1步骤判断燃料电池堆正常，将氢气循环泵转速设定到标称值。
若通过S1步骤判断燃料电池堆膜干，则开启比例调节阀，气水分离装置储液部分中储存的液态水经过颗粒过滤器与去离子器净化后，被吸入引射器混合室内，然后氢气与液态水一同进入燃料电池堆，使阳极含水量迅速提高，直到通过S1步骤判断燃料电池堆正常，则关闭比例调节阀，停止对阳极进气进行加湿，氢气循环泵转速设定到标称值。
在需要加湿的情况下，如果温度传感器检测到温度低于某一下限值时，电加热器启动，对水进行加热，温度传感器检测到温度高于某一上限值时，电加热器停止工作，保证加湿水温度处于合适的区间内。
本发明针对质子交换膜燃料电池运行过程中的阳极水管理问题，提出一种燃料电池阳极水管理系统与控制方法。本发明技术方案具有以下有益效果：可以实现除水与加湿两种功能，除水过程中从气水分离装置内挡板分离出的液态水被储存起来，并在燃料电池膜干需要加湿时补充给引射器；充分循环利用电堆尾气中的液态水，增加了加湿系统对缺水条件和低温条件的环境适应性；依靠高压氢气和引射器将液态水吸入混合室，避免了雾化喷嘴、超声波雾化器等加湿装置所增加的系统额外功耗。
附图说明
图1为本发明燃料电池阳极水管理系统气水分离装置结构示意图。
图2为本发明燃料电池阳极水管理系统结构示意图。
图3为本发明燃料电池阳极水管理系统控制方法阳极水状态判断流程。
附图标记说明：101-气水分离部分；102-储液部分；103-氢气进气口；104-氢气出气口；105-加湿水出口；106-挡板；107-液面；108-浮球；109-杠杆；110-活塞；111-温度传感器；112-电加热器；201-高压氢气源；202-减压阀；203-引射器；204-氢气入口压力传感器；205-燃料电池堆；206-氢气出口压力传感器；207-氢气循环泵；208-颗粒过滤器；209-比例调节阀；210-去离子器；211-单向阀；212-排气电磁阀；213-湿度传感器。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合附图及具体实施例进行对本发明方法的具体实施方式进行详尽描述。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明的燃料电池阳极水管理系统，包括气水分离装置、高压氢气源201、减压阀202、引射器203、氢气入口压力传感器204、燃料电池堆205、氢气出口压力传感器206、氢气循环泵207、颗粒过滤器208、比例调节阀209、去离子器210、单向阀211、排气电磁阀212、湿度传感器213。
其中，所述气水分离装置包括气液分离部分101和储液部分102。
所述气液分离部分101内部布置若干挡板106，用于将循环氢气中的液态水分离出来。
所述气液分离部分101氢气进气口103与燃料电池堆205阳极出口相连，氢气出气口104与氢气循环泵207相连。
所述储液部分102包括浮球108、杠杆109、活塞110、温度传感器111、电加热器112。
所述储液部分102的液面107高度通过浮球108、杠杆109和活塞110限定在固定范围内。
所述储液部分102中存储的液态水通过加湿水出口105连接到引射器。
本发明的工作原理如下：
图1为本发明燃料电池阳极水管理系统气水分离装置结构示意图。所述气水分离装置可分为气水分离部分101和储液部分102。其中气水分离部分101内布置有若干挡板106，当燃料电池堆205阳极尾气从氢气进气口103进入气水分离部分101后，液态水接触挡板106后，在惯性与重力作用下沿挡板106向下滑动，最终脱离挡板并落入储液部分102中，不含液态水的湿氢气由于密度较小，可以从挡板106之间的空隙绕流到达氢气出气口104。气水分离部分101可以有效去除燃料电池堆205阳极尾气中的液态水，避免氢气循环引起的水淹。
气水分离装置储液部分102通过浮球108自动控制液面107高度，当液位低于设定值时，浮球所受重力大于浮力，在杠杆109作用下，活塞110堵塞排水口，排水功能关闭；当液位高于设定值时，浮球所受重力小于浮力，在杠杆109作用下，活塞110脱离排水口，排水功能开启，液位下降到设定值。通过浮球式排液开关，液面107高度可以控制在设定值以下，避免了液态水溢出引起的气水分离部分101失效。储液部分102内存储的液态水通过加湿水出口105为燃料电池堆205阳极加湿。为处理冷启动时水结冰问题，储液部分102内布置温度传感器111和电加热器112，当温度传感器111检测到温度低于某一下限值时，电加热器112启动，对水进行加热，温度传感器111检测到温度高于某一上限值时，电加热器112停止工作。
图2为本发明燃料电池阳极水管理系统结构示意图。从高压氢气源201流出的氢气经过减压阀202后压力下降到适当值，随后通过引射器203喷嘴进入缩放管，氢气流出引射器203后进入燃料电池堆205阳极入口，氢气入口压力传感器204可以实时监测阳极入口压力，燃料电池堆205阳极出口连接气水分离装置氢气进气口103，经过气液分离后不含液态水的湿氢气从氢气出气口104进入氢气循环泵207，保证循环回燃料电池堆205阳极入口的氢气不含液态水。湿度传感器213可以测量氢气循环泵207出口氢气湿度，从而判断电堆阳极水状态。燃料电池堆205阳极出口处布置一旁路，用于定期排出阳极回路内的积水和氮气，该旁路依次通过单向阀211和排气电磁阀212。排气电磁阀212的作用是定期执行脉冲式开关动作，单向阀211的作用是防止排气瞬间外部空气进入氢气循环回路。
当燃料电池质子交换膜过干时，比例调节阀209开启，储液部分102内存储的液态水依次流经颗粒过滤器208、比例调节阀209和去离子器210，最终在引射器203混合室内与高速流动的氢气混合，共同进入电堆阳极。水流量可以通过改变比例调节阀209的开度来控制。
本发明的燃料电池阳极水管理系统控制方法包括以下步骤：
S1：判断阳极水状态。根据湿度传感器213测量值，氢气入口压力传感器204和氢气出口压力传感器206测量得到的电堆阳极压降(P1-P2)，可以判断阳极水状态。若湿度传感器213测量值RH明显小于100％，说明燃料电池堆205阳极出口氢气未饱和，阳极处于较干的状态，当RH小于某一设定的湿度判断阈值时，可以判定阳极膜干；若湿度传感器213测量值RH明显接近100％，燃料电池堆205阳极出口氢气可能刚好饱和，也可能过饱和，需要加入压降(P1-P2)判断条件，当压降(P1-P2)大于某一设定的压降判断阈值时，可以判断阳极发生水淹；未判断阳极发生膜干与水淹时，默认阳极为正常状态。
S2：调节阳极含水量。若通过S1步骤判断燃料电池堆为正常状态，则保持原有运行状态；若通过S1步骤判断燃料电池堆205水淹，则加大氢气循环泵207转速，加速液态水从阳极流道排出速率，从而降低电堆阳极含水量；若通过S1步骤判断燃料电池堆205膜干，则开启比例调节阀209，气水分离装置储液部分102中储存的液态水经过颗粒过滤器208与去离子器210净化后，被吸入引射器203混合室内，随后氢气与液态水一同进入燃料电池堆205，使阳极含水量迅速提高，在需要加湿的情况下，如果温度传感器111检测到温度低于某一下限值时，电加热器112启动，对水进行加热，温度传感器111检测到温度高于某一上限值时，电加热器112停止工作，保证加湿水温度处于合适的区间内；若通过S1步骤判断燃料电池堆205正常，则关闭比例调节阀209，停止对阳极进气进行加湿，氢气循环泵转速设定到标称值。
以上显示和描述了本发明的技术方案及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种燃料电池阳极水管理系统，其特征在于，该系统包括气水分离装置、高压氢气源、减压阀、引射器、氢气入口压力传感器、燃料电池堆、氢气出口压力传感器、氢气循环泵、颗粒过滤器、比例调节阀、去离子器、单向阀、排气电磁阀、湿度传感器；
所述气水分离装置分为气水分离部分和储液部分；所述气水分离部分内布置有若干挡板，当燃料电池堆阳极尾气从氢气进气口进入气水分离部分后，液态水接触挡板，在惯性与重力作用下沿挡板向下滑动，最终脱离挡板并落入储液部分中，不含液态水的湿氢气从挡板之间的空隙绕流到达氢气出气口；气水分离部分可以有效去除燃料电池堆阳极尾气中的液态水，避免氢气循环引起的水淹；
所述气水分离装置储液部分通过浮球式排液开关自动控制储液部分内液面高度，当液位低于设定值时，浮球所受重力大于浮力，在杠杆作用下，活塞堵塞排水口，排水功能关闭；当液位高于设定值时，浮球所受重力小于浮力，在杠杆作用下，活塞脱离排水口，排水功能开启，液位下降到设定值；通过浮球式排液开关，液面高度可以控制在设定值以下，避免了液态水溢出引起的气水分离部分失效；
所述高压氢气源中释放的氢气经过减压阀后压力下降到预设值，随后通过引射器喷嘴进入缩放管，然后再通过阳极入口进入燃料电池堆；燃料电池堆阳极出口连接气水分离装置的氢气进气口，经过气液分离后不含液态水的湿氢气从氢气出气口进入氢气循环泵，保证循环回燃料电池堆阳极入口的氢气不含液态水；
所述燃料电池堆阳极出口处还布置有一旁路，用于定期排出阳极回路内的积水和氮气，该旁路依次通过单向阀和排气电磁阀；所述排气电磁阀的作用是定期执行脉冲式开关动作，单向阀的作用是防止排气瞬间外部空气进入氢气循环回路；
所述氢气入口压力传感器设置于阳极入口处，用于实时监测阳极入口压力，所述氢气出口压力传感器设置于阳极出口处，用于实时监测阳极出口压力；所述湿度传感器设置于氢气循环泵出口处，用于测量氢气循环泵出口氢气湿度；
当燃料电池质子交换膜过干时，开启比例调节阀，储液部分内存储的液态水通过加湿水出口依次流经颗粒过滤器、比例调节阀和去离子器，最终在引射器混合室内与高速流动的氢气混合，共同进入电堆阳极，为电堆阳极加湿；其中，水流量通过改变比例调节阀的开度来控制。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池阳极水管理系统，其特征在于，该系统储液部分内还设置有温度传感器和电加热器，当温度传感器检测到温度低于某一下限值时，电加热器启动，对水进行加热，直到温度传感器检测到温度高于某一上限值时，电加热器停止工作。
3.一种基于权利要求1的燃料电池阳极水管理系统的控制方法，包括以下步骤：
S1：判断阳极水状态：
根据湿度传感器测量值，以及氢气入口压力传感器和氢气出口压力传感器测量得到的电堆阳极压降，判断阳极水状态；
当湿度传感器测量值RH小于某一设定的湿度判断阈值时，判定阳极膜干；若湿度传感器测量值RH等于或大于某一设定的湿度判断阈值，同时燃料电池堆阳极出口氢气饱和或者过饱和，加入压降判断条件；当压降大于某一设定的压降判断阈值时，则判断阳极发生水淹；未判断阳极发生膜干与水淹时，默认阳极为正常状态；
S2：调节阳极含水量：
若通过S1步骤判断燃料电池堆为正常状态，则保持原有运行状态；
若通过S1步骤判断燃料电池堆水淹，则加大氢气循环泵转速，加速液态水从阳极出口排出速率，从而降低燃料电池堆阳极含水量直到通过S1步骤判断燃料电池堆正常，将氢气循环泵转速设定到标称值；
若通过S1步骤判断燃料电池堆膜干，则开启比例调节阀，气水分离装置储液部分中储存的液态水经过颗粒过滤器与去离子器净化后，被吸入引射器混合室内，然后氢气与液态水一同进入燃料电池堆，使阳极含水量迅速提高，直到通过S1步骤判断燃料电池堆正常，则关闭比例调节阀，停止对阳极进气进行加湿，氢气循环泵转速设定到标称值。
4.如权利要求3所述的一种燃料电池阳极水管理系统的控制方法，其特征在于，在需要加湿的情况下，当温度传感器检测到温度低于某一下限值时，电加热器启动，对水进行加热，直到温度传感器检测到温度高于某一上限值时，电加热器停止工作，保证加湿水温度处于合适的区间内。
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