CN112635794A - 一种质子交换膜燃料电池氢气循环系统及其杂质尾排控制方法 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池氢气循环系统及其杂质尾排控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池氢气循环系统，包括连接在燃料电池电堆阳极入口的调节阀、氢气循环喷射泵和压力传感器，连接在燃料电池电堆阳极出口的湿度传感器和气水分离器，气水分离器引出一条支路通过电磁阀连接氢气尾排，一条支路通过电磁阀连接废水尾排，一条支路通过湿度传感器连接氢气循环喷射泵；还公开了其针对氢气循环系统的杂质排放设计控制策略，实现燃料电池阳极侧尾排的控制：稳态条件下氢气循环质量算法、循环过程中杂质气体算法和尾排控制方法。本发明方法能够使质子交换膜燃料电池氢气循环利用，并使用控制策略对杂质的排放进行优化控制，提高氢气利用率。

Description

一种质子交换膜燃料电池氢气循环系统及其杂质尾排控制 方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池氢气循环系统，以及其杂质尾排控制方法。
背景技术
传统的化石能源将面临枯竭，为解决能源耗尽问题，需要研发出稳定、高效的绿色能源来提供电能，而燃料电池可以作为终极绿色能源，将得到广泛应用。质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于其清洁、高效、环境友好等优点，成为潜力巨大的能源装置之一。燃料电池的基本原理是将化学能转换为电能，具有比能量高、噪音小、无污染、零排放和能量转换效率高等特点。
在国外，以日本和美国为代表的国家已研发出可商用的燃料电池汽车，预示着燃料电池距离大规模商用已为期不远。我国在燃料电池技术上已取得重大突破，燃料电池发电方面也取得了长足进步。
质子交换膜燃料电池运行时不能完全利用氢气，如将氢气排掉，必将造成资源浪费，另外，阳极侧不可避免会产生杂质，有必要采用相应的方式将其排出。
发明内容
本发明的目的之一在于解决现有技术存在的上述问题，提供一种质子交换膜燃料电池氢气循环系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种质子交换膜燃料电池氢气循环系统，包括顺序连接在燃料电池电堆阳极入口的调节阀、氢气循环喷射泵和压力传感器，以及顺序连接在燃料电池电堆阳极出口的湿度传感器和气水分离器，湿度传感器检测出口侧氢气含水量，所述的气水分离器引出三条支路，一条支路通过电磁阀连接氢气尾排，一条支路通过电磁阀连接废水尾排，一条支路通过湿度传感器连接氢气循环喷射泵，用于送入燃料电池电堆阳极未反应完的氢气，与氢气循环喷射泵进口氢气混合后进入燃料电池电堆的阳极入口，湿度传感器检测出口侧汽水分离后的氢气含水量，防止氢气中水的含量大到影响质子交换膜的性能，适时进行排放。
本发明的目的之二在于提供上述质子交换膜燃料电池氢气循环系统相应的控制方法，以进行杂质尾排控制。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种质子交换膜燃料电池氢气循环系统的杂质尾排控制方法，包括如下步骤：
利用氢气循环喷射泵为燃料电池电堆的反应提供氢气，并利用高压氢气的压力能，引射燃料电池电堆阳极出口未反应完的氢气，与氢气循环喷射泵的进口氢气混合后进入燃料电池电堆阳极入口，以满足燃料电池电堆的氢气循环需求；
针对氢气循环系统，设计合适的控制策略，实现燃料电池阳极侧尾排的控制：
步骤1，稳态条件下氢气循环质量算法推导
假设氢气循环喷射泵一次流入口持续稳定通入一个单位的纯氢气(99.99％)，NΔt(N＝1,2,3......n)时刻前未反应的氢气占燃料电池电堆阳极入口氢气的质量比例为an(0＜an＜1,N＝1,2,3......n)
Figure BDA0002809447540000021
Figure BDA0002809447540000031
则NΔt时刻末，燃料电池电堆阳极未反应的氢气质量为：
mout＝1+an(1+an-1(...1+a3(1+a2(1+a1))))，
令α＝max(a1,a2...an)，则
Figure BDA0002809447540000032
得到
Figure BDA0002809447540000033
步骤2，循环过程中杂质气体算法推导
设在N次循环中杂质气体累计的含量为
Figure BDA0002809447540000034
循环过程中输入系统的氢气含量为Q，杂质气体的所占比例为α，则
Figure BDA0002809447540000035
N次循环后需要进行尾气排放时杂质气体的阈值设为β；
在燃料电池系统运行过程中燃料电池电堆阳极会累计一定的水，当水的含量大到影响质子交换膜的性能时需要打开排水阀进行排水，燃料电池电堆阳极侧加湿度传感器进行实时检测的湿度为δ，需要进行排水的湿度设为θ；
步骤3，当满足
Figure BDA0002809447540000036
或者δ≥θ任一条件时，打开放气阀排气或者打开排水阀排水。
进一步，所述的放气阀和排水阀均为电磁阀。
本发明的有益效果在于：本发明的氢气循环系统通过氢气循环喷射泵为燃料电池电堆的反应提供氢气，并利用高压氢气的压力能，引射燃料电池电堆阳极出口未反应完的氢气，与氢气循环喷射泵的进口氢气混合后进入燃料电池电堆阳极入口，完成氢气回收，不消耗额外的能量；本发明的杂质尾排控制方法能够使质子交换膜燃料电池循环氢气，并使用控制策略对杂质的排放进行控制，提高氢气利用率。
附图说明
图1为本发明循环系统原理图；
各附图标记为：1—调节阀，2—氢气循环喷射泵，3—压力传感器，4—湿度传感器，51—放气阀，52—排水阀，6—气水分离器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明公开了一种质子交换膜燃料电池氢气循环系统，针对氢气循环系统，设计合适的控制策略，实现燃料电池阳极侧尾排的控制。其包括顺序连接在燃料电池电堆阳极入口的调节阀1、氢气循环喷射泵2和压力传感器3，以及顺序连接在燃料电池电堆阳极出口的湿度传感器4和气水分离器6，湿度传感器4检测出口侧氢气含水量，所述的气水分离器6引出三条支路，一条支路通过排气阀51连接氢气尾排，一条支路通过排水阀52连接废水尾排，一条通过湿度传感器4连接氢气循环喷射泵2，用于送入燃料电池电堆阳极未反应完的氢气，与氢气循环喷射泵2进口氢气混合后进入燃料电池电堆的阳极入口，湿度传感器4检测出口侧汽水分离后的氢气含水量，防止氢气中水的含量大到影响质子交换膜的性能，适时进行排放。
本专利的氢气循环系统使用氢气循环喷射泵2为燃料电池电堆的反应提供氢气，并利用高压氢气的压力能，引射燃料电池电堆阳极排出的未反应完的氢气，与氢气循环喷射泵2的进口氢气混合后进入燃料电池电堆阳极入口，完成氢气回收，不消耗额外的能量；湿度传感器4检测出口侧氢气含水量，以及汽水分离后的氢气含水量，防止水的含量大到影响质子交换膜的性能，适时进行排放。
本专利阳极侧尾排的控制策略如下。
(1)稳态条件下氢气循环算法推导：假设氢气循环喷射泵2一次流入口持续稳定通入一个单位的纯氢气(99.99％)，NΔt(N＝1,2,3......n)时刻前未反应的氢气占阳极进口氢气的质量比例为an(0＜an＜1,N＝1,2,3......n)
Figure BDA0002809447540000051
则NΔt时刻末，阳极未反应的氢气质量为：
mout＝1+an(1+an-1(...1+a3(1+a2(1+a1))))
令α＝max(a1,a2...an)，则
Figure BDA0002809447540000052
则
Figure BDA0002809447540000053
(2)循环过程中杂质气体算法推导：设在N次循环中杂质气体累计的含量为
Figure BDA0002809447540000054
循环过程中输入系统的氢气含量为Q，杂质气体的所占比例为α，则：
Figure BDA0002809447540000055
(3)尾排控制策略：设N次循环后需要进行尾气排放时杂质气体的阈值为β，当
Figure BDA0002809447540000061
时，打开放气阀51。
在燃料电池系统运行过程中燃料电池电堆阳极会累计一定的水，当水的含量大到影响质子交换膜的性能时需要打开排水阀52进行排水。所以在燃料电池电堆阳极侧加湿度传感器4进行湿度检测，设实时检测的湿度为δ，需要进行排水的湿度为θ，当湿度传感器4检测到δ≥θ时，打开排水阀52进行排水。
综上所述，满足
Figure BDA0002809447540000062
或者δ≥θ任一条件时，均需要打开放气阀51或排水阀52。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种质子交换膜燃料电池氢气循环系统，其特征在于：包括顺序连接在燃料电池电堆阳极入口的调节阀(1)、氢气循环喷射泵(2)和压力传感器(3)，以及顺序连接在燃料电池电堆阳极出口的湿度传感器(4)和气水分离器(6)，所述的气水分离器(6)引出三条支路，一条支路通过放气阀(51)进行氢气尾排，一条支路通过排水阀(52)进行废水尾排，一条支路通过湿度传感器(4)连接氢气循环喷射泵(2)，用于送入燃料电池电堆阳极未反应完的氢气，与氢气循环喷射泵(2)进口氢气混合后进入燃料电池电堆的阳极入口。
2.一种如权利要求1所述质子交换膜燃料电池氢气循环系统的杂质尾排控制方法，其特征在于，利用氢气循环喷射泵(2)为燃料电池电堆的反应提供氢气，并利用高压氢气引射燃料电池电堆阳极出口未反应完的氢气，与氢气循环喷射泵(2)的进口氢气混合后进入燃料电池电堆阳极入口，以满足燃料电池电堆的氢气循环需求；通过如下步骤对燃料电池电堆阳极出口尾排杂质进行控制：
设氢气循环喷射泵(2)入口持续稳定通入一个单位的纯氢气，NΔt(N＝1,2,3......n)时刻前未反应的氢气占燃料电池电堆阳极入口氢气的质量比例为an(0＜an＜1,N＝1,2,3......n)，则NΔt时刻末，燃料电池电堆阳极未反应的氢气质量为：mout＝1+an(1+an-1(...1+a3(1+a2(1+a1))))，令α＝max(a1,a2...an)，则
Figure FDA0002809447530000011
得到
Figure FDA0002809447530000012
设在N次循环中杂质气体累计的含量为
Figure FDA0002809447530000013
循环过程中输入的氢气含量为Q，杂质气体的所占比例为α，则
Figure FDA0002809447530000014
N次循环后需要进行尾气排放时杂质气体的阈值设为β；加湿度传感器(4)实时检测的湿度为δ，需要进行排水的湿度设为θ；当满足
Figure FDA0002809447530000021
或者δ≥θ任一条件时，打开放气阀(51)排气或者打开排水阀(52)排水。
3.根据权利要求2所述一种质子交换膜燃料电池氢气循环系统的杂质尾排控制方法，其特征在于，所述的放气阀(51)和排水阀(52)均为电磁阀。
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