一种适用于燃料电池系统阳极自排水的方法与流程

1.本发明属于燃料电池系统集成及控制领域，尤其涉及一种适用于燃料电池系统阳极自排水的方法。


背景技术：

2.在燃料电池系统中，其阳极气体回路中的水汽管理则显得尤为重要，水汽多了，容易导致燃料电池膜电极局部水淹，造成不可恢复的损伤；水汽少了，则导致燃料电池膜电极湿度不足，降低发电效率。目前，多在燃料电池系统阳极气体循环回路中增加分水器，辅之排水阀，排氮阀，液位传感器，压力传感器等部件，通过fcu的控制，不间断的控制排水阀的开关，进行排水。
3.在现有的分水器设计中，对分水器的储水箱中的液位监控则显得尤为困难：传统的接触式传感器，如浮子式液位计体积大，需穿孔，增加密封难度，则显得明显不适用；而高精的非接触式传感器，如超声波液位传感器或者雷达波液位传感器，成本不菲，且在一些运动场景也难以精准检测。当前的设计多为液位传感器辅助监控，通过计算燃料电池在额定工况下阳极回路的产水量，定期打开排水阀进行排水。相较而言：1、现有的分水器体积大，占用较多的布置控制；2、排水不可控，可能排水不及时导致的水淹，或者过度排水，泄放太多的氢气，降低氢气的利用率；3、电控部件阀门动作频繁，故障率高；4、整体成本高。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种适用于燃料电池阳极的自排水装置。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种适用于燃料电池系统阳极自排水的方法，包括集成式的燃料电池系统，它们为上层集成的dcdc组件，中层集成的电堆组件和下层集成的bop组件，
7.包括以下步骤：
8.步骤1：根据燃料电池系统的电堆特性，将电堆供氢后持续供电后，阳极出口压力给定为阳极额定压力p
出额
，1.5barg≤p
出额
≤2barg；
9.步骤2：根据燃料电池系统的电堆特性，给出阳极入口压力p
入额
，1.5barg≤p
入额
≤2barg；
10.步骤3：根据集成布置的高度差，计算排水管储水后形成水压p
水
，p
水
＝密度*gh，p
水
≤0.05bar；
11.步骤4：机械排水阀的开启压力设计为p
开
＝p
出额

△
p1，其中，
△
p1《p
水
,且p
出额

△
p1《p
入额
；
12.步骤5：机械排水阀的关闭压力设计为p
关
＝p
出额
‑△
p2；其中，p
水
《
△
p2《0.1barg；
13.步骤6：当燃料电池系统启动，进入额定工况后，fcu通过对氢气循环泵或氢引射器控制，使燃料电池系统阳极出口压力p
氢出
在p
额定

△
p1和p
额定
‑△
p2之间波动；
14.步骤7：燃料电池阳极回路，经过螺旋分水器后，将需排出的水逐步储存到排水管中，直至达到分水器的出水口；
15.步骤8：当排水管中储满水，且燃料电池系统阳极出口压力p
氢出
达到p
出额

△
p1时，达到机械排水阀打开压力p
开，
机械排水阀自动打开，燃料电池系统阳极自排水开启；
16.步骤9：当排水管中水排空时，且燃料电池系统阳极出口压力p
氢出
低于p
出额
‑△
p1时，达到机械排水阀关闭压力p
关
，机械排水阀自动关闭，燃料电池系统阳极自排水关闭；
17.步骤10：以上为最为简单的燃料电池阳极自分水控制步骤，在实际操作中，通过调试，标定
△
p1和
△
p2值，可实现燃料电池系统阳极回路的自排水功能。
18.优选地，所述的一种适用于燃料电池系统阳极自排水的方法，所述集成式的燃料电池系统的高度在800mm～1000mm。
19.优选地，所述的一种适用于燃料电池系统阳极自排水的方法，当燃料电池系统需求对阳极回路排氮时，继续提升燃料电池系统阳极出口压力p
氢出
，此时燃料电池阳极回路实现快速排水后，排出阳极回路中的混杂氮气，实现排氮功能。
20.优选地，所述的一种适用于燃料电池系统阳极自排水的方法，所述步骤3中的高度差为螺旋分水器的出水口与机械排水阀的布置存在高度差h≈500mm。
21.优选地，所述的一种适用于燃料电池系统阳极自排水的方法，
22.包括以下步骤：
23.步骤1：根据燃料电池系统的电堆特性，将电堆供氢后持续供电后，阳极出口压力给定为阳极额定压力p
出额
＝1.5barg；
24.步骤2：根据燃料电池系统的电堆特性，给出阳极入口压力p
入额
＝1.5barg；
25.步骤3：根据集成布置的高度差，计算排水管储水后形成水压p
水
＝0.05bar左右。
26.优选地，所述的一种适用于燃料电池系统阳极自排水的方法，
27.包括以下步骤：
28.步骤1：根据燃料电池系统的电堆特性，将电堆供氢后持续供电后，阳极出口压力给定为阳极额定压力p
出额
＝2barg；
29.步骤2：根据燃料电池系统的电堆特性，给出阳极入口压力p
入额
＝2barg；
30.步骤3：根据集成布置的高度差，计算排水管储水后形成水压p
水
＝0.04bar。
31.优选地，所述的一种适用于燃料电池系统阳极自排水的方法，
32.包括以下步骤：
33.步骤1：根据燃料电池系统的电堆特性，将电堆供氢后持续供电后，阳极出口压力给定为阳极额定压力p
出额
＝1.65barg；
34.步骤2：根据燃料电池系统的电堆特性，给出阳极入口压力p
入额
＝1.7barg。
35.借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
36.本发明可以根据燃料电池的实时功率，自动调节排水阀的开度，实现燃料电池系统阳极连续精准排水，防止排水不及时导致的水淹，或者过度排水，泄放太多的氢气，降低氢气的利用率。同时本发明的排水阀，可以同步应用为燃料电池系统阳极管路保护的泄压阀，在燃料电池系统进氢失控的情况下，及时泄压，保护燃料电池系统，降低损失
37.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
39.图1是本发明的排水系统的结构示意图；
40.图2是本发明的机械排水阀的原理框图；
41.图3是本发明电密-氢压曲线图。
具体实施方式
42.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
43.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
44.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
45.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“水平”、“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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，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技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
46.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或竖直，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
47.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
48.实施例
49.如图1、图2和图3所示，
50.种适用于燃料电池系统阳极自排水的方法，包括集成式的燃料电池系统，它们为上层集成的dcdc组件，中层集成的电堆组件和下层集成的bop组件，其特征在于，
51.包括以下步骤：
52.步骤1：根据燃料电池系统的电堆特性，将电堆供氢后持续供电后，阳极出口压力
给定为阳极额定压力p
出额
，1.5barg≤p
出额
≤2barg；
53.步骤2：根据燃料电池系统的电堆特性，给出阳极入口压力p
入额
，1.5barg≤p
入额
≤2barg；
54.步骤3：根据集成布置的高度差，计算排水管储水后形成水压p
水
，p
水
＝密度*gh，p
水
≤0.05bar；
55.步骤4：机械排水阀的开启压力设计为p
开
＝p
出额

△
p1，其中，
△
p1《p
水
,且p
出额

△
p1《p
入额
；
56.步骤5：机械排水阀的关闭压力设计为p
关
＝p
出额
‑△
p2；其中，p
水
《
△
p2《0.1barg；
57.步骤6：当燃料电池系统启动，进入额定工况后，fcu通过对氢气循环泵或氢引射器控制，使燃料电池系统阳极出口压力p
氢出
在p
额定

△
p1和p
额定
‑△
p2之间波动；
58.步骤7：燃料电池阳极回路，经过螺旋分水器后，将需排出的水逐步储存到排水管中，直至达到分水器的出水口；
59.步骤8：当排水管中储满水，且燃料电池系统阳极出口压力p
氢出
达到p
出额

△
p1时，达到机械排水阀打开压力p
开，
机械排水阀自动打开，燃料电池系统阳极自排水开启；
60.步骤9：当排水管中水排空时，且燃料电池系统阳极出口压力p
氢出
低于p
出额
‑△
p1时，达到机械排水阀关闭压力p
关
，机械排水阀自动关闭，燃料电池系统阳极自排水关闭；
61.步骤10：以上为最为简单的燃料电池阳极自分水控制步骤，在实际操作中，通过调试，标定
△
p1和
△
p2值，可实现燃料电池系统阳极回路的自排水功能。
62.本发明中所述集成式的燃料电池系统的高度在800mm～1000mm。
63.本发明中当燃料电池系统需求对阳极回路排氮时，继续提升燃料电池系统阳极出口压力p
氢出
，此时燃料电池阳极回路实现快速排水后，排出阳极回路中的混杂废气，实现排氮功能。
64.所述步骤3中的高度差为螺旋分水器的出水口与机械排水阀的布置存在高度差h≈500mm。在实际的布置中，应使h的值尽可能大，以增加压力控制的阈值范围，可以简化软件的控制标定设计。
65.实施例一
66.基于实施例，一种适用于燃料电池系统阳极自排水的方法，包括以下步骤：
67.步骤1：根据燃料电池系统的电堆特性，将电堆供氢后持续供电后，阳极出口压力给定为阳极额定压力p
出额
＝1.5barg；
68.步骤2：根据燃料电池系统的电堆特性，给出阳极入口压力p
入额
＝1.5barg；
69.步骤3：根据集成布置的高度差，计算排水管储水后形成水压p
水
＝0.05bar左右。
70.实施例二
71.基于实施例，一种适用于燃料电池系统阳极自排水的方法，包括以下步骤：
72.步骤1：根据燃料电池系统的电堆特性，将电堆供氢后持续供电后，阳极出口压力给定为阳极额定压力p
出额
＝2barg；
73.步骤2：根据燃料电池系统的电堆特性，给出阳极入口压力p
入额
＝2barg；
74.步骤3：根据集成布置的高度差，计算排水管储水后形成水压p
水
＝0.04bar。
75.实施例三
76.基于实施例，一种适用于燃料电池系统阳极自排水的方法，包括以下步骤：
77.步骤1：根据燃料电池系统的电堆特性，将电堆供氢后持续供电后，阳极出口压力给定为阳极额定压力p
出额
＝1.65barg；
78.步骤2：根据燃料电池系统的电堆特性，给出阳极入口压力p
入额
＝1.7barg。
79.1、本发明从结构，利用排水管作为储水容器，取消了分水器的储水箱，降低了对集成的空间要求。
80.2、本发明从部件上取消了排水阀，液位传感器等电控部件，只有单独的机械泄压阀，纯机械结构，既降低了成本，控制简单，由提升了产品的可靠性。
81.3、本发明从控制上简化的液位的采集，计算，排水阀的控制，降低了控制需求。
82.4、本发明从功能上，持续排水设计，避免了燃料电池阳极水淹或者过排耗氢问题，提升了燃料电池系统的整体性能。
83.以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。