一种燃料电池氢气循环系统及排氢和排水方法与流程

本发明涉及燃料电池，特别涉及一种燃料电池氢气循环系统及排氢和排水方法。

背景技术：

1、燃料电池是一种清洁的能量转化装置，能够高效地将氢气和氧气中的化学能转化为电能。燃料电池在实际运行过程中，在压力和浓度梯度等因素的驱动下，阴极中生成的水以及阴极气体空气中的氮气会形成跨膜运动透过质子交换膜进入阳极流道中。阳极流道中的液态水含量过多会堵塞流道造成阳极气体无法有效进入催化剂表面，进而导致阳极欠气；阳极流道内氮气累积浓度过高会造成氢气分压降低，进而降低电化学反应效率，进而导致燃料电池性能变差。因此及时排除阳极流道中的液态水和氮气对燃料电池高效、稳定运行具有重要意义。

2、目前常用的排水和排氮方法就是在阳极循环路上布置一个气液分离器，并在气液分离器底部安装一个排氢阀，排氢阀出口接向尾气排放管路。燃料电池运行过程中周期性地开启排氢阀，在压力差的驱动下液态水和氢/氮混合气一起通过排氢阀排向尾气排放管路。由于排氢阀开启瞬间，阳极腔中气体压力会骤降，必须及时补充氢气，维持阳极腔中氢气压力稳定，否则会造成燃料电池性能下降，甚至会由于两侧压差过大造成质子交换膜永久性机械损伤。排氢阀开启时排出的介质成分含气、液两相流体，难以预测两相流体中气体的排放量，一方面会造成氢气利用率降低，另一方面补充氢气量很难控制准确，容易造成补氢量不足或补氢过量，进而导致两侧压差频繁波动，降低质子交换膜的耐久性。

3、因此，提出一种燃料电池氢气循环系统及排氢和排水方法来解决上述问题很有必要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种燃料电池氢气循环系统及排氢和排水方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池氢气循环系统及排氢和排水方法，包括燃料电池、氢气喷射器、气液分离器、排水电磁阀和排氢电磁阀，所述燃料电池内具有阳极流道、阴极流道和质子交换膜，质子交换膜位于阳极流道和阴极流道之间，阳极流通入口与氢气喷射器连接，氢气喷射器的输入端由储氢系统供应氢气，阳极流通出口与气液分离器连接，排水电磁阀和排氢电磁阀均安装在气液分离器气液分离器上，排水电磁阀安装于气液分离器底部，排氢电磁阀安装于气液分离器腔体中部，氢气喷射器将氢气喷入燃料电池阳极流道内参与电化学反应，燃料电池阳极流道出口的介质中中含有未参与反应的氢气、从阴极反向渗透过来的氮气以及液态水，阳极流道出口的介质首先经过气液分离器，将介质中的液态水分离处理形成液态水和气体，分离出来的液态水沉积于气液分离器底部。

3、优选的，所述气液分离器与燃料电池阳极流道入口之间连接有氢气循环泵，阳极流道出口的介质中分离出来的气体经氢气循环泵的循环驱动下重新进入燃料电池阳极流道入口，循环参与电化学反应。

4、优选的，所述排水电磁阀和排氢电磁阀均脉冲式周期性开启，运行时气液分离器中的液面高度高于排水电磁阀的安装高度，低于排氢电磁阀的安装高度，对排水电磁阀形成液封。

5、优选的，所述氢气喷射器与燃料电池阳极流道入口之间设置有压力传感器，压力传感器用于监测进入燃料电池阳极流道的氢气压力。

6、优选的，所述氢气喷射器与燃料电池阳极流道入口之间设置有氢气安全阀，氢气安全阀用于防止进入燃料电池阳极流道内的氢气压力过高，当压力过高时氢气安全阀开启进行泄压。

7、本发明的技术效果和优点：

8、1、在气液分离器上设计了排水电磁阀和排氢电磁阀，排水电磁阀在气液分离器底部可以形成液封，将燃料电池阳极的排水过程和排氮过程分开，以便可以通过试验或建模的方法测试或计算出排气量，有利于提高氢气利用率，将排气量结果应用于氢气喷射器控制，还可以避免排氮瞬间造成的氢气压力波动，提高燃料电池的机械耐久性；

9、2、通过排氢电磁阀开启瞬间的氢气压力变化，判断气液分离器中液态水的含量，可以避免气液分离器中的液态水含量过高，造成燃料电池阳极堵水欠气，提高燃料电池的运行稳定性和耐久性。

技术特征：

1.一种燃料电池氢气循环系统及排氢和排水方法，包括燃料电池、氢气喷射器(1)、气液分离器(6)、排水电磁阀(4)和排氢电磁阀(5)，所述燃料电池内具有阳极流道、阴极流道和质子交换膜，质子交换膜位于阳极流道和阴极流道之间，其特征在于：阳极流通入口与氢气喷射器(1)连接，氢气喷射器(1)的输入端由储氢系统供应氢气，阳极流通出口与气液分离器(6)连接，排水电磁阀(4)和排氢电磁阀(5)均安装在气液分离器气液分离器(6)上，排水电磁阀(4)安装于气液分离器底部，排氢电磁阀(5)安装于气液分离器(6)腔体中部，氢气喷射器(1)将氢气喷入燃料电池阳极流道内参与电化学反应，燃料电池阳极流道出口的介质中中含有未参与反应的氢气、从阴极反向渗透过来的氮气以及液态水，阳极流道出口的介质首先经过气液分离器(6)，将介质中的液态水分离处理形成液态水和气体，分离出来的液态水沉积于气液分离器(6)底部。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池氢气循环系统及排氢和排水方法，其特征在于：所述气液分离器(6)与燃料电池阳极流道入口之间连接有氢气循环泵(7)，阳极流道出口的介质中分离出来的气体经氢气循环泵(7)的循环驱动下重新进入燃料电池阳极流道入口，循环参与电化学反应。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池氢气循环系统及排氢和排水方法，其特征在于：所述排水电磁阀(4)和排氢电磁阀(5)均脉冲式周期性开启，运行时气液分离器(6)中的液面高度高于排水电磁阀(4)的安装高度，低于排氢电磁阀(5)的安装高度，对排水电磁阀(4)形成液封。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池氢气循环系统及排氢和排水方法，其特征在于：所述氢气喷射器(1)与燃料电池阳极流道入口之间设置有压力传感器(2)，压力传感器(2)用于监测进入燃料电池阳极流道的氢气压力。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池氢气循环系统及排氢和排水方法，其特征在于：所述氢气喷射器(1)与燃料电池阳极流道入口之间设置有氢气安全阀(3)，氢气安全阀(3)用于防止进入燃料电池阳极流道内的氢气压力过高，当压力过高时氢气安全阀(3)开启进行泄压。

技术总结
本发明公开了一种燃料电池氢气循环系统及排氢和排水方法，涉及到燃料电池技术领域，包括燃料电池、氢气喷射器、气液分离器、排水电磁阀和排氢电磁阀，阳极流通出口与气液分离器连接，排水电磁阀和排氢电磁阀均安装在气液分离器上，排水电磁阀安装于气液分离器底部，排氢电磁阀安装于气液分离器腔体中部。本发明在气液分离器上设计了排水电磁阀和排氢电磁阀，排水电磁阀在气液分离器底部可以形成液封，将燃料电池阳极的排水过程和排氮过程分开，以便可以通过试验或建模的方法测试或计算出排气量，有利于提高氢气利用率，将排气量结果应用于氢气喷射器控制，还可以避免排氮瞬间造成的氢气压力波动，提高燃料电池的机械耐久性。

技术研发人员：童欣,刘玉满,刘宁,唐会友,何雍,王亚波
受保护的技术使用者：上海鲲华新能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16