CN115995588A - 一种燃料电池阳极尾排***及其控制燃料电池尾气排放的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池阳极尾排***及其控制燃料电池尾气排放的方法。包括尾气检测模块，汽水分离装置，湿度可调循环支路，阳极尾排支路，燃料电池控制器FCU；尾气检测模块一端与电堆阳极出口相连，另一端和汽水分离装置相连；汽水分离装置进气口和尾气检测模块相连，第一出口和湿度可调循环支路入口相连，第二出口和阳极尾排支路相连，第三出口和排水阀相连。该***由燃料电池控制器FCU进行信号采集和控制。本发明解决现有技术中的燃料电池***以及燃料电池阳极尾排***不能够兼顾氢气循环，同时又能对阳极进行尾排处理的情形，排除重复利用氢气时的水淹现象，从而提供一种燃料电池阳极尾排***及其控制方法和诊断方法，更好的解决重复利用燃料电池阳极尾排氢气的情况，更好的进行燃料电池排放，使燃料电池***更具稳定性和安全性，使其寿命更加持久。

Description

一种燃料电池阳极尾排***及其控制燃料电池尾气排放的方法

技术领域

本发明属于燃料电池领域，特别涉及一种燃料电池阳极尾排***及其控制燃料电池尾气排放的方法。

背景技术

氢燃料电池是一种将氢气中的化学能转化为电能的能量转化装置，氢气和氧气通过电化学反应将持续输出电能，具有能量转化效率高、无污染等优点。

氢气作为阳极的燃料，经过燃料电池消耗部分后，其余部分则以纯氢气或氢气与水蒸气等的混合气等形式从阳极出口出来，多余的氢气直接排放掉，是对氢气的浪费，为了节约氢气，一般需要进行氢气循环节约氢气。

但是，当氢气与水蒸气等的混合气等形式从阳极出口出来，含有的水蒸气在越大的功率下越多，相对湿度也就越大，直接将过湿的阳极尾气循环给阳极入口，电堆会存在水淹的隐患。如果不排放，这些通入阳极作为燃料的氢气不可避免的含有一定杂质，随着燃料电池的运行，杂质在阳极侧不断积累，会对电池的性能产生不利影响。为了在保证氢气利用率的前提下解决这种排放问题，一般在燃料电池***的阳极尾端加装电磁阀进行脉冲排放。

综上，需要采用一种方法来兼顾氢气的利用率，解决重复利用氢气时水蒸气的影响，同时又能对阳极进行尾排处理。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种燃料电池阳极尾排***及其控制燃料电池尾气排放的方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种燃料电池阳极尾排***，其特征在于包括：尾气检测模块、汽水分离装置、湿度可调循环支路、阳极尾排支路、排水阀、燃料电池控制器FCU；

其中所述尾气检测模块一端与电堆阳极出口相连，另一端和汽水分离装置进气口相连；汽水分离装置的第一管路接口和湿度可调循环支路入口相连，第二管路接口和阳极尾排支路相连，第三管路接口和排水阀相连；

燃料电池排出的尾气通过尾气检测模块检测尾气的温度、压力和露点，之后进入汽水分离装置分离出氢气和水，部分氢气通过湿度可调循环支路传递给燃料电池的氢气供气***或其他***进行加湿利用和氢气循环；部分多余氢气通过阳极尾排支路排出，水通过排水阀排出；所述燃料电池控制器FCU用于连接尾气检测模块、汽水分离装置、湿度可调循环支路、阳极尾排支路、排水阀，采集检测结果并根据检测结果控制上述装置的开启和关闭，从而控制分离出氢气的循环或排放。

进一步的，尾气检测模块包括压力传感器、温度传感器和湿度传感器，所述湿度传感器为露点传感器或者相对湿度传感器。

进一步的，汽水分离装置内设置有高液位传感器和低液位传感器，液位被控制在两者之间时，氢气可从湿度可调循环支路或阳极尾排支路排出。

进一步的，湿度可调循环支路包括氢气循环泵和截断阀，截断阀为防爆电磁阀。

进一步的，阳极尾排支路包括尾排阀和尾排口，所述尾排阀为防爆电磁阀。

进一步的，燃料电池控制器FCU为集成式燃料电池控制器。

一种采用燃料电池阳极尾排***控制燃料电池尾气排放的方法，包括以下步骤：

实时获取排出燃料电池尾气的温度、压力和湿度，以及实时检测燃料电池阳极入口的空气湿度；

判断燃料电池***是否满足尾气循环条件，如满足条件，设定氢气循环量和阳极入口目标湿度值，通过控制排水阀开启和关闭汽水分离装置内的液位，使汽水分离器形成液封，开启并调整湿度可调循环支路，使循环量和湿度值达到目标值；

同时控制阳极尾排支路进行周期性排放；

在上述步骤出现异常时，进行停机操作。

进一步的，满足尾气循环的条件为燃料电池阳极入口空气的湿度低于燃料电池设定值，同时排出燃料电池尾气的流量高于设定值。

进一步的，停机操作包括先关闭湿度可调循环支路，再打开阳极尾排支路，进行排空操作。

进一步的，湿度为露点温度或者相对湿度。

本申请的优点：(1)本申请的燃料电池阳极尾排***兼容高压氢燃料电池电堆和低压氢燃料电池电堆：该阳极尾排***使用兼容高压氢燃料电池电堆和低压氢燃料电池电堆，以及各种质子交换膜燃料电池的应用场景，具有很强的兼容适用性。(2)本申请的燃料电池阳极尾排***可以调节循环氢气的湿度：在需要氢气循环的时候，可以将尾排阀关闭，控制器根据汽水分离的液位信息进行排水控制，降低了阳极尾排湿度很大的氢气中的水份，氢气经过汽水分离之后通过循环泵将含有适量水份的氢气循环至任意氢气供气***，不仅节约了氢气的耗费，又一定程度上对阳极氢气进行了加湿操作。(3)本申请的燃料电池阳极尾排***可以在循环氢气的同时进行阳极尾排操作：防爆尾排阀可以通过控制器进行常开，常闭，周期性排放的操作，减少阳极尾气的杂质程度。

附图说明

图1是实施例燃料电池阳极尾排***的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示的燃料电池阳极尾排***，包括：尾气检测模块1、汽水分离装置2、湿度可调循环支路3、阳极尾排支路4、排水阀5、燃料电池控制器FCU6。

其中尾气检测模块一端与电堆阳极出口相连，另一端和汽水分离装置进气口相连；汽水分离装置的第一管路接口和湿度可调循环支路入口相连，第二管路接口和阳极尾排支路相连，第三管路接口和排水阀相连。

尾气检测模块包括压力传感器7、温度传感器8和露点传感器9(或者相对湿度传感器)。汽水分离装置内设置有高液位传感器和低液位传感器。湿度可调循环支路包括氢气循环泵10和截断阀11，截断阀为防爆电磁阀。阳极尾排支路包括尾排阀12和尾排口13，尾排阀为防爆电磁阀。燃料电池控制器FCU为集成式燃料电池控制器。

燃料电池排出的尾气通过尾气检测模块检测尾气的温度、压力和湿度，之后进入汽水分离装置分离出氢气和水，部分氢气通过湿度可调循环支路传递给燃料电池的氢气供气***或其他***进行加湿利用和氢气循环；部分多余氢气通过阳极尾排支路排出，水通过排水阀排出。

燃料电池阳极出口没有反应完的氢气通过燃料电池阳极进入阳极尾排***，通过温度传感器、压力传感器、露点传感器检测没有反应完氢气的温度、压力、露点或者相对湿度等信息，这些信息传给燃料电池控制器进行处理，做出相应的控制，和诊断。阳极尾排中含有大量水分的氢气经过特殊构造的汽水分离器进行分离，将一部分氢气经过汽水分离器降低水份含量后，可以通过氢气循环泵的控制，传递给任意氢气供气***进行加湿利用和氢气循环，来节约氢气。另一个管线接在汽水分离的底侧，用于将分离出的水份通过防爆电磁阀的控制，通过排水口排出***，是否需要排水可以通过装在汽水分离器上的上下液位传感器来检测，进而通过控制器检测液位传感器的信息，来进行相应排水策略的控制。另一个管线接在汽水分离器的顶层，多余的干燥氢气在不需要的循环的情况下可以通过防爆尾排阀排出***，当需要循环时也可以同时进行尾排操作。

采用上述燃料电池阳极尾排***控制燃料电池尾气排放的方法，包括以下步骤：

(1)实时获取排出燃料电池尾气的温度、压力和湿度(湿度为露点温度或者相对湿度)，以及实时检测燃料电池阳极入口的空气湿度；

(2)判断燃料电池***是否满足尾气循环条件，如满足条件(满足尾气循环的条件为燃料电池阳极入口空气的湿度低于燃料电池设定值，同时排出燃料电池尾气的流量高于设定值)，设定氢气循环量和阳极入口目标湿度值，通过控制排水阀开启和关闭汽水分离装置内的液位，使汽水分离器形成液封，开启并调整湿度可调循环支路，使循环量和湿度值达到目标值；同时控制阳极尾排支路进行周期性排放；

(3)在上述步骤出现异常时，进行停机操作。

停机操作包括先关闭湿度可调循环支路，再打开阳极尾排支路，进行排空操作。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池阳极尾排***，其特征在于包括：尾气检测模块、汽水分离装置、湿度可调循环支路、阳极尾排支路、排水阀、燃料电池控制器FCU；

其中所述尾气检测模块一端与电堆阳极出口相连，另一端和汽水分离装置进气口相连；汽水分离装置的第一管路接口和湿度可调循环支路入口相连，第二管路接口和阳极尾排支路相连，第三管路接口和排水阀相连；

燃料电池排出的尾气通过尾气检测模块检测尾气的温度、压力和湿度，之后进入汽水分离装置分离出氢气和水，部分氢气通过湿度可调循环支路传递给燃料电池的氢气供气***或其他***进行加湿利用和氢气循环；部分多余氢气通过阳极尾排支路排出，水通过排水阀排出；

所述燃料电池控制器FCU用于连接尾气检测模块、汽水分离装置、湿度可调循环支路、阳极尾排支路、排水阀，采集检测结果并根据检测结果控制上述装置的开启和关闭，从而控制分离出氢气的循环或排放。

2.根据权利要求1所述的燃料电池阳极尾排***，其特征在于：所述尾气检测模块包括压力传感器、温度传感器和湿度传感器，所述湿度传感器为露点传感器或者相对湿度传感器。

3.根据权利要求1所述的燃料电池阳极尾排***，其特征在于：所述汽水分离装置内设置有高液位传感器和低液位传感器，液位被控制在两者之间时，氢气可从湿度可调循环支路或阳极尾排支路排出。

4.根据权利要求1所述的燃料电池阳极尾排***，其特征在于：所述湿度可调循环支路包括氢气循环泵和截断阀，截断阀为防爆电磁阀。

5.根据权利要求1所述的燃料电池阳极尾排***，其特征在于：所述阳极尾排支路包括尾排阀和尾排口，所述尾排阀为防爆电磁阀。

6.根据权利要求1所述的燃料电池阳极尾排***，其特征在于：所述燃料电池控制器FCU为集成式燃料电池控制器。

7.一种采用权利要求1至6任一所述的燃料电池阳极尾排***控制燃料电池尾气排放的方法，其特征在于包括以下步骤：

实时获取排出燃料电池尾气的温度、压力和湿度，以及实时检测燃料电池阳极入口的空气湿度；

判断燃料电池***是否满足尾气循环条件，如满足条件，设定氢气循环量和阳极入口目标湿度值，通过控制排水阀开启和关闭汽水分离装置内的液位，使汽水分离器形成液封，开启并调整湿度可调循环支路，使循环量和湿度值达到目标值；

同时控制阳极尾排支路进行周期性排放；

在上述步骤出现异常时，进行停机操作。

8.根据权利要求7所述的控制燃料电池尾气排放的方法，其特征在于：所述满足尾气循环的条件为燃料电池阳极入口空气的湿度低于燃料电池设定值，同时排出燃料电池尾气的流量高于设定值。

9.根据权利要求7所述的控制燃料电池尾气排放的方法，其特征在于：所述停机操作包括先关闭湿度可调循环支路，再打开阳极尾排支路，进行排空操作。

10.根据权利要求7所述的控制燃料电池尾气排放的方法，其特征在于：所述湿度为露点温度或者相对湿度。

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