一种氢气零排放免增湿燃料电池燃料处理系统的制作方法

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及燃料电池发电系统中的燃料处理系统。

背景技术：

质子交换膜燃料电池用燃料氢气和氧化剂氧气或空气进行电化学反应而发电，同时也会产生热和水，水有液态水和气态水两种形式，气态水在电池里有增湿的作用，会减少电池的欧姆极化，对电池性能有益；液态水在电池里聚集过多，就会使电池的双极板中细小的气体通道堵塞，增大电池的浓差极化，对电池性能有害。现有技术解决液态水排出的方法是间歇排放氢气，通过气体流通带走电池里液态水。间歇排放的氢气有三种排放方式，一种是直接对空排放，第二种是使排放的氢气回流到电池，第三种是较小的氢气回流量加氢气间歇排放。现有技术的不足是：由于把双极板气体通道中液态水打散带出，需要大流速氢气才能完成。直接对空排放的方式使氢气利用率降低，也会使阳极内的氢气相对湿度降低，严重影响电池性能，必须对气体进行增湿，这样增加了系统成本和复杂性；使排放的氢气回流到电池的方式，由于大流速氢气的排放，排放的氢气量大，这就使氢气回流量大，回流泵功率就要大，从而使电池辅助功耗、体积以及成本增大；较小的氢气回流量(约20％)加氢气间歇排放的方式，排出了气态水、液态水和部分氢气，氢气的利用率为95％左右，无法做到氢气零排放，使燃料电池使用环境受到局限，仅适用于室外使用或固定式使用。

技术实现要素：

为克服现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种氢气零排放免增湿燃料电池燃料处理系统。

本发明所采用的技术方案是：一种氢气零排放免增湿燃料电池燃料处理系统，包括电堆、氢路系统和控制系统，氢路系统包括回流系统、高压氢瓶、氢瓶电磁阀、减压器和尾排电磁阀，回流系统包括回流泵，回流泵用管路连接在电堆氢气进口和出口之间，高压氢瓶、氢瓶电磁阀、减压器和电堆氢气进口用管路依序串联，尾排电磁阀连接在电堆氢气出口的管路上，控制系统包括控制器，氢瓶电磁阀、尾排电磁阀和回流泵用信号线与控制器相连接，其特征在于：所述氢路系统还包括缓冲储氢罐、液位计、排水电磁阀、控制压力表和回流电磁阀；所述缓冲储氢罐是密封罐，所述控制压力表安装在密封罐上，所述液位计安装在缓冲储氢罐内下部，密封罐底部设有排水口，所述排水电磁阀连接在缓冲储氢罐的排水口管路上；所述缓冲储氢罐连接在电堆氢气出口管路上的尾排电磁阀和回流泵之间的管路上；所述回流电磁阀连接在回流泵与电堆氢气进口之间的管路上；所述液位计、排水电磁阀、控制压力表和回流电磁阀用信号线与控制器相连接。

本发明所述一种氢气零排放免增湿燃料电池燃料处理系统的控制程序，其特征在于：所述控制程序是：

燃料电池发电系统工作时，控制系统控制氢瓶电磁阀打开，高压氢经减压器减至燃料电池的工作压力后，进入燃料电池反应，尾排电磁阀间隔开启关闭，间歇排放的氢气，氢气夹带着从燃料电池带出来的液态水和气态水，一起进入缓冲储氢罐，当缓冲储氢罐达到设定回流上限压力时，控制系统控制开启回流泵，同时开启回流电磁阀，缓冲储氢罐中氢气和气态水回送到电堆氢气进口，进入电堆，当缓冲储氢罐压力小于设定回流下限压力和设定真空度时，控制器控制关闭回流泵，同时关闭回流电磁阀；当缓冲储氢罐内的液态水达到液位计上限，缓冲储氢罐中的压力大于设定排水压力时，控制器控制开启排水电磁阀，当液态水降到液位计下限时，控制器控制关闭排水电磁阀。

本发明所述一种氢气零排放免增湿燃料电池燃料处理系统，其特征在于：所述缓冲储氢罐内设定回流上限压力为大于0.5倍燃料电池工作压力；所述缓冲储氢罐压力小于设定回流下限压力为常压；所述缓冲储氢罐内设定真空度为200pa～300pa。

本发明燃料电池燃料处理系统的工作原理是：燃料电池发电系统工作时，氢瓶电磁阀打开，高压氢气经减压器减压后进入燃料电池反应，尾排电磁阀进行间歇排放，间隔一段时间，尾排电磁阀在短时间内开启关闭一次，间歇排放出的氢气，夹带着从燃料电池带出来的液态水和气态水，一起进入缓冲储氢罐，缓冲储氢罐具有两种功能，一是分离液态水，二是储存氢气和气态水，在缓冲储氢罐内，液态水汇集到底部，氢气和气态水汇集在上部，当缓冲储氢罐达到一定压力时，控制压力表的压力信息通过信号线传输给控制器，控制器控制器控制器回流泵，同时控制器回流电磁阀，缓冲储氢罐上部的氢气和气态水就经回流泵回流到燃料电池中，当缓冲储氢罐压力小于常压、真空度在200pa～300pa时，控制压力表的压力信息通过信号线传输给控制器，控制器控制关闭回流泵，同时关闭回流电磁阀；缓冲储氢罐底部分离的液态水达到液位计上限，并且缓冲储氢罐中的压力大于常压时，液位计的信息通过信号线传输给控制器，控制器控制开启排水电磁阀，使液态水排出，当液态水降到液位计下限时，控制器控制关闭排水电磁阀，停止排水。液位计下限到缓冲储氢罐底之间有一小段距离，存有小部分液态水，起到密封气体的作用。

本发明的优点为：

1、氢气零排放，氢气的利用率高。

2、由于氢气零排放，燃料电池发电系统在室内、室外都可使用。

3、由于缓冲储氢罐内压力，部分时间小于常压，间歇排放时，氢气流速大，容易把燃料电池中的液态水带出，减少电池的浓差极化。

4、由于氢气零排放，电池阳极产生的气态水又全部回流到电池中，因此系统无需增湿，减少系统结构的复杂程度，降低了成本。

5、由于回流泵只需把间歇排出来的氢气(约5％)回流，因此用较小功率的回流泵，就能完成全部排放氢气的回流。

附图说明

附图1是本发明的氢气零排放免增湿燃料电池燃料处理系统结构示意图。

附图中：1、高压氢瓶，2、氢瓶电磁阀，3、减压器，4、回流电磁阀,5、回流泵，6、电堆，7、控制器，8、尾排电磁阀，9、液位计，10、缓冲储氢罐，11、控制压力表，12、排水电磁阀。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

氢气零排放免增湿燃料电池燃料处理系统，包括电堆6、氢路系统和控制系统，氢路系统包括回流系统、高压氢瓶1、氢瓶电磁阀2、减压器3和尾排电磁阀8，回流系统包括回流泵5、缓冲储氢罐10、液位计9、排水电磁阀12、控制压力表11和回流电磁阀4，回流泵用管路连接在电堆6氢气进口和出口之间，高压氢瓶1、氢瓶电磁阀2、减压器3和电堆6氢气进口用管路依序串联，尾排电磁阀8连接在电堆6氢气出口的管路上，控制系统包括控制器7，氢瓶电磁阀2、尾排电磁阀8和回流泵5用信号线与控制器7相连接，缓冲储氢罐10是密封罐，控制压力表11安装在密封罐上，液位计9安装在缓冲储氢罐10内下部，密封罐底部设有排水口，排水电磁阀12连接在缓冲储氢罐10的排水口管路上；缓冲储氢罐10连接在电堆6氢气出口管路上的尾排电磁阀8和回流泵5之间的管路上；回流电磁阀4连接在回流泵与电堆6氢气进口之间的管路上；液位计9、排水电磁阀12、控制压力表11和回流电磁阀4用信号线与控制器7相连接。

氢气零排放免增湿燃料电池燃料处理系统控制系统的控制程序是：

燃料电池发电系统工作时，控制系统控制氢瓶电磁阀2打开，高压氢经减压器3减至燃料电池的工作压力后，进入燃料电池6反应，尾排电磁阀6间隔开启关闭，间歇排放的氢气，氢气夹带着从燃料电池6带出来的液态水和气态水，一起进入缓冲储氢罐10，当缓冲储氢罐10达到设定回流上限压力时，即压力大于0.5倍燃料电池工作压力时，控制系统控制开启回流泵5，同时开启回流电磁阀4，缓冲储氢罐10中氢气和气态水回流到燃料电池6中，当缓冲储氢罐10压力小于设定回流下限压力和设定真空度时，设定回流下限压力为常压，设定真空度为200pa～300pa，控制器7控制关闭回流泵5，同时关闭回流电磁阀4；当缓冲储氢罐10内的液态水达到液位计9上限，缓冲储氢罐10中的压力大于设定排水压力时，控制器7控制开启排水电磁阀12，当液态水降到液位计9下限时，控制器7控制关闭排水电磁阀12。