CN114725453B - 燃料电池用气水分离器、供氢系统及调控氮气浓度的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了燃料电池用气水分离器、供氢系统及调控氮气浓度的方法，涉及燃料电池领域。气水分离器包括壳体、分离膜、两个压力传感模块和控制器，分离膜将壳体的分离腔分为上下两个腔室，上腔室设有循环气出口，下腔室设有循环气入口和排氮出口，排氮出口处设有排氮装置；分离膜允许循环气中的氢气和水蒸气通过，阻挡氮气；下腔室内设置有分水挡板；上腔室和下腔室的腔壁上均设置有测压口，下腔室的测压口位于分水挡板和分离膜之间；两个压力传感模块分别用于测量两个测压口处的气体压力值；控制器用于根据两个气体压力值的差值控制排氮装置的启闭以调控下腔室内循环气中氮气的浓度。本申请能够精确调控循环气中的氮气浓度，提高燃料电池效率。
Description
技术领域
本申请涉及燃料电池领域技术领域，尤其涉及一种燃料电池用气水分离器、供氢系统及调控氮气浓度的方法。
背景技术
在实际的氢燃料电池的阳极氢气系统中，燃料电池堆阳极排出的循环气含有未消耗掉的氢气、氮气和部分液态水滴，通过气水分离器将尾气中的大部分液滴分离出，将氢气和氮气的混合气体使用氢循环泵再次引入燃料电池系统中循环利用；由于在循环气中氮气浓度会增大，较大的氮气浓度造成电堆性能下降，为保证电堆具有较高性能，使得阳极循环气的氮气浓度一般不超过10％，因此需要定时的使用排氮阀排出循环气中的氮气。
由于在氮气排放时也会同时排放出氢气，因此需要对氮气排放进行精确控制，使得尽可能减少氢气的浪费。参见图1，目前燃料电池供氢系统中氮气的排出方法是控制排氮阀的启闭来排出氮气，但是由于氮气浓度难以有效监测，也没有对应的氮气浓度监测方法及装置，所以排氮阀的控制精度不高，可能出现氮气浓度过高时排氮阀没有及时打开，循环气中的高浓度氮气会造成燃料电池性能下降；也可能出现氮气浓度较低而氢气浓度较高时排氮阀打开，造成了氮气排放时氢气的大量浪费，使得燃料电池系统的氢气利用率不高，燃料电池效率降低。
发明内容
本申请提供一种燃料电池用气水分离器、供氢系统及调控氮气浓度的方法，在实现循环气分离的同时，利用分离膜两边氮气浓度差产生的压力差特性，对氮气浓度实时监控并调控，减少了氢气浪费。
为达到上述目的，一方面，本申请提供一种燃料电池用气水分离器，用于分离从燃料电池堆阳极排出的循环气，包括：
气水分离器壳体，其内部形成有分离腔；
分离膜，设置在所述分离腔内，将分离腔分为上下两个腔室，所述上腔室的腔壁上设置有循环气出口，下腔室的腔壁上设置有循环气入口和排氮出口，所述排氮出口处设置有排氮装置；所述分离膜允许循环气中的氢气和水蒸气通过，阻挡循环气中的氮气；所述下腔室内设置有至少一级分水挡板，其位于排氮出口的下方；上腔室和下腔室的腔壁上均设置有测压口，下腔室的测压口位于所述分水挡板和分离膜之间；
两个压力传感模块，分别用于测量两个测压口处的气体压力值；
控制器，与两个所述压力传感模块通讯连接，用于根据实时获取的两个气体压力值的差值控制排氮装置的启闭以调控下腔室内循环气中氮气的浓度。
进一步地，控制器具体用于：计算实时获取的两个气体压力值的差值，判断当前差值是否大于第一预设阈值，若是，则打开排氮装置排气；并在排气过程中实时判断当前差值是否小于第二预设阈值，若是则关闭排氮装置。
进一步地，所述下腔室内设置有两级分水挡板，两级分水挡板交错布置，分水挡板的末端均向下倾斜设置。
进一步地，所述下腔室的腔壁上还设置有排水出口，排水出口处设置有排水阀，所述分离膜为膜分离滤芯。
另一方面，本申请还提供一种燃料电池供氢系统，包括依次连接的高压氢气瓶、截止阀、减压阀、喷氢阀、氢循环装置和燃料电池堆，其特征在于，还包括上述一种燃料电池用气水分离器，其中，所述气水分离器的循环气入口与燃料电池堆阳极出口连接，气水分离器的循环气出口与循环装置连接。
另一方面，本申请还提供一种调控氮气浓度的方法，基于上述一种燃料电池供氢系统实现，包括以下步骤：
步骤1：运行燃料电池堆，从燃料电池堆阳极排出的循环气由循环气入口进入气水分离器的下腔体后碰撞到至少一级分水挡板上，循环气中的至少一部分液滴附着在所述分水挡板上并聚集，完成初步分离；经过初步分离后的循环气沿分水挡板继续流动至分离膜处，循环气中小分子的氢气和水蒸气透过分离膜进入上腔室，后被氢循环装置带入燃料电池堆中再次被循环利用；而大分子的氮气和剩余液滴则被分离膜阻挡并在下腔室中聚集；
步骤2：控制器根据实时获取的两个气体压力值的差值控制排氮装置的启闭以调控下腔室内循环气中氮气的浓度。
进一步地，步骤2具体包括：计算实时获取的两个气体压力值的差值，判断当前差值是否大于第一预设阈值，若是，则打开排氮装置排气；并在排气过程中实时判断当前差值是否小于第二预设阈值，若是则关闭排氮装置。
进一步地，步骤2还包括：控制器根据两个气体压力值并利用氮气浓度与压力差值的函数关系式计算氮气浓度。
本申请相比现有技术具有以下有益效果：本申请的气水分离器适应燃料电池系统宽功率运行的特性，具有良好的气液分离性能。在实现水分离的同时，利用膜分离两边氮气浓差产生的压力差特性，高效简单的监测氮气浓度，并根据阈值精确控制排氮装置排氮以调控循环气中氮气的浓度，少了氢气浪费，提高了燃料电池效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为常规的燃料电池供氢系统；
图2为实施例1中气水分离器的剖面图；
图3为实施例1中气水分离器的三维剖面图；
图4为实施例2中燃料电池供氢系统的结构示意图；
图5为实施例1中气水分离器的工作原理图；
图6为实施例1中压差值-氮气浓度曲线；
图7为实施例3氮气浓度实时监测及控制的流程图。
图中，1-气水分离器壳体，11-排氮出口，12-循环气入口，13-排水出口，14-第一级分水挡板，15-第二级分水挡板，16-第一测压口，17-第二测压口，18-循环气出口，19-分离膜，2-高压氢气瓶，3-截止阀，4-减压阀，5-喷氢阀，6-氢循环装置，7-燃料电池堆，71-电堆入口，72-电堆出口，8-排水阀，9-排氮阀，10-控制器。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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申请中的具体含义。
术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
参照图2和图3，本申请实施例1提供了一种燃料电池用气水分离器，能够分离从燃料电池堆7阳极排出的循环气，循环气包含未消耗掉的氢气、水蒸气、氮气和部分液态水滴。装置包括气水分离器壳体1、分离膜19、至少一级分水挡板、两个压力传感模块和控制器10。
气水分离器壳体1内部形成有分离腔，分离膜19设置在分离腔内，将分离腔分为上下两个腔室，分离膜19允许循环气中的氢气和水蒸气通过，阻挡循环气中的氮气。下腔室的容积远大于上腔室的容积。上腔室的腔壁上设置有循环气出口18，下腔室的腔壁上设置有循环气入口12和排氮出口11，排氮出口11位于循环气入口12的上方，排氮出口11处设置有排氮装置，排氮装置可以为但不限于排氮阀9，循环气入口12的位置低于分水挡板的安装位置。下腔室和上腔室的腔壁上均设置有测压口，记为第一测压口16和第二测压口17，第一测压口16位于分水挡板和分离膜19之间。在具体实施过程中，循环气出口18可以根据需要开设在上腔室的顶壁或侧壁上。
分水挡板设置在下腔室内并位于排氮出口11的下方，能够将进入气水分离器的循环气中的液态水分离并改变循环气的流向，循环气在碰撞到分水挡板后，大部分液滴附着在分水挡板上聚集，其余气体从分水挡板上离开。
两个压力传感模块分别用于测量第一测压口16和第二测压口17处的气体压力值。压力传感模块可以为压力传感器。
控制器10与两个压力传感模块通讯连接，用于根据实时获取的第一测压口16处的两个气体压力值的差值控制排氮阀9的启闭以调控下腔室内循环气中氮气的浓度。
具体地，控制器10具体用于：实时获取的第一测压口16和第二测压口17处的气体压力值，并计算第一测压口16和第二测压口17处的压力差值，判断当前差值是否大于第一预设阈值，若是，则打开排氮装置排气；并在排气过程中实时判断当前差值是否小于第二预设阈值，若是则关闭排氮装置。
具体地，下腔室内设置有两级分水挡板，记作第一级分水挡板14和第二级分水挡板15，第一级分水挡板14位于在第二级分水挡板15的下方，两级分水挡板交错设置，增加循环气流动的行程。第一级分水挡板14和第二级分水挡板15的第一端均固定在下腔室的腔壁上，第二端向下倾斜设置。为了有效阻挡由循环气入口12进入至分离腔内的循环气，循环气入口12高度需要低于第一级分水挡板14的第一端。
具体地，下腔室的腔壁上还设置有排水出口13，排水出口13处设置有排水阀8，排水出口13也可以根据需要开设在下腔室的底壁或侧壁上。分离膜19可以为但不限于膜分离滤芯。
实施例1中气水分离器的工作过程：参见图5，从燃料电池堆7排出的循环气是包含液态水滴、氢气、水蒸气和氮气的气液两相流体，循环气由循环气入口12进入下腔室后碰撞到第一级分水挡板14上，循环气中大部分液滴附着在第一级分水挡板14上并聚集，而气体从第一级分水挡板14上离开；然后混合气体再次碰撞到第二级分水挡板15上进行二次碰撞分离。剩余的循环气包括氢气、氮气和水蒸气，还有一部分未被碰撞分离的液态水，在分离膜19的作用下，只有小分子氢气和水蒸气透过分离膜19进入上腔室并从循环气出口18离开，而大分子氮气和液态水被在分离膜19阻挡并在下腔室中聚集。
参见图6，随着燃料电池堆的运行，气水分离器中的氮气越来越多，造成下腔室内压力增大，即下腔体处的第一测压口16处的压力增大，使得该处压力传感器测得的上腔体和下腔体之间的压力差值P增大，因此氮气浓度C与压力差值P存在函数关系，通过监测压力差值P的变化即等同于监测氮气浓度的变化。氮气浓度C与压力差值P的函数关系式为：
C＝f(p1-p2)＝f(p)
式中，p1为第一测压口16处的气体压力值，p2第二测压口17处的气体压力值，p为p1与p2的差值，f与分离膜的渗透特性有关。
控制器10调控排氮浓度的工作过程为：为保证电堆具有较高性能，气水分离器内循环气的氮气浓度一般不超过10％，因此当两个压力传感器测量的压力差值到达最大值5kPa，即循环气中的氮气浓度达到最大值10％时，此时控制器10控制排氮阀9开启进行排氮，打开排氮阀9后氮气浓度降低同时压力差值减小，直至压力差值减小至1kPa，即对应氮气浓度减小到1％时，立刻关闭排氮阀9，避免氢气的浪费。
参见图4，本实施2提供一种燃料电池供氢系统，包括依次连接的高压氢气瓶2、截止阀3、减压阀4、喷氢阀5、氢循环装置6和燃料电池堆7，燃料电池堆7上设置有电堆入口71和电堆出口72，还包括实施例1中的气水分离器，其中，气水分离器的循环气入口12与燃料电池堆7的电堆出口72连接，气水分离器的循环气出口18与循环装置连接。
参见图7，本实施例3提供一种监测并调控燃料电池供氢系统内氮气浓度的方法，基于实施例2中燃料电池供氢系统实现，包括以下步骤：
步骤1：运行燃料电池堆7，燃料电池堆7在运行时会排出循环气，从燃料电池堆7的电堆出口72排出的循环气由循环气入口12进入气水分离器的下腔体后碰撞到第一级分水挡板14和第二级分水挡板15上，循环气中的大部分液滴附着在第一级分水挡板14和第二级分水挡板15上并聚集，完成初步分离；经过初步分离后的循环气继续流动至分离膜19处，循环气中小分子的氢气和水蒸气透过分离膜19进入上腔室并从循环气出口18离开，后被氢循环装置6带入燃料电池堆7中再次被循环利用，而大分子的氮气和剩余的液态水则被分离膜19阻挡并在下腔室中聚集；
燃料电池堆7开始运行时气水分离器的排氮阀9处于关闭状态，两个压力传感器分别测量气水分离器上的第一测压口16和第二测压口17处的气体压力值。
步骤2：控制器10根据实时获取的两个气体压力值计算当前的压力差值，判断当前的压力差值是否大于最大值5kPa，若是，则打开排氮阀9排气，氮气浓度降低同时压力差值减小；在排气过程中实时判断当前的压力差值是否小于最小值1kPa，若是则关闭排氮阀9，直至燃料电池堆7停止运行。步骤2还包括：控制器10还根据两个气体压力值并利用氮气浓度与压力差值的函数关系式计算氮气浓度。氮气浓度C与压力差值P的函数关系式为：
C＝f(p1-p2)＝f(p)
式中，p1为第一测压口16处的气体压力值，p2第二测压口17处的气体压力值，p为p1与p2的差值，f与分离膜的渗透特性有关。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种燃料电池用气水分离器，用于分离从燃料电池堆阳极排出的循环气，其特征在于，包括：
气水分离器壳体，其内部形成有分离腔；
分离膜，设置在所述分离腔内，将分离腔分为上下两个腔室，上腔室的腔壁上设置有循环气出口，下腔室的腔壁上设置有循环气入口和排氮出口，所述排氮出口处设置有排氮装置；所述分离膜允许循环气中的氢气和水蒸气通过，阻挡循环气中的氮气；所述下腔室内设置有至少一级分水挡板，其位于排氮出口的下方；上腔室和下腔室的腔壁上均设置有测压口，下腔室的测压口位于所述分水挡板和分离膜之间；所述下腔室的腔壁上还设置有排水出口，排水出口处设置有排水阀，所述分离膜为膜分离滤芯；两个压力传感模块，分别用于测量两个测压口处的气体压力值；
控制器，与两个所述压力传感模块通讯连接，用于根据实时获取的两个气体压力值的差值控制排氮装置的启闭以调控下腔室内循环气中氮气的浓度；
控制器具体用于：计算实时获取的两个气体压力值的差值，判断当前差值是否大于第一预设阈值，若是，则打开排氮装置排气；并在排气过程中实时判断当前差值是否小于第二预设阈值，若是则关闭排氮装置。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池用气水分离器，其特征在于，所述下腔室内设置有两级分水挡板，两级分水挡板交错布置，分水挡板的末端均向下倾斜设置。
3.一种燃料电池供氢系统，包括依次连接的高压氢气瓶、截止阀、减压阀、喷氢阀、氢循环装置和燃料电池堆，其特征在于，还包括如权利要求1或2所述的一种燃料电池用气水分离器，其中，所述气水分离器的循环气入口与燃料电池堆阳极出口连接，气水分离器的循环气出口与氢循环装置连接。
4.一种调控氮气浓度的方法，基于权利要求3所述的一种燃料电池供氢系统来实现的，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：运行燃料电池堆，从燃料电池堆阳极排出的循环气由循环气入口进入气水分离器的下腔体后碰撞到至少一级分水挡板上，循环气中的至少一部分液滴附着在所述分水挡板上并聚集，完成初步分离；经过初步分离后的循环气沿分水挡板继续流动至分离膜处，循环气中小分子的氢气和水蒸气透过分离膜进入上腔室，后被氢循环装置带入燃料电池堆中再次被循环利用；而大分子的氮气和剩余液滴则被分离膜阻挡并在下腔室中聚集；
燃料电池堆开始运行时气水分离器的排氮装置处于关闭状态，两个压力传感模块分别测量上腔室以及位于所述分水挡板和分离膜之间的测压口处的气体压力值；
步骤2：控制器根据实时获取的两个气体压力值的差值控制排氮装置的启闭以调控下腔室内循环气中氮气的浓度。
5.根据权利要求4所述的一种调控氮气浓度的方法，其特征在于，步骤2具体包括：
计算实时获取的两个气体压力值的差值，判断当前差值是否大于第一预设阈值，若是，则打开排氮装置排气；并在排气过程中实时判断当前差值是否小于第二预设阈值，若是则关闭排氮装置。
6.根据权利要求5所述的一种调控氮气浓度的方法，其特征在于，步骤2还包括：控制器根据两个气体压力值并利用氮气浓度与压力差值的函数关系式计算氮气浓度。
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