CN114388850A - 一种燃料电池高效吹扫系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池高效吹扫系统及其控制方法，涉及康复医学用辅助装置领域，解决了现有的燃料电池内气体流路中的堆积在的气体流路中附近的水无法完全排出，且吹扫效率较低的问题，现提出如下方案，其包括空气供给模块A0、氢气供给模块H0、散热模块W0、PEMFC1燃料电池，所述空气供给模块A0包括空气过滤器A5、空气压缩机A3、空气入口阀A4、空气出口阀A1、旁通阀A2、反吹扫阀A6、吹扫泄放阀A7、空气入口压力传感器P3、出口压力传感器P4和相互连接管路组成，所述氢气供给模块H0包括氢罐TK1、瓶口阀H1、氢气压力调节阀H2、氢气流量控制器H3、氢循环泵H4。本装置具有可以高效且全面的吹扫排水，提高了燃料电池反应输出效率。

Description

一种燃料电池高效吹扫系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及康复医学用辅助装置领域，尤其涉及一种燃料电池高效吹扫系统及其控制方法。

背景技术

燃料电池是一种通过将燃料和氧化剂分别通入包含一定其他结

构的阳极与阴极，从而直接将化学能转化为电能的装置。固体高分子型燃料电池是一种利用电解质膜只允许质子通过这一特性而组建的电池，每个电池单体包含阳极、阴极和夹杂在电极间的电解质膜组成，为了获得较高的功率输出，通常将多个燃料电池单体进行堆叠。固体高分子型燃料电池中的电解质膜是一种聚合物，可以较容易地制造且能够在低温下运行，同时能量转化方面效率比热力发电高，作为便携式电源和可移动物体的电源具有较大优势。

在聚合物电解质燃料电池中，一般使用氢气作为阳极燃料，空气作为阴极氧化剂，在阳极处发生下式(1)中反应。

H2→2H++2e-(1)

上述反应中产生的电子在外部电路中做功后流入阴极，上述反应中产生的质子穿过聚合物电解质膜到达阴极，并在阴极发生下式(2)中反应。

2H++(1/2)O2+2e-→H2O(2)

上述(2)式中产生的水从燃料电池中排出，完成整个发电过程。一方面，湿润的聚合物电解质膜由于存在水合作用，更利于质子从中通过，因此维持一定的电解质含水量可以促进燃料电池的发电。另一方面，在燃料电池发电时产生一定量的水，若不及时将水从燃料电池气体供给管路中排出，可能阻碍足够量的待反应气体向催化剂层流动，从而降低燃料电池的输出，特别地，当燃料电池停止运行时，需将内部与连接管路中所有水分排出，否则残留的水在低温环境下产生冻结，使下次发电启动性能降低。

在以往的吹扫方法中，存在无法将燃料电池气体流路中特别是堆积在气体流路进出口附近的水完全排出的可能，且已公布的吹扫方法效率不高。因此提出一种燃料电池高效吹扫系统及其控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池高效吹扫系统及其控制方法，解决了现有的燃料电池内气体流路中的堆积在的气体流路中附近的水无法完全排出，且吹扫效率较低的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池高效吹扫系统，包括空气供给模块A0、氢气供给模块H0、散热模块W0、PEMFC1燃料电池，所述空气供给模块A0包括空气过滤器A5、空气压缩机A3、空气入口阀A4、空气出口阀A1、旁通阀A2、反吹扫阀A6、吹扫泄放阀A7、空气入口压力传感器P3、出口压力传感器P4和相互连接管路组成，所述氢气供给模块H0包括氢罐TK1、瓶口阀H1、氢气压力调节阀H2、氢气流量控制器H3、氢循环泵H4、气液分离器H5、氢管路泄放阀H6、氢气入口压力表P1、氢气出口压力表P2和相互连接管路组成，所述散热模块W0包括三通调节阀W1、散热器W2、冷却剂循环泵W3、冷却剂出口温度传感器T1、冷却剂入口温度传感器T2和相互连接的管路，所述控制器U0连接有环境温度传感器T3。

优选的，所述空气过滤器A5连接有空气压缩机A3，所述空气压缩机A3的出口连接有旁通阀A2、空气入口阀A4、反吹扫阀A6，所述空气入口阀A4与PEMFC1燃料电池的空气进口连接，且空气入口阀A4上安装有空气入口压力传感器P3，所述PEMFC1燃料电池的空气出口连接有空气出口阀A1，且空气出口阀A1上安装有出口压力传感器P4，所述旁通阀A2与反吹扫阀A6分别与空气出口阀A1的出气口与进气口连接。

优选的，所述氢罐TK1上依次连接有瓶口阀H1、氢气压力调节阀H2、氢气流量控制器H3，所述氢气流量控制器H3与PEMFC1燃料电池的氢气进口连接，且氢气流量控制器H3上安装有氢气入口压力表P1，所述PEMFC1燃料电池的氢气出口安装有氢气出口压力表P2，且PEMFC1燃料电池的氢气出口连接有气液分离器H5，所述气液分离器H5分别连接有氢循环泵H4与氢管路泄放阀H6，所述氢循环泵H4与PEMFC1燃料电池的氢气进口连接。

优选的，所述EMFC1燃料电池的氢气进口连接三通调节阀W1，且EMFC1燃料电池的氢气进口上安装有冷却剂出口温度传感器T1，所述三通调节阀W1分别连接有散热器W2与冷却剂循环泵W3，且散热器W2与冷却剂循环泵W3互相连接，所述冷却剂循环泵W3与EMFC1

燃料电池的空气出口连接，并在空气出口处安装有冷却剂入口温度传感器T2。

优选的，所述控制器U0上安装有环境温度传感器T3，所述控制器U0与空气出口阀A1、散热器W2、氢气压力调节阀H2控制信号连接。

优选的，所述空气入口阀A4与氢管路泄放阀H6之间连接有吹扫泄放阀A7。

一种燃料电池高效吹扫系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：首先S10判断燃料电池是否发出停止运行信号，即运行开关是否关闭，若没有停止运行信号S10为否，则结束此控制，若收到停止运行信号S10为是，则进行S20控制；

S2：运行正向吹扫，此时保持压缩机A3运行，具体运行转速根据试验测试确定，并打开阀A4、A1，关闭A2、A6、A7，并在S30中判断吹扫持续时间是否达到Tn，此时间由试验确定；

S3：若S30判断结果为是，则停止正向吹扫，停止压缩机A3运行；

S4：进入S50判断P3和P4的差值是否小于P0+a，a为缓冲设定的微小值，如果S50判断为否，持续保持正向停止状态；

S5：等待空气完全排出直至压差接近P0，此时进入S60，开始反向吹扫，打开A6、A7，关闭A4、A1，打开压缩机，以相同的转速或其他转速运行；

S6：进入S70，判断反向吹扫持续时间是否达到Tm，Tm可以与Tn相同，亦可小于Tn，当S70判断为是，进入S80，停止反向吹扫，关闭压缩机A3，结束吹扫控制。

与相关技术相比较，本发明提供的一种燃料电池高效吹扫系统及其控制方法具有如下有益效果：

1、本发明提供一种燃料电池高效吹扫系统及其控制方法，通过。

2、本发明提供一种燃料电池高效吹扫系统及其控制方法，通过。

附图说明

图1为一种燃料电池高效吹扫系统的控制系统原理图。

图2为一种燃料电池高效吹扫系统的控制方法的流程图一。

图3为一种燃料电池高效吹扫系统的控制方法的流程图二。

图4为一种燃料电池高效吹扫系统的吹扫时进出口压力损失变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种燃料电池高效吹扫系统，包括空气供给模块A0、氢气供给模块H0、散热模块W0、PEMFC1燃料电池，空气供给模块A0包括空气过滤器A5、空气压缩机A3、空气入口阀A4、空气出口阀A1、旁通阀A2、反吹扫阀A6、吹扫泄放阀A7、空气入口压力传感器P3、出口压力传感器P4和相互连接管路组成，氢气供给模块H0包括氢罐TK1、瓶口阀H1、氢气压力调节阀H2、氢气流量控制器H3、氢循环泵H4、气液分离器H5、氢管路泄放阀H6、氢气入口压力表P1、氢气出口压力表P2和相互连接管路组成，散热模块W0包括三通调节阀W1、散热器W2、冷却剂循环泵W3、冷却剂出口温度传感器T1、冷却剂入口温度传感器T2和相互连接的管路，控制器U0连接有环境温度传感器T3。

空气过滤器A5连接有空气压缩机A3，空气压缩机A3的出口连接有旁通阀A2、空气入口阀A4、反吹扫阀A6，空气入口阀A4与PEMFC1燃料电池的空气进口连接，且空气入口阀A4上安装有空气入口压力传感器P3，PEMFC1燃料电池的空气出口连接有空气出口阀A1，且空气出口阀A1上安装有出口压力传感器P4，旁通阀A2与反吹扫阀A6分别与空气出口阀A1的出气口与进气口连接。

氢罐TK1上依次连接有瓶口阀H1、氢气压力调节阀H2、氢气流量控制器H3，氢气流量控制器H3与PEMFC1燃料电池的氢气进口连接，且氢气流量控制器H3上安装有氢气入口压力表P1，PEMFC1燃料电池的氢气出口安装有氢气出口压力表P2，且PEMFC1燃料电池的氢气出口连接有气液分离器H5，气液分离器H5分别连接有氢循环泵H4与氢管路泄放阀H6，氢循环泵H4与PEMFC1燃料电池的氢气进口连接。

EMFC1燃料电池的氢气进口连接三通调节阀W1，且EMFC1燃料电池的氢气进口上安装有冷却剂出口温度传感器T1，三通调节阀W1分别连接有散热器W2与冷却剂循环泵W3，且散热器W2与冷却剂循环泵W3互相连接，冷却剂循环泵W3与EMFC1燃料电池的空气出口连接，并在空气出口处安装有冷却剂入口温度传感器T2。

控制器U0上安装有环境温度传感器T3，控制器U0与空气出口阀A1、散热器W2、氢气压力调节阀H2控制信号连接，空气入口阀A4与氢管路泄放阀H6之间连接有吹扫泄放阀A7。空气过滤器A5过滤掉空气中的杂质、灰尘，通过空气压缩机A3控制空气的输送压力和流量，空气入口阀A4是常闭阀，当满足一定压力的空气流入时打开，空气出口阀A1是可调节阀，通过调节其开度控制燃料电池中空气供应的压力，旁通阀A2也是可调节阀，控制由压缩机A3出口的空气向燃料电池内部流入的量，也可用来稀释氢气供给模块H0泄放出的氢气浓度，使之满足排放要求，反吹扫阀A6用于停机吹扫，当燃料电池停止运行时将其打开，使空气经过反吹扫阀A6而流入燃料电池出口进行反吹扫，吹扫泄放阀A7是将经反吹扫后的气体液体输送至排放口，空气入口压力传感器P3测量进入燃料电池的空气压力，出口压力传感器P4测量燃料电池出口的空气测压力；氢罐TK1存储高压氢气燃料，如35MPa或70Mpa，亦可以是重整产生的燃料箱，瓶口阀H1控制氢气供应的通断，氢气压力调节阀H2调整由氢罐流出的高压氢气，如将高压氢气减压至200KPa，氢气流量控制器H3是用来调节供应至燃料电池的氢气的流量，可采用比例调节阀或电磁脉冲阀，氢循环泵H4将由燃料电池排出的未进行反应的氢气以一定的压力和流量再循环至氢气供应管路，使这部分氢气再次进入燃料电池反应，提高燃料的利用效率，气液分离器H5作用是将燃料电池氢气排放管路排出的废气中的气体与水分开，分离后的气体进入氢循环泵H4，分离后的水存于分离器的下半端，氢管路泄放阀H6以一定的周期或根据控制器的信号打开，将气液分离器中的水和氢管路中的非氢气体，如由阴极渗透到阳极的氮气和少量氢等，经空气稀释后以规定浓度以下排出到大气中，氢气入口压力表P1和氢气出口压力表P2分别测量进入和排出燃料电池的氢气压力；冷却水出口温度传感器T1和冷却剂入口温度传感器T2分别测量燃料电池冷却管路出口和入口的冷却剂温度，其中冷却水出口温度传感器T1的值可认为是燃料电池内部的温度，散热器W2是用来使流过的冷却剂降温的设备，例如换热管配有风扇进行吹扫冷却或多相流换热设备，传热管路三通调节阀W1根据燃料电池内部温度调节进入散热器W2的冷却剂量，进入散热器W2的冷却剂越多，燃烧器入口冷却剂的温度越低，有利于降低燃料电池内部温度，一般地，控制燃料电池内部温度在60-80℃之间，冷却剂循环泵W3调整冷却剂循环量，即流速，当需要更快速降温时，升高冷却剂循环泵W3的转速更利于实现燃料电池的降温；控制器U0收集各模块中的和环境温度传感器T3测量数据，并根据内置的控制策略与程序调节诸如阀门、泵、压缩机等部件运行，使燃料电池的发电量满足控制指令要求；FC1为燃料电池本体，由多个燃料电池单体堆叠而成，可通过调整燃料和空气的供给量控制燃料电池FC1的发电量。进而可以通过该系统以上单元实现可以实现高效吹扫，且吹扫排水完全。

实施例二：

请参阅图2、4所示，在实施例一的基础上，本发明提供一种技术方案：一种燃料电池高效吹扫系统的控制方法，包括以下步骤：

第一步：首先S10判断燃料电池是否发出停止运行信号，即运行开关是否关闭，若没有停止运行信号S10为否，则结束此控制，若收到停止运行信号S10为是，则进行S20控制；

第二步：运行正向吹扫，此时保持压缩机A3运行，具体运行转速根据试验测试确定，并打开阀A4、A1，关闭A2、A6、A7，并在S30中判断吹扫持续时间是否达到Tn，此时间由试验确定；

第三步：若S30判断结果为是，则停止正向吹扫，停止压缩机A3运行；

第四步：进入S50判断P3和P4的差值是否小于P0+a，a为缓冲设定的微小值，如果S50判断为否，持续保持正向停止状态；

第五步：等待空气完全排出直至压差接近P0，此时进入S60，开始反向吹扫，打开A6、A7，关闭A4、A1，打开压缩机，以相同的转速或其他转速运行；

第六步：进入S70，判断反向吹扫持续时间是否达到Tm，Tm可以与Tn相同，亦可小于Tn，当S70判断为是，进入S80，停止反向吹扫，关闭压缩机A3，结束吹扫控制。

吹扫策略记录的吹扫时空气进出口压力损失和时间的关系图，图中纵轴代表燃料电池空气进出口压力损失值，当燃料电池内部管路残留水存在时，与干燥时候相比空气进出压力损失值较高，因此可以通过压力损失值判断残留水的量，图中横轴是时间，为了进行对比，列出常规吹扫策略和本发明提出的吹扫方式不同的压力损失变化，其中实线G1为常规吹扫策略曲线，如只进行正向吹扫，而虚线G2为本发明提出的正向与反向结合吹扫策略记录的曲线，如图所示，在t0时刻开始进行正向吹扫，空气进入燃料电池瞬间，内部水量最多，最大压力损失为P1，随后随着水被带出，压力损失逐渐接近无水时压力损失值P0，t1时刻停止正向吹扫，t2时刻开始正向吹扫，由压缩机产生的空气进入燃料电池后瞬间压力损失达到P2，如前描述，在第一次结束吹扫后，燃料电池内部还存在滞留在进出口的水，随后迅速下降到P0值，t3时刻再次进行正向吹扫，压力损失瞬间到达P4，后以更快速度下降到P0，作为对比，利用本发明提出的反向吹扫时，t2时刻瞬间最大压力为P3，P3小于P2，而t3再次进行正向吹扫时压力损失最大值非常接近P0，说明在t2反向吹扫后残留极少的水，说明本发明提出的策略可实现更效率的吹扫。进而可以通过以上控制方法进行高效且全面的吹扫排水，提高了燃料电池反应输出效率。

实施例二：

请参阅图3所示，在实施例一的基础上，本发明提供一种技术方案：一种燃料电池高效吹扫系统的控制方法：与第二实施例相比除了在S50和S60中间增加S55，其他控制和燃料电池结构原理与第一实施例相同，S55判断燃料电池外部的温度(由温度传感器T3获取)是否低于0℃，此温度不限于0℃，也可以是其他设定值，基于是否容易产生内部结冰而定，如果判断是则开启反向吹扫S60-S80控制，否则直接结束停机吹扫控制，原因如下，当外部温度高于所设定温度阈值，则即使燃料电池内部残留一点水也不会因为结冰而影响启动性能，这样可以节约反向吹扫时压缩机的电量消耗，只有当温度低于设定阈值才开启反向吹扫，从而增加燃料利用效率。

Claims (7)

1.一种燃料电池高效吹扫系统，包括空气供给模块A0、氢气供给模块H0、散热模块W0、PEMFC1燃料电池，其特征在于，所述空气供给模块A0包括空气过滤器A5、空气压缩机A3、空气入口阀A4、空气出口阀A1、旁通阀A2、反吹扫阀A6、吹扫泄放阀A7、空气入口压力传感器P3、出口压力传感器P4和相互连接管路组成，所述氢气供给模块H0包括氢罐TK1、瓶口阀H1、氢气压力调节阀H2、氢气流量控制器H3、氢循环泵H4、气液分离器H5、氢管路泄放阀H6、氢气入口压力表P1、氢气出口压力表P2和相互连接管路组成，所述散热模块W0包括三通调节阀W1、散热器W2、冷却剂循环泵W3、冷却剂出口温度传感器T1、冷却剂入口温度传感器T2和相互连接的管路，所述控制器U0连接有环境温度传感器T3。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池高效吹扫系统，其特征在于，所述空气过滤器A5连接有空气压缩机A3，所述空气压缩机A3的出口连接有旁通阀A2、空气入口阀A4、反吹扫阀A6，所述空气入口阀A4与PEMFC1燃料电池的空气进口连接，且空气入口阀A4上安装有空气入口压力传感器P3，所述PEMFC1燃料电池的空气出口连接有空气出口阀A1，且空气出口阀A1上安装有出口压力传感器P4，所述旁通阀A2与反吹扫阀A6分别与空气出口阀A1的出气口与进气口连接。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池高效吹扫系统，其特征在于，所述氢罐TK1上依次连接有瓶口阀H1、氢气压力调节阀H2、氢气流量控制器H3，所述氢气流量控制器H3与PEMFC1燃料电池的氢气进口连接，且氢气流量控制器H3上安装有氢气入口压力表P1，所述PEMFC1燃料电池的氢气出口安装有氢气出口压力表P2，且PEMFC1燃料电池的氢气出口连接有气液分离器H5，所述气液分离器H5分别连接有氢循环泵H4与氢管路泄放阀H6，所述氢循环泵H4与PEMFC1燃料电池的氢气进口连接。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池高效吹扫系统，其特征在于，所述EMFC1燃料电池的氢气进口连接三通调节阀W1，且EMFC1燃料电池的氢气进口上安装有冷却剂出口温度传感器T1，所述三通调节阀W1分别连接有散热器W2与冷却剂循环泵W3，且散热器W2与冷却剂循环泵W3互相连接，所述冷却剂循环泵W3与EMFC1燃料电池的空气出口连接，并在空气出口处安装有冷却剂入口温度传感器T2。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池高效吹扫系统，其特征在于，所述控制器U0上安装有环境温度传感器T3，所述控制器U0与空气出口阀A1、散热器W2、氢气压力调节阀H2控制信号连接。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池高效吹扫系统，其特征在于，所述空气入口阀A4与氢管路泄放阀H6之间连接有吹扫泄放阀A7。

7.一种燃料电池高效吹扫系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：首先S10判断燃料电池是否发出停止运行信号，即运行开关是否关闭，若没有停止运行信号S10为否，则结束此控制，若收到停止运行信号S10为是，则进行S20控制；

S2：运行正向吹扫，此时保持压缩机A3运行，具体运行转速根据试验测试确定，并打开阀A4、A1，关闭A2、A6、A7，并在S30中判断吹扫持续时间是否达到Tn，此时间由试验确定；

S3：若S30判断结果为是，则停止正向吹扫，停止压缩机A3运行；

S4：进入S50判断P3和P4的差值是否小于P0+a，a为缓冲设定的微小值，如果S50判断为否，持续保持正向停止状态；

S5：等待空气完全排出直至压差接近P0，此时进入S60，开始反向吹扫，打开A6、A7，关闭A4、A1，打开压缩机，以相同的转速或其他转速运行；

S6：进入S70，判断反向吹扫持续时间是否达到Tm，Tm可以与Tn相同，亦可小于Tn，当S70判断为是，进入S80，停止反向吹扫，关闭压缩机A3，结束吹扫控制。

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