CN112820910A - 封闭环境燃料电池系统防漏氢及安全保障方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种封闭环境燃料电池系统防漏氢及安全保障方法和装置，装置包括密封可拆卸外壳、控制单元、显示单元、气瓶、排气泵、传感器、阀门等部件。在具体实现方式中，将燃料电池系统置于密封可拆卸外壳中，利用传感器检测装置状态，利用控制单元进行控制，使装置充满一定压力的惰性气体，采用排气泵、电磁阀控制惰性气体进出，根据内部氢泄漏量、外部氢泄漏量、单位时间氢泄漏量及相关设定阈值，采取更换惰性气体、停机、报警等措施。有效保证装置不会大量漏氢，防止爆炸，提高了安全性，适用于水下、矿道等封闭环境。

Description

封闭环境燃料电池系统防漏氢及安全保障方法和装置
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及一种封闭环境燃料电池系统防漏氢及安全保障方法和装置。
背景技术
质子交换膜燃料电池系统能将氢气化学能直接转化为电能，其较高的能量转换效率、无污染等优点使其备受关注，在各种领域有着广阔的应用前景。在水下、矿道、潜艇、山洞等较封闭环境中，空间狭隘、密闭，空气流通不畅，不易检修，对燃料电池系统可靠性要求高。商用燃料电池系统功率要求大，需要大流量的氢气、空气，燃料电池的供气管路密封不严易发生气体泄漏，泄漏的氢气与空气混合易发生爆炸，造成严重的安全问题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的第一个目的在于提出一种封闭环境燃料电池系统防漏氢及安全保障装置，以实现有效保证装置不会大量漏氢，防止爆炸，提高了安全性，适用于水下、矿道等封闭环境。
本发明的第二个目的在于提出一种封闭环境燃料电池系统防漏氢及安全保障方法。
为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种封闭环境燃料电池系统防漏氢及安全保障装置，包括：系统管路(1)、系统管路(2)、系统管路(3)、系统管路(4)、系统管路(5)、电磁阀(9)、密封可拆卸外壳(10)、系统管路(6)、排气泵(11)、电磁阀(12)、控制单元(14)、显示单元(15)、氢气传感器(16)、氢气传感器(17)、压力传感器(18)、燃料电池系统(19)，其中，
所述系统管路(2)为进气控制管路，连接控制单元(14)和电磁阀(9)，根据需要控制进气口开闭；
所述系统管路(3)为显示单元控制管路，连接控制单元(14)和显示单元(15)，显示相应系统状态参数和传感器参数，向控制单元输入一定的控制信息；
所述系统管路(4)为排气控制管路，连接控制单元(14)、排气泵(11)和电磁阀(12)，根据需要控制惰性气体排出；
所述系统管路(5)连接控制单元(14)、氢气传感器(16)、氢气传感器(17)和压力传感器(18)，检测装置内部与外部的氢气泄漏量和装置内部压力；
所述系统管路(6)连接控制单元(14)和燃料电池系统(19)，其中燃料电池系统(19)置于密封可拆卸外壳(10)内部，控制单元(14)控制燃料电池系统的运行与关闭。
为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种封闭环境燃料电池系统防漏氢及安全保障方法，所述方法应用在如上述实施例所述的封闭环境燃料电池系统防漏氢及安全保障装置中，所述方法包括以下步骤：
将燃料电池系统置于密封可拆卸外壳(10)内部进行固定、密封，并通过控制单元(14)监测传感器状态；
通过所述控制单元(14)关闭低压气瓶阀门(12)，打开前端减压阀(8)和电磁阀(9)，向所述密封可拆卸外壳(10)中充入惰性气体；
通过所述控制单元(14)判断内部氢气传感器(17)是否超过第一氢气泄漏阈值a，如没有超过所述第一氢气泄漏阈值a，则监测、计算单位时间氢气泄漏量，
并通过所述控制单元(14)判断所述单位时间氢气泄漏量是否超过第二氢气泄漏阈值b，如没有超过所述第二氢气泄漏阈值b，则返回检测内部氢气泄漏量，确保所述密封可拆卸外壳(10)内部氢气泄漏量处于预设的较低状态。
本发明的实施例，至少具有如下的技术效果：
可以在封闭环境下避免燃料电池系统气体泄漏造成的故障，特别是氢气泄漏造成的故障。实现了在封闭环境下避免燃料电池系统气体泄漏造成的故障，特别是氢气泄漏造成的故障，并且实现了有效抑制氢气泄漏，提高了燃料电池系统工作安全性，适用于水下、矿道等封闭环境。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例所提供的一种封闭环境燃料电池系统防漏氢及安全保障装置的结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的一种封闭环境燃料电池系统防漏氢及安全保障方法的流程图；
图3为本发明实施例所提供的另一种封闭环境燃料电池系统防漏氢及安全保障方法的流程图；以及
图4为本发明实施例所提供的又一种封闭环境燃料电池系统防漏氢及安全保障方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
为适应封闭环境的使用要求，避免燃料电池系统气体泄漏造成故障，发生爆炸，本发明提出了一种封闭环境燃料电池系统防漏氢及安全保障装置。
在相关技术中，在商用车辆及固定电源的应用中，对燃料电池漏气故障进行监测、检修比较方便。传统方法是将燃料电池系统置于空间开阔，空气流通的地方，加强通风，采用传感器对燃料电池系统进行氢气浓度监测，避免氢气泄漏。封闭环境中，能对其进行的维护工作较少，一旦发生氢气泄漏便会极大的损害人员生命安全。本发明将燃料电池系统密封于惰性气体中，采用检测氢气浓度的方式，根据氢气泄漏浓度排放密封的惰性气体，避免氢气超过爆炸极限，符合国家标准。可以有效抑制氢气泄漏，提高了燃料电池系统工作安全性，适用于水下、矿道等封闭环境。
下面参考附图描述本发明实施例的封闭环境燃料电池系统防漏氢及安全保障装置和方法。
图1为本发明实施例所提供的一种封闭环境燃料电池系统防漏氢及安全保障装置的结构示意图。
如图1所示，该装置包括：系统管路(1)、系统管路(2)、系统管路(3)、系统管路(4)、系统管路(5)、电磁阀(9)、密封可拆卸外壳(10)、系统管路(6)、排气泵(11)、电磁阀(12)、控制单元(14)、显示单元(15)、氢气传感器(16)、氢气传感器(17)、压力传感器(18)、燃料电池系统(19)等。
其中，在本发明的一个实施例中，系统管路(1)为惰性气体气路，其包括高压气瓶(7)、减压阀(8)、电磁阀(9)、密封可拆卸外壳(10)、排气泵(11)、电磁阀(12)和低压气瓶(13)，规定惰性气体进入装置及排入低压气瓶管路方向。
系统管路(2)为进气控制管路，连接控制单元(14)和电磁阀(9)，根据需要控制进气口开闭；
系统管路(3)为显示单元控制管路，连接控制单元(14)和显示单元(15)，显示相应系统状态参数和传感器参数，向控制单元输入一定的控制信息；
系统管路(4)为排气控制管路，连接控制单元(14)、排气泵(11)和电磁阀(12)，根据需要控制惰性气体排出；
系统管路(5)连接控制单元(14)、氢气传感器(16)、氢气传感器(17)和压力传感器(18)，检测装置内部与外部的氢气泄漏量和装置内部压力；
系统管路(6)连接控制单元(14)和燃料电池系统(19)，其中燃料电池系统(19)置于密封可拆卸外壳(10)内部，控制单元(14)控制燃料电池系统的运行与关闭。
具体的，在本发明的一个实施例中，密封可拆卸外壳(10)内部氢气浓度、单位时间内部氢气浓度超过阈值的原因，包括但不限于：
燃料电池系统(19)密封问题导致氢气泄漏；
装置密封可拆卸外壳(10)内部残留有部分氢气；
装置外部环境氢气浓度过高。
进一步地，采用相应的安全保障方法，包括但不限于：
降低燃料电池系统(19)供气压力，在较低供气气压状况下运行燃料电池及装置；
停止燃料电池系统(19)工作，进行惰性气体吹扫，待氢气浓度降低后进行检修，避免继续使用造成不可逆的损失；
检修燃料电池系统密封情况；
检修密封装置密封情况。
下面结合封闭环境燃料电池系统防漏氢及安全保障方法，说明封闭环境燃料电池系统防漏氢及安全保障装置的应用。
具体而言，图2是根据本发明一个实施例的封闭环境燃料电池系统防漏氢及安全保障方法的流程图，如图2所示，该方法包括：
步骤201，将燃料电池系统置于密封可拆卸外壳(10)内部进行固定、密封，并通过控制单元(14)监测传感器状态；
步骤202，通过控制单元(14)关闭低压气瓶阀门(12)，打开前端减压阀(8)和电磁阀(9)，向密封可拆卸外壳(10)中充入惰性气体。
步骤203，通过控制单元(14)判断内部氢气传感器(17)是否超过第一氢气泄漏阈值a，如没有超过第一氢气泄漏阈值a，则监测、计算单位时间氢气泄漏量，
并通过控制单元(14)判断单位时间氢气泄漏量是否超过第二氢气泄漏阈值b，如没有超过第二氢气泄漏阈值b，则返回检测内部氢气泄漏量，确保密封可拆卸外壳(10)内部氢气泄漏量处于预设的较低状态。
在本实施例中，为了解决封闭环境中燃料电池系统氢气漏气、安全保障的难题，设计出一种应用于封闭环境的燃料电池系统防漏氢及安全保障方法，该方法可以保证在空间狭隘的封闭环境下，如水下、矿道、潜艇中，避免燃料电池系统氢气泄漏，提升了燃料电池系统的安全保障。
在一些可能的实施例中，参照图3，该方法包括：步骤S01：将燃料电池系统置于密封可拆卸外壳(10)内部进行固定、密封，控制单元(14)监测传感器状态；
步骤S02：控制单元(14)关闭低压气瓶阀门(12)，打开前端减压阀(8)和电磁阀(9)，向密封可拆卸外壳(10)中充入惰性气体，观察显示单元(15)，使外壳内惰性气体压力略高于燃料电池系统气体压力的状态，可以高于阴极、阳极侧气体压力10—100kPa，设定第一氢气泄漏阈值a、第二氢气泄漏阈值b和第三氢气泄漏阈值c；
步骤S03：控制单元(14)判断内部氢气传感器(17)是否超过第一氢气泄漏阈值a，如没有超过第一氢气泄漏阈值a，则监测、计算单位时间氢气泄漏量。控制单元(14)判断单位时间氢气泄漏量是否超过第二氢气泄漏阈值b，如没有超过阈值b，则返回检测内部氢气泄漏量，确保密封可拆卸外壳(10)内部氢气泄漏量处于较低状态；如超过阈值b，则显示单元(15)发出燃料电池系统故障预警，提醒检修；
步骤S04：控制单元(14)判断内部氢气传感器(17)超过第一氢气泄漏阈值a，则继续检测外部氢气传感器(16)是否超过第三氢气泄漏阈值c，如超过阈值c，则关停燃料电池系统(19)及装置，显示单元(15)发出警报，提醒检查返修，结束流程；如没有超过阈值c，则控制单元(14)打开前端的减压阀(8)和电磁阀(9)，打开排气泵(11)、低压气瓶阀门(12)，更换完密封可拆卸外壳(10)内部的惰性气体后关闭阀门，观察显示单元(15)，使外壳中惰性气体压力处于略高于燃料电池系统供气侧压力的状态，继续监测内部氢气泄漏量。
具体地，控制单元(14)所设阈值为第一氢气泄漏阈值a、第二氢气泄漏阈值b和第三氢气泄漏阈值c。第一氢气泄漏阈值a为内部氢气泄漏阈值。
在本发明的一个实施例中，参照图4，通过内部氢气泄漏量由氢气传感器(17)进行监测，氢气的低可燃极限(lower flammability limit,LFL)为4％，第一氢气泄漏阈值a可设定为(25％—75％)*LFL，比较内部氢气泄漏量与第一氢气泄漏阈值a的大小。如果内部氢气泄漏量大于第一氢气泄漏阈值a，则打开排气泵(11)，更换密封可拆卸外壳(10)内部的惰性气体；如果内部氢气泄漏量小于第一氢气泄漏阈值a，则继续监测单位时间氢气泄漏量和外部氢气泄漏量。
第二氢气泄漏阈值b为单位时间氢气泄漏阈值。根据达到氢泄漏阈值的时间t和第一氢泄漏阈值a，可以求得单位时间氢泄漏量x，其计算公式为下述公式(1)：
Figure BDA0002907916230000061
其中，x为单位时间氢气泄漏量，单位为％/min；a为第一氢气泄漏阈值，单位为％；t为达到氢泄漏量的时间，单位为min，由控制单元统计得到。
计算基准单位时间氢泄漏阈值x1，x1由第一次达到氢泄漏阈值的时间t1和第一氢泄漏阈值a计算求得，其计算公式为公式(2)：
Figure BDA0002907916230000062
可设定第二氢气泄漏阈值b为x1/80％—x1/20％，由控制单元(14)计算求得。比较单位时间氢气泄漏量x与第二氢气泄漏阈值b的大小。比较单位时间氢气泄漏量x与第二氢气泄漏阈值b的大小。如果单位时间氢气泄漏量x大于第二氢气泄漏阈值b，则显示单元(15)发出燃料电池故障预警，提醒检修；如果单位时间氢气泄漏量x小于第二氢气泄漏阈值b，则继续监测内部氢气泄漏量。
第三氢气泄漏阈值c为外部氢气泄漏阈值。外部氢气泄漏量由氢气传感器(16)进行监测，考虑到封闭的工作环境及装置的防漏氢保障和安全方法，第三氢气泄漏阈值c可设定为(0％—75％)*LFL，比较外部氢气泄漏量与第三氢气泄漏阈值c的大小。如果外部氢气泄漏量大于第三氢气泄漏阈值c，则关停燃料电池系统及装置，发出警报，提醒检查返修。如果外部氢气泄漏量小于第三氢气泄漏阈值c，则打开排气泵(11)、低压气瓶阀门(12)，更换惰性气体，继续监测内部氢气泄漏量。
综上，本发明实施例的封闭环境燃料电池系统防漏氢及安全保障装置和方法，可以在封闭环境下避免燃料电池系统气体泄漏造成的故障，特别是氢气泄漏造成的故障。可有效抑制氢气泄漏，提高了燃料电池系统工作安全性，适用于水下、矿道等封闭环境。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种封闭环境燃料电池系统防漏氢及安全保障装置,其特征在于，包括：
系统管路(1)、系统管路(2)、系统管路(3)、系统管路(4)、系统管路(5)、电磁阀(9)、密封可拆卸外壳(10)、系统管路(6)、排气泵(11)、电磁阀(12)、控制单元(14)、显示单元(15)、氢气传感器(16)、氢气传感器(17)、压力传感器(18)、燃料电池系统(19)，其中，
所述系统管路(2)为进气控制管路，连接控制单元(14)和电磁阀(9)，根据需要控制进气口开闭；
所述系统管路(3)为显示单元控制管路，连接控制单元(14)和显示单元(15)，显示相应系统状态参数和传感器参数，向控制单元输入一定的控制信息；
所述系统管路(4)为排气控制管路，连接控制单元(14)、排气泵(11)和电磁阀(12)，根据需要控制惰性气体排出；
所述系统管路(5)连接控制单元(14)、氢气传感器(16)、氢气传感器(17)和压力传感器(18)，检测装置内部与外部的氢气泄漏量和装置内部压力；
所述系统管路(6)连接控制单元(14)和燃料电池系统(19)，其中燃料电池系统(19)置于密封可拆卸外壳(10)内部，控制单元(14)控制燃料电池系统的运行与关闭。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述系统管路(1)为惰性气体气路，其包括高压气瓶(7)、减压阀(8)、电磁阀(9)、密封可拆卸外壳(10)、排气泵(11)、电磁阀(12)和低压气瓶(13)，规定惰性气体进入装置及排入低压气瓶管路方向。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述密封可拆卸外壳(10)的收容空间内包括：所述燃料电池系统(19)、所述氢气传感器(17)、所述压力传感器(18)，在外部密封接口处设置所述氢气传感器(16)。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述密封可拆卸外壳(10)包括多个接口，所述多个接口用于在所述装置外部向燃料电池系统供给氢气、空气、冷却水，和/或，将燃料电池系统与外部电气线路连接。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述密封可拆卸外壳(10)内部采用惰性气体进行供气，压力高于燃料电池系统(19)供给的氢气、空气压力，使得燃料电池系统气体不易泄漏到装置中，所述惰性气体包括但不限于氮气、氦气、氩气。
6.一种封闭环境燃料电池系统防漏氢及安全保障方法，其特征在于，所述方法应用在如权利要求1-5任一所述的封闭环境燃料电池系统防漏氢及安全保障装置中，所述方法包括以下步骤：
将燃料电池系统置于密封可拆卸外壳(10)内部进行固定、密封，并通过控制单元(14)监测传感器状态；
通过所述控制单元(14)关闭低压气瓶阀门(12)，打开前端减压阀(8)和电磁阀(9)，向所述密封可拆卸外壳(10)中充入惰性气体；
通过所述控制单元(14)判断内部氢气传感器(17)是否超过第一氢气泄漏阈值a，如没有超过所述第一氢气泄漏阈值a，则监测、计算单位时间氢气泄漏量，
并通过所述控制单元(14)判断所述单位时间氢气泄漏量是否超过第二氢气泄漏阈值b，如没有超过所述第二氢气泄漏阈值b，则返回检测内部氢气泄漏量，确保所述密封可拆卸外壳(10)内部氢气泄漏量处于预设的较低状态。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：
若通过所述控制单元(14)判断所述内部氢气传感器(17)超过所述第一氢气泄漏阈值a，则继续检测外部氢气传感器(16)是否超过预设的第三氢气泄漏阈值c；
若超过所述第三氢气泄漏阈值c，则关停燃料电池系统(19)及装置，并通过所述显示单元(15)发出警报信息；
若没有超过所述第三氢气泄漏阈值c，则通过所述控制单元(14)打开前端的减压阀(8)和电磁阀(9)，打开排气泵(11)、低压气瓶阀门(12)，更换完所述密封可拆卸外壳(10)内部的惰性气体后关闭阀门；
通过所述观察显示单元(15)，使所述密封可拆卸外壳(10)中惰性气体压力处于高于燃料电池系统供气侧压力的状态，并继续监测内部氢气泄漏量。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述通过所述控制单元(14)关闭低压气瓶阀门(12)，打开前端减压阀(8)和电磁阀(9)，向所述密封可拆卸外壳(10)中充入惰性气体时，还包括：
通过所述观察显示单元(15)，使所述密封可拆卸外壳(10)内惰性气体压力高于燃料电池系统气体压力的状态。
9.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在所述通过所述控制单元(14)关闭低压气瓶阀门(12)，打开前端减压阀(8)和电磁阀(9)，向所述密封可拆卸外壳(10)中充入惰性气体之前，还包括：
通过所述控制单元(14)设定第一氢气泄漏阈值a、第二氢气泄漏阈值b和第三氢气泄漏阈值c，其中，
所述第一氢气泄漏阈值a设定为(25％—75％)*LFL；
所述第二氢气泄漏阈值b为单位时间氢气泄漏阈值，所述第二氢气泄漏阈值b为x1/80％—x1/20％，其中，x1为预设的基准单位时间氢泄漏阈值；
所述第三氢气泄漏阈值c为外部氢气泄漏阈值，所述第三氢气泄漏阈值c设定为(0％—75％)*LFL。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述计算单位时间氢气泄漏量，包括：
采用预设的公式计算所述单位时间氢气泄漏量，其中，所述预设的公式为：
Figure FDA0002907916220000031
其中，a是所述第一氢气泄漏阈值，t为达到所述第二氢气泄漏阈值b的时长，x为所述单位时间氢气泄漏量。
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