燃料电池氢气循环系统及其气水分离器和排水排氢方法与流程

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种燃料电池氢气循环系统及其气水分离器。本发明还进一步涉及一种燃料电池氢气循环系统的排水排氢方法。

背景技术：

1、燃料电池是一种将燃料(氢气)和氧化剂(氧气)中的化学能通过电化学反应转化成电能的发电装置。由于其不受“卡诺循环”的限制，因此能量转换效率要显著高出普通热机。除此之外，燃料电池还具有无污染、噪声低、可靠性高等优点。

2、为了提高氢气的利用率，需要通过氢气循环系统将未反应完的氢气循环回燃料电池电堆的阳极(氢气侧)进气端，以使其参加电化学反应。目前通常使用氢气循环泵或者氢气引射器来实现氢气循环。无论采用哪种氢气循环方式，均需要将循环氢气中的液态水分离除去，以防止液态水流入燃料电池电堆阳极侧而导致阳极水淹。换句话说，在回收和再利用被循环的氢气之前，需要先分离和去除循环氢气中携带的液态水。循环氢气中携带的液态水的分离和排出多通过气水分离器完成，当气水分离器中的液态水聚集到一定的量的时候被排出，以免影响气水分离器正常工作。

3、现有常见的气水分离器的排水策略是利用液位传感器来检测气水分离器中液态水的液位，并根据液位控制排水阀排水。利用液位传感器确定气水分离器内的液(水)面具有诸多缺陷：首先，在很多情况下，液位传感器无法准确检测液位。例如，当燃料电池在颠簸、倾斜等工况工作时，气水分离器的液位会发生变化和导致液位传感器难以准确检测液位，液位传感器很容易误报。尤其是，利用液位传感器检测液位和根据液位控制排水阀排水的排水策略可能导致频繁排水，以致排水阀使用寿命缩短。此外，当使用浮子液位传感器时，由于浮子容易粘附燃料电池石墨极板脱落的石墨粉，导致浮子容易卡顿和堵塞，进一步导致检测到的液位出现误差，甚至导致液位传感器无法工作。

4、值得一提的是，在燃料电池的工作过程中，阴极气体(空气)中的氮气会透过质子交换膜缓慢渗透到阳极，随着运行时间的增长，氮气会在阳极积累，导致阳极的氢气浓度降低，甚至产生氢气饥饿，进而对质子交换膜造成不可逆的损伤，导致其寿命缩短。因此，氢气在循环过程中需要通过排氢阀(氢气purge阀)定期进行排氢(purge)操作，利用来自氢气源的新鲜氢气将纯度不高的氢气排出系统，以维持阳极的氢气浓度处于适宜的浓度范围内。

5、目前，传统的燃料电池氢气循环系统如附图1所示，其排氢机构与气水分离器分别独立设置，其中所述排氢机构独立执行排氢操作，所述气水分离器的排水机构独立执行排水操作，二者的控制策略之间不存在交互。

技术实现思路

1、本发明的主要优势在于提供一种燃料电池氢气循环系统，其能够在其第一排放装置执行排水操作或者在第二排放装置执行排氢操作时，根据所述气水分离器的气水分离室内的相应气压变化，实现对所述排氢操作或者所述排水操作的自纠正。

2、本发明的另一优势在于提供一种用于燃料电池氢气循环系统的气水分离器，其中所述第一排放装置和所述第二排放装置均集成于所述气水分离器，并且所述第二排放装置的第二排放进口所在位置高度在重力方向上高于所述第一排放装置的第一排放进口所在位置高度，从而使得当所述第一排放装置执行排水操作或者在所述第二排放装置执行排氢操作时，所述燃料电池氢气循环系统能够根据所述气水分离器的气水分离室内的相应气压变化，实现对所述排氢操作或者所述排水操作的自纠正。换句话说，本发明的燃料电池氢气循环系统不再依靠液位传感器检测所述气水分离器中聚集的液态水的液位高度，且不直接以所述液位高度作为执行排水操作的直接触发条件，以降低在颠簸、倾斜等工况中异常排水操作的发生概率。

3、本发明的另一优势在于提供一种燃料电池氢气循环系统的排水排氢方法，其中所述排水排氢方法在所述第一排放装置执行排水操作或者在所述第二排放装置执行排氢操作时，监测所述气水分离器的气水分离室内的气压变化，从而根据所述气压变化对所述排氢操作或者所述排水操作进行纠正。

4、本发明的其它目的和特点通过下述的详细说明得以充分体现并可通过具体实施方式中的手段和装置的组合得以实现。

5、相应地，依本发明，具有至少一个前述优势的燃料电池氢气循环系统，其包括：

6、燃料电池电堆；

7、气水分离器；

8、氢气循环装置；和

9、氢气源，其中所述氢气源用于为所述燃料电池电堆提供氢气，所述氢气循环装置与所述气水分离器被串联在所述燃料电池电堆的阳极进口和阳极出口之间，其中所述气水分离器包括壳体、第一排放装置和第二排放装置，其中所述壳体形成一个气水分离室、一个集液室、一个流体进口和一个流体出口，其中所述气水分离室与所述集液室相连通，且所述气水分离室被设置在所述集液室的上方，所述流体进口分别与所述气水分离室和所述阳极出口相连通，所述流体出口分别与所述气水分离室和所述氢气循环装置的进气口相连通，其中所述水分离装置被设置在所述气水分离室内，其中所述第一排放装置的第一排放进口和所述第二排放装置的第二排放进口均被设置在所述气水分离器的所述壳体的所述气水分离室内，且所述第二排放进口所在位置高度在重力方向上高于所述第一排放进口所在位置高度。

10、依本发明的另一方面，本发明还提供一种用于燃料电池氢气循环系统的气水分离器，其包括：

11、壳体；

12、水分离装置；

13、第一排放装置；和

14、第二排放装置，其中所述壳体形成一个气水分离室、一个集液室、一个流体进口和一个流体出口，其中所述气水分离室与所述集液室相连通，且所述气水分离室被设置在所述集液室的上方，所述流体进口分别与所述气水分离室和所述阳极出口相连通，所述流体出口分别与所述气水分离室和所述氢气循环装置的进气口相连通，其中所述水分离装置被设置在所述气水分离室内，其中所述第一排放装置的第一排放进口和所述第二排放装置的第二排放进口均被设置在所述气水分离器的所述壳体的所述气水分离室内，且所述第二排放进口所在位置高度在重力方向上高于所述第一排放进口所在位置高度。

15、依本发明的另一方面，本发明进一步提供一种燃料电池氢气循环系统的排水排氢方法，其包括以下步骤：

16、s101、响应于排水指令，打开所述燃料电池氢气循环系统的气水分离器的第一排放装置的第一排放阀，执行排水操作；

17、s102、监测所述气水分离器的气水分离室内的气压在所述第一排放装置执行所述排水操作期间的变化；

18、s103、若所述气水分离室内的所述气压的下降值大于第一预设值，延后下一次排氢指令的发送时间，其中所述气水分离器的第二排放装置的第二排放进口所在位置高度在重力方向上高于所述气水分离器的第一排放装置的第一排放进口所在位置高度。

19、依本发明的另一方面，本发明还提供一种燃料电池氢气循环系统的排水排氢方法，其包括以下步骤：

20、s201、响应于排氢指令，打开所述燃料电池氢气循环系统的气水分离器的第二排放装置的第二排放阀，执行排氢操作；

21、s202、监测所述气水分离器的气水分离室内的气压在所述第二排放装置执行所述排氢操作最初的t时间内的变化，其中t小于或等于所述排氢操作的预设持续时间；

22、s203、若所述气水分离室内的所述气压的下降值小于第二预设值，立即打开所述气水分离器的第一排放装置的第一排放阀，执行排水操作，同时执行以下步骤a或者步骤b：

23、步骤a、延长所述排氢操作的持续时间，使所述排氢操作的实际持续时间大于所述排氢操作的预设持续时间；

24、步骤b、在所述排氢操作结束时，立即再执行至少一次额外的排氢操作，其中所述气水分离器的第二排放装置的第二排放进口所在位置高度在重力方向上高于所述气水分离器的第一排放装置的第一排放进口所在位置高度。

25、结合下述描述和说明书附图，本发明上述的和其它的优势将得以充分体现。

26、本发明上述的和其它的优势和特点，通过下述对本发明的详细说明和说明书附图得以充分体现。