CN112928310B - 气液分离器排水阀的控制方法和装置、燃料电池及交通工具 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种燃料电池气液分离器排水阀的控制方法，包括：检测所述气液分离器下方的所述燃料电池用过程气体的气体状态；根据所述气体状态的检测结果，控制所述气液分离器排水阀的开关状态。本公开还提供燃料电池气液分离器排水阀的控制装置，包括：检测模块，其检测所述气液分离器下方的所述燃料电池用过程气体的气体状态，并输出检测结果；排水阀开关模块，其接收所述气体状态的检测结果，并根据该检测结果开关排水阀。本公开还涉及一种燃料电池，包括：气液分离器，其设于所述燃料电池的阳极反应堆的下游，能够接收并储存所述阳极反应堆产生的水；气液分离器排水阀，其设于所述气液分离器的下方，能够将所述气液分离器中储存的水排出。

Description

气液分离器排水阀的控制方法和装置、燃料电池及交通工具

技术领域

本公开涉及交通工具用燃料电池及带有该燃料电池的交通工具，特别是燃料电池的气液分离器排水阀的控制方法及控制装置。

背景技术

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。燃料电池是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术，一般以氢气、碳、甲醇、硼氢化物、煤气或天然气为燃料，作为阳极/阴极，空气中的氧气作为阴极/阳极。其和一般电池的主要区别在于：一般电池的活性物质是预先放置在电池内部的，因而电池容量取决于活性物质的量，而燃料电池的活性物质是在反应的同时源源不断的供给的，因此，这类电池实际上是一种能量转换装置。由于燃料电池是通过化学反应把燃料化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此，效率极高。另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料，没有机械传动部件，故没有噪声污染，排出的有害气体极少。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。

氢氧燃料电池是目前应用最为广泛的一种燃料电池。其中氢作为燃料，氧(空气)作为氧化剂分别供给膜电极组件的阳极和阴极。供给阳极的氢在电解质膜两侧形成的电极层催化剂作用下分解为氢离子(质子，H⁺)和电子(电子，e^-),如若电解质溶液是碱盐溶液，则氢氧燃料电池外电路上的负极反应式为：2H₂+4OH^—4e^-＝4H₂O；如若电解质是酸溶液则反应式为：2H₂-4e^-＝4H⁺，此时只有氢离子通过电解质膜。由于氢离子的运动，电子通过外部导体流动，并产生电流。另一方面，供给阴极的氧气与氢离子反应生成水。反应产生的水会干扰氧气和氢气的流动，因此需要将其从阳极反应堆中排出。氢氧燃料电池***通常在阳极反应堆出口处设有气液分离器，用于从氢氧燃料电池的阳极反应堆出口处的氢气中排水。气液分离器是用来接收和储存水的，通常在其中设有水位传感器，用于感测气液分离器中的水位，并在该气液分离器的下方设有排水阀，用于在感测水位高于设定水位(阈值)时将水从气液分离器中排出。

氢氧燃料电池运行时，燃料电池阳极反应堆出口处的气液分离器内的水位会不断升高。因此，需要控制气液分离器的水位。参见说明书附图1和附图2，其示出了现有技术中排水阀的控制模式。具体地，是在气液分离器上安装水位传感器，其能够启动位于气液分离器下方的排水阀(FDV)，将其打开，从而排出气液分离器中的积水。

如果控制阀只接收水位传感器的反馈是比较容易出现错误的，例如，在车辆移动过程中的晃动可以导致液位传感器反馈液位高的信号，此时FDV打开，但实际上液位可能并不高，并且并不需要打开FDV。另外，打开的FDV会保持至少预定时间。如果FDV在错误情况中处于打开状态，这可能会导致工艺相关气体(燃料电池的过程气体，如氢气、氧气)的泄露，影响***的效率和安全性。

发明内容

有鉴于上述背景技术缺陷中的至少一个，本公开提供一种燃料电池气液分离器排水阀的控制方法，包括：检测操作：检测所述燃料电池出口处气体的气体状态；执行操作：根据所述气体状态的检测结果，控制所述气液分离器排水阀的开关状态。

按照本公开的上述方法，当检测到所述气体状态属于非正常状态时，即可以控制排水阀的开关状态，主要是使之关闭，从而能防止燃料如氢气泄漏，进而消除因燃料泄漏引发的安全隐患。

在上述的燃料电池气液分离器排水阀的控制方法中，所述气体状态的检测可以用气压传感器进行，该气体状态可以是该气压传感器检测到的所述过程气体的压降速率。

如此，由于所述压降速率能够反应出气体泄露情况，因此，可以基于该检测来确定燃料如氢气是否有泄漏，从而确定排水阀是否处于关闭状态，是否需要及时关闭等，防止发生由于燃料泄漏引起的安全问题。

此外，所述的燃料电池气液分离器排水阀的控制方法中，根据所述气体状态的检测结果，控制所述气液分离器排水阀的开关状态，包括：当所述压降速率超过设定的阈值时，即关闭所述气液分离器排水阀。

这样，能够及时关闭气液分离器排水阀，防止更多所述的过程气体泄漏，从而消除了因过程气体泄漏引起的安全隐患。

进一步，在所述的燃料电池气液分离器排水阀的控制方法中，还可以在所述气液分离器中设置水位传感器，由其检测所述气液分离器中的水位。当所检测的水位高于设定的阈值时，即开启所述气液分离器排水阀。

这样，当开启所述排水阀后，即可以排出所述气液分离器中多余的水，使气液分离器拥有足够的空间，从而可以继续收集并储存阳极反应堆生成的水。

另外，在所述的燃料电池气液分离器排水阀的控制方法中，当所述气体状态超过设定的阈值时，可以不考虑所述水位传感器检测到的气液分离器的水位，就强制关闭所述气液分离器排水阀。

这样操作，可以防止更多所述的过程气体泄漏，消除了安全隐患。

此外，上述的燃料电池气液分离器排水阀的控制方法还可以包括：检测燃料电池排气阀的状态；当燃料电池排气阀开启时，中断执行所述检测操作和/或所述执行操作；当燃料电池排气阀关闭时，恢复执行所述检测操作和所述执行操作。

如此，排水阀总处于受控状态，只有需要时才打开，既能够提高燃料电池的操作效率，也消除了安全隐患。

按照本公开的另一方面，还提供一种燃料电池气液分离器排水阀的控制装置，包括：检测模块，其检测所述气液分离器下方的所述燃料电池用过程气体的气体状态，并输出检测结果；排水阀开关模块，其接收所述气体状态的检测结果；当所述气体状态的检测结果超过设定的阈值时，关闭所述气液分离器排水阀。

在所述的燃料电池气液分离器排水阀的控制装置中，所述检测模块可以是气压传感器，其能够检测所述燃料电池过程气体的压降速率；所述排水阀开关模块能够接收所述压降速率；所述控制装置还包括气液分离器水位传感器，其设于所述气液分离器中，能够检测所述气液分离器中的水位；所述气液分离器开关模块能够接收所述水位检测结果；当检测到的所述水位检测结果超过设定的阈值时，所述排水阀开启并排出所述气液分离器中的水。

通过使用本公开的控制装置，能够有效控制排水阀的开闭状态，从而提高燃料电池的操作效率，并防止燃料如氢气通过排水阀不当泄漏，从而消除因燃料泄漏引发的安全隐患。

进一步，本公开还提供一种燃料电池，该燃料电池包括：气液分离器，其设于所述燃料电池的阳极反应堆的下游，能够接收并储存所述阳极反应堆产生的水；气液分离器排水阀，连接于所述气液分离器的下方，能够将所述气液分离器中储存的水排出；所述的燃料电池气液分离器排水阀的控制装置。

另外，本公开还提出一种带有燃料电池的交通工具，其包括如上所述的燃料电池。

如此，上述本公开的燃料电池和交通工具中，因为能有效控制排水阀的开闭，提高了它们的工作效率，并防止了燃料如氢气等通过排水阀不当泄漏，从而防止了这种泄漏引起的安全问题。

附图说明

作为本公开一部分的附图可以用来提供对本公开的进一步理解。本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：

图1示出燃料电池的结构简图，其包括气液分离器排水阀(FDV)。

图2示出图1中燃料电池气液分离器排水阀(FDV)的控制方法。

图3A示出本公开实施例的气液分离器排水阀(FDV)的控制方法和控制装置。

图3B示出本公开另一实施例的气液分离器排水阀(FDV)的控制方法和控制装置。

图4示出图3中气液分离器排水阀(FDV)的控制方法的工作流程。

图5示出本发明气液分离器排水阀(FDV)的另一种控制方法的工作流程。

附图标记：

201 水位传感器

203 燃料电池

205 气液分离器

207 排水阀

301 气压传感器

具体实施方式

在下文中，仅简单地说明某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

本公开中所述的“控制”“开启”“关闭”等，并非另有明确的规定和限定，应作广义的理解。可以是直接控制、开启及关闭，也可以是间接控制、开启及关闭方式。并且本公开所描述的“上”“某处”“下游”“底部”等指示方位或者位置关系基于附图所示的方位和位置关系，仅是为了描述本公开和简化描述，而不是指示或者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公开的限制。此外，上下文中术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者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”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者多个所述特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或者两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”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，也可以是电连接或可以相互通讯；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

以下结合附图和实施例，对本公开的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好的理解本公开的方案以及其各个方面的优点。

第一实施例

本实施例涉及一种燃料电池气液分离器排水阀控制方法。在本实施例中燃料电池为氢氧燃料电池。

参见图1，其为燃料电池的结构简图；另，参见图2，其放大示出了气液分离器205排水阀207的控制方式和结构。可见，燃料电池工作过程中，其阳极反应堆会有水产生，故而在阳极反应堆侧设置水出口，将反应生成的水通过输水管道运送至气液分离器205。气液分离器205的作用是气液分离，就是将水和氢气进行分离。水经过下方排水阀207排出，氢气则回收再利用。

如背景技术所述，上述现有技术的结构中，容易发生氢气由FDV不当泄漏，存在安全隐患。因此，参见图3A，本实施例中，燃料电池气液分离器排水阀的控制装置中设置了气压传感器301，用于检测是否有氢气泄漏。

如图3A所示，本实施例中，气压传感器301设置在燃料电池203出口处，其能够检测燃料电池203用氢气的气体状态。

如图3A所示，本实施例的排水阀控制装置，包括检测模块(气压传感器)和排水阀207开关模块。所述气压传感器301检测燃料电池出口处氢气的压降速率；所述开关模块能够执行开启或者关闭气液分离器排水阀的指令。

需要说明的是，在没有获得任何指令的情况下，气液分离器排水阀(FDV)一般处于关闭状态。下面说明利用上述控制装置来控制气液分离器排水阀的控制方法。

参见图4所示，本实施例中，该燃料电池气液分离器排水阀的控制方法，利用如图3所示的燃料电池气液分离器排水阀控制装置来实现。

本实施例中所述的燃料电池气液分离器排水阀控制方法，步骤依次为：首先检测操作，通过检测模块如气压传感器301，检测出氢气的压降速率(d(p)/dt)。然后，判定气体压降速率是否高出了阈值。

压力阈值是关于氢气入口处压力以及电池堆工作电流的函数值，函数值为电池电堆制造商提供的值。上述阈值是由大量实验数据以及计算机模拟得出的最为安全的数值，预先设置在控制装置中，用于对比实时的氢气压降数据。

接下来执行操作，当判定压降速率高于阈值时，说明气体出现泄漏，此时，控制装置输出控制信号给排水阀开关模块，该排水阀开关模块对气液分离器排水阀执行强制关闭指令。另外一种情况是，当判定的压降速率并不高于设定的阈值时，则说明气体在相对封闭的管道内流通，此时，检测模块不会输出信号给控制装置，排水阀开关模块不工作，排水阀开关模块不对气液分离器排水阀(FDV)执行命令。

此外，当所述的燃料电池处于工作状态时，排水阀由上述检测模块及控制装置实时控制，但当燃料电池处于非工作状态时，排水阀保持关闭状态。

在本实施例中，因为设置了气压传感器301，保证了气体出现问题(例如，氢气泄漏)时，可以及时检测到，并能根据该检测结果及时关闭气液分离器排水阀，保证燃料电池过程气体不会大量泄漏，从而预防了安全事故。

第二实施例

本实施例涉及汽车用氢氧燃料电池气液分离器排水阀控制方法和该种燃料电池气液分离器排水阀的控制装置。

如背景技术所述并参见图2所示，现有技术中燃料电池气液分离器排水阀控制方法和控制装置，其中201为水位传感器。

图3B示出本公开另一实施例气液分离器排水阀(FDV)的控制方法和控制装置。

如图3B所示，根据本公开示例实施例，气压传感器301还可以设置在气液分离器气体通路的下游部分，检测气体压降速率。

参见图1和图3B，在本实施例方法中，还包括，检测燃料电池排气阀的状态；当燃料电池排气阀开启时，中断执行检测操作和/或执行操作；当燃料电池排气阀关闭时，恢复执行检测操作和执行操作。这是因为，当FPV在氢气再循环线上打开，放出氢气时，会有一个压降。这个压降与氢气泄漏无关，所以控制器不应该考虑这个压降来控制放泄阀。

下面结合附图3B和5详细说明本实施例中，汽车用氢氧燃料电池气液分离器排水阀的控制方法。

参见图5，所示为燃料电池气液分离器排水阀的工作流程。可见，本实施例提供了一种用气压传感器与水位传感器来共同控制气液分离器排水阀的控制方法。

同第一实施例，当燃料电池工作时，先由气压传感器301检测燃料电池出口处的气体状态。这里，检测的数据是气体的压降速率(d(p)/dt)。

接着，控制装置判断检测到的氢气的压降速率是否高于设定的阈值。同第一实施例，此处的阈值是由工程师通过实验计算以及数据模拟所获得。当控制装置判断氢气的压降速率处于正常范围，并未高于阈值时，检测模块输出信号给控制装置。上述压力阈值是关于氢气入口处压力以及电池堆电流的函数。

然后，控制装置接收水位传感器的检测信号。在水位传感器检测到水位高于设定阈值时，开启FDV。当水位传感器检测水位并不高于设定的阈值时，FDV保持关闭状态。

参见图5所示，本实施例可能出现的第二种情况为：当控制装置判断氢气的压降速率高于阈值时，控制装置输出信号给排水阀开关模块，此时，排水阀开关模块执行强制关闭FDV的指令，不受其他信号干扰，包括水位传感器的检测信号。

本实施例中，所述气压传感器301持续采集氢气压降速率信号。如果检测的压降速率归于正常范围，气压传感器301输出信号给控制装置，接着，控制装置进一步接收水位传感器的检测信号，根据该检测信号来控制FDV的开闭。而如果检测的压降速率高于所设定的阈值，则控制装置直接强制排水阀开关模块关闭排水阀，不考虑水位传感器的信号。在整个燃料电池的工作过程中，检测模块(包含气压传感器和水位传感器)是持续工作的，随时检测气体压降速率和气液分离器的水位，并随时输出信号，以保证气体不会泄漏；并保证气液分离器有足够的储水空间。

当然，在燃料电池处于工作状态时，即燃料电池开关FC处于打开状态时，排水阀由上述检测模块及控制装置控制，但当FC开关处于关闭状态时，燃料电池并未工作，排水阀保持关闭状态。

如上所述，本实施例中，持续监测阳极出口处的过程气体的压力衰减速率。当压降速率超过了阈值时，说明气体在流通过程中出现泄漏问题。如果没有气压传感器301的检测，排水阀控制装置只接收来自水位传感器的信号，此时，如果水位传感器传回的是高水位信号，则控制装置会打开FDV，就会造成更多的气体泄漏。在这种情况下，即便按照水位传感器的检测结果不要求关闭FDV，也应强制关闭FDV。因此，本公开由于设置了气压传感器，就能够在这种情况下及时关闭FDV，从而防止过程气体的损失，并提高氢氧燃料电池的效率和安全性。

以上实施例所述的燃料电池气液分离器排水阀的控制方法和控制装置，可以广泛应用于电动汽车的燃料电池，即一种称为质子交换膜的燃料电池中。该电池以纯氢为燃料，空气为氧化剂，不经历热机过程，不受热力循环限制，产生的电能能带动电动机工作，由电动机带动汽车机械传动结构。

当将上述燃料电池用于驱动车辆时，即可提供一种燃料电池汽车。与传统汽车相比，燃料电池汽车在构造及动力传输方面不同，为汽车的整体设计提出了新的要求。传统内燃机汽车的发动机变速器动力总成在燃料汽车中不复存在，取而代之的是燃料电池反应堆、蓄电池、氢气罐、电动机、DC/DC转化器等设备。因此，燃料电池汽车在环保方面具有传统汽车不具备的优势。

最后应说明的是：以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种燃料电池气液分离器排水阀的控制方法，其特征在于，包括：

检测操作：检测所述燃料电池出口处气体的气体状态，其中所述气体状态的检测用气压传感器进行，所述气体状态是气压传感器检测到的所述气体的压降速率；

执行操作：根据所述气体状态的检测结果，控制所述气液分离器排水阀的开关状态；

所述根据所述气体状态的检测结果，控制所述气液分离器排水阀的开关状态，包括：

当所述压降速率超过设定的阈值时，关闭所述气液分离器排水阀。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在所述气液分离器中还设置水位传感器，其检测所述气液分离器中的水位，当所检测的水位高于设定的阈值时，开启所述气液分离器排水阀。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，当所述气体状态超过设定的阈值时，不考虑所述水位传感器检测到的气液分离器的水位，强制关闭所述气液分离器排水阀。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，还包括：

检测燃料电池排气阀的状态；

当燃料电池排气阀开启时，中断执行所述检测操作和/或所述执行操作；

当燃料电池排气阀关闭时，恢复执行所述检测操作和所述执行操作。

5.一种燃料电池气液分离器排水阀的控制装置，其特征在于，包括：

检测模块，其检测所述气液分离器下游的所述燃料电池用过程气体的气体状态，并输出检测结果；

排水阀开关模块，其接收所述气体状态的检测结果；当所述气体状态的检测结果超过设定的阈值时，关闭所述气液分离器排水阀；

其中，所述检测模块是气压传感器，其能够检测所述燃料电池过程气体的压降速率；所述排水阀开关模块能够接收所述压降速率；

所述控制装置还包括气液分离器水位传感器，其设于所述气液分离器中，能够检测所述气液分离器中的水位；所述气液分离器开关模块能够接收所述水位检测结果；当检测到的所述水位检测结果超过设定的阈值时，所述排水阀开启并排出所述气液分离器中的水。

6.一种燃料电池，其特征在于，包括：

气液分离器，其设于所述燃料电池的阳极反应堆的下游，能够接收并储存所述阳极反应堆产生的水；

气液分离器排水阀，连接在所述气液分离器的下方，能够将所述气液分离器中储存的水排出；

如权利要求5所述的燃料电池气液分离器排水阀的控制装置。

7.一种带有燃料电池的交通工具，其包括如权利要求6所述的燃料电池。

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