一种高氢气利用率的氢空燃料电池系统及其吹扫方法

1.本发明属于燃料电池技术领域，更具体地，涉及一种高氢气利用率的氢空燃料电池系统及其吹扫方法。


背景技术：

2.氢空燃料电池用于移动电站的主要优势在于：(1)燃料电池内部不存在运动部件，也不像热机那样存在燃烧，因此振动噪声低，有利于提高无人潜航器的隐身性；(2)无尾气排放，采用纯氢纯氧的燃料电池产物只有水，使用过程中无排气尾迹，有利于提高隐蔽性；(3)不受水下排气背压影响，适应大深度。
3.氢空燃料电池运行过程中，阴极侧通入大量的空气，而空气的主要成分氮气会通过质子交换膜扩散到阳极侧，若阳极侧扩散的氮气得不到及时排出，会在电池内不断的累积，引起电池性能的下降，严重制约电池的输出性能。利用过量气体将杂质气体吹扫出电池外的方法，称为脉冲吹扫。但频繁脉冲吹扫会导致大量的氢气被浪费，大大降低燃料的利用率和运行时间。现有方法是通过在阳极出口处加单一脉冲排气阀对杂质气体进行排出，但存在的问题是会导致燃料浪费；或燃料电池停机后再通入惰性气体吹扫来去除电堆中的液态水，这又会导致燃料电池必须停机后才能进行吹扫，造成工作暂停滞后的问题。因此，需要设计一种高氢气利用率的燃料电池系统来克服上述问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高氢气利用率的氢空燃料电池系统及其吹扫方法，主要来解决电池杂质气体排放造成的燃料浪费问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种高氢气利用率的氢空燃料电池系统，包括空气供应装置、燃料电池堆和氢气供应系统，其中：
6.所述燃料电池堆作为氢氧燃料发生化学反应产生电能的场所，所述空气供应装置用于为所述燃料电池堆提供化学反应所需的空气；
7.所述氢气供应系统包括氢气供气装置和氢气缓冲装置，所述氢气供气装置包括氢气存储单元，所述氢气存储单元与所述燃料电池堆的阳极气体入口相连，二者之间还设置有氢气减压阀，所述氢气减压阀与所述燃料电池堆之间还设置有氢气进气电磁阀；所述氢气缓冲装置包括与所述燃料电池堆的阴极相连的缓冲单元，且所述缓冲单元与所述燃料电池堆之间设置有第一脉冲阀，所述缓冲单元的排气端设置有第二脉冲阀；
8.工作时，控制所述氢气减压阀和所述氢气进气电磁阀开闭为所述燃料电池堆供氢，控制所述第一脉冲阀和所述第二脉冲阀开闭，将所述燃料电池堆的杂质气体吹扫到所述缓冲单元中并排向外界。
9.进一步的，所述氢气进气电磁阀为常开电磁阀，所述第一脉冲阀和所述第二脉冲阀为常闭电磁阀。
10.进一步的，所述氢气供气装置还包括吹扫组件，所述吹扫组件用于对所述燃料电
池堆通入惰性气体。
11.进一步的，所述吹扫组件包括惰性气体供应单元，所述惰性气体供应单元与所述燃料电池堆的阳极气体入口相连，且二者之间还设置有惰性气体减压阀；所述惰性气体减压阀与所述燃料电池堆之间还设置有惰性气体进气电磁阀；优选的，所述惰性气体进气电磁阀为常闭电磁阀。
12.进一步的，所述氢气缓冲装置上还设置有紧急排气阀。
13.进一步的，所述空气供应装置为可调速风扇；优选的，所述缓冲单元为缓冲罐，且其容积为1l-2l。
14.根据本发明的另一个方面，还公开一种高氢气利用率的氢空燃料电池系统的吹扫方法，所述吹扫方法能在如前任一所述的一种氢空燃料电池系统上实现，包括以下步骤：
15.s1、启动电池系统，并预设安全电压vm；
16.s2、初始化吹扫导通时间和所述电池系统的吹扫脉冲间隔t
x,i
，其中，i为脉冲次数，x为秒；
17.s3、关闭第一脉冲阀和第二脉冲阀，并判断燃料电池堆中的任一一片单片电压v是否大于所述安全电压vm：
18.若是，则重复判断所述单片电压v是否大于所述安全电压vm；
19.若否，则开启所述第一脉冲阀使所述电池系统积累的杂质气进入缓冲单元；
20.s4、判断所述第一脉冲阀的开启时间是否大于预设脉冲时间：
21.若是，则关闭所述第一脉冲阀，并重复步骤s2-s4；
22.若否，则持续吹扫，直至所述第一脉冲阀的开启时间大于所述预设脉冲时间；
23.执行一次脉冲吹扫操作后，脉冲次数i＝i+1；
24.s5、判断第i次的脉冲时长或脉冲次数i是否满足预设条件：
25.若是，则同时开启所述第一脉冲阀和所述第二脉冲阀进行吹扫，并持续所述预设时间后同时关闭二者，再开始新一轮吹扫；
26.若否，则持续判断，若否，则持续判断，直至第i次的脉冲时长或脉冲次数i满足预设条件后，再同时开启所述第一脉冲阀和所述第二脉冲阀进行缓冲，并持续所述预设时间后同时关闭二者，开始新一轮吹扫。
27.进一步的，步骤s1中，还预设电池系统的总运行时长，当步骤s5结束后，若电池系统的实际运行时长t大于预先设置的运行时长，所述电池系统停机。
28.进一步的，步骤s5中，判断第i次的脉冲时长对应的所述预设条件为：第i次的脉冲时长是否小于0.2倍的第i-1次的脉冲时长；优选的，判断脉冲次数i对应的预设条件为：脉冲次数i是否不小于3。
29.进一步的，所述预设脉冲时间为0.5s-1.5s；优选的，所述预设脉冲时间为1s。
30.通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，主要具备以下优点：
31.本发明的提供的一种氢空燃料电池的高氢气利用率系统，其中该系统利用静态的缓冲单元为氢空燃料电池系统提供了背压，提升了氢空燃料电池系统的输出性能，并通过与缓冲单元相连接的第一脉冲阀将燃料电池堆内积聚的杂质气排向该缓冲单元，通过与缓冲单元排气端相连的第二脉冲阀将缓冲单元内的杂质气体排出去，有效提高了燃料电池堆长时间稳定运行的能力，能增长对外脉冲间隔，提升了氢气利用率。
32.本发明中燃料电池堆的阴极侧通入大量的空气时，空气的主要成分杂质气体会通过质子交换膜扩散到阳极侧，阳极侧扩散的杂质气体会在电池内不断的累积，引起燃料电池堆性能的下降，严重制约燃料电池堆的输出性能。而本发明中设置了一个吹扫组件，其包括惰性气体供应单元，惰性气体供应单元与燃料电池堆的阳极气体入口相连，且二者之间还设置有惰性气体减压阀和惰性气体进气电磁阀，该惰性气体进气电磁阀为常闭电磁阀，当燃料电池堆需要吹扫时，打开惰性气体进气电磁阀将惰性气体通入燃料电池中，通过过量惰性气体将杂质气体吹扫出电池堆外。
33.本发明提供的一种高氢气利用率的氢空燃料电池系统的吹扫方法，在电堆系统运行时，通过预设安全电压vm和供氢时长ts，并重置脉冲吹扫导通时间和脉冲吹扫间隔t
x,i
，关闭第一脉冲阀和第二脉冲阀，并判断燃料电池堆中的任一一片单片电压v与安全电压vm的大小，来控制第一脉冲阀的开闭实施吹扫缓冲动作；通过判断吹扫导通时间，来控制第一脉冲阀和第二脉冲阀同时打开，以将杂质气体排放到外界；通过判断脉冲次数来控制是否开始新一轮杂质气体吹扫。总体上，本发明的吹扫方法通过设置在燃料电池堆下游的缓冲装置实现了电堆系统运行时的高效吹扫，并通过设置脉冲次数来限制频繁脉冲吹扫，延长了脉冲间隔，进而减少了氢气浪费，提高了氢气利用率。
附图说明
34.图1是本发明的电堆系统结构示意图；
35.图2是本发明实施例中的氢空燃料电池电堆系统的吹扫方法流程示意图；
36.图3是本发明实施例中两个串联电堆构成的氢空燃料电池电堆系统的氢气利用率效果示意图。
37.图中：1-氢气存储单元，2-氢气减压阀，3-氢气进气电磁阀，4-惰性气体供应单元，5-惰性气体减压阀，6-惰性气体进气电磁阀，7-空气供应装置，8-燃料电池堆，9-第一脉冲阀，10-缓冲单元，11-第二脉冲阀。
具体实施方式
38.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
39.实施例1
40.本实施例提供一种高氢气利用率的氢空燃料电池系统，如图1所示，该系统包括空气供应装置7、燃料电池堆8和氢气供应系统，其中：
41.燃料电池堆8作为氢氧燃料发生化学反应产生电能的场所，燃料电池堆8可以为1个，也可以为多个燃料电池堆连接形成的燃料电池堆组；本实施例中的燃料电池堆8包括多个并列的双极板，且双极板均竖直排放，在优选实施例中，双极板选用平行流道石墨板；
42.空气供应装置为可调速风扇，用于为燃料电池堆8提供化学反应所需的空气；
43.氢气供应系统包括氢气供气装置和氢气缓冲装置，氢气供气装置包括氢气存储单元1，氢气存储单元1为一个氢气罐，且氢气存储单元1与燃料电池堆8的阳极气体入口相连，二者之间还设置有氢气减压阀2用于对氢气罐中供应的氢气减压；氢气减压阀2与燃料电池
堆8之间还设置有氢气进气电磁阀3，该电磁阀为常开电磁阀，控制其开闭用于给燃料电池堆8供氢；氢气缓冲装置包括与燃料电池堆8的阴极相连的缓冲单元10，且缓冲单元10为一个存储罐，其与燃料电池堆8之间设置有第一脉冲阀9，第一脉冲阀9能接收电信号以开闭，使燃料电池堆8与存储罐之间导通或关闭；缓冲单元10的排气端还设置有第二脉冲阀11，该脉冲阀用于实现存储罐与外界的连通或关断；
44.工作时，控制氢气减压阀2和氢气进气电磁阀3开闭为燃料电池堆8供氢，控制第一脉冲阀9和第二脉冲阀11，在燃料电池堆8与缓冲单元之间的压差作用下将燃料电池堆8中的杂质气体吹扫进缓冲单元10，并从缓冲单元10排向外界。
45.在优选实施例中，氢气进气电磁阀3常开，第一脉冲阀9和第二脉冲阀11常闭。
46.在优选实施例中，氢气供气装置还包括吹扫组件，吹扫组件用于对燃料电池堆8通入惰性气体。
47.在优选实施例中，吹扫组件包括惰性气体供应单元4，惰性气体供应单元4与燃料电池堆8的阳极气体入口相连，且二者之间还设置有惰性气体减压阀5；惰性气体减压阀5与燃料电池堆8之间还设置有惰性气体进气电磁阀6；优选的，惰性气体进气电磁阀6为常闭电磁阀。
48.在优选实施例中，氢气缓冲装置上还设置有紧急排气阀。
49.在优选实施例中，空气供应装置为可调速风扇；优选的，缓冲单元10为缓冲罐，且其容积为1l-2l，其能最大程度地缓冲燃料电池堆中定期的积累的杂质气体。
50.实施例2
51.如图2所示，为本实施例提供的一种高氢气利用率的氢空燃料电池系统的吹扫方法流程示意图，该吹扫方法能在如实施例1提供的任一一种氢空燃料电池系统上实现，方法包括以下步骤：
52.s1、在监控下启动电池系统，并输入预设脉冲时间和安全电压vm；
53.s2、初始化吹扫导通时间为0，并初始化电池系统的吹扫脉冲间隔t
x,i
，其中，i为脉冲次数，x为秒；
54.s3、然后关闭第一脉冲阀9和第二脉冲阀11，并判断燃料电池堆8中的任一一片单片电压v是否大于安全电压vm：
55.当单片电压v大于安全电压vm，则继续判断实时单片电压v是否大于安全电压vm，直至单片电压v不大于安全电压vm；
56.若单片电压v不大于安全电压vm，则开启第一脉冲阀9使电池系统积累的杂质气体被吹扫进入缓冲单元10，由于在吹扫时，缓冲单元10中是空的，而燃料电池堆中积累了大量的杂质气体，此时二者之间存在压差，在该压差作用下，一旦第一脉冲阀9打开，则杂质气体能顺利地进入缓冲单元10中；
57.s4、判断第一脉冲阀9的开启时间是否大于预设时间：
58.若是，则关闭第一脉冲阀9停止吹扫缓冲，并重复步骤s2-s4，开启新一轮吹扫；
59.若否，则持续缓冲，直至第一脉冲阀9的开启时间大于预设脉冲时间，完成吹扫缓冲，使燃料电池堆与缓冲单元之间的压差减小；当完成一次脉冲吹扫后，脉冲次数i＝i+1；
60.s5、判断第i次的脉冲时长或总的脉冲次数i是否满足预设条件：
61.若是，则同时开启第一脉冲阀9和第二脉冲阀11进行缓冲，并持续预设时间后同时
关闭二者，并重复步骤s2-s5，开始新一轮吹扫；
62.若否，则持续判断，直至第i次的脉冲时长或脉冲次数i满足预设条件，再同时开启所述第一脉冲阀9和所述第二脉冲阀11进行缓冲，并持续预设脉冲时间后同时关闭二者，开始新一轮吹扫。
63.在优选实施例中，在前述的步骤s1中，还预设电池系统的总运行时长，在步骤5结束后，若电池系统的实际运行时长t大于预先设置的运行时长时，电池系统自动停机。
64.在优选实施例中，步骤s5中，判断第i次的脉冲时长对应的预设条件为：第i次的脉冲时长是否小于0.2倍的第i-1次的脉冲时长；优选的，判断脉冲次数i对应的预设条件为：脉冲次数i是否不小于3。
65.在优选实施例中，前述的预设脉冲时间为0.5s-1.5s；本实施例中预设脉冲时间优选为1s。
66.实施例3
67.本实施例提供一种高氢气利用率的氢空燃料电池系统的吹扫方法，该吹扫方法能在如下的一种氢空燃料电池系统上实现，该燃料电池系统包括如前实施例中相同的可调速风扇、燃料电池堆和氢气供应系统，其中：
68.燃料电池堆为2个相同的燃料电池堆串联形成的燃料电池堆组，每个燃料电池堆包括多个并列的平行流道石墨板，且均竖直排放；
69.可调速风扇为燃料电池堆组提供化学反应所需的空气；
70.氢气供应系统也跟前述实施例中的相同，包括氢气供气装置和氢气缓冲装置，氢气供气装置包括一个氢气罐，且氢气罐通过管道与燃料电池堆组中前一个燃料电池堆的阳极气体入口相连，二者之间还设置有氢气减压阀，用于对氢气罐中流出的氢气减压；氢气减压阀与燃料电池堆组之间的管道上还设置有氢气进气电磁阀，该电磁阀为常开电磁阀，控制其开闭用于给燃料电池堆组供氢；氢气缓冲装置包括与燃料电池堆组中后一个燃料电池堆的阴极通过管道相连的缓冲罐，缓冲罐的容积为1.5l,且该缓冲罐与后一个燃料电池堆的阴极之间设置有第一脉冲阀，第一脉冲阀能接收电信号以开闭，使燃料电池堆组与缓冲罐之间导通或关闭；缓冲罐的排气端还设置有第二脉冲阀，该脉冲阀用于实现缓冲罐与外界的连通或关断；
71.工作时，控制氢气减压阀和氢气进气电磁阀开闭为燃料电池堆组供氢，控制第一脉冲阀和第二脉冲阀，在燃料电池堆组与缓冲罐之间的压差作用下将燃料电池堆组中的杂质气体经由连接管道吹扫进缓冲罐中，并排向外界。
72.本实施例中，氢气进气电磁阀常开，第一脉冲阀和第二脉冲阀常闭。氢气供气装置还包括如前实施例中相同的吹扫组件，吹扫组件用于对燃料电池堆组通入惰性气体，在燃料电池堆组启机前或停机后进行吹扫；吹扫组件包括惰性气体存储罐，惰性气体存储罐与燃料电池堆组中前一个燃料电池堆的阳极气体入口通过管道相连，且二者之间还设置有惰性气体减压阀；惰性气体减压阀与前一个燃料电池堆之间还设置有惰性气体进气电磁阀，且该惰性气体进气电磁阀为常闭电磁阀。
73.前述燃料电池系统中燃料电池堆组中积累够一定量的杂质气体后，通过以下方法来排出杂质气体，该方法包括以下步骤：
74.s1、在监控下启动电池系统，并输入安全电压vm和总运行时长ts；
75.s2、将吹扫导通时间初始化为0，将电堆系统的吹扫脉冲间隔t
x,i
初始化；
76.s3、然后关闭第一脉冲阀和第二脉冲阀，并判断燃料电池堆组中的任一一片单片电压v是否大于安全电压vm：
77.当单片电压v大于安全电压vm，则继续判断实时单片电压v是否大于安全电压vm，直至单片电压v不大于安全电压vm时进行下一步；
78.若单片电压v不大于安全电压vm，则开启第一脉冲阀使电池系统积累的杂质气体在压差作用下被吹扫进入缓冲罐中；
79.s4、本实施例中i为0，即还未进行过吹扫，判断第一脉冲阀的开启时间是否大于预设时间1s，1s为一次完整的缓冲吹扫所需的时间：
80.若是，则关闭第一脉冲阀停止吹扫缓冲，并重复步骤s2-s4，开启新一轮吹扫；
81.若否，则持续缓冲，直至第一脉冲阀的开启时间大于1s，完成吹扫缓冲，使燃料电池堆与缓冲单元之间的压差减小，并进行下一步；
82.s5、当执行一次吹扫后，脉冲次数i＝i+1；
83.s6、然后判断第i次脉冲时长是否小于0.2倍的前一次的脉冲时长：
84.若是，则证明吹扫程度还不够，则同时开启第一脉冲阀和第二脉冲阀继续进行吹扫，持续1s后同时关闭第一脉冲阀和第二脉冲阀完成吹扫，并重复步骤s2-s5，开始新一轮吹扫；
85.若否，则持续判断，直至第i次的脉冲时长大于0.2倍的前一次的脉冲时长。
86.再优选实施例中，步骤s5中，还可以通过判断总的脉冲次数i是否满足3次来判断是否需要继续吹扫缓冲，若小于3次，则需要继续吹扫，若不小于，则完成此次吹扫，并关闭第一脉冲阀和第二脉冲阀。
87.如图3所示，为本实施例中燃料电池系统经过吹扫后的氢气利用率观测图，200ma/cm2电流密度下的增加了缓冲装置的燃料电池系统与未设置缓冲装置的并联进气电池系统和串联进气电池系统相比，本实施例中增加了缓冲装置的燃料电池系统，将吹扫的脉冲间隔能从125s延长至800s，且无寄生功率，其对氢气燃料的燃料利用率提高到了99.21％。
88.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。