CN111370734A - 一种燃料电池发动机的阳极气体供应装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池发动机的阳极气体供应装置及方法，通过氢气入口调压支路、气体入堆支路、空气吹扫支路、气体循环支路、气体出堆支路和气体尾排支路实现电堆的开机吹扫、氢气循环、尾气排放和关机吹扫，从而为燃料电池的正常运行提供足够的氢气流量、压力和内部适宜湿度，这样在不需要循环泵频繁变载时实现燃料电池发动机高效率稳定运行，确保良好的发电特性，具有氢气利用率高、尾气排效果强等特点。

Description

一种燃料电池发动机的阳极气体供应装置及方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，更为具体地讲，涉及一种燃料电池发动机的阳极气体供应装置及方法。
背景技术
近年来，随着新能源技术的发展，质子交换膜燃料电池发电技术由于其能量密度高、零排放、可再生等优点备受瞩目，质子交换膜燃料电池分为水循环冷却和空气冷却型两种，其中，水冷型燃料电池具有能量密度高，使用寿命长等特点，因此燃料电池在固定式发电装置、新能源汽车等领域应用前景广阔。
燃料电池发动机由阳极侧氢气和阴极侧氧气通过发生电化学反应产生电能，其中阳极侧氢气供应模块负责为燃料电池阳极提供反应所需的氢气，为使燃料电池发动机具有良好的输出特性，运行过程中需要提供足够的氢气流量、压力和适宜的湿度。现有技术中常见的关于燃料电池发动机阳极侧氢气供应装置，大多通过进气侧阀门控制进气流量和进气压力，通过出气口阀门控制尾气排放，通过串联在进气和排气口中间的氢气循环泵来实现氢气的循环利用。现有技术中关于燃料电池发动机阳极气体供应装置只考虑了燃料电池发动机工作过程中正常的氢气循环和尾气排放，不但不能较好的控制燃料电池内部水气平衡，而且还需要氢气循环泵频繁变载，使得控制复杂且容易导致其寿命衰减。因此寻求一种优化的燃料电池发动机的阳极气体供应装置，更有利于为燃料电池的正常运行提供足够的氢气流量、压力和保持燃料电池内部适宜的湿度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种燃料电池发动机的阳极气体供应装置及方法，在燃料电池发动机正常运行时，提供足够的氢气流量、压力和内部适宜湿度，还能确保燃料电池具有良好的发电特性并提高氢气的利用率。
为实现上述发明目的，本发明一种燃料电池发动机的阳极气体供应装置，其特征在于，包括：氢气入口调压支路、气体入堆支路、空气吹扫支路、气体循环支路、气体出堆支路和气体尾排支路；
所述氢气入口调压支路包括第一电磁阀和调压装置；第一电磁阀的输入端连接氢气供应管道，输出端连接调压装置，氢气通过氢气供应管道输入至第一电磁阀；调压装置由比例阀构成，通过控制比例阀的阀门开度来限制进气端压力和流量，调压装置输出端连接气体入堆支路，同时连接空气吹扫支路输出端和气体循环支路输出端。
所述气体入堆支路上安装有气体温度和压力采集传感器，主要为流进燃料电池发动机电堆的氢气提供通道，并实时监测进堆气体的压力和温度，作为反馈值来控制氢气入口调压支路的电磁阀和调压装置；所述气体入堆支路输入端和氢气入口调压支路输出端、空气吹扫支路输出端和气体循环支路输出端连接，输出端和发动机燃料电池堆氢气进气口直接连接；
所述空气吹扫支路由第四电磁阀构成，负责空气吹扫支路的气流通断，其输入端直接和空气供应管道相连接，输出端和氢气入口调压支路的输出端、气体循环支路输出端和气体入堆支路的输入端连接；
所述气体循环支路由第二电磁阀构成，连接气体出堆支路和气体入堆支路，将出堆尾气导流至入堆口，实现氢气的循环利用；其输入端和气体出堆支路输出端及气体尾排支路输入端相连接，输出端和氢气入口调压支路的输出端、空气吹扫支路输出端和气体入堆支路的输入端连接；
所述气体出堆支路由气体循环泵组成，其输出端连接气体循环支路输入端和气体尾排支路输入端，其输入端直接和发动机电堆阳极出气口相接；正常工作模式下，利用循环泵将出口未反应完全的氢气泵回入口，同时利用渗透到阳极的水为氢气来加湿，增加电堆阳极侧的压力梯度，促进阳极侧液态水的排出；
所述气体尾排支路由第三电磁阀组成，负责尾气排放周期的控制，正常运行时该电磁阀处于关闭状态，尾气排放时该电磁阀打开，其输入端连接气体循环支路输入端和气体出堆支路输出端，其输出端连接发动机尾气排放管道。
一种燃料电池发动机的阳极气体供应方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、开机吹扫
当燃料电池开机时，将氢气入口调压支路上的第一电磁阀和气体尾排支路上的第三电磁阀打开，将气体循环支路上的第二电磁阀和空气吹扫支路上的第四电磁阀关闭，利用氢气同时吹扫管路、循环泵和电堆阳极侧，使燃料电池发动机的阳极侧填充的空气置换为氢气，当开机吹扫完成后，关闭气体尾排支路上的第三电磁阀，启动燃料电池发动机；
(2)、氢气循环
利用氢气入口调压支路的调压装置调节阳极的入堆压力，调压装置中的比例阀以入堆压力作为控制目标，调节比例阀的开度，实现入堆压力的闭环调节；将气体循环支路上的第二电磁阀打开，利用循环泵将出口未反应完全的氢气泵回入口，同时利用渗透到阳极的水为氢气来加湿，增加电堆阳极侧的压力梯度，促进阳极侧液态水的排出；
(3)、尾气排放
间断性地打开或关闭气体循环支路上的第二电磁阀和气体尾排支路上的第三电磁阀，第二电磁阀和第三电磁阀的开关状态为互补关系，用于排空氮气和水蒸气，同时利用循环泵增强氮气和水蒸气排放；
(4)、关机吹扫
将氢气入口调压支路上的第一电磁阀和气体循环支路上的第二电磁阀关闭关闭，打开空气吹扫支路上的第四电磁阀和气体尾排支路上的第三电磁阀，利用空气对气体入堆支路、电堆阳极以及气体出堆支路进行吹扫，当观测到电堆的开路电压降低到设定阈值时，吹扫完成。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种燃料电池发动机的阳极气体供应装置及方法，通过氢气入口调压支路、气体入堆支路、空气吹扫支路、气体循环支路、气体出堆支路和气体尾排支路实现电堆的开机吹扫、氢气循环、尾气排放和关机吹扫，从而为燃料电池的正常运行提供足够的氢气流量、压力和内部适宜湿度，这样在不需要循环泵频繁变载时实现燃料电池发动机高效率稳定运行，确保良好的发电特性，具有氢气利用率高、尾气排效果强等特点。
附图说明
图1是本发明一种燃料电池发动机的阳极气体供应装置的一种具体实施方式架构图；
图2是燃料电池进行开机吹扫及尾气排放的工作示意图；
图3是燃料电池进行氢气循环的工作示意图；
图4是燃料电池进行关机吹扫的工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种燃料电池发动机的阳极气体供应装置的一种具体实施方式架构图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种燃料电池发动机的阳极气体供应装置，包括：氢气入口调压支路、气体入堆支路、空气吹扫支路、气体循环支路、气体出堆支路和气体尾排支路；
氢气入口调压支路包括电磁阀1和调压装置；电磁阀1的输入端连接氢气供应管道，输出端连接调压装置，氢气通过氢气供应管道输入至电磁阀1；调压装置由比例阀构成，通过控制比例阀的阀门开度来限制进气端压力和流量，调压装置输出端连接气体入堆支路，同时连接空气吹扫支路输出端和气体循环支路输出端。
气体入堆支路上安装有气体温度和压力采集传感器，主要为流进燃料电池发动机电堆的氢气提供通道，并实时监测进堆气体的压力和温度，作为反馈值来控制氢气入口调压支路的电磁阀和调压装置；气体入堆支路输入端和氢气入口调压支路输出端、空气吹扫支路输出端和气体循环支路输出端连接，输出端和发动机燃料电池堆氢气进气口直接连接；
空气吹扫支路由电磁阀4构成，负责空气吹扫支路的气流通断，在燃料电池正常运行模式下，由于其输出端受氢气入口调压支路的影响，其压力较高，所以该支路上的电磁阀4为可承受负高压电磁阀，其输入端直接和空气供应管道相连接，输出端和氢气入口调压支路的输出端、气体循环支路输出端和气体入堆支路的输入端连接；
气体循环支路由电磁阀2构成，连接气体出堆支路和气体入堆支路，将出堆尾气导流至入堆口，实现氢气的循环利用，由于其输出端受氢气入口调压支路的影响，压力较高，所以该支路上的电磁阀2为可承受负高压电磁阀，其输入端和气体出堆支路输出端及气体尾排支路输入端相连接，输出端和氢气入口调压支路的输出端、空气吹扫支路输出端和气体入堆支路的输入端连接；
气体出堆支路由气体循环泵组成，正常工作模式下，将出口未反应完全的氢气泵回入口，这样可以提高阳极侧反应物的过量系数，同时利用渗透到阳极的水为氢气来加湿，此外，还有利于增加电堆阳极侧的压力梯度，促进阳极侧液态水的排出，其输出端连接气体循环支路输入端和气体尾排支路输入端，其输入端直接和发动机电堆阳极出气口相接；
气体尾排支路由电磁阀3组成，负责尾气排放周期的控制，正常运行时该电磁阀处于关闭状态，尾气排放时该电磁阀打开，其输入端连接气体循环支路输入端和气体出堆支路输出端，其输出端连接发动机尾气排放管道。
下面我们对本发明一种燃料电池发动机的阳极气体供应方法的具体过程进行详细说明，包括开机吹扫、氢气循环、尾气排放和关机吹扫四个阶段。
S1、开机吹扫
开机吹扫是指当燃料电池开机时，需要将阳极侧填充的空气置换为氢气；具体过程为：当燃料电池开机时，如图2所示，将氢气入口调压支路上的电磁阀1和气体尾排支路上的电磁阀3打开，将气体循环支路上的电磁阀2和空气吹扫支路上的电磁阀4关闭，利用氢气同时吹扫管路、循环泵和电堆阳极侧，使燃料电池发动机的阳极侧填充的空气置换为氢气，此时，氢循环泵停止运行，氢气进入泵内，将腔体内的空气排入大气，而吹扫的两条支路的气体流量由两支路的流阻来决定当开机吹扫完成后，关闭气体尾排支路上的电磁阀3，启动燃料电池发动机，进入正常运行模式。
S2、氢气循环
氢气循环是指当燃料电池正常运行时入口调压支路的调压装置调节阳极的入堆压力，调压装置中的比例阀以入堆压力作为控制目标，调节比例阀的开度，实现入堆压力的闭环调节；
具体过程为：利用氢气入口调压支路的调压装置调节阳极的入堆压力，调压装置中的比例阀以入堆压力作为控制目标，调节比例阀的开度，实现入堆压力的闭环调节；如图3所示，将气体循环支路上的电磁阀2打开，利用循环泵将出口未反应完全的氢气泵回入口，这样可以提高阳极侧反应物的过量系数，同时利用渗透到阳极的水为氢气来加湿，此外，还有利于增加电堆阳极侧的压力梯度，促进阳极侧液态水的排出，减少水淹的问题。
S3、尾气排放
尾气排放是指随着发动机运行时间增长，渗透到阳极侧的氮气和水会持续积累，气体中氢含量的比重减小，电堆的性能变差，此时的工作回路和开机吹扫时的工作回路相同，如图2所示；因此，间断性地打开或关闭气体循环支路上的电磁阀2和气体尾排支路上的电磁阀3，第二电磁阀2和第三电磁阀3的开关状态为互补关系，用于排空氮气和水蒸气，同时利用循环泵增强氮气和水蒸气排放，加速水蒸气的排出。
一般而言，根据电堆的总电压下降幅值、电压下降的变化率和单节电压的跌落率来综合判断排气阀的开启时间点。具体讲，在发动机稳定运行状态下，当电堆的总电压下降幅值、电压下降的变化率和单节电压的跌落率中任意一参数高于预设阈值时，则打开电磁阀3，同时关闭电磁阀2；相反，当低于预设阈值时，则打开电磁阀2，同时关闭电磁阀3。
这样一方面保证开启时长足够排出氮气及液态水，另一方面需要减少氢气的浪费，提高能源利用率。
S4、关机吹扫
关机吹扫是指当发动机关机时，如果不及时排空氢气，阴阳极会持续存在反应物，因而电堆会持续保持高的开路电压，影响电堆的使用寿命。
具体过程为：如图4所示，将入口的电磁阀1关闭，打开空气吹扫支路上的电磁阀4和气体尾排支路上的电磁阀3，利用空气对气体入堆支路、电堆阳极以及气体出堆支路进行吹扫，当观测到电堆的开路电压降低到设定阈值时，吹扫完成。
特殊情况为：当关机吹扫时，如果需要长时间储存电堆，则将入口空气置换为氮气，同时对电堆进行长时间吹扫，让膜处于干燥的状态，防止温度变化导致水的膨胀和收缩进而损坏膜电极。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种燃料电池发动机的阳极气体供应装置，其特征在于，包括：氢气入口调压支路、气体入堆支路、空气吹扫支路、气体循环支路、气体出堆支路和气体尾排支路；
所述氢气入口调压支路包括第一电磁阀和调压装置；第一电磁阀的输入端连接氢气供应管道，输出端连接调压装置，氢气通过氢气供应管道输入至第一电磁阀；调压装置由比例阀构成，通过控制比例阀的阀门开度来限制进气端压力和流量，调压装置输出端连接气体入堆支路，同时连接空气吹扫支路输出端和气体循环支路输出端
所述气体入堆支路上安装有气体温度和压力采集传感器，主要为流进燃料电池发动机电堆的氢气提供通道，并实时监测进堆气体的压力和温度，作为反馈值来控制氢气入口调压支路的电磁阀和调压装置；所述气体入堆支路输入端和氢气入口调压支路输出端、空气吹扫支路输出端和气体循环支路输出端连接，输出端和发动机燃料电池堆氢气进气口直接连接；
所述空气吹扫支路由第四电磁阀构成，负责空气吹扫支路的气流通断，其输入端直接和空气供应管道相连接，输出端和氢气入口调压支路的输出端、气体循环支路输出端和气体入堆支路的输入端连接；
所述气体循环支路由第二电磁阀构成，连接气体出堆支路和气体入堆支路，将出堆尾气导流至入堆口，实现氢气的循环利用；其输入端和气体出堆支路输出端及气体尾排支路输入端相连接，输出端和氢气入口调压支路的输出端、空气吹扫支路输出端和气体入堆支路的输入端连接；
所述气体出堆支路由气体循环泵组成，其输出端连接气体循环支路输入端和气体尾排支路输入端，其输入端直接和发动机电堆阳极出气口相接；正常工作模式下，利用循环泵将出口未反应完全的氢气泵回入口，同时利用渗透到阳极的水为氢气来加湿，增加电堆阳极侧的压力梯度，促进阳极侧液态水的排出；
所述气体尾排支路由第三电磁阀组成，负责尾气排放周期的控制，正常运行时该电磁阀处于关闭状态，尾气排放时该电磁阀打开，其输入端连接气体循环支路输入端和气体出堆支路输出端，其输出端连接发动机尾气排放管道。
2.一种燃料电池发动机的阳极气体供应方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、开机吹扫
当燃料电池开机时，将氢气入口调压支路上的第一电磁阀和气体尾排支路上的第三电磁阀打开，将气体循环支路上的第二电磁阀和空气吹扫支路上的第四电磁阀关闭，利用氢气同时吹扫管路、循环泵和电堆阳极侧，使燃料电池发动机的阳极侧填充的空气置换为氢气，当开机吹扫完成后，关闭气体尾排支路上的第三电磁阀，启动燃料电池发发动机；
(2)、氢气循环
利用氢气入口调压支路的调压装置调节阳极的入堆压力，调压装置中的比例阀以入堆压力作为控制目标，调节比例阀的开度，实现入堆压力的闭环调节；将气体循环支路上的第二电磁阀打开，利用循环泵将出口未反应完全的氢气泵回入口，同时利用渗透到阳极的水为氢气来加湿，增加电堆阳极侧的压力梯度，促进阳极侧液态水的排出；
(3)、尾气排放
间断性地打开或关闭气体循环支路上的第二电磁阀和气体尾排支路上的第三电磁阀，第二电磁阀和第三电磁阀的开关状态为互补关系，用于排空氮气和水蒸气，同时利用循环泵增强氮气和水蒸气排放；
(4)、关机吹扫
将氢气入口调压支路上的第一电磁阀和气体循环支路上的第二电磁阀关闭关闭，打开空气吹扫支路上的第四电磁阀和气体尾排支路上的第三电磁阀，利用空气对气体入堆支路、电堆阳极以及气体出堆支路进行吹扫，当观测到电堆的开路电压降低到设定阈值时，吹扫完成。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池发动机的阳极气体供应方法，其特征在于，所述尾气排放时，间断性地打开或关闭气体循环支路上的第二电磁阀和气体尾排支路上的第三电磁阀的时间点为：在发动机稳定运行状态下，当电堆的总电压下降幅值、电压下降的变化率和单节电压的跌落率中任意一参数高于预设阈值时，则打开第三电磁阀，同时关闭第二电磁阀；相反，当低于预设阈值时，则打开第二电磁阀，同时关闭第三电磁阀。
4.根据权利要求2所述的一种燃料电池发动机的阳极气体供应方法，其特征在于，所述关机吹扫时，如果需要长时间储存电堆，则将入口空气置换为氮气，并同时对电堆进行长时间吹扫，使电堆上的膜处于干燥的状态。
5.根据权利要求2所述的一种燃料电池发动机的阳极气体供应方法，其特征在于，所述第二电磁阀和第四电磁阀均选用能够承受负高压的电磁阀。
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