一种燃料电池的排水方法、排水设备及气水分离装置与流程

本发明属于氢燃料电池的排水，特别涉及一种燃料电池的排水方法、排水设备及气水分离装置。

背景技术：

1、当今全球环境污染与气候变暖问题日益严重，推动了清洁能源科技的创新。其中，质子交换膜燃料电池(pemfc)因其清洁、高效、紧凑和可靠等优点被认为是最有前途的技术之一。燃料电池阳极尾气中含有较多的水蒸气和液态水，在氢气循环过程中如果直接将其通入氢气循环泵和电堆，会对循环泵叶片产生一定的危害，同时容易造成电堆水淹，因此需要通过气水分离器将尾气中的液态水分离出来。气水分离器的排水频率和排水时间受运行电流、运行压力和流量等参数的影响，如何使气水分离器高效的自动排水，是一个关键问题。

2、目前燃料电池能够实现自动排水功能的现有技术较多，例如相关专利cn114335611a提出了一种燃料电池系统排水设备及方法，使用气水分离器对电堆阳极出口流体中的氢气和水进行分离，在电池高功率时，排水阀产开，在电池低功率时，排水阀周期性开启。但是该方案无法实现液位的精确控制，可能会因排水时间过长而造成氢气排放浪费。

3、cn218939742u、cn215869489u通过液位传感器来检测气水分离器中的液态水液位，并根据液位控制排水阀排水，该方法存在缺陷，例如在燃料电池处于颠簸工况工作时，液位发生剧烈变化，导致液位传感器无法准确检测液位，另外，该方法会导致排水电磁阀因频繁启停而寿命降低。

4、cn 113972388a提供了一种燃料电池排水系统及控制方法，其分水结构设置了上液位和下液位两个传感器，两个传感器与控制器通信连接，该方案能够及时排出储水腔内的大量液态水，同时保证排水阶段不排气。然而，该方法无法在燃料电池处于颠簸工况工作、液位发生剧烈变化时准确地检测液位。

5、cn 116435556a公开了一种氢燃料电池的排水控制方法，通过获取氢燃料电池的事实电流，并得到实时电流的积分值，判断排水排氢电磁阀是否满足开启条件。该方法将定频排水过程转变为变频排水过程，然而，该方法的的判据是基于电流测量值的计算，未考虑电堆及气水分离装置的初始状态，且其精度容易受到外部干扰的影响。

6、cn 116247254a公开了一种燃料电池尾气回收装置及其排水方法，其主要步骤是根据当前周期内的空压机转速和空压机电流查表得到通过流量和排水速率，并计算上一周期内阀门关闭时的积水量，从而计算当前排水阀的开启时间。该方法设计大量的查表和计算过程，其控制效果很大程度上取决于表和计算方法的精度，各步骤执行过程中外部干扰会被逐级放大。

7、cn 116387560a公开了一种燃料电池阳极排水设备和控制方案，通过获取燃料电池的电流信号、温度信号与压力信号、根据预设对应关系与上述信号确定阳极水增加速率，根据水增加体积决定排水频率。该发明较多的依赖预设关系，并且未直接利用液位参数反馈，而是通过其它参数对其进行预测，因而存在误差较大的问题。

8、综上，目前现有的燃料电池气水分离和阳极排水技术存在的缺点也非常明显，主要关乎到液位控制的精确性和设备的使用寿命，具体如下：

9、1)部分技术采用开环控制，缺少必要的反馈信息，无法实现气水分离器内液位的精确控制。

10、2)一些技术采用液位传感器信号作为反馈，在颠簸工况工作、液位发生剧烈变化时准确地检测液位，此外该方法会导致排水电磁阀因频繁通断而寿命降低。

11、3)一些技术采用电流、温度和压力等信号作为反馈，通过查表和计算等方式间接获得排水时间，该方法对表和计算方法的精度要求较高，且会在每个环节中引入误差。

技术实现思路

1、本发明意在针对质子交换膜燃料电池氢气循环回路中的水管理过程，传统控制装置和方法存在的控制精度低、排水电磁阀频繁通断的问题，提出一种燃料电池的排水方法，基于该方法提供一种燃料电池的排水设备，一种具有液位自动控制功能的燃料电池的气水分离装置。

2、本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：

3、本发明第一方案提供了一种燃料电池的排水方法，包括以下步骤：

4、s1、在蓄水区域内设置液位开关，蓄水区域的底部设置排水口，排水口处设置电磁阀，所述电磁阀的控制电路包括燃料电池控制器、继电器、电容和直流电源；

5、s2、燃料电池控制器通电工作后，通过do端口持续对外提供一个高电平信号，在液面低于临界值时，液位开关处于闭合状态，此时继电器两端电压近似为零，继电器处于断开状态，电磁阀两端电压为零，电磁阀未开启；

6、s3、电磁阀未开的状态下液面因液态水累积而逐渐升高，当液面高于临界值时，液位开关断开，此时电容开始充电，当电容两端电压超过继电器吸合电压时，继电器闭合，电磁阀在直流电源的作用下打开，气水分离器内的液态水开始外排；

7、s4、当液面高度低于临界值时，液位开关闭合，电磁阀关闭，气水分离装置进入下一个运行周期。

8、进一步，在颠簸工况下运行时，通过降低电容的充放电电流，使其两端电压变化更加平缓，基于电容的延时效应来减少电磁阀的开关频率。

9、进一步，所述控制电路还包括限流电阻，在颠簸工况下运行时，通过选择适当的电容值、下拉电阻值和限流电阻值可以减小电容充放电电流和电压变化速率，下拉电阻＞＞限流电阻，在电容充电过程中电容值、电阻值和电容两端的电压变化的关系近似满足：

10、

11、式中vc是电容两端的电压，vs是do端口输出电压，r1是下拉电阻的阻值，c是电容值；

12、在电容放电过程中电容值、电阻值和电容两端的电压变化的关系满足：

13、

14、式中vc是电容两端的电压，vs是电容两端的初始电压，r2是限流电阻的阻值，c是电容值。

15、进一步，所述控制电路还包括下拉电阻，用于在液位开关断开时将电阻两端的电压均拉低到与gnd相同，从而保证继电器的线圈具有足够大的工作电压。

16、进一步，所述控制电路还包括稳压二极管，用于避免因外部干扰引起的高电压损坏燃料电池控制器和继电器。

17、本发明第二方案提供了一种燃料电池的排水设备，包括液位开关、电磁阀和电磁阀的控制电路，所述控制电路控制电磁阀运行时实现上述第一方面的任意一种方法。

18、本发明第三方案提供了一种具有液位自动控制功能的燃料电池的气水分离装置，包括气水分离器、氢气进气管、挡板和氢气出气管，所述氢气进气管和氢气出气管分别连通在气水分离器上端的两侧，挡板连接在气水分离器的顶部内侧，从氢气进气管进入气水分离器的氢气绕过挡板下方后从氢气出气管排出，气水分离器的底部设有排水口；

19、还包括第一方案所述的液位开关和电磁阀，所述液位开关设置在所述气水分离器内，所述电磁阀设置于排水口处，电磁阀具有第一方案所述的控制电路，控制电路控制电磁阀运行时实现第一方案所述的方法。

20、本方案中，液态水随着气流从氢气进气管进入气水分离器内部时，速度方向基本与气流一致，气流比重较小，可以绕过挡板下方然后向上继续流动，而液滴比重较大，在绕过挡板时由于离心作用而转向下流，从而实现气液的分离。

21、本发明的有益技术效果是：

22、1、本发明将液位传感器的通断信号作为直接反馈，实现液位的精确控制。

23、2、在液位控制电路中引入电容，对液位传感器反馈信号进行滤波，降低排水电磁阀的开启关断频率，从而提高电磁阀的使用寿命。

24、3、控制逻辑通过硬件实现，避免了查表和计算等方法所引入的误差和干扰。

25、4、本发明将达到上述效果1～3的技术手段应用于燃料电池系统的气水分离装置中，有效的解决了质子交换膜燃料电池氢气循环回路中的水管理过程，传统控制装置和方法存在的控制精度低、排水电磁阀频繁通断的问题。