CN116053527B - 一种燃料电池系统的尾气排放方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统的尾气排放方法，步骤包括：燃料电池机车距离驶入隧道的时间为Δt1时，将燃料电池电堆电流降至最小电流，同时开启排气阀进行排气，排气时长为Δt0，当达到排气时长Δt0后，关闭排气阀，再将阳极运行压力设置为P2，P2>P1，氢气循环泵转速设置为R2，R2>R1；燃料电池机车驶入隧道后，排气阀保持关闭；燃料电池机车已驶离隧道，开启排气阀进行排气，排气时长为Δt0，Δt0<Δt1，并将阳极运行压力恢复为P1，氢气循环泵转速恢复为R1；当达到排气时长Δt0后，关闭排气阀。本发明通过控制策略抑制尾气的排放，且使得燃料电池系统维持正常发电，提高燃料电池机车通过隧道时的行驶安全性。

Description

一种燃料电池系统的尾气排放方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池系统的尾气排放方法。
背景技术
燃料电池系统在运行时，会周期性的向外排放含有氢气的混合气体，以排出阳极侧积累的氮气，维持电堆性能，保证燃料电池系统正常发电。当燃料电池作为动力源应用于轨道机车时，就会面临机车过隧道时阳极含氢尾气的排放问题，尾气中的氢气可能会在隧道内部发生积聚，当氢气浓度达到一定范围时，易发生燃烧甚至爆炸事故，从而带来极大的安全隐患，因此需要一种合理的尾气处理方法，使车辆通过隧道不排出氢气，从而确保燃料电池机车的运行安全。
目前对燃料电池系统含氢尾气的处理方法主要通过燃烧或催化反应的方式来消耗掉氢气，但是消氢装置价格昂贵，而当机车行驶路线的隧道较少、较短时，则消氢装置使用率较低，从而大大降低了经济性。
发明内容
本发明为解决上述技术问题之一，提供一种燃料电池系统的尾气排放方法，本发明在不额外增加排气设备条件下，通过控制策略抑制尾气的排放，且使得燃料电池系统维持正常发电，提高燃料电池机车通过隧道时的行驶安全性。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池系统的尾气排放方法，所述燃料电池系统包括电堆、供氢单元、比例阀、气水分离器、氢气循环泵、排水阀、排气阀和阳极压力传感器，所述电堆包括氢气入口和氢气出口，所述气水分离器包括排水口和排气口，供氢单元、比例阀和电堆的氢气入口依次连接，气水分离器连接电堆的氢气出口，气水分离器的排水口连接排水阀，气水分离器的排气口连接排气阀和氢气循环泵，氢气循环泵连接电堆的氢气入口，阳极压力传感器连接电堆的氢气出口或者内置于电堆的氢气出口，所述燃料电池系统安装于燃料电池机车上，所述尾气排放方法包括以下步骤：
在燃料电池机车正常运行过程，开启比例阀并控制比例阀开度使得燃料电池系统的氢气压力为P1，开启氢气循环泵并控制氢气循环泵转速为R1；周期性开启排水阀和排气阀；
燃料电池机车实时检测是否进入隧道，当燃料电池机车检测到前方即将进入隧道，且距离驶入隧道的时间为Δt1时，将燃料电池电堆电流降至最小电流，同时开启排气阀进行排气，排气时长为Δt0，当达到排气时长Δt0后，关闭排气阀，再将阳极运行压力设置为P2，P2>P1，氢气循环泵转速设置为R2，R2>R1；
当燃料电池机车驶入隧道后，排气阀保持关闭；
当燃料电池机车检测到其已驶离隧道，开启排气阀进行排气，排气时长为Δt0，Δt0<Δt1，并将阳极运行压力恢复为P1，氢气循环泵转速恢复为R1；当达到排气时长Δt0后，关闭排气阀。
进一步的，所述压力P1取值范围为1.2 bara～2.7bara，所述转速R1取值范围为1000rpm～8000rpm，所述时间Δt1取值范围为10s～20s，所述排气时长Δt0的取值范围为5s～10s，所述压力P2取值范围为2.4bara～2.7bara，所述转速R2取值范围为6000rpm～8000rpm，所述最小电流为30A。
采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：本发明充分考虑到机车行驶路线固定，且隧道较少、较短时的情况，通过一种燃料电池系统的尾气排放方法实现燃料电池机车过隧道时的氢气零排放，当燃料电池机车进入隧道后，停止阳极尾气排放，同时利用控制策略抑制阳极氮气积累带来的燃料电池系统性能下降，使之维持正常发电，以此保证燃料电池机车通过隧道时的行驶安全性，从而可以不使用专门的消氢装置，提高了经济效益。
附图说明
图1为本发明燃料电池系统的结构示意图。
图2为本发明一种燃料电池系统的尾气排放方法的步骤流程图。
图3为本发明尾气排放方法实施过程中排氢量、氢气过量系数、氢气平均分压力、氮气平均分压力、氢气循环泵转速、阳极压力和排气阀变化示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。
实施例1，本实施例公开一种燃料电池系统的尾气排放方法，其运行于燃料电池系统上，而燃料电池系统是安装于燃料电池机车上，如图1所示，燃料电池系统包括电堆1、供氢单元2、比例阀3、气水分离器4、氢气循环泵5、排水阀6、排气阀7和阳极压力传感器8，所述电堆1包括氢气入口和氢气出口，所述气水分离器4包括排水口和排气口，供氢单元2、比例阀3和电堆1的氢气入口依次连接，气水分离器4连接电堆1的氢气出口，气水分离器4的排水口连接排水阀6，气水分离器4的排气口连接排气阀7和氢气循环泵5，氢气循环泵5连接电堆1的氢气入口，阳极压力传感器8连接电堆1的氢气出口或者内置于电堆1的氢气出口。
如图2所示，本实施例公开一种燃料电池系统的尾气排放方法包括以下步骤：
在燃料电池机车正常运行过程（燃料电池机车未进入隧道状态下）中，即在燃料电池系统正常运行过程中，开启比例阀3并控制比例阀3开度使得燃料电池系统的氢气压力为P1，开启氢气循环泵5并控制氢气循环泵5转速为R1，气水分离器4随时间慢慢积聚废气和水；周期性开启排水阀6和排气阀7，排水阀6用于排出气水分离器4的水，排气阀7用于排出气水分离器4的废气，废气包含有少量的氢气。其中，对于周期性开启排气阀7来说，每次开启排气阀7，对废气采用脉冲方式进行排气，而每次脉冲排气时，电堆1阳极部分积累的氮气和氢气被排出，供氢单元2的纯氢气通过比例阀3进入电堆1阳极，维持阳极压力稳定，随着废气被排出因而阳极氮气平均分压力降低，而阳极氢气平均分压力升高，阳极氢气过量系数增加；脉冲排气完成后，阳极氮气逐渐积累，造成阳极氮气平均分压力逐渐升高，而阳极氢气平均分压力逐渐降低，阳极氢气过量系数减小；如图3所示，通过阳极周期性脉冲排气，使阳极氮气浓度处于动态平衡，维持阳极氢气过量系数不低于下限，保证燃料电池系统正常发电。
燃料电池机车实时检测是否进入隧道，当燃料电池机车检测到前方即将进入隧道，且距离驶入隧道的时间为Δt1（可取10s～20s）时，将燃料电池电堆电流降至最小电流（最小电流可选30A～50A）而运行条件不变（包括氢气压力、循环泵转速等），同时开启排气阀7，进行大排量排气，排气时长为Δt0（Δt0<Δt1，可取5s～10s），当达到排气时长Δt0后，关闭排气阀7，再将阳极运行压力设置为P2（P2>P1），氢气循环泵5转速设置为R2（R2>R1）。经过大排量排气后，阳极氮气浓度会大大降低，氮气分压力接近0，同时阳极压力升高，使得阳极氢气分压力大大提高，另外氢气再循环量增加，因此在燃料电池机车进入隧道前，可以让阳极氢气过量系数大大提高。
当燃料电池机车驶入隧道后，排气阀7保持关闭，没有废气排出，因而也没有氢气释放，防止了隧道内氢气积聚。如图3所示，电堆阴极向阳极渗透氮气，并逐渐积累，阳极氮气分压力慢慢升高，相对应的，氢气分压力慢慢降低，造成氢气过量系数减小，但只要不低于最小电流下限，燃料电池系统就可以正常发电；而进入隧道前阳极氢气过量系数较大，因而在一定时间内可以保证系统正常运行，并足够让机车驶出隧道。
当燃料电池机车检测到其已驶离隧道，开启排气阀7，进行大排量排气，排气时长为Δt0（Δt0<Δt1，Δt0可取5s～10s），并将阳极运行压力恢复为P1，氢气循环泵5转速恢复为R1，阳极积累的氮气迅速排出，阳极氮气平均分压力迅速降低，而阳极氢气平均分压力迅速升高，因此氢气过量系数恢复，当达到排气时长Δt0后，关闭排气阀7，重新开始周期性脉冲排气，并恢复燃料电池电堆电流。
上述中，当机车在空旷环境下行驶时，由燃料电池机车向燃料电池系统发送的过隧道标志置0；如果燃料电池机车即将进入隧道，由燃料电池机车向燃料电池系统发送的过隧道标志置1；如果燃料电池机车驶出隧道，由燃料电池机车向燃料电池系统发送的过隧道标志置0。
上述中，压力P2、转速R2根据燃料电池系统特性以及燃料电池机车路线进行实际标定，从而使燃料电池机车过隧道时不排放氢气，同时抑制燃料电池系统性能下降，使燃料电池机车正常行驶。
本实施例充分考虑到机车行驶路线固定，且隧道较少、较短时的情况，通过一种燃料电池系统的尾气排放方法实现燃料电池机车过隧道时的氢气零排放，当燃料电池机车进入隧道后，停止阳极尾气排放，同时利用控制策略抑制阳极氮气积累带来的燃料电池系统性能下降，使之维持正常发电，以此保证燃料电池机车通过隧道时的行驶安全性，从而可以不使用专门的消氢装置，提高了经济效益。
实施例2，本实施例公开具体的尾气排放方法，包括以下步骤：
在燃料电池机车正常运行过程，开启比例阀3并控制比例阀3开度使得燃料电池系统的氢气压力为P1（正常氢气压力范围：1.2bara～2.7bara），开启氢气循环泵5并控制氢气循环泵5转速为R1（正常氢气循环泵转速范围：1000rpm～8000rpm），气水分离器4随时间慢慢积聚废气和水；周期性开启排水阀6和排气阀7（正常排放周期范围：5s～60s）。
燃料电池机车实时检测是否进入隧道，当检测到燃料电池机车还差15s就进入隧道，将燃料电池电堆电流降至最小电流30A而运行条件不变（包括氢气压力、循环泵转速等），同时开启排气阀7并维持开启状态8s后关闭排气阀7，排气阀7关闭后，调整比例阀3开度使得燃料电池系统的氢气压力为P2（可选2.4bara～2.7bara），氢气循环泵5转速设置为R2（可选6000rpm～8000rpm）；
燃料电池机车进入隧道后，排气阀7保持关闭，氢气压力维持P2，氢气循环泵5转速维持R2；
当燃料电池机车驶离隧道后，开启排气阀7并维持开启状态8s后关闭排气阀7，排气阀7关闭后，调整比例阀3开度使得燃料电池系统的氢气压力为P1，氢气循环泵5转速设置为R1，然后恢复燃料电池电堆电流。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (2)

1.一种燃料电池系统的尾气排放方法，所述燃料电池系统包括电堆、供氢单元、比例阀、气水分离器、氢气循环泵、排水阀、排气阀和阳极压力传感器，所述电堆包括氢气入口和氢气出口，所述气水分离器包括排水口和排气口，供氢单元、比例阀和电堆的氢气入口依次连接，气水分离器连接电堆的氢气出口，气水分离器的排水口连接排水阀，气水分离器的排气口连接排气阀和氢气循环泵，氢气循环泵连接电堆的氢气入口，阳极压力传感器连接电堆的氢气出口或者内置于电堆的氢气出口，所述燃料电池系统安装于燃料电池机车上，其特征在于，包括以下步骤：
在燃料电池机车正常运行过程，开启比例阀并控制比例阀开度使得燃料电池系统的氢气压力为P1，开启氢气循环泵并控制氢气循环泵转速为R1；周期性开启排水阀和排气阀；
燃料电池机车实时检测是否进入隧道，当燃料电池机车检测到前方即将进入隧道，且距离驶入隧道的时间为Δt1时，将燃料电池电堆电流降至最小电流，同时开启排气阀进行排气，排气时长为Δt0，当达到排气时长Δt0后，关闭排气阀，再将阳极运行压力设置为P2，P2>P1，氢气循环泵转速设置为R2，R2>R1；
当燃料电池机车驶入隧道后，排气阀保持关闭；
当燃料电池机车检测到其已驶离隧道，开启排气阀进行排气，排气时长为Δt0，Δt0<Δt1，并将阳极运行压力恢复为P1，氢气循环泵转速恢复为R1；当达到排气时长Δt0后，关闭排气阀。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统的尾气排放方法，其特征在于，所述压力P1取值范围为1.2bara～2.7bara，所述转速R1取值范围为1000rpm～8000rpm，所述时间Δt1取值范围为10s～20s，所述排气时长Δt0的取值范围为5s～10s，所述压力P2取值范围为2.4bara～2.7bara，所述转速R2取值范围为6000rpm～8000rpm，所述最小电流为30A。
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