一种氢燃料电池的阳极排水控制方法及其排水系统与流程

本发明涉及氢燃料电池领域，具体地指一种氢燃料电池的阳极排水控制方法及其排水系统。

背景技术：

氢燃料电池是一种将燃料气体当中储存的化学能转化成为电能的装置，区别于锂离子电池用作能量储存装置，氢燃料电池内部不储存能量，而是类似于汽车发动机的能量转化装置。氢燃料电池作为一种清洁能源，具有替代传统汽油柴油发动机的潜能，受到交通运输行业的普遍关注。质子交换膜燃料电池(pemfc)作为氢燃料电池的一种，使用聚合物薄膜作为固体电解质隔开电池的阴阳两极，聚合物薄膜还承担将阳极氢气反应产生的质子导向阴极的作用，质子到达阴极后与氧化气体反应，电子通过外电路形成电流回路，产生电能。

为了提高质子交换膜燃料电池的氢气利用率，阳极气流控制是一种简单易行的设计方式。阳极氢气循环设计使反应的剩余氢气继续引入系统参与反应，有助于提高质子交换膜燃料电池系统对氢气的利用率。但是阳极没有常排出口更容易引起电池内部的堵水。质子交换膜燃料电池中的产物水产生于阴极，在大电流下阴极的水会远远大于阳极水，阴极水会顺着浓度梯度扩散至阳极，阳极不常排的设计无法及时排出燃料电池中的多余水，为避免由于堵水造成的性能下降，阳极不常排的结构需要添加辅助排水装置。

目前在已知的专利文献中，公开了一些对于氢燃料电池的排水方法，比如：

武汉理工大学的专利《一种短时封闭式燃料电池》(公开号cn102832403a)，丰田自动车株式会社的专利《具有闭塞端阳极的燃料电池”》(公开号cn101548420a)、新源动力股份有限公司的专利《一种质子交换膜燃料电池阳极脉冲系统及其工作方法》(公开号cn102035001a)、清华大学的专利《一种燃料电池节氢和阳极排水方法》(公开号cn1476121a)、重庆大学的专利《燃料电池多模式切换阳极压力脉动水冲刷控制系统》(公开号cn109216736a)、丰田自动车株式会社的专利《燃料电池用排水装置、燃料电池系统及其控制方法》(公开号cn105609839a)给出了氢燃料电池系统气流控制和阳极排水的一些技术路线，也提供了一些对阳极水冲扫方式控制的可行方案。但是并无法解决“何时进行排水”“水有多少时开始排水”的问题，对于排水的控制也是通过手动或者采用定时等机械式的简单操作方法，装置本身并没有判断排水时机和根据积水情况自行排水的能力。在面对比较极端的场景，如堵水十分严重或者堵水时间并不规律的情况时，上述装置还需要人工介入进行处理。

因此，需要开发出一种对阳极积水量进行实时判定并智能排水的氢燃料电池的阳极排水控制方法及其排水系统。

技术实现要素：

本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种对阳极积水量进行实时判定并智能排水的氢燃料电池的阳极排水控制方法及其排水系统。

本发明的技术方案为：一种氢燃料电池的阳极排水控制方法，其特征在于，其方法是：利用氢循环泵将阳极产生的含氢气的废水进行分离，分离出的废水收集到容器中，实时监测氢循环泵功率，当氢循环泵功率≥设定阈值p0时，排放容器内的废水。

优选的，当氢循环泵功率≥设定阈值p0时，开启容器排水口处的电磁阀，进行排水。

优选的，容器排水过程中，当氢循环泵功率＜设定阈值p0时，容器排水关闭。

优选的，所述容器包括至少一个u型积水管。

本发明还提供一种氢燃料电池的阳极排水系统，包括与电堆的阳极入口连接的阳极进气系统，以及从电堆的阳极出口引出的水气循环系统，所述水气循环系统包括水气循环管路，所述水气循环管路上连接联通有氢循环泵以及将氢、水分离的容器；其特征在于，还包括控制单元，所述控制单元实时监测氢循环泵功率，当氢循环泵功率≥设定阈值p0时，排放容器内的废水。

优选的，所述容器包括水气进入口，集水区，气体排出口，集水区设有可控制启闭的排水口；集水区将水气进入口与气体排出口隔离。

进一步的，所述容器包括至少一个u型积水管，所述u型积水管底部设有排水口以及控制排水口启闭的电磁阀。

更进一步的，所述控制单元信号输入端与氢循环泵信号输出端连接，控制单元信号输出端与电磁阀信号输入端连接。

进一步的，所述容器连接在电堆的阳极出口与氢循环泵之间。

进一步的，所述阳极进气系统包括依次连接通往阳极入口的阳极氢气进气罐、阳极气体流量计、阳极加湿器、阳极压力表，所述氢循环泵出口与阳极气体流量计、阳极加湿器间管路连通。

集水区将水气进入口与气体排出口隔离指的是：集水区的集水将水气进入口与气体排出口隔开，集水改变流道内的流阻。

本发明的有益效果为：

1.利用容器内废水量与氢循环泵的功率正相关的原理(u型积水管内收集废水越多，氢循环泵的功率也随之上升)，对氢循环泵的功率进行监控，根据氢循环泵的功率对排水时机进行判定，简单高效的完成积水情况的判断。

2.氢循环泵功率读数反馈至电磁阀来完成排水口启闭，使u型积水管内废水量保持在一定范围内，与现有技术中定时排水方法相比，本方法可自行判断排水时机并控制排水过程，维持系统内积水量处于适宜状态。进入u型积水管内废水流量较大时，排水口会自动高频率启闭满足排水要求；进入u型积水管内废水流量较小时，排水口自动低频率启闭。

3.本发明根据积水情况进行实时监控，实现智能排水，既避免了废水量较小时频繁排水造成的设备损坏，也避免了废水量较大排水不及时造成的堵水，操作简单、解放人力、降低成本、提高系统效率。

附图说明

图1为本发明氢燃料电池的阳极排水系统结构示意图

其中：1-阳极氢气进气罐2-阳极气体流量计3-阳极加湿器4-阳极压力表5-阴极空气进气罐6-阴极气体流量计7-阴极加湿器8-阴极压力表9-电堆(91-阳极入口92-阴极入口93-阳极出口94-阳极出口)10-容器11-排水口12-氢循环泵13-背压阀14-尾排管15-电磁阀16-u型积水管。

具体实施方式

下面具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种氢燃料电池的阳极排水系统，包括与电堆9的阳极入口91连接的阳极进气系统以及与电堆9的阴极入口92连接的阴极进气系统，还包括从电堆9的阳极出口93引出的水气循环系统，水气循环系统包括水气循环管路，水气循环管路上连接有氢循环泵12以及将氢、水分离的容器10，还包括控制单元，控制单元实时监测氢循环泵12功率，当氢循环泵12功率≥设定阈值p0时，排放容器10内的废水。

容器10包括水气进入口、集水区、气体排出口，集水区设有可控制启闭的排水口；集水区将水气进入口与气体排出口隔离。本实施例中，容器10为u型积水管16，水气进入口与气体排出口为u型积水管16的两端开口，集水区则为u型积水管16的管道部分，管道内收集的集水将水气进入口与气体排出口隔开，集水改变流道内的流阻。

u型积水管16一端(水气进入口)与电堆9的阳极出口93连通，另一端(气体排出口)与氢循环泵12进口连通，氢循环泵12出口与阳极进气系统连通，u型积水管16底部开设排水口11并设有控制排水口11启闭的电磁阀15。控制单元信号输入端与氢循环泵12信号输出端连接，控制单元信号输出端与电磁阀15信号输入端连接。

阳极进气系统包括依次连接通往阳极入口91的阳极氢气进气罐1、阳极气体流量计2、阳极加湿器3、阳极压力表4；阴极进气系统包括依次连接通往阴极入口92的阴极空气进气罐5、阴极气体流量计6、阴极加湿器7、阴极压力表8。电堆9的阴极出口94上设有尾排管14，尾排管14为常开且设有背压阀13。

以上部件中：阳极气体流量计2用于监测氢气流量；阳极加湿器3用于控制氢气的加湿度；阳极压力表4用于监测氢气进气压力，通过控制进气阀门的开度控制氢气压强；阴极气体流量计6用于监测空气流量，阴极加湿器7用于控制空气的加湿度；阴极压力表8，用于监测空气进气压力，通过控制阴极出口处背压阀13的开度控制空气压强，电堆9为质子交换膜燃料电池电堆，是系统的供能装置，电堆9上设有阳极入口91、阴极入口92、阳极出口93、阴极出口94。

本实施例中，氢循环泵12出口直接与阳极气体流量计2、阳极加湿器3之间的管道连通，使分离出的氢气与气源提供的氢气汇合，一起向电堆供应。本实施例中控制单元为计算机，现有氢循环泵可以直接输出功率信号，计算机接受功率信号并反馈控制电磁阀。

利用上述氢燃料电池的阳极排水系统的排水方法为，步骤为：

a.将阳极产生的含氢气的废水收集至u型积水管16中，利用氢循环泵12将废水内氢气分离并继续引入阳极，由于氢循环泵需要抽取废水内所有氢气，u型积水管内收集废水越多，氢循环泵的功率越大，因此u型积水管内废水量与氢循环泵的功率正相关；

b.利用控制单元实时监测氢循环泵12功率，令u型积水管16内积水量为设定值v0时氢循环泵12的对应功率为设定阈值p0，控制单元根据氢循环泵12功率反馈至电磁阀15，控制u型积水管16的排水口11启闭；

当u型积水管16内积水量≥设定值v0时，氢循环泵12功率≥设定阈值p0，控制单元根据氢循环泵12功率输出信号控制电磁阀15将排水口11开启，排放u型积水管16内废水；

当电堆9内水淹情况缓解，u型积水管16内积水量下降至临界值v0以下，同时氢循环泵12功率下降至设定阈值p0以下，当氢循环泵12功率＜设定阈值p0时，控制单元输出信号控制电磁阀15将排水口11关闭，排水过程结束。当u型积水管16内积水量再次超过设定值v0时，则重复此过程。

系统严重积水(进入u型积水管内废水流量较大)时，排水口会高频率启闭，单次排水量大以满足排水要求；

系统内积水情况良好时(进入u型积水管内废水流量较小)时，排水口低频率启闭，单次排水量小即可满足要求。本方法可根据积水量自动判断排水时机并对排水过程实现控制，维持系统内积水量处于适宜状态。