CN114335626A - 一种燃料电池氢气循环系统及排氢排水方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池氢气循环系统及排氢排水方法。燃料电池氢气循环系统包括燃料电池堆、气水分离器、氢气循环泵和压力缓冲组件，燃料电池堆的进气口分别与外界氢气源以及氢气循环泵的出气口连通；燃料电池堆与气水分离器的进口连通，氢气循环泵的进气口和气水分离器的气出口连通，至少在气水分离器的水出口连接有压力缓冲组件。压力缓冲组件能够收集从气水分离器内排出的水和部分氢氮混合气体，由于压力缓冲组件能够在气水分离器的进口处压力和出口处压力的差值较小的情况下再进行气水释放，因此释放时系统内外压差小，维持阳极管路压力稳定，保护膜电极。

Description

一种燃料电池氢气循环系统及排氢排水方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池氢气循环系统及排氢排水方法。

背景技术

氢能是一种清洁的二次能源，燃料电池系统是一种高效的氢能利用装置，在燃料电池系统运行过程中，由于压力、浓度等因素的作用下，阴极侧的水和氮气会跨膜渗透至阳极管路中，阳极管路中的液态水过多会造成水淹，堵塞流道等问题，氮气累积会降低氢气分压，影响反应效率，因此及时排出阳极管路中累积的水和氮气对燃料电池系统高效运行至关重要。

目前普遍采用的排水、排氮方法为周期性脉冲排放法，当阀门打开时，水/氢氮混合气在压力差的作用下快速排出系统，完成排水排氮的目的。但是由于系统内外压力差较大，气体流量较大，氢气无法及时补充，会造成阳极管路压力下降或震荡，影响燃料电池效率，甚至对膜电极造成不可逆的机械损伤。

因此，亟需一种燃料电池氢气循环系统，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的第一个目的在于提出一种燃料电池氢气循环系统，能够在排氢排水时避免燃料电池系统内外压差较大而引起的阳极管路压力下降或震荡。

本发明的第二个目的在于提出一种燃料电池排氢排水方法，能够在排氢排水时降低燃料电池系统内外压差，防止阳极管路压力下降或震荡。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种燃料电池氢气循环系统，包括燃料电池堆、气水分离器、氢气循环泵和压力缓冲组件，所述燃料电池堆的进气口分别与外界氢气源以及所述氢气循环泵的出气口连通，所述燃料电池堆与所述气水分离器的进口连通，所述氢气循环泵的进气口和所述气水分离器的气出口连通，至少在所述气水分离器的水出口处连接有所述压力缓冲组件。

作为上述燃料电池氢气循环系统的一种优选技术方案，

所述压力缓冲组件包括膨胀结构和截止阀，所述膨胀结构与所述气水分离器连接，所述截止阀与所述膨胀结构连接。

作为上述燃料电池氢气循环系统的一种优选技术方案，

所述膨胀结构为气球、隔膜膨胀罐、气囊膨胀罐、气压活塞容器或机械弹簧膨胀容器。

作为上述燃料电池氢气循环系统的一种优选技术方案，

所述气水分离器的水出口与所述压力缓冲组件之间设置有排泄阀。

作为上述燃料电池氢气循环系统的一种优选技术方案，

所述燃料电池堆和所述气水分离器之间设置有第一压力传感器，所述气水分离器的所述水出口与所述压力缓冲组件之间设置有第二压力传感器。

作为上述燃料电池氢气循环系统的一种优选技术方案，

所述氢气循环泵和所述燃料电池堆之间设置有单向阀，所述单向阀被配置为由所述氢气循环泵至所述燃料电池堆的单向导通。

本发明还提供了一种燃料电池排氢排水方法，应用于上述任一方案中的燃料电池氢气循环系统，包括如下步骤：

当气水分离器中的水排入压力缓冲组件的过程中，获取气水分离器进口和水出口的压力值；

当气水分离器进口的压力值和水出口的压力值的差值小于等于预设差值时，则将压力缓冲组件中的水气排出。

作为上述燃料电池排氢排水方法的一种优选技术方案，

所述气水分离器和所述压力缓冲组件之间设置有排泄阀，获取所述气水分离器进口和水出口的压力值之前，判断所述气水分离器内的水总量是否达到最大预设量，若是，则打开排泄阀。

作为上述燃料电池排氢排水方法的一种优选技术方案，

将压力缓冲组件中的水气排出前，关闭排泄阀。

作为上述燃料电池排氢排水方法的一种优选技术方案，

还包括：

所述压力缓冲组件包括膨胀结构和截止阀，所述膨胀结构内压力小于最小预设压力时，关闭截止阀。

本发明有益效果：

压力缓冲组件能够收集从气水分离器内排出的水和部分氢氮混合气体，由于压力缓冲组件能够在气水分离器的进口处压力和出口处压力的差值较小的情况下再进行气水释放，因此释放时系统内外压差小，如此可维持阳极管路压力稳定，保护膜电极。另外在气出口处设置压力缓冲组件能够使燃料电池堆释放一部分氮气，如此无需设置氢气释放阀，使水出口即能够排水，又能够排出一部分氢氮混合气体，提高燃烧效率。

本方法通过检测气水分离器进口和水出口处的压力值，根据压力值之间的差值来确定是否排水排气，可减少阳极管路内部压力波动，维持压力稳定，保护膜电极。

附图说明

图1是本发明实施例提供的燃料电池氢气循环系统的一种结构示意图；

图2是本发明实施例提供的燃料电池氢气循环系统的另一种结构示意图；

图3是本发明实施例提供的排氢排水方法的主要步骤流程图；

图4是本发明实施提供的方法与现有技术中排氢排水阳极管路的压力波动比较图；

图5是使用本发明实施例提供的方法的膨胀结构内的压力变化图；

图6是本发明实施例提供的排氢排水方法的详细步骤流程图。

图中：

1、燃料电池堆；2、氢气循环泵；3、气水分离器；4、排泄阀；5、膨胀结构；6、截止阀；7、第二压力传感器；8、第一压力传感器；9、辅助排泄阀。

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说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”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。对于本领域的普通技术人员而言，可以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之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，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”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

针对现有技术中燃料电池在排氢排水过程中会出现阳极管路压力下降或震动，影响燃料电池效率的问题，本发明实施例中提供了一种燃料电池氢气循环系统，以解决上述技术问题。

如图1所示，该一种燃料电池氢气循环系统包括燃料电池堆1、气水分离器3、氢气循环泵2和压力缓冲组件，燃料电池堆1的进气口分别与外界氢气源以及氢气循环泵2的出气口连通，实现氢气进入燃料电池堆1内；燃料电池堆1与气水分离器3的进口连通以实现燃料电池产生的气水混合物进入到气水分离器3内分离，氢气循环泵2的进气口和气水分离器3的气出口连通，实现被气水分离器3分离的氢气再次通过氢气循环泵2进入到燃料电池堆1内，至少在气水分离器3的水出口连接有压力缓冲组件。压力缓冲组件能够收集从气水分离器3内排出的水和部分氢氮混合气体，由于压力缓冲组件能够在气水分离器3的进口处压力和出口处压力的差值较小的情况下再进行气水释放，因此释放时系统内外压差小，维持阳极管路压力稳定，保护膜电极。另外在气出口处设置压力缓冲组件能够使燃料电池堆释放一部分氮气，如此无需设置氢气释放阀，使水出口即能够排水，又能够排出一部分氢氮混合气体，提高燃烧效率。

可选地，在本发明的实施例中，压力缓冲组件包括膨胀结构5和截止阀6，膨胀结构5与气水分离器3连接，截止阀6与膨胀结构5连接。膨胀结构5中进入气水混合物后会发生膨胀，并且腔内压力会随着气体充入而增大，直至与气水分离器3的进口的压力相同。如此可实现气水分离器3的进口和出口的压力差小，而截止阀6则在膨胀结构5的腔内压力达到与气水分离器3进口处的压力一致时打开，以释放气水混合物，如此可保证释放时内外压差小的需要。

在本实施例中，膨胀结构5为气球、隔膜膨胀罐、气囊膨胀罐、气压活塞容器或机械弹簧膨胀容器中的一种。由于气球、隔膜膨胀罐、气囊膨胀罐、气压活塞容器或机械弹簧膨胀容器均为现有结构，故其任一种均可直接应用在燃料电池氢气循环系统中，进而降低设计和制造成本。

尽管截止阀6在释放气水混合物时能够防止系统内压力突变，但是压力缓冲组件排放气体时若气水分离器3和压力缓冲组件之间直接连通也会出现压力改变的情况，为了进一步地降低系统内压力的改变量，在本实施例中，气水分离器3的水出口与压力缓冲组件之间设置有排泄阀4。排泄阀4关闭后截止阀6打开，如此则能够保证气水分离器3的进口和出口两端的压力保持一致，避免系统内的压力随着碰撞结构内部压力的改变而改变，提高燃料电池内部的压力稳定性。排泄阀4既可以排水也可以排气，排气时排出去的为氢氮混合气体，但是排泄阀4优先排水，水排完以后可以排出部分氢氮气体。

可选地，在本实施例中，燃料电池堆1和气水分离器3之间设置有第一压力传感器8，第一压力传感器8用于检测燃料电池堆1的出口处的压力，气水分离器3的水出口与压力缓冲组件之间设置有第二压力传感器7，而第二压力传感器7则用于检测膨胀结构5处的压力，当然，第二压力传感器7还可以设置在碰撞结构内部，以检测碰撞结构的压力值。

在本实施例中，气水分离器3中设置有液位传感器，用于检测气水分离器3内的水位，以便排泄阀4能够根据液位情况打开。

可选地，在本发明的实施例中，氢气循环泵2和燃料电池堆1之间设置有单向阀，单向阀被配置为由氢气循环泵2至燃料电池堆1的单向导通。单向阀可防止氢气逆流回到氢气循环泵2和气水分离器3内，保障燃料电池堆1内部压力稳定。

需要说明的是，压力缓冲组件可设置在气水分离器3的水出口处，还可以在气水分离器3的水出口和气出口处设置(参考图2)，压力缓冲组件设置在气出口也能够实现对氮气的排放目的。而只在水出口处设置压力缓冲组件，则能够实现排水排气的双重目的。当气水分离器3的水出口和气出口处均设置有压力缓冲组件时，气出口处需设置以辅助排泄阀9，防止氢气直接进入到压力缓冲组件内影响气水分离器3两端的压力。

在本发明的实施例中，还提供了一种燃料电池排氢排水方法，应用于本发明实施例提供的燃料电池氢气循环系统中，如图3所示，该燃料电池排氢排水方法包括如下步骤：

S11、当气水分离器3中的水排入压力缓冲结构的过程中，获取气水分离器3进口和水出口的压力值；

在排泄阀4开启的状态下，气水混合物进入到碰撞结构中，第一压力传感器8和第二压力传感器7获得对应的压力值。

S12、当气水分离器3进口的压力值和水出口的压力值的差值小于等于第一预设差值时，则则将压力缓冲组件中的水气排出。

气水分离器3进口的压力值和水出口的压力值的差值与第一预设差值作比较，如此可避免阳极管路压力下降过多引起的震荡，其中第一预设差值的数值选取根据实际需要设定，可以为0，也可以是其他数值。

需要说明的是，在获取压力值之前，需要判断气水分离器3内的水总量是否达到最大预设水量，若是，则打开排泄阀4。即气水分离器3的气出口连接的排泄阀4不是常开状态，获取气水分离器3进口和水出口的压力值之前，通过限定气水分离器3内的水总量达到最大预设水量后开启排泄阀4，这样可以防止气水分离器3内的气出口处于常开影响阳极管路的压力，避免阳极管路压力长期处于下降状态。

气水分离器3内的水量可根据时间进行计算或者通过液位传感器进行检测，两种方式均可使用。

若截止阀6与排泄阀4同时开启，那么会造成阳极管路压力下降幅度大，为了保证气水分离器3两端的压力保持近似相同，以确保燃料电池堆1的阳极管路压力下降少，在本实施例中，压力缓冲组件打开前，需要关闭排泄阀4。

在本发明的实施例中，膨胀结构5内压力小于最小预设压力时，关闭截止阀6。即膨胀结构5内的水和气体不是完全释放出膨胀结构5，如此可防止气水分离器3的进口和水出口两端的压力差较大，不会造成阳极管路压力波动较大，使膨胀结构5缓慢膨胀。对于截止阀6的启毕，可以依据是少量排气多次开启执行，例如最小预设压力为膨胀结构5的最大预设压力的一半，就关闭截止阀6。当然在其他实施例中可以通过流量传感器确定截止阀6何时关闭，本实施例中优选压力传感器检测压力，较流量传感器而言，压力传感器更为经济，降低系统的成本。

当然还可以根据排气量来控制截止阀6的关闭，例如，对于膨胀结构5，在某一温度下，其腔内压力与体积关系为V＝f(P)。设则排气量Q可以通过膨胀结构5结束体积减去初始体积获得，即Q＝f(Pd1)-f(Pd2)，由此可以精确控制周期排气量，避免氢气浪费。

在燃料电池正常运行过程中，当阳极管路的水/氮气累积到一定程度时，达到排泄阀4打开条件，则打开排泄阀4，排泄阀4处于开启状态时截止阀6处于关闭状态，水和氮氢混合气在压力作用下排入膨胀结构5中。

如图4所示，图4中使用本方法后阳极管路的压力变化情况与现有技术中阳极管路压力变化情况相比，较为缓和，压力突降不明显。膨胀结构5随着气体和水的充入，电堆阳极管路出口压力Pu和膨胀结构5的内部压力Pd之间的压差△P会逐渐减小，排气速度会稳定减小，避免了阳极管路压力由于排气量大造成的压力突降问题。

排泄阀4在达到关闭条件时会关闭，此时截止阀6打开，水/氮氢混合气体在膨胀结构5压力的作用下排出腔体，完成排水排气过程。

如图5所示，在本实施例中，膨胀罐Pd的初始排气压力Pd1和结束排气压力Pd2可以根据实际需要控制，即阳极管路和膨胀结构5的压差△P的排气初始压差△Pini(即第一预设差值)和结束排气压差△Pend(即第二预设差值)可以根据需要控制。通过自由调控Pd压力，可以实现对排气速度、排气量的准确控制。

当燃料电池需要以低压差、长周期的控制策略来达到较小排气压力波动时，可以通过以一个较小的排气初始压差△Pini排气实现，即截止阀6可以在上一周期膨胀结构5压力全部释放至大气压Pa前关闭，使膨胀腔保持一定压力时即开始下一周期排氢。当系统需要以高压差、高频率脉冲排放来达到吹扫目的时，可以提高排气初始压差△Pini，减小排气周期实现。本方法通过精准的压力差控制，准确控制排气速度，维持阳极管路压力稳定。

如图6所示，上述排氢排水方法的详细步骤包括：

S21、获取气水分离器3内的水量；

S22、水量是否大于等于预设最大预设水量，若是，则执行步骤S23，若否，则返回S21；

S23、打开排泄阀4；

S24、气水分离器3的进口与水出口的压力差值是否小于等于第一预设差值；若是，则执行步骤S25，若否，则执行步骤S23；

S25、关闭排泄阀4；

S26、打开截止阀6；

S27、气水分离器3的进口与水出口的压力差值是否小于等于第二预设差值，若是，则执行步骤S28，若否，则执行步骤S26；

S28、关闭截止阀6；

S29、结束。

此外，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种燃料电池氢气循环系统，其特征在于，包括燃料电池堆(1)、气水分离器(3)、氢气循环泵(2)和压力缓冲组件，所述燃料电池堆(1)的进气口分别与外界氢气源以及所述氢气循环泵(2)的出气口连通，所述燃料电池堆(1)与所述气水分离器(3)的进口连通，所述氢气循环泵(2)的进气口和所述气水分离器(3)的气出口连通，至少在所述气水分离器(3)的水出口处连接有所述压力缓冲组件。

2.根据权利要求1所述的燃料电池氢气循环系统，其特征在于，所述压力缓冲组件包括膨胀结构(5)和截止阀(6)，所述膨胀结构(5)与所述气水分离器(3)连接，所述截止阀(6)与所述膨胀结构(5)连接。

3.根据权利要求2所述的燃料电池氢气循环系统，其特征在于，所述膨胀结构(5)为气球、隔膜膨胀罐、气囊膨胀罐、气压活塞容器或机械弹簧膨胀容器。

4.根据权利要求1所述的燃料电池氢气循环系统，其特征在于，所述气水分离器(3)的水出口与所述压力缓冲组件之间设置有排泄阀(4)。

5.根据权利要求1所述的燃料电池氢气循环系统，其特征在于，所述燃料电池堆(1)和所述气水分离器(3)之间设置有第一压力传感器(8)，所述气水分离器(3)的所述水出口与所述压力缓冲组件之间设置有第二压力传感器(7)。

6.根据权利要求1所述的燃料电池氢气循环系统，其特征在于，所述氢气循环泵(2)和所述燃料电池堆(1)之间设置有单向阀，所述单向阀被配置为由所述氢气循环泵(2)至所述燃料电池堆(1)的单向导通。

7.一种燃料电池排氢排水方法，应用于权利要求1-6任一项所述的燃料电池氢气循环系统，其特征在于，包括如下步骤：

当气水分离器(3)中的水排入压力缓冲组件的过程中，获取气水分离器(3)进口和水出口的压力值；

当气水分离器(3)进口的压力值和水出口的压力值的差值小于等于预设差值时，则将压力缓冲组件中的水气排出。

8.根据权利要求7所述的燃料电池排氢排水方法，其特征在于，所述气水分离器和所述压力缓冲组件之间设置有排泄阀(4)，获取所述气水分离器(3)进口和水出口的压力值之前，判断所述气水分离器(3)内的水总量是否达到最大预设量，若是，则打开排泄阀(4)。

9.根据权利要求8所述的燃料电池排氢排水方法，其特征在于，将压力缓冲组件中的水气排出前，关闭排泄阀(4)。

10.根据权利要求7所述的燃料电池排氢排水方法，其特征在于，所述压力缓冲组件包括膨胀结构(5)和截止阀(6)，还包括：

所述膨胀结构(5)内压力小于最小预设压力时，关闭截止阀(6)。

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