一种燃料电池排氮气水分离装置及其控制方法与流程

本发明涉及燃料电池系统，具体涉及一种燃料电池排氮气水分离装置及其控制方法。

背景技术：

1、氢燃料电池系统运行时，阴极的液态水和氮气会通过质子交换膜渗透到阳极，一方面，过多的液态水会造成阳极出现“水淹”问题，影响反应活性面积和燃料传质能力；另一方见面，过多的氮气则会降低阳极氢气分压，导致出现“氢饥饿”问题。一般地，阳极中的氮气浓度不能超过10％。因此系统整个运行阶段需要制定合适的排水排气策略，保证燃料电池的高性能和高寿命。

2、在现有技术中，大多采用汽水分离器中的尾排阀同时完成排水排氮，然而现有的这种结构的汽水分离器无法实现排水排氮的精确控制，一方面无法准确评估氮气浓度从而实现精准排氮，需要定时不断的开启尾排阀，一方面无法差异化控制汽水分离效果，因此，本申请提出一种燃料电池排氮气水分离装置及其控制方法，在一定程度上实现氮气分离、富集以及精确的排氮排水控制。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种燃料电池排氮气水分离装置及其控制方法，旨在一定程度上解决相关技术中的技术问题。

2、为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

3、一种燃料电池排氮气水分离装置，设有外壳和上端盖，外壳和上端盖围合成一闭合空间，还包括氮气分离膜管和三通阀，三通阀内设有第一口、第二口和第三口，第一口为进气口，氮气分离膜管设置于外壳围合空间内并靠近上端盖一侧，三通阀设置于分离装置底端，上端盖一侧设有电堆入口，其中，外壳内侧设有至少一个平行于上端盖的挡板；沿外壳内侧垂直上端盖设有隔离板，隔离板与外壳相对应内壁形成旁通流道，氮气分离膜管与外壳围合成分离腔体，旁通流道连接第三口，分离装置底端还设有尾排阀。

4、在上述技术方案的基础上，外壳侧壁还设有氮气浓度传感器。

5、在上述技术方案的基础上，外壳底部一侧设有液位传感器，液位传感器设置在高于尾排阀出口位置5-20mm处。

6、在上述技术方案的基础上，尾排阀还连接有尾排阀控制器。

7、在上述技术方案的基础上，外壳为长方体或圆柱体结构，外壳和上端盖外形结构相互配合且通过插销或螺栓或卡扣密封连接。

8、在上述技术方案的基础上，第二口连通外壳与氮气分离膜管围合的分离腔体。

9、在上述技术方案的基础上，一种燃料电池排氮气水分离装置的控制方法，包括以下步骤：

10、s1、将排氮气水分离装置启动，开始控制；

11、s2、设置电堆湿度情况表征等级，预设三级分别为湿度过低、湿度良好、湿度过高，进入下一步；

12、s3、比较当前电堆湿度情况表征等级，按湿度过低、湿度良好、湿度过高三个表征等级分别归类处理，如果湿度过低，进入步骤s4，湿度良好，进入步骤s5，如果湿度过高，进入步骤s6；

13、s4、电堆湿度过低，当前电堆工况偏干，三通阀开通第一口、第三口，高湿氢气通过旁通流道回流进入电堆入口，进入步骤s7；

14、s5、电堆湿度良好，当前电堆工况良好，三通阀开通第一口、第二口，氢气通过分离腔体回流进入电堆入口，分离腔体进行氮气和水汽分离，进入步骤s7；

15、s6、电堆湿度过高，当前电堆工况易堵水，控制尾排阀开启，返回步骤s3；

16、s7、液位传感器是否监测到分离腔体内水位信号，如果是，控制尾排阀开启，如果不是，进入下一步；

17、s8、氮气浓度传感器是否达到阈值，如果是，控制尾排阀开启，如果不是，控制尾排阀关闭，返回步骤s3。

18、在上述技术方案的基础上，湿度过低等级为相对湿度小于50%，湿度良好等级为相对湿度50-95%，湿度过高等级为气体相对湿度大于95%。

19、在上述技术方案的基础上，步骤s7中尾排阀开启控制采用一次开启闭合操作，尾排阀开启时间为2s。

20、在上述技术方案的基础上，步骤s8中尾排阀开启控制采用间歇式工作，且每一个开启关闭操作周期时间为200ms。

21、与现有技术相比，本发明的优点在于：

22、本发明中的一种燃料电池排氮气水分离装置及其控制方法与现有技术相比，通过氮气分离膜管一方面将氮气与氢气分离并富集在尾排口上方，使系统排氮控制更加精准有效，减少排放次数节省了燃料氢气，另一方面氮气分离膜管亦能分离大量的分子水团，增加了水汽的分离效率，而且可以根据进气湿度情况进行合理增湿，使系统可以根据需要动态调节进堆氢气湿度。

技术特征：

1.一种燃料电池排氮气水分离装置，设有外壳（3）和上端盖（10），外壳（3）和上端盖（10）围合成一闭合空间，其特征在于：还包括氮气分离膜管（2）和三通阀（8），三通阀（8）内设有第一口（81）、第二口（82）和第三口（83），第一口（81）为进气口，氮气分离膜管（2）设置于外壳（3）围合空间内并靠近上端盖（10）一侧，三通阀（8）设置于分离装置底端，上端盖（10）一侧设有电堆入口（1），其中，外壳（3）内侧设有至少一个平行于上端盖（10）的挡板（4）；沿外壳（3）内侧垂直上端盖（10）设有隔离板（11），隔离板（11）与外壳（3）相对应内壁形成旁通流道（12），氮气分离膜管（2）与外壳（3）围合成分离腔体（13），旁通流道（12）连接第三口（83），分离装置底端还设有尾排阀（7）。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池排氮气水分离装置，其特征在于：所述外壳（3）侧壁还设有氮气浓度传感器（9）。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池排氮气水分离装置，其特征在于：所述外壳（3）底部一侧设有液位传感器（6），液位传感器（6）设置在高于尾排阀（7）出口位置5-20mm处。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池排氮气水分离装置，其特征在于：所述尾排阀（7）还连接有尾排阀控制器（5）。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池排氮气水分离装置，其特征在于：所述外壳（3）为长方体或圆柱体结构，外壳（3）和上端盖（10）外形结构相互配合且通过插销或螺栓或卡扣密封连接。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池排氮气水分离装置，其特征在于：所述第二口（82）连通外壳（3）与氮气分离膜管（2）围合的分离腔体（13）。

7.基于权利要求1-6任意一项的一种燃料电池排氮气水分离装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种燃料电池排氮气水分离装置的控制方法，其特征在于：所述湿度过低等级为相对湿度小于50%，湿度良好等级为相对湿度50-95%，湿度过高等级为气体相对湿度大于95%。

9.根据权利要求7所述的一种燃料电池排氮气水分离装置的控制方法，其特征在于：所述步骤s7中尾排阀（7）开启控制采用一次开启闭合操作，尾排阀（7）开启时间为2s。

10.根据权利要求7所述的一种燃料电池排氮气水分离装置的控制方法，其特征在于：所述步骤s8中尾排阀（7）开启控制采用间歇式工作，且每一个开启关闭操作周期时间为200ms。

技术总结
本发明公开了一种燃料电池排氮气水分离装置及其控制方法，涉及燃料电池系统技术领域，该装置设有外壳、上端盖、氮气分离膜管和三通阀，三通阀内设有第一口、第二口和第三口，第一口为进气口，氮气分离膜管设置于外壳围合空间内并靠近上端盖一侧，三通阀设置于分离装置底端，上端盖一侧设有电堆入口，外壳内侧设有至少一个平行于上端盖的挡板；沿外壳内侧垂直上端盖设有隔离板，隔离板与外壳相对应内壁形成旁通流道，氮气分离膜管与外壳围合成分离腔体，旁通流道连接第三口，分离装置底端还设有尾排阀；本申请中的技术方案通过氮气分离膜管大大提高了氮气分离效率，使系统排氮控制更加精准有效，而且节省不必要的氢气浪费。

技术研发人员：熊荧,全琎,全书海
受保护的技术使用者：海亿氢能科技（嘉善）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24