CN113972386B - 一种船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统、方法及船用燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池发电机系统技术领域,尤其涉及一种船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统、方法及船用燃料电池系统。本发明船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统包括燃料电池、控制器，经输气管路连接的空压进气模块和除盐模块；空压进气模块包括空压机、中冷器和储气罐；除盐模块包括前级盐度检测结构、除盐结构和后端盐度检测结构，在输气管路上设主管路和旁通管路，在主管路上设除盐结构；在除盐结构进气端设阀门，在旁通管路上设旁通阀。本发明的船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统能实现燃料电池所用阴极进气的含盐量实时检测，自动为阴极进气除盐，避免内部质子交换膜等部件快速损耗，延长燃料电池寿命，更好的适应海洋工况。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池发电机系统技术领域，尤其涉及一种船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统、方法及船用燃料电池系统。
背景技术
燃料电池具有零排放、效率高、燃料来源多元化、能源可再生等优势，发展燃料电池技术已成为全球能源转型的突破口。质子交换膜燃料电池通常使用氢气作为燃料，从电池的阳极侧进气，使用空气中的氧气作为氧化剂，从阴极侧进气。燃料氢气在阳极通过电催化作用脱除电子后输运到质子交换膜另一侧的阴极，与催化后的氧气发生电化学反应，直接产生电能，废弃物只有水，是理想的清洁发电形式。
当质子交换膜燃料电池应用在海洋船舶场景时，将面对新的技术挑战，最主要的是海洋大气环境中含盐量较高，氯离子等离子浓度也显著高于普通工况。燃料电池工作时，阴极通入海洋工况的空气作为氧化气体，其内部质子交换膜将加快损耗，从而直接影响燃料电池寿命。海洋大气还存在干湿交替现象，和高盐度环境一起作用，加快金属部件腐蚀。这些问题造成燃料电池寿命缩短、稳定性降低。为了解决燃料电池对海洋工况的适应性问题，有必要设计船用燃料电池的除盐装置。
专利CN213636050U《燃料电池冷却装置及燃料电池系统》，CN213636053U《一种船用燃料电池冷却水循环装置》，CN110380082B《燃料电池冷却系统及除气方法》等最新公开的燃料电池系统专利，均没有涉及上述问题。CN212648289U《一种燃料电池冷却水水质净化系统及燃料电池系统》公开的内容仅具有冷却液被动净化功能，无法避免质子膜损耗加快的问题。CN213340446U《一种降低燃料电池电导率的系统》的方法也仅涉及冷却液而且仅适用于燃料电池测试设备。CN206008332U《一种空气除盐系统》仅用于风机送风的情况，不适用于配合空压机使用的燃料电池压力进气情况，而且它没有自动控制功能，对于能量效率敏感的燃料电池系统不适用。
发明内容
本发明提供了一种船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统、方法及船用燃料电池系统，能够实现燃料电池所用阴极进气(空气/氧化气)的含盐量实时检测，自动为阴极进气除盐，避免内部质子交换膜快速损耗，延长燃料电池寿命，提升其稳定性，更好的适应海洋工况，解决了现有技术中存在的问题。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案之一是：
一种船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统，包括燃料电池，其特征在于，还包括控制器，在燃料电池的阴极端设置经输气管路连接的空压进气模块和除盐模块；
空压进气模块包括依次连接的空压机、中冷器和储气罐；
除盐模块包括前级盐度检测结构、除盐结构和后端盐度检测结构，所述前级盐度检测结构用于检测空压机和中冷器的排水中的盐度值；所述后端盐度检测结构用于检测燃料电池阴极产水中的盐度值；
在与储气罐的排气口相连的输气管路上设置主管路和旁通管路，在主管路上设置所述除盐结构；旁通管路与除盐结构并联设置；在除盐结构的进气端设置阀门，在旁通管路上设置旁通阀；
所述控制器与空压进气模块、除盐模块、阀门及旁通阀电连接。
进一步地，空压机和中冷器的排水经排水管路排出，供阴极进气的前级盐度检测；所述前级盐度检测结构和后端盐度检测结构均包括电导率检测仪、和/或pH值检测仪；除盐结构包括增湿装置、气液分离器和冷干机。
进一步地，所述前级盐度检测结构设于空压机和中冷器下方的排水管路上；或者，空压机和中冷器的排水经排水管路排至第一积水区，所述前级盐度检测结构设于所述第一积水区内。由于空压机和中冷器的排水含油空气中可溶性杂质，通过对排水中含有的空气中可溶性杂质的测定，实现了阴极进气的前级盐度检测。
进一步地，燃料电池的阴极产水经排水管路排出至第二积水区，所述后端盐度检测结构设于第二积水区内。
进一步地，所述第一积水区和第二积水区均为短时积水箱；短时积水箱内置定时排水和自动液位判断功能。
进一步地，短时积水箱内置的定时排水功能采用定时器，自动液位判断功能采用液位器；定时器和液位器均与所述控制器电连接。
进一步地，所述的一种船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统，还包括设于输气管路上的空气过滤器，所述空气过滤器包括初效空气过滤器、和/或中效空气过滤器；所述空气过滤器用于过滤去除空气中的固体杂质、非可溶性杂质。
进一步地，所述初效空气过滤器设于空压机的进气端侧，所述中效空气过滤器设于储气罐与除盐结构之间。初效空气过滤器用于过滤去除较大固体杂质，中效空气过滤器用于过滤去除非可溶性杂质。
进一步地，所述空压机为无油空压机；所述初效空气过滤器为25微米孔径初效空气过滤器，用于去除较大固体杂质；所述中效空气过滤器为5微米中效空气过滤器。
进一步地，在初效空气过滤器与空压机连接的输气管路上设置含氧量检测器、第一温湿度检测器；在除盐结构的进气端侧的主管路上还设置与中效空气过滤器并联设置的旁通管路。
进一步地，所述除盐结构包括沿主管路依次设置的增湿装置、气液分离器和冷干机；在所述增湿装置、气液分离器和冷干机的进气端分别设置所述阀门；旁通管路包括分别与所述增湿装置、气液分离器和冷干机并联设置的3条，在各旁通管路上设置所述旁通阀；所述控制器与增湿装置、气液分离器和冷干机电连接。
进一步的，与中效空气过滤器并联设置的旁通管路为第一旁通管路；与所述两级增湿装置、气液分离器和冷干机并联设置的3条旁通管路分别为第二旁通管路、第三旁通管路、第四旁通管路。
进一步地，所述除盐结构还包括设于冷干机后方的主管路上的换热器，通过余热供给对气体进行升温处理。
进一步地，所述控制器为PIC/STM控制器；所述控制器与pH值检测仪、电导率检测仪、中效空气过滤器、喷淋增湿装置、热蒸发增湿装置、气液分离器、冷干机、换热器、阀门、旁通阀电连接。
进一步地，所述阀门及旁通阀均为电磁阀。
进一步地，所述储气罐用于气体缓冲。由于储气罐的冷凝水的排水频率低，此处排水不用于含盐量检测；之后气体进入主管路进行除盐或者进入旁通管路用于向燃料电池阴极反应室输送。
进一步地，所述增湿装置为两级增湿装置，包括喷淋增湿装置、和/或热蒸发增湿装置；在与热蒸发增湿装置的出气口相连的输气管路上设置第二温湿度检测器。
进一步地，所述第一温湿度检测器和第二温湿度检测器分别与所述控制器电连接。
进一步地，所述喷淋增湿装置为设置了喷头的喷淋管；所述热蒸发增湿装置为热蒸发型加湿器；所述气液分离器为离心式气液分离器。
本发明采用的技术方案之二是：
一种如前所述的船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统进行检测除盐的方法，包括如下操作步骤：
(1)预先设定前级盐度值和后端盐度值，控制器根据前级盐度值，对经空压进气模块处理的阴极进气的初始含盐量进行判定是否除盐，并根据前级盐度值大小，对需要除盐处理的阴极进气级别判定、选择相应除盐处理方案；
(2)控制器根据设定的后端盐度值，对经除盐处理方案处理的阴极产水的最终含盐量进行判定：当后端盐度值达标，阴极进气继续顺利输送进入燃料电池的阴极反应室，当后端盐度值不达标，控制器将改进除盐处理方案、再次除盐处理后判定，直至后端盐度值达标，正常向燃料电池阴极反应室进气。
进一步地，步骤(1)对初始盐度值的初始含盐量判定是否除盐的步骤为：
a按不同盐度值大小，将前级盐度值分为0级、一级、二级、三级和四级，以此为分级标准，确定不同的除盐处理方案；
b当检测判定前级盐度值为0级，控制器控制开启输气管路上的旁通阀，除盐结构进气端的阀门关闭，阴极进气经旁通管路自由输送进入燃料电池的阴极反应室；
c当检测超出前级盐度值0级，启动除盐模块、关闭旁通阀，进行相应除盐处理操作；
S1若前级盐度值判定为1级：开启除盐模块的第一除盐结构，对阴极进气进行处理后，由输气管路输送至燃料电池阴极进气反应室；
S2若前级盐度值判定为2级：开启除盐模块的第二除盐结构，对阴极进气进行处理后，由输气管路输送至燃料电池阴极进气反应室；
S3若前级盐度值判定为3级：开启除盐模块的第三除盐结构，对阴极进气进行处理后，由输气管路输送至燃料电池阴极进气反应室；
S4若前级盐度值判定为4级：开启除盐模块的第四除盐结构，对阴极进气进行处理后，由输气管路输送至燃料电池阴极进气反应室；
步骤(2)是在上述不同方案的除盐处理完成后，进行后端盐度值的检测，与设定的后端盐度值比较，检测合格则正常运行，气体进入燃料电池阴极反应室；检测不合格，则发出警报，对应下一前级盐度值级别，重复前述步骤，继续相应方案的除盐处理操作，直至正常运行。
进一步地，所述第一除盐结构为设于主管路上的冷干机；所述第二除盐结构为设于主管路上的增湿装置和气液分离器的组合；所述第三除盐结构为设于主管路上的增湿装置和冷干机的组合；所述第四除盐结构为设于主管路上的增湿装置、气液分离器和冷干机的组合。
进一步地，与控制器相连的警报器用于在检测不合格时发出警报，便于提醒工作人员工况。
本发明采用的技术方案之三是：
一种船用燃料电池系统，包括燃料电池电堆，在燃料电池电堆的阴极进气端连接如前所述的船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统。
进一步地，在船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统与燃料电池电堆的阴极进气端之间还设置增湿加热模块。
进一步地，所述增湿加热模块为加湿器、加热器、电子温湿度计等；属于船用燃料电池系统的阴极进气增湿加热模块的常规设置。
本发明的有益效果：
1、本发明的船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统实现了燃料电池所用阴极进气(空气/氧化气)的含盐量实时检测和除盐；首先通过空压机和中冷器排水中含盐量检测，实时掌握阴极进气的前级盐度值，以便于控制器根据设定的前级盐度值控制是否进行除盐操作；通过除盐结构的设置，能够对阴极进气中超限的盐度分级进行不同方案的除盐处理操作，在燃料电池阴极产水的后端实时盐度检测过程中，保证达标阴极进气的顺利输送、并对盐度不合格的除盐方案进行及时调整、再次除盐，以顺利用于燃料电池阴极反应室进气。这一过程充分避免了阴极进气中含盐量对燃料电池内部质子交换膜快速损耗的影响，可延长燃料电池使用寿命。
2、根据检测的前级盐度检测值，结合控制器设定的前级盐度值级别的判定值，可实现自动为阴极进气进行多方案的除盐操作处理；处理方式根据相应级别对应不同的除盐结构，除盐效果逐渐升级，保证了阴极进气的含盐量达标，处理更加灵活。
3、本发明的检测除盐系统和方法能够在船用燃料电池方面为过滤器堵塞、海水倒灌等情况提供报警和后续应对方案，自动化程度高，操作便利。
4、本发明的燃料电池系统能够较好的适应海洋大气环境中的运行情况，避免现有燃料电池系统用于海洋大气环境中易造成内部质子交换膜快速损耗、缩短燃料电池寿命、降低了稳定性的缺陷。
本发明的船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统利用商业化成熟的、(相对于燃料电池系统)价格低廉的pH值测试仪、电导率测试仪作为检测手段，合理收集压缩气排水和燃料电池阴极产水，采用两级检测，实现了阴极进气前端和后端含盐量的实时检测。通过中冷器初步除水除盐，再选择性地经过中效空气过滤器的过滤、喷淋增湿、热蒸发增湿、离心式气液分离、冷冻式干燥等一次过滤、两次增湿和两次除水过程，进行除盐，其中的两次除水可视为两级除盐过程。通过控制器对检测信号的判断，灵活启用不同的除盐方案，实现在最优化系统能耗的情况下进行自动除盐。此外还能在过滤器堵塞或者海水倒灌等异常状况发生时提醒使用者。
附图说明
图1为本发明船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统的结构示意图；
图2为本发明检测除盐系统的除盐方法的逻辑控制图；
图3为采用本发明的检测除盐系统的船用燃料电池系统图；
其中，1燃料电池、2输气管路、21主管路、22旁通管路、3空压进气模块、31空压机、32中冷器、33储气罐、4除盐模块、5阀门、6旁通阀、7排水管路、8电导率检测仪、9pH值检测仪、13第一积水区、14第二积水区、15初效空气过滤器、16中效空气过滤器、17含氧量检测器、18第一温湿度检测器、19气液分离器、20冷干机、30喷淋增湿装置、40热蒸发增湿装置、50第二温湿度检测器、601第一旁通管路、602第二旁通管路、603第三旁通管路、604第四旁通管路、70换热器、80燃料电池电堆、90增湿加热模块、100限压阀、101调压阀、102质量流量计、103背压阀、104氢气循环泵。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，结合附图，对本发明进行详细阐述。本发明的范围并不限于下述实施例。本领域的专业人员能够理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行各种变化和修饰。
实施例1
如图1所示，该船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统包括燃料电池1，在燃料电池的阴极端设置经输气管路2连接的空压进气模块3和除盐模块4；空压进气模块3包括依次连接的空压机31、中冷器32和储气罐33；除盐模块4包括前级盐度检测结构、除盐结构和后端盐度检测结构，所述前级盐度检测结构用于检测空压机31和中冷器32的排水中的盐度值；所述后端盐度检测结构用于检测燃料电池1阴极产水中的盐度值；
在与储气罐33的排气口相连的输气管路2上设置主管路21和旁通管路22，在主管路21上设置所述除盐结构；旁通管路22与除盐结构并联设置；在除盐结构的进气端设置阀门5，在旁通管路上设置旁通阀6；
所述控制器与空压进气模块3、除盐模块4、阀门5及旁通阀6电连接。
空压机31和中冷器32的排水经排水管路7排出，供阴极进气的前级盐度检测；所述前级盐度检测结构和后端盐度检测结构均包括电导率检测仪8、pH值检测仪9；除盐结构包括增湿装置、气液分离器19和冷干机20。
所述前级盐度检测结构设于空压机31和中冷器32下方的排水管路7上；或者，空压机和中冷器的排水经排水管路排至第一积水区13，所述前级盐度检测结构设于所述第一积水区内。由于空压机和中冷器的排水含油空气中可溶性杂质，通过对排水中含有的空气中可溶性杂质的测定，实现了阴极进气的前级盐度检测。
燃料电池的阴极产水经排水管路排出至第二积水区14，所述后端盐度检测结构设于第二积水区内。
上述第一积水区和第二积水区均为短时积水箱；短时积水箱内置定时排水和自动液位判断功能。短时积水箱内置的定时排水功能采用定时器，自动液位判断功能采用液位器；定时器和液位器均与所述控制器电连接。
在上述船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统的输气管路2上还设置初效空气过滤器15和中效空气过滤器16。所述初效空气过滤器15设于空压机31的进气端侧，所述中效空气过滤器16设于储气罐33与除盐结构之间。初效空气过滤器用于过滤去除较大固体杂质，中效空气过滤器用于过滤去除非可溶性杂质。
上述空压机31为无油空压机；初效空气过滤器15为25微米孔径初效空气过滤器，所述中效空气过滤器16为5微米中效空气过滤器。
在初效空气过滤器15与空压机31连接的输气管路2上设置含氧量检测器17、第一温湿度检测器18；在除盐结构的进气端侧的主管路上还设置与中效空气过滤器16并联设置的旁通管路。
所述除盐结构包括沿主管路21依次设置的增湿装置、气液分离器19和冷干机20、换热器70，换热器通过余热供给对气体进行升温处理；在所述增湿装置、气液分离器19和冷干机20的进气端分别设置所述阀门5；旁通管路包括分别与所述增湿装置、气液分离器和冷干机并联设置的3条，在各旁通管路上设置所述旁通阀6；所述控制器与增湿装置、气液分离器和冷干机电连接。上述除盐结构通过阀门的起闭，进行不同级别除盐结构的使用；即上述除盐结构分为第一除盐结构、第二除盐结构、第三除盐结构和第四除盐结构，各除盐结构为上述主管路上的结构件的不同组合，第一除盐结构为冷干机，第二除盐结构为增湿装置和气液分离装置的组合，第三除盐结构为增湿装置和冷干机的组合，第四除盐结构为增湿装置、气液分离器和冷干机的组合。
上述增湿装置为两级增湿装置，包括喷淋增湿装置30和热蒸发增湿装置40；在与热蒸发增湿装置的出气口相连的输气管路上设置第二温湿度检测器50。
增湿装置使用时，可根据第二温湿度检测器50的检测结果，由控制器适当调节只开启喷淋增湿装置，或者同时开启喷淋增湿和热蒸发增湿的两级增湿。比如，控制器可预先设定此处空气温湿度要求，若经喷淋增湿装置和热蒸发增湿装置处理后湿度超出了要求范围值，可适关闭热蒸发增湿装置，只通过喷淋增湿装置进行相应增湿处理。
上述旁通管路中，与中效空气过滤器16并联设置的旁通管路为第一旁通管路601；与所述两级增湿装置、气液分离器和冷干机并联设置的3条旁通管路分别为第二旁通管路602、第三旁通管路603、第四旁通管路604。
所述控制器为PIC/STM控制器；所述控制器与pH值检测仪9、电导率检测仪8、中效空气过滤器16、喷淋增湿装置30、热蒸发增湿装置40、气液分离器19、冷干机20、换热器70、阀门5、旁通阀6电连接。
上述储气罐用于气体缓冲。由于储气罐的冷凝水的排水频率低，此处排水不用于含盐量检测；之后气体进入主管路进行除盐或者进入旁通管路用于向燃料电池阴极反应室输送。
上述第一温湿度检测器18和第二温湿度检测器50分别与所述控制器电连接。
上述喷淋增湿装置为设置了喷头的喷淋管；所述热蒸发增湿装置为热蒸发型加湿器；所述气液分离器为离心式气液分离器。
工作原理：首先由无油空压机吸入足量空气作为燃料电池的阴极进气，在空压机31前端设置25微米孔径初效空气过滤器15用于去除较大的固体杂质；空压机31后端连接中冷器32，对压缩后的过热气体冷却。工作过程中，空压机和中冷器的排水经排水管路7排至第一积水区13，该排水含有空气中可溶性杂质，通过该处设置的电导率检测仪8和pH值检测仪9进行测定，用于此进气气体的前端含盐量检测，每次检测后排空第一积水区内的积水。检测数据输出到控制器，控制器根据程序设定，自动屏蔽不除盐或者调用除盐模块进行除盐处理，通过燃料电池阴极产水的后端盐度检测，判断除盐效果，进而进行进一步的除盐方案处理。具体为：通过控制器程序设定的前级盐度值的不同级别和后端盐度值，在阴极进气过程中，首先根据测定的前级盐度值，控制器判定相应的级别，并对应相应的级别进行相应的除盐处理方案的调用，除盐结束后，根据后端盐度值的测定，达标则顺利进气、排水，不达标则继续调用下一更高级别的除盐处理方案继续除盐，直至后端盐度值达标。
除盐模块处理后的气体，经过常规的燃料电池系统的控温控湿过程，进入电池的阴极反应室参与电化学发电反应。
实施例2
如图2所示，采用如实施例1的船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统进行燃料电池阴极进气含盐量检测除盐的方法，采用如下操作步骤：
(1)预先设定前级盐度值和后端盐度值，控制器根据前级盐度值，对经空压进气模块处理的阴极进气的初始含盐量进行判定是否除盐，并根据前级盐度值大小，对需要除盐处理的阴极进气级别判定、选择相应除盐处理方案；
对初始盐度值的初始含盐量判定是否除盐的步骤为：
a按不同盐度值大小，将前级盐度值分为0级、一级、二级、三级和四级，以此为分级标准，确定不同的除盐处理方案；
b当检测判定前级盐度值为0级，控制器控制开启输气管路2上的旁通阀6，除盐结构进气端的阀门5均关闭，阴极进气经旁通管路22自由输送进入燃料电池1的阴极反应室；
c当检测超出前级盐度值0级，启动除盐模块，进行相应除盐处理操作；
S1若前级盐度值判定为1级：开启除盐模块的第一除盐结构，对阴极进气进行处理后，由输气管路输送至燃料电池阴极进气反应室；
S2若前级盐度值判定为2级：开启除盐模块的第二除盐结构，对阴极进气进行处理后，由输气管路输送至燃料电池阴极进气反应室；
S3若前级盐度值判定为3级：开启除盐模块的第三除盐结构，对阴极进气进行处理后，由输气管路输送至燃料电池阴极进气反应室；
S4若前级盐度值判定为4级：开启除盐模块的第四除盐结构，对阴极进气进行处理后，由输气管路输送至燃料电池阴极进气反应室；
(2)在每个级别的除盐处理完成后，控制器结合设定的后端盐度值，进行燃料电池阴极产水的后端盐度值的实时检测，检测合格则正常运行，气体继续顺利进入燃料电池1的阴极反应室；检测不合格，则发出警报，对应下一前级盐度值级别，重复前述步骤，继续相应方案的除盐处理操作，直至正常运行。
上述步骤中的第一除盐结构为设于主管路21上的冷干机20；所述第二除盐结构为设于主管路21上的增湿装置和气液分离器19的组合；所述第三除盐结构为设于主管路21上的增湿装置和冷干机20的组合；所述第四除盐结构为设于主管路21上的增湿装置、气液分离器19和冷干机20的组合；上述结构的组合，通过控制器对阀门及旁通阀的起闭控制实现相应的组合。
上述方法的具体步骤为：
(1)系统开启并进行自检，此时，空压进气模块正常运行，除盐模块关闭；预先设定前级盐度值的0级、一级、二级、三级和四级共5个级别值，预先设定后端盐度值；
空气输送过程中，经过空压机31和中冷器32的排水下方的第一积水区13收集的排水，通过电导率检测仪8和pH值检测仪9进行测定，获得前端排水的盐度，对应图2中的前端检测信号，该盐度信号由控制器分析比较，确定前级盐度值的级别，然后进行相应除盐方案的启动。比如，检测的前级盐度值达到0级，则启动方案0--第一除盐结构：控制器控制中效空气过滤器开启或与其并联的第一旁通管路601的开启，中效空气过滤器过滤颗粒物杂质，同时脱除部分水分；关闭增湿装置前的阀门5、气液分离器前的阀门、开启第二旁通管路602、第三旁通管路603上的旁通阀6，开启冷干机，关闭第四旁通管路604上的旁通阀6，保持冷干机的工作，对气体进行冷干处理，然后输送进入燃料电池1的阴极反应室，对由阴极反应室排出的产水，通过第二积水区的电导率检测仪8和pH值检测仪9进行测定，获得后端盐度值，合格，则系统继续正常运行，若不合格，发出警报，经过一定时间的延时等待后，启动0级的下一级别的1级盐度值的除盐方案，此时，输送气体在经中效空气过滤器处理后，通过第二除盐结构除盐：控制器控制中效空气过滤器16开启或与其并联的第一旁通管路601的开启，开启增湿装置、气液分离器19，关闭冷干机20，开启第四旁通管路604，对气体进行两级增湿：喷淋增湿、热蒸发增湿和气液分离处理，喷淋增湿采用纯水喷淋增湿，热蒸发增湿可利用系统中空压机、电池电堆运行的余热提供升温，也可使用电加热，上述处理的气体再进入燃料电池1的阴极反应室，继续获得后端盐度值，若合格，则系统继续正常运行，若不合格，发出警报，经过一定时间的延时等待后，启动1级的下一级别的2级盐度值的除盐方案，采用第三除盐结构除盐，以此类推，正常输气或者最高进行第四除盐结构的除盐处理。
上述步骤中，中效空气过滤器作为对空气中的非可溶性杂质的过滤清洁作用，可根据经济成本，选择性的使用或不用，具体由操作人员根据空气质量进行选择确定，可通过手动关闭中效空气过滤器前端的阀门实现。
上述步骤中，第一积水区13和第二积水区14的积水在进行每次前级盐度和后端盐度测定后，控制器根据内置的液位器及计时器及时排出积水，比如液位器感应到液位到达一定高度后，由控制器接受相应信号，并同时启动计时器计时，在计时一定周期后及时排水，便于后续进入积水区内的除盐处理的排水的盐度的较准确的再次检测。
上述步骤中，气液分离器利用气体的高速旋转式的离心力留下气体中的水分，水分中溶解的杂质因此被去除。
上述步骤中，冷干机为冷冻室干燥机，对气体进行降温除湿，干燥过程为：由变频压缩机降低冷却液温度，冷却液通过盘管换热，降低输送的气体温度，同时排出冷凝水。冷冻后的气体压力露点将达到到-5℃以下成为较为干燥的气体，再经过换热器升温，利于燃料电池进气的温度控制(通常PEM燃料电池电堆阴极进气温度为60～80℃)，此处采用的热源可以是冷干机运行的余热。
上述换热器为板式换热器。
一般意义上的盐度是指水中溶解物质量与总溶液质量的比值，由于难以直接测量，常用电导率代替表示。本发明所述盐度值进一步由pH值和电导率值共同构成。pH值是溶液中氢离子活度的一种标度，电导率是物质传输电流能力强弱的一种測量值，与溶液中的总溶解物含量直接相关。这两种数值对燃料电池性能和寿命都有重要影响。不同的离子类型对燃料电池中质子交换膜的伤害程度不同。本发明通过对pH和电导率的变化范围区分，进行相应的盐度值0级、一级、二级、三级、四级设定。
实施例3
如图3所示，为采用实施例1的船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统获得的船用燃料电池系统图，其中，阳极进气系统控制和输送氢气，通入燃料电池的阳极侧，气体通过安全阀、止回阀、限压阀100、调压阀101、质量流量计102、背压阀103等实现进气压力和流量控制；通过增湿加热，实现进气的温度、湿度控制；通过氢气循环泵104、电磁阀等实现氢气回流、脉冲排气。阴极进气系统控制和输送空气，利用空气中的氧气作为还原剂参与燃料放电反应。冷却液由冷却控制系统实现燃料电池的温度控制。这三套系统是燃料电池系统的主要组成部分。阳极进气系统和冷却控制系统均为现有燃料电池系统的常规设置，此处不再详述。
该船用燃料电池系统包括燃料电池电堆80，在燃料电池电堆的阴极进气(空气)端经输气管路连接实施例1的船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统，如框中的空压进气模块3和除盐模块4的具体结构及连接详见实施例1中的图1的结构示意图。
除盐模块4处理后的气体，经过常规的燃料电池系统的控温控湿过程，即图中的增湿加热模块90，进入电池的阴极反应室参与电化学发电反应。燃料电池电堆(或称堆芯)的阴极产水用于满足燃料电池两种反应气体的进气增湿，排出多余的水。这些余水排出前第二积水区如储水罐收集，其中设置pH值、电导率检测仪，作为阴极气体含盐量的后端监测，此处在实施例1的检测除盐系统中也已作相应介绍。
该船用燃料电池系统因为设置了具备自动除盐功能的电池阴极进气含盐量检测除盐系统，能够对燃料电池阴极进气进行含盐量检测和除盐处理，提升阴极进气的质量，避免了海洋环境的影响。
上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。
本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统，包括燃料电池，其特征在于，还包括控制器，在燃料电池的阴极端设置经输气管路连接的空压进气模块和除盐模块；
空压进气模块包括依次连接的空压机、中冷器和储气罐；
除盐模块包括前级盐度检测结构、除盐结构和后端盐度检测结构，所述前级盐度检测结构用于检测空压机和中冷器的排水中的盐度值；所述后端盐度检测结构用于检测燃料电池阴极产水中的盐度值；
在与储气罐的排气口相连的输气管路上设置主管路和旁通管路，在主管路上设置所述除盐结构；旁通管路与除盐结构并联设置；在除盐结构的进气端设置阀门，在旁通管路上设置旁通阀；
所述控制器与空压进气模块、除盐模块、阀门及旁通阀电连接；
空压机和中冷器的排水经排水管路排出，收集一定时间内的此排水供阴极进气的前级盐度检测；所述前级盐度检测结构和后端盐度检测结构均包括电导率检测仪、和/或pH值检测仪；除盐结构包括增湿装置、气液分离器和冷干机。
2.根据权利要求1所述的一种船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统，其特征在于，还包括设于输气管路上的空气过滤器，所述空气过滤器包括初效空气过滤器、和/或中效空气过滤器；所述空气过滤器用于过滤去除空气中的固体杂质。
3.根据权利要求2所述的一种船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统，其特征在于，在初效空气过滤器与空压机连接的输气管路上设置含氧量检测器、第一温湿度检测器；在除盐结构的进气端侧的主管路上还设置与中效过滤器并联设置的旁通管路。
4.根据权利要求1所述的一种船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统，其特征在于，所述除盐结构包括沿主管路依次设置的增湿装置、气液分离器和冷干机；在所述增湿装置、气液分离器和冷干机的进气端分别设置所述阀门；旁通管路包括分别与所述增湿装置、气液分离器和冷干机并联设置的3条，在各旁通管路上设置所述旁通阀；所述控制器与增湿装置、气液分离器和冷干机电连接。
5.根据权利要求1所述的一种船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统，其特征在于，所述增湿装置为两级增湿装置，包括喷淋增湿装置、和/或热蒸发增湿装置；在与热蒸发增湿装置的出气口相连的输气管路上设置第二温湿度检测器。
6.一种如权利要求1-5任一所述的船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统的检测除盐方法，其特征在于，包括如下操作步骤：
(1)预先设定前级盐度值和后端盐度值，控制器根据前级盐度值，对经空压进气模块处理的阴极进气的初始含盐量进行判定是否除盐，并根据前级盐度值大小，对需要除盐处理的阴极进气级别判定、选择相应除盐处理方案；
(2)控制器根据设定后端盐度值，对经除盐处理方案处理的阴极产水的最终含盐量进行判定：当后端盐度值达标，阴极进气继续顺利输送进入燃料电池的阴极反应室，当后端盐度值不达标，控制器将改进除盐处理方案、再次除盐处理后判定，直至后端盐度值达标，正常向燃料电池阴极反应室进气。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(1)对初始盐度值的初始含盐量判定是否除盐的步骤为：
a按不同盐度值大小，将前级盐度值分为0级、一级、二级、三级和四级，以此为分级标准，确定不同的除盐处理方案；
b当检测判定前级盐度值为0级，控制器控制开启输气管路上的旁通阀，除盐结构进气端的阀门关闭，阴极进气经旁通管路自由输送进入燃料电池的阴极反应室；
c当检测超出前级盐度值0级，启动除盐模块、关闭旁通阀，进行相应除盐处理操作；
S1若前级盐度值判定为1级：开启除盐模块的第一除盐结构，对阴极进气进行处理后，由输气管路输送至燃料电池阴极进气反应室；
S2若前级盐度值判定为2级：开启除盐模块的第二除盐结构，对阴极进气进行处理后，由输气管路输送至燃料电池阴极进气反应室；
S3若前级盐度值判定为3级：开启除盐模块的第三除盐结构，对阴极进气进行处理后，由输气管路输送至燃料电池阴极进气反应室；
S4若前级盐度值判定为4级：开启除盐模块的第四除盐结构，对阴极进气进行处理后，由输气管路输送至燃料电池阴极进气反应室；
步骤(2)是在上述不同方案的除盐处理完成后，进行后端盐度值的检测，与设定的后端盐度值比较，检测合格则正常运行，气体进入燃料电池阴极反应室；检测不合格，则发出警报，对应下一前级盐度值级别，重复前述步骤，继续相应方案的除盐处理操作，直至正常运行。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一除盐结构为设于主管路上的冷干机；所述第二除盐结构为设于主管路上的增湿装置和气液分离器的组合；所述第三除盐结构为设于主管路上的增湿装置和冷干机的组合；所述第四除盐结构为设于主管路上的增湿装置、气液分离器和冷干机的组合。
9.一种船用燃料电池系统，包括燃料电池电堆，其特征在于，在燃料电池电堆的阴极进气端连接如权利要求1-5任一项所述的船用燃料电池阴极进气含盐量检测除盐系统。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
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