一种液位自动控制的燃料电池气水分离装置及其排水方法与流程

本发明属于氢燃料电池排水，特别涉及一种液位自动控制的燃料电池气水分离装置。

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，提出液位自动控制的燃料电池气水分离装置及其排水方法。

2、本发明第一方案中的一种液位自动控制的燃料电池气水分离装置，包括气水分离器，气水分离器上端的两侧分别连通有氢气进气管和氢气出气管，气水分离器的顶部内侧设有挡板，从氢气进气管进入气水分离器的氢气流经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，还包括水箱，水箱的容积小于气水分离器的容积，水箱内设有液位开关，水箱和气水分离器之间连通有上连通管，水箱的底部连通有两个出水方向不同的单向阀，排水口处设有电磁阀，气水分离器的底部与两个所述单向阀之间连通有同一根下连通管，电磁阀与液位开关之间通过直流电源电性连接，液位开关断开时，电磁阀关闭，液位开关闭合时，电磁阀打开。

3、本发明的工作原理是：

4、液位开关浮于水箱液面位置处，液位开关可以反馈通断两种状态，当水箱液面低于临界值时，液位开关断开，当水箱液面高于临界值时，液位开关闭合。在燃料电池系统通电工作后，直流电源输出一个恒定电压。

5、具体的，两个单向阀位于水箱底面与下连通管之间，导通方向分别为向上和向下。单向阀存在一个小的导通压降，即当其正向压降小于导通压降时，流体产生的正向压力不足以克服单向阀中的弹簧作用在阀片上的力，单向阀仍处于关闭状态，只有正向压降超过导通压降时，阀门才能开启。因此，只有当气水分离器液面和水箱液面的高度差足够大(达到δh)，产生的压差大于单向阀导通压降时，单向阀才会开启，利用这一特性实现气水分离器液位高度在设定值附近的自动控制。

6、一种燃料电池的排水方法，基于第一方案所述的装置，包括以下阶段：

7、第一阶段：在气水分离器内的液面处于最低点时，液位开关位于临界液位以下，液位开关断开，电磁阀线圈电压为零，电磁阀关闭，该状态下气水分离器内的液面因液态水累积而逐渐升高；

8、在气水分离器内的液面与水箱内的液面之间的高度差未达到δh前，两个所述单向阀均不导通，液位开关保持断开状态，气水分离器内的液面持续上升；

9、第二阶段：当气水分离器内的液面与水箱内的液面之间的高度差达到δh时，其中一个单向阀导通使水箱液面内的上升，液位开关闭合，直流电源为电磁阀线圈提供工作电压，电磁阀打开，该状态下气水分离器内的液面因液态水排放而逐渐降低；

10、在水箱液面与气水分离器液面之间的高度差未达到δh前，两个单向阀均不导通，液位开关保持闭合状态，分离器液面持续下降，在气水分离器液面处于最低点时，气水分离装置再次进入第一阶段，开始下一个运行周期。

11、本发明的有益技术效果是：

12、1、当系统在颠簸工况下运行时，本发明通过两个单向阀并联的技术方案保证液位开关反馈信号的稳定性。

13、2、由于水箱的容积和水平截面积较小，其自身产生的液面晃动可以忽略，主要考虑气水分离液面的影响，由于单向阀导通压降的存在，气水分离装置对两个液面之间的压差波动具有一定容错性，即小的压差波动不会改变液位开关的通断状态，因此可以有效地减少电磁阀的开关动作频率。

14、3、本发明利用单向阀的导通压降特性，将液位控制在临界液位±δh范围内，仅适用一个液位反馈信号即实现了高低两个液位的控制，整个控制逻辑完全通过硬件实现，提高了系统的可靠性。