CN112349930A - 一种燃料电池***及阳极控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种燃料电池***及阳极控制方法，电堆的阳极流道包括向电堆供气的氢气气路，所述氢气气路包括气路第一端和气路第二端；所述气路第一端、气路第二端处的管路同时与第一三通阀、第二三通阀相连；所述第一三通阀与电堆所使用的氢气气源相通；当阳极的电堆工作时，所述第一三通阀、第二三通阀通过切换其各阀口的启闭状态，使氢气气路的氢气输入端在气路第一端、气路第二端之间切换；本发明在盲端模式下通过间周期性地改变阳极氢气的流向，以改善杂质在阳极下游累积的现象，降低燃料电池局部供氢不足的现象，减少清除杂质而排放的次数，从而能够有效降低在“盲端”模式下氢气排放的频率，提升氢气的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是一种燃料电池***及阳极控制方法。
背景技术
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的装置。燃料电池由双极板和膜电极构成，多个燃料电池单体串联起来构成燃料电池堆，燃料电池具体的反应过程为，向阳极注入氢气，氢气在阳极发生氧化反应：H2-2e-=2H+；向阴极注入空气，空气中的氧气在阴极发生还原反应：O2+4H++4e-=2H2O；为保证燃料电池稳定输出，燃料电池***需要包含空气供应***和氢气供应***，运行时通过鼓风机或空压机从大气中向阴极注入空气，氢气供给***给阳极提供氢气。一般的阴极采取直接排放的模式将未反应的废气及水直接排出电堆，而阳极端为保证氢气的利用率，有氢气循环模式和阳极“盲端”的方式，循环模式需要循环泵泵增加了***的复杂性及***功耗。阳极“盲端”模式***简化并降低***功耗，氢气在“盲端”方式下，随着反应的进行，从阴极渗透到阳极的氮气和水等杂质不断的在阳极累积，由于供给给阳极的燃料气几乎全部消耗，越靠近盲端的阳极下游积累的杂质浓度越高，造成局部的燃料供应不足，燃料电池电压下降，所以需要周期性的打开“盲端”的阳极气体出口电磁阀，以清除积累在阳极的杂质，使燃料电池电压恢复。
清除阳极杂质需要频繁的开启阳极排放阀以排出杂质气体，该操作会同时造成部分氢气一起排放，使得利用率下降。
发明内容
本发明提出一种燃料电池***及阳极控制方法，在盲端模式下通过间周期性地改变阳极氢气的流向，以改善杂质在阳极下游累积的现象，降低燃料电池局部供氢不足的现象，减少清除杂质而排放的次数，从而能够有效降低在“盲端”模式下氢气排放的频率，提升氢气的利用率。
本发明采用以下技术方案。
一种燃料电池***，所述燃料电池电堆（10）的阳极以氢气为燃料电池反应工质；所述电堆的阳极流道包括向电堆供气的氢气气路，所述氢气气路包括气路第一端（51）和气路第二端（52）；所述气路第一端、气路第二端处的管路同时与第一三通阀（22）、第二三通阀（23）相连；所述第一三通阀与电堆所使用的氢气气源（20）相通；当阳极的电堆工作时，所述第一三通阀、第二三通阀通过切换其各阀口的启闭状态，使氢气气路的氢气输入端在气路第一端、气路第二端之间切换。
所述第二三通阀与电堆的尾气排放端相通；
当阳极的电堆的氢气输入端切换为气路第一端时，电堆的阳极流道处于正向供气状态，气路第二端切换为氢气气路的废气排放端且经第二三通阀与尾气排放端相通；
当阳极的电堆的氢气输入端切换为气路第二端时，电堆的阳极流道处于逆向供气状态，气路第一端切换为氢气气路的废气排放端且经第二三通阀与尾气排放端相通。
所述氢气气源为氢气储存装置或氢气制备装置；所述第一三通阀、第二三通阀的阀口均包括主阀口、常开阀口、常闭阀口；氢气气源的氢气输出端经减压稳压阀（21）与第一三通阀的主阀口相通；电堆的尾气排放端经尾排阀（25）、气水分离器（24）与第二三通阀的主阀口相通。
所述第一三通阀的常开阀口（26）、第二三通阀的常闭阀口（28）与气路第一端相通；所述第二三通阀的常开阀口（29）、第一三通阀的常闭阀口（27）与气路第一端相通。
当所述电堆的阳极流道处于正向供气状态时，所述第一三通阀的常开阀口（26）、第二三通阀的常开阀口（29）开启，第一三通阀的常闭阀口（27）、第二三通阀的常闭阀口（28）关闭，燃料电池阳极的电堆从第一三通阀的常开阀口（26）接收氢气，并把废气从第二三通阀的常开阀口（29）排出至气水分离器（24）；
当所述电堆的阳极流道处于逆向供气状态时，所述第一三通阀的常开阀口（26）、第二三通阀的常开阀口（29）关闭，第一三通阀的常闭阀口（27）、第二三通阀的常闭阀口（28）开启，燃料电池阳极的电堆从第一三通阀的常闭阀口（27）接收氢气，并把废气从第二三通阀的常闭阀口（28）排出至气水分离器（24）。
所述氢气气源的氢气在输入燃料电池阳极的电堆时，以氢气的流动气压对氢气气路氢气输入端处的杂质进行清扫。
所述尾排阀（25）、第一三通阀、第二三通阀均为电磁阀。
一种燃料电池***阳极控制方法，以上所述的燃料电池***，其阳极运行时周期性地切换第一三通阀、第二三通阀各阀口的启闭状态，使电堆的供气状态周期性地在正向供气状态和逆向供气状态之间切换，使氢气气源在向电堆阳极供气时，也以经减压稳压阀调节压力后的氢气对电堆阳极处的杂质进行周期性吹扫，减少杂质在阳极氢气气路处的累积。
所述尾排阀处于常闭状态以使阳极流道在盲端模式下运行，所述气水分离器用于分离废气中的水；当阳极氢气气路处累积的杂质量过多使燃料电池电压下降时，所述尾排阀开启，使电堆阳极通过盲端处的尾排阀排出尾气，同时加大阳极氢气气路的气流流速来排出杂质。
本发明的优点在于提供了一种阳极控制方法，可以实现燃料电池堆正向供气和逆向供气，实现燃料电池堆阳极方向上的周期性吹扫，防止传统的盲端运行模式下，燃料电池堆单一方向上供气，杂质在阳极供气的下游累积的现象产生，可以减少阳极排放的次数，提高氢气的利用率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是燃料电池单电池的结构原理示意图；
附图2是燃料电池运行时阳极流道入口至下游的杂质累积量变化示意图；
附图3是电堆的阳极流道处于正向供气状态时的工作示意图；
附图4是电堆的阳极流道处于逆向供气状态时的工作示意图；
附图5是本发明所述方案与传统方案阳极杂质浓度随时间变化的示意图；
图中：1-质子交换膜；2-阴极催化层；3-阳极催化层；4-阴极扩散层；5-阳极扩散层；6-阴极流道；7-阳极流道；
10-电堆；11-空气过滤器；12-空压机/鼓风机；13-加湿器；20-氢气气源；21-减压稳压阀；22-第一三通阀；23-第二三通阀；24-气水分离器；25-尾排阀；26-第一三通阀的常开阀口；27-第一三通阀的常闭阀口；28-第二三通阀的常闭阀口；29-第二三通阀的常开阀口；
51-气路第一端；52-气路第二端。
具体实施方式
如图所示，一种燃料电池***，所述燃料电池电堆的阳极10以氢气为燃料电池反应工质；所述电堆的阳极流道7包括向电堆供气的氢气气路，所述氢气气路包括气路第一端51和气路第二端52；所述气路第一端、气路第二端处的管路同时与第一三通阀22、第二三通阀23相连；所述第一三通阀与电堆所使用的氢气气源20相通；当阳极的电堆工作时，所述第一三通阀、第二三通阀通过切换其各阀口的启闭状态，使氢气气路的氢气输入端在气路第一端、气路第二端之间切换。
所述第二三通阀与电堆的尾气排放端相通；
当阳极的电堆的氢气输入端切换为气路第一端时，电堆的阳极流道处于正向供气状态，气路第二端切换为氢气气路的废气排放端且经第二三通阀与尾气排放端相通；
当阳极的电堆的氢气输入端切换为气路第二端时，电堆的阳极流道处于逆向供气状态，气路第一端切换为氢气气路的废气排放端且经第二三通阀与尾气排放端相通。
所述氢气气源为氢气储存装置或氢气制备装置；所述第一三通阀、第二三通阀的阀口均包括主阀口、常开阀口、常闭阀口；氢气气源的氢气输出端经减压稳压阀21与第一三通阀的主阀口相通；电堆的尾气排放端经尾排阀25、气水分离器24与第二三通阀的主阀口相通。
所述第一三通阀的常开阀口26、第二三通阀的常闭阀口28与气路第一端相通；所述第二三通阀的常开阀口29、第一三通阀的常闭阀口27与气路第一端相通。
当所述电堆的阳极流道处于正向供气状态时，所述第一三通阀的常开阀口26、第二三通阀的常开阀口29开启，第一三通阀的常闭阀口27、第二三通阀的常闭阀口28关闭，燃料电池阳极的电堆从第一三通阀的常开阀口26接收氢气，并把废气从第二三通阀的常开阀口29排出至气水分离器24；
当所述电堆的阳极流道处于逆向供气状态时，所述第一三通阀的常开阀口26、第二三通阀的常开阀口29关闭，第一三通阀的常闭阀口27、第二三通阀的常闭阀口28开启，燃料电池阳极的电堆从第一三通阀的常闭阀口27接收氢气，并把废气从第二三通阀的常闭阀口28排出至气水分离器24。
所述氢气气源的氢气在输入燃料电池阳极的电堆时，以氢气的流动气压对氢气气路氢气输入端处的杂质进行清扫。
所述尾排阀25、第一三通阀、第二三通阀均为电磁阀。
一种燃料电池***阳极控制方法，以上所述的燃料电池***，其阳极运行时周期性地切换第一三通阀、第二三通阀各阀口的启闭状态，使电堆的供气状态周期性地在正向供气状态和逆向供气状态之间切换，使氢气气源在向电堆阳极供气时，也以经减压稳压阀调节压力后的氢气对电堆阳极处的杂质进行周期性吹扫，减少杂质在阳极氢气气路处的累积。
所述尾排阀处于常闭状态以使阳极流道在盲端模式下运行，所述气水分离器用于分离废气中的水；当阳极氢气气路处累积的杂质量过多使燃料电池电压下降时，所述尾排阀开启，使电堆阳极通过盲端处的尾排阀排出尾气，同时加大阳极氢气气路的气流流速来排出杂质。
从图5可知，采用本发明所述方案（图中虚线）后，排气频率明显减少，杂质浓度也显著降低。
Claims (9)
1.一种燃料电池***，其特征在于：所述燃料电池电堆（10）的阳极以氢气为燃料电池反应工质；所述电堆的阳极流道包括向电堆供气的氢气气路，所述氢气气路包括气路第一端和气路第二端；所述气路第一端、气路第二端处的管路同时与第一三通阀（22）、第二三通阀（23）相连；所述第一三通阀与电堆所使用的氢气气源（20）相通；当阳极的电堆工作时，所述第一三通阀、第二三通阀通过切换其各阀口的启闭状态，使氢气气路的氢气输入端在气路第一端、气路第二端之间切换。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池***，其特征在于：所述第二三通阀与电堆的尾气排放端相通；
当阳极的电堆的氢气输入端切换为气路第一端时，电堆的阳极流道处于正向供气状态，气路第二端切换为氢气气路的废气排放端且经第二三通阀与尾气排放端相通；
当阳极的电堆的氢气输入端切换为气路第二端时，电堆的阳极流道处于逆向供气状态，气路第一端切换为氢气气路的废气排放端且经第二三通阀与尾气排放端相通。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池***，其特征在于：所述氢气气源为氢气储存装置或氢气制备装置；所述第一三通阀、第二三通阀的阀口均包括主阀口、常开阀口、常闭阀口；氢气气源的氢气输出端经减压稳压阀（21）与第一三通阀的主阀口相通；电堆的尾气排放端经尾排阀（25）、气水分离器（24）与第二三通阀的主阀口相通。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池***，其特征在于：所述第一三通阀的常开阀口（26）、第二三通阀的常闭阀口（28）与气路第一端相通；所述第二三通阀的常开阀口（29）、第一三通阀的常闭阀口（27）与气路第一端相通。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池***，其特征在于：当所述电堆的阳极流道处于正向供气状态时，所述第一三通阀的常开阀口（26）、第二三通阀的常开阀口（29）开启，第一三通阀的常闭阀口（27）、第二三通阀的常闭阀口（28）关闭，燃料电池阳极的电堆从第一三通阀的常开阀口（26）接收氢气，并把废气从第二三通阀的常开阀口（29）排出至气水分离器（24）；
当所述电堆的阳极流道处于逆向供气状态时，所述第一三通阀的常开阀口（26）、第二三通阀的常开阀口（29）关闭，第一三通阀的常闭阀口（27）、第二三通阀的常闭阀口（28）开启，燃料电池阳极的电堆从第一三通阀的常闭阀口（27）接收氢气，并把废气从第二三通阀的常闭阀口（28）排出至气水分离器（24）。
6.根据权利要求3所述的一种燃料电池***，其特征在于：所述氢气气源的氢气在输入燃料电池阳极的电堆时，以氢气的流动气压对氢气气路氢气输入端处的杂质进行清扫。
7.根据权利要求3所述的一种燃料电池***，其特征在于：所述尾排阀（25）、第一三通阀、第二三通阀均为电磁阀。
8.一种燃料电池***阳极控制方法，其特征在于：权利要求3中所述的燃料电池***，其阳极运行时周期性地切换第一三通阀、第二三通阀各阀口的启闭状态，使电堆的供气状态周期性地在正向供气状态和逆向供气状态之间切换，使氢气气源在向电堆阳极供气时，也以经减压稳压阀调节压力后的氢气对电堆阳极处的杂质进行周期性吹扫，减少杂质在阳极氢气气路处的累积。
9.根据权利要求8所述的一种燃料电池***阳极控制方法，其特征在于：所述尾排阀处于常闭状态以使阳极流道在盲端模式下运行，所述气水分离器用于分离废气中的水；当阳极氢气气路处累积的杂质量过多使燃料电池电压下降时，所述尾排阀开启，使电堆阳极通过盲端处的尾排阀排出尾气，同时加大阳极氢气气路的气流流速来排出杂质。
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