CN116936872B - 一种燃料电池用空气预过滤装置及其控制方法和燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池用空气预过滤装置及其控制方法和燃料电池，所述预过滤装置的内腔底部设为蓄水腔，蓄水腔上部通过分隔板隔离为空气过滤侧腔和补水侧腔；所述空气过滤侧腔下方连接空气进气管，顶部设有与燃料电池的空气滤清器连接的空气出口，内部设有控湿分水器；所述补水侧腔顶部设有进水口，底部设有排水口；所述进水口连接燃料电池的阳极分水器，所述排水口连接燃料电池阴极的尾气出口；所述补水侧腔还设有补水排气口，所述补水排气口的进水方向连接于燃料电池阴极的尾气处理器，排气方向连接于燃料电池阴极的尾气出口。本发明能够保证入堆空气的洁净度，减少空气滤清器的滤芯的更换次数，并对燃料电池反应的副产物水进行有效利用。

Description

一种燃料电池用空气预过滤装置及其控制方法和燃料电池
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，更具体地，涉及一种燃料电池用空气预过滤装置及其控制方法和燃料电池。
背景技术
燃料电池的反应机理是通过氢气和氧气在膜电极中发生化学反应来产生电能。通过这些反应，燃料电池可以将化学能转化为电能，同时产生水作为副产物。燃料电池系统是一种高效、清洁的能源转换方式，有望在未来的能源领域得到广泛应用。
质子交换膜燃料电池系统中空气供给系统主要对空气进行处理，输送满足电堆要求的空气。对电堆的功率、效率、寿命因素等起着至关重要的作用。这些要求包括了洁净度、换热湿度和温度等。
洁净度：空气中的污染物（固体颗粒、CO、CmHn、NOx、SO2、H2S等）会对PEMFC的性能造成不良影响。正规的方法是采用物理加化学过滤装置，对空气中的有害物进行过滤去除。
湿度：质子交换膜需要水分来维持质子导电性，膜本身有一定吸水性，质子交换膜的水含量对电池性能影响很大。含水量过低则会严重降低其导电率。同时通过对入堆的新鲜空气加湿，能够有效防止入口附近的部分膜被吹干，从而影响电堆性能。
质子交换膜燃料电池中，目前空气供给系统根据车用工况环境进行设计，缺乏了对于工程机械行业在高粉尘的运行环境中的考虑，这将导致空气空滤的频繁更换，甚至由于粉尘的堵塞，将导致燃料电池空气侧欠压情况的发生，从而影响系统正常运行。而如果频繁更换空滤则会增加燃料电池的维护成本。另一方面，由于加湿器属于固定增湿面积附件，在大功率燃料电池系统中，由于空气湿度的要求，将进一步增加加湿器的增湿面积，从而增加系统的整体成本。
同时，燃料电池反应产生的副产物水，一般都是直接排出，并未进行有效的利用。而这部分水具有洁净度高和低电导率等特点，是可以进行再利用的。
专利CN114792827A公开了一种质子交换膜燃料电池自增湿系统，其在燃料电池空气侧增加了分水器和超声波雾化器，将反应产生的水通过超声波雾化后，通入空压器的出口，从而实现反应产生水的回收和新鲜空气的自增湿。但是其反应水雾化系统在空气侧增加了两个分水器，增加了系统附件的成本，另外通过该装置可能会导致空气过湿，导致发生阴极水淹，影响燃料电池电堆的性能。
专利CN212934681U公开了一种含雾化装置的尾排系统，该装置能够将燃料电池系统产生的液态水雾化形成水汽，避免了直接将液态水排放于地面。主要解决了在冬季高寒地带，由于排出的液态水在地面结冰，而发生车辆打滑等交通意外。但是其尾排水回收喷淋装置会导致泥沙的结块，当泥浆附着于燃料电池系统散热器上，将降低燃料电池系统的散热效率，进而影响燃料电池系统的正常工作。
专利CN2499106Y公开了一种新型的气水分离器，主要通过在挡水板的迎风面上固设多个倒钩，当含有杂质的水分进入气水分离器时，可将含有杂质的水分集中于倒钩处并顺势落至底部，从而提升气体的分水效率。但是该气水分离器是应用于传统行业的，其流通的工质是水多气少，对于气体含量大的工质的分水效率并不突出。
发明内容
本发明的目的是针对以上不足，提供一种燃料电池用空气预过滤装置及其控制方法和燃料电池，该空气预过滤装置为能够自清洁自增湿，可快速拆卸，可清洗的空气滤清器前置部件，从而减少空气滤清器的滤芯的更换次数，又能保证入堆空气的洁净度，另一方面，用于洁净空气的水是来源于燃料电池的电堆，能够实现预过滤装置内水的存储与更换，利用了燃料电池反应的副产物水。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种燃料电池用空气预过滤装置，设置于燃料电池的空气侧，所述空气预过滤装置的内腔底部设为蓄水腔，蓄水腔上部通过分隔板隔离为空气过滤侧腔和补水侧腔；
所述空气过滤侧腔底部连接空气进气管，顶部设有与燃料电池的空气滤清器连接的空气出口，内部设有控湿分水器；
所述补水侧腔顶部设有进水口，下方设有排水口；所述进水口连接燃料电池的阳极分水器，所述排水口连接燃料电池阴极尾排系统的尾气出口；所述补水侧腔还设有补水排气口，所述补水排气口的进水方向连接于燃料电池阴极尾排系统的尾气处理器，排气方向连接于燃料电池阴极尾排系统的尾气出口。
本发明所述燃料电池基于现有的质子交换膜燃料电池，其空气侧包括依次连接的空气滤清器、流量计、空压机、中冷器、加湿器、电堆、背压阀、尾气处理器以及尾气出口等，该侧为燃料电池的阴极侧。
进一步的，所述进水口处设有进水阀，排水口处设有排水阀，所述补水排气口通过三通阀连接于燃料电池尾排系统的尾气处理器和尾气出口之间，并通过三通阀调节其进水和排气的方向选择。各阀门可连接控制器，由控制器统一控制，阀门与控制器的连接控制关系为现有常规技术，不是本发明主要创新点，本申请不再赘述。
进一步的，所述空气进气管的入口处设有滤网，出口设置于蓄水腔的液面以下。
进一步的，所述控湿分水器包括迷宫式挡板分水器和旋风分水器，控制空气出口排出的空气湿度维持在15%-20%，既能够给空气预增湿，又能避免湿度过高影响空压机性能。
进一步的，所述迷宫式挡板分水器通过调节挡板的长度和数量控制空气湿度。具体可参考现有技术进行计算，本发明不再赘述。而旋风分水器是用于避免因迷宫式挡板分水器失效而导致液态水进入空压机。
进一步的，所述空气预过滤装置的侧壁设有液位传感器，用于监测蓄水腔内液面高度，并进行预警。液位传感器与控制器的连接控制关系也是现有常规技术，不是本发明主要创新点，本申请不再赘述。
第二方面，本发明还提供了一种第一方面所述的燃料电池用空气预过滤装置的控制方法，包括：
关闭进水口、排水口和空气出口，通过补水排气口向空气预过滤装置内注水；
当蓄水腔内液面高度高于分隔板底端时，停止补水排气口注水，通过进水口间歇向空气预过滤装置内进水；
当蓄水腔液面高于预设预警值，关闭进水口，打开排水口排水，同时通过补水排气口再次向空气预过滤装置内注水，至蓄水腔内换水完成。
进一步的，所述空气预过滤装置关机时，打开进水口，关闭补水排气口，并实时监测液面，间歇开启排水口，使空气预过滤器装置内部的液面不低于分隔板底端。该过程是为了将燃料电池阳极路产生的水排空，在排空前采用该通道排水的同时要保证空气预过滤装置内部的液封不能被破坏，当阳极路的水完全排空后，空气预过滤装置内部的水可再通过人工手动排空。
进一步的，所述方法还包括：通过蓄水腔的储水容积设计，保证阳极分水器在燃料电池工作过程中收集的纯水，能够全部进入空气预过滤装置的蓄水腔内，所述储水容积的计算公式为：
；
式中：为阳极分水器内部水的生成速率，/>为空气预过滤装置水的流出速度；t0为进水口间歇进水的时间总和，进水口间歇进水的时间与阳极分水器集水的时间一致；t为排水口开启的排水时间。
所述空气预过滤装置水的流出速度计算公式如下：
；
式中：H为空气预过滤装置内液面高度，R为空气预过滤装置排水的管路内径；
所述阳极分水器内部水的生成速率的计算公式如下：
；
式中：为水的摩尔质量；/>为燃料电池电堆生成的液态水的摩尔量，/>为液态水的密度。
其中，燃料电池电堆生成的液态水的摩尔量的计算公式如下：
；
式中，为燃料电池电堆生成的液态水的摩尔量；/>为未参与电堆反应的氢气摩尔量；/>为氢气侧氮气摩尔量；/>为气态水分压；/>为临界态气态水分压：/>；/>为电堆内部的阴极流道体积；/>为气态水温度：/>；T为标况温度；T L 为液态水温度；/>为经验系数：/>；k为电堆反应中液态水与气态水的体积比；/>为电堆峰值功率点的水流量；/>为是电密点为50mA/cm2时的水流量。上述各参数都是燃料电池电堆的既有参数。
进一步的，所述方法还包括：
通过进水口间歇向空气预过滤装置内进水过程中，通过补水排气口方向，间歇向外排气。该间歇向外排气的目的是保持补水侧腔内压力平衡，其规律与进水口进水的频率配套（非完全一致），以进水口能够进水为准。
本发明所述控制方法将各入口和/或出口的阀门连接控制器；可以采用人工手动操控；也可以在计算好标定时间后，通过控制程序按照既定的控制策略进行控制。
第三方面，本发明还提供了一种质子交换膜燃料电池，所述燃料电池包括第一方面所述的空气预过滤装置，设置于其空气侧的空气滤清器与尾排系统之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明所述空气预过滤装置通过两个侧腔的结构设置，一方面对空气进行了过滤和预增湿，又能保证入堆空气的洁净度，减少空气滤清器的滤芯的更换次数，能够满足工程机械空气系统大流量的需求，同时实现的空气滤清器的长寿命免维护；另一方面，用于洁净空气的水是来源于燃料电池的电堆反应，兼顾燃料电池的阳极路和阴极路排水，对燃料电池反应的副产物水进行了有效利用；
本发明所述空气预过滤装置各接口皆可实现快速拆卸，且不影响系统的密封性，进而实现部件的拆卸清洗，从而达成重复利用的效果，最终实现燃料电池系统空滤部件长时间免维护，降低了燃料电池维护的成本；
本发明所述控制方法，能够通过各进出口的调控，一方面兼顾燃料电池阳极路和阴极路的排水，另一方面实现预过滤装置内水的存储与更换，从而达到自清洁的目的，保证预过滤装置的清洁；
本发明提供了一种预过滤装置蓄水腔的储水容积的计算模型，通过蓄水腔的储水容积设计，可以保证阳极分水器在燃料电池工作过程中收集的纯水，能够全部进入预过滤装置的蓄水腔内。
附图说明
图1为实施例1提供的一种燃料电池用空气预过滤装置的结构示意图；
图2为实施例1所述空气预过滤装置与燃料电池连接的结构示意图。
图中： 1、进水口；2、补水排气口； 3、液位传感器；4、排水口；5、蓄水腔；6、滤网；7、空气进气管；8、迷宫式挡板分水器；9、旋风分水器；10、空气出口；11、分隔板；12、进水阀；13、排水阀；14、三通阀；15、空气滤清器；16、流量计；17、空压机；18、中冷器；19、加湿器；20、电堆；21、背压阀；22、尾气处理器；23、尾气出口。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例更详细地描述本发明的优选实施方式。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，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；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
本实施例提供了一种如图1所示的燃料电池用空气预过滤装置，所述空气预过滤装置的内腔底部设为蓄水腔5，蓄水腔上部通过分隔板11隔离为空气过滤侧腔和补水侧腔；在使用过程中，蓄水腔5内液面不低于分隔板11底端。
本实施例所述空气预过滤装置设置于燃料电池的空气侧，如图2所示，所述燃料电池基于现有的质子交换膜燃料电池，其空气侧包括依次连接的空气滤清器15、流量计16、空压机17、中冷器18、加湿器19、电堆20、背压阀21、尾气处理器22以及尾气出口23等，该侧为燃料电池的阴极侧。
本实施例所述空气过滤侧腔的下方连接空气进气管7，所述空气进气管7的入口处设有滤网6，防止沙石等杂质的进入，出口设置于蓄水腔5的液面以下；空气过滤侧腔的顶部设有空气出口10与空气滤清器15连接，内部设有控湿分水器。
本实施例所述控湿分水器包括迷宫式挡板分水器8和旋风分水器9，用于控制空气出口排出的空气湿度维持在15%-20%。旋风分水器9是用于避免因迷宫式挡板分水器8失效而导致液态水进入空压机17；而迷宫式挡板分水器8通过调节挡板的长度和数量控制空气湿度。具体可参考现有技术进行计算，以本实施例的结构为例：
空气过滤侧腔为底边边长为A的正方形，，其中Q为标准状态下的空气流量，/>为修正系数；
挡板区总体高度为H，H=（4:10）A；
迷宫式挡板分水器8的有效长度为：
；
挡板个数为：n=L/l；
其中：为气体的流速，计算公式为/>，Q为气体流量，η为修正系数，F 0为气体流经的横截面积；w为小液滴的沉降速度；α为挡板与壁面的夹角；l为每个挡板的长度。
本实施例所述补水侧腔顶部设有进水口1，进水口1处设有进水阀12，连接燃料电池的阳极分水器（在燃料电池的阳极侧，图中未视出），用于燃料电池阳极路的排水；补水侧腔底部设有排水口4，排水口4处设有排水阀13，连接尾气出口23，用于空气预过滤装置的蓄水腔5排水和杂质的排出；所述补水侧腔的侧壁还设有补水排气口2，所述补水排气口2通过三通阀14连接于尾气处理器22和尾气出口23之间，进水方向连接尾气处理器22，用于将燃料电池的阴极路产生的水注入预过滤装置，在两个侧腔之间形成液封，避免两侧腔体串气；排气方向连接尾气出口23，用于空气预过滤装置向尾排处排气。各阀门可连接控制器，由控制器统一控制。
本实施例所述空气预过滤装置的侧壁还设有液位传感器3，用于实时监测蓄水腔5内液面高度，并进行预警。液位传感器3也可与控制器连接，将液位信息传递至控制器，控制器根据预设程序进行控制。
本实施例所述蓄水腔5的储水容积是通过以下公式计算的：
；
式中：为阳极分水器内部水的生成速率，/>为空气预过滤装置水的流出速度；t0为进水口间歇进水的时间总和，进水口间歇进水的时间与阳极分水器集水的时间一致；t为排水口开启的排水时间。该储水容积的确定可以保证阳极分水器在燃料电池工作过程中收集的纯水，能够全部进入预过滤装置的蓄水腔5内。
所述空气预过滤装置水的流出速度计算公式如下：
；
式中：H为空气预过滤装置内液面高度，R为空气预过滤装置排水的管路内径；
所述阳极分水器内部水的生成速率的计算公式如下：
；
式中：为水的摩尔质量；/>为燃料电池电堆生成的液态水的摩尔量，/>为液态水的密度。
其中，燃料电池电堆生成的液态水的摩尔量的计算公式如下：
；
式中，为燃料电池电堆生成的液态水的摩尔量；/>为未参与电堆反应的氢气摩尔量；/>为氢气侧氮气摩尔量；/>为气态水分压；/>为临界态气态水分压：/>；/>为电堆内部的阴极流道体积；/>为气态水温度：/>；T为标况温度；T L 为液态水温度；/>为经验系数：/>；k为电堆反应中液态水与气态水的体积比；/>为电堆峰值功率点的水流量；/>为是电密点为50mA/cm2时的水流量。上述各参数都是燃料电池电堆的既有参数，根据燃料电池的规格即可确定预过滤装置的储水容积。
实施例2
本实施例提供了一种实施例1所述的燃料电池用空气预过滤装置的控制方法，具体包括：
启动过程：关闭进水口1、排水口4和空气出口10，通过补水排气口2向空气预过滤装置内注水，将燃料电池的阴极路尾排的水注入空气预过滤装置，在两个侧腔之间形成液封，避免两侧腔体串气；
使用过程：当蓄水腔5内液面高度高于分隔板11底端时，停止补水排气口2注水，通过进水口1间歇向空气预过滤装置内进水；该过程中，还通过补水排气口2间歇向外排气。该间歇向外排气的目的是保持补水侧腔内压力平衡，其规律与进水口1进水的频率配套（非完全一致），以进水口1能够进水为准。
换水过程：当蓄水腔液面高于预设预警值，关闭进水口1，打开排水口4排水，同时通过补水排气口2再次向空气预过滤装置内注水，至蓄水腔5内换水完成。
在实际使用中，补水排气口2的进水速度和排水口4的排水速度是恒定的，根据蓄水腔5的储水容积，可以计算出换水的标定时间。其他过程同理，在燃料电池确定的情况下，各过程都可以计算出标定时间，从而得到确定的控制策略。本发明所述控制方法将各入口和/或出口的阀门连接控制器；可以采用人工手动操控；也可以在计算好标定时间后，将确定的预设控制策略输入控制器，即可根据预设策略进行自动控制。
关机过程：当燃料电池停机时，由于其阳极路仍有产生的水未排出，此时打开进水口1，关闭补水排气口2，并通过液位传感器3实时监测液面，间歇开启排水口4，兼顾阳极路排水的同时使空气预过滤器装置内部的液面不低于分隔板11底端。当阳极路的水完全排空后，空气预过滤装置内部的水可再通过人工手动排空。
本实施例所述控制方法还包括：
通过蓄水腔5的储水容积设计，保证阳极分水器在燃料电池工作过程中收集的纯水，能够全部进入空气预过滤装置的蓄水腔5内，所述储水容积的计算公式为：
；
式中：为阳极分水器内部水的生成速率，/>为空气预过滤装置水的流出速度；t0为进水口间歇进水的时间总和，进水口间歇进水的时间与阳极分水器集水的时间一致；t为排水口开启的排水时间。
所述空气预过滤装置水的流出速度计算公式如下：
；
式中：H为空气预过滤装置内液面高度，R为空气预过滤装置排水的管路内径；
所述阳极分水器内部水的生成速率的计算公式如下：
；
式中：为水的摩尔质量；/>为燃料电池电堆生成的液态水的摩尔量，/>为液态水的密度。
其中，燃料电池电堆生成的液态水的摩尔量的计算公式如下：
；
式中，为燃料电池电堆生成的液态水的摩尔量；/>为未参与电堆反应的氢气摩尔量；/>为氢气侧氮气摩尔量；/>为气态水分压；/>为临界态气态水分压：/>；/>为电堆内部的阴极流道体积；/>为气态水温度：/>；T为标况温度；T L 为液态水温度；/>为经验系数：/>；k为电堆反应中液态水与气态水的体积比；/>为电堆峰值功率点的水流量；/>为是电密点为50mA/cm2时的水流量。上述各参数都是燃料电池电堆的既有参数，根据燃料电池的规格即可确定预过滤装置的储水容积。
实施例3
本实施例提供一种燃料电池，该基于现有的质子交换膜燃料电池，其空气侧包括依次连接的空气滤清器15、流量计16、空压机17、中冷器18、加湿器19、电堆20、背压阀21、尾气处理器22以及尾气出口23等，所述空气滤清器15与尾排系统之间设置实施例1所述的空气预过滤装置，其连接关系如图2所示。所述空气预过滤装置的空气出口10与空气滤清器15连接，进水口1连接燃料电池的阳极分水器（在燃料电池的阳极侧，图中未视出），排水口4连接尾气出口23，补水排气口2的通过三通阀14连接于尾气处理器22和尾气出口23之间。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和技术原理的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的，这些修改和变更也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种燃料电池用空气预过滤装置，其特征在于，所述空气预过滤装置的内腔底部设为蓄水腔，蓄水腔上部通过分隔板隔离为空气过滤侧腔和补水侧腔；
所述空气过滤侧腔下方连接空气进气管，顶部设有与燃料电池的空气滤清器连接的空气出口，内部设有控湿分水器；
所述补水侧腔顶部设有进水口，底部设有排水口；所述进水口连接燃料电池的阳极分水器，所述排水口连接燃料电池阴极尾排系统的尾气出口；所述补水侧腔还设有补水排气口，所述补水排气口的进水方向连接于燃料电池阴极尾排系统的尾气处理器，排气方向连接于燃料电池阴极尾排系统的尾气出口；
所述空气进气管的入口处设有滤网，出口设置于蓄水腔的液面以下；
所述控湿分水器包括迷宫式挡板分水器和旋风分水器，控制空气出口排出的空气湿度维持在15％-20％；所述迷宫式挡板分水器通过调节挡板的长度和数量控制空气湿度。
2.根据权利要求1所述的燃料电池用空气预过滤装置，其特征在于，所述进水口处设有进水阀，排水口处设有排水阀，所述补水排气口通过三通阀连接于燃料电池尾排系统的尾气处理器和尾气出口之间。
3.根据权利要求1所述的燃料电池用空气预过滤装置，其特征在于，所述空气预过滤装置的侧壁设有液位传感器。
4.一种权利要求1至3任意一项所述的燃料电池用空气预过滤装置的控制方法，其特征在于，包括：
关闭进水口、排水口和空气出口，通过补水排气口向空气预过滤装置内注水；
当蓄水腔内液面高度高于分隔板底端时，停止补水排气口注水，通过进水口间歇向空气预过滤装置内进水；
当蓄水腔液面高于预设预警值，关闭进水口，打开排水口排水，同时通过补水排气口再次向空气预过滤装置内注水，至蓄水腔内换水完成。
5.根据权利要求4所述的燃料电池用空气预过滤装置的控制方法，其特征在于，所述空气预过滤装置关机时，打开进水口，关闭补水排气口，并实时监测液面，间歇开启排水口，使空气预过滤器装置内部的液面不低于分隔板底端。
6.根据权利要求4所述的燃料电池用空气预过滤装置的控制方法，其特征在于，还包括：通过蓄水腔的储水容积设计，保证阳极分水器在燃料电池工作过程中收集的纯水，能够全部进入空气预过滤装置的蓄水腔内，所述储水容积的计算公式为：
V＝Qgtlt0+(Qgtl-QL)t；
式中：Qgtl为阳极分水器内部水的生成速率，QL为空气预过滤装置水的流出速度；t0为进水口间歇进水的时间总和，t为排水口开启的排水时间。
7.根据权利要求4所述的燃料电池用空气预过滤装置的控制方法，其特征在于，还包括：通过进水口间歇向空气预过滤装置内进水过程中，通过补水排气口方向，间歇向外排气。
8.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括权利要求1-3任意一项所述的空气预过滤装置。
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