燃料电池冷凝回收系统及运行控制方法与流程

本申请涉及燃料电池，尤其涉及一种燃料电池冷凝回收系统及运行控制方法。

背景技术：

1、燃料电池是一种电化学的发电装置，它能直接将燃料如氢气及各种富含氢的气体和氧化剂的化学能通过电极反应转化为电能。

2、pemfc也即质子交换膜燃料电池电堆在常温环境运行过程中，电堆内部的水主要源于阴/阳极气体增湿水及阴极侧电化学反应生成的水。电堆内部水的排出方式主要是阴极侧反应剩余气体排气、阴极侧脉冲排气和阳极侧脉冲排气三种方式。水在电堆内部的传输包括“电拖曳作用”和“反渗作用”等。在反应过程中，质子交换膜需充分湿润，这是因为在阳极催化剂层产生的质子是以水合质子(h3o+)的形式进行传输，因此，质子会将部分阳极侧的水带到阴极侧，该过程称为“电拖曳作用”。由于氢质子和电子到达阴极侧催化剂层与氧气发生反应生成水，而阳极侧没有水的产生，故膜两侧的水存在浓度差，阴极侧的水会通过膜扩散到阳极侧，该过程称为“反渗作用”，大量液态水积留在gdl(气体扩散层)中阻碍了反应气体的供应，进而导致电堆电压的下降。

3、如果在零下低温环境中，如果燃料电池启动时化学反应产生的热量足以支撑水以气态或液态排出，则随着反应的进行，温度会逐渐升至正常的工作温度(70～80℃)；若不足以支撑水以气态或液态排出，则会结成冰阻碍反应气体的通过、冻结膜电极，导致电化学反应的中止，冷冻情况严重下还会对膜电极造成不可恢复的损伤。

4、更为重要的是，燃料电池运行时，氢燃料的供应量是远大于反应消耗量的。并且，为了有效排除内部产生的废水，燃料电池以定期排气的方式带出内部的废水，会导致氢气的浪费，降低氢气利用率。

技术实现思路

1、本申请提供一种燃料电池冷凝回收系统及运行控制方法，该燃料电池冷凝回收系统提高了氢气利用率，提升了燃料电池电堆运行的经济性。

2、第一方面，本申请提供一种燃料电池冷凝回收系统，应用于燃料电池电堆，所述燃料电池电堆包括电堆本体、电堆进气端板和电堆排气端板，所述电堆排气端板设有气水排放管道；所述燃料电池冷凝回收系统包括：

3、气水分离组件，连接所述气水排放管道；

4、制冷组件，贴合所述气水分离组件设置，用于将所述气水分离组件中的水蒸气降温并使其冷凝；

5、氢气回收组件，连接所述气水分离组件的出气口，并用于回收氢气。

6、在一些实施例中，所述制冷组件包括半导体制冷集成板，所述半导体制冷集成板具有相互背离的冷面和热面，所述气水分离组件包括半导体冷端排气端板和设于所述半导体冷端排气端板内的负压气水分离腔体；

7、所述半导体制冷集成板的热面贴合所述电堆排气端板，所述半导体制冷集成板的冷面贴合所述半导体冷端排气端板。

8、在一些实施例中，所述电堆进气端板设有氢气进气管道，其特征在于，所述氢气回收组件包括：

9、氢气回收管道，第一端连接所述气水分离腔体的出气口；

10、抽气装置，连接于所述氢气回收管道的第二端并用于抽吸所述气水分离腔体内的氢气；

11、氢气循环管道，连接所述抽气装置和所述氢气进气管道，用于将回收的氢气送回至所述氢气进气管道。

12、在一些实施例中，所述氢气循环管道设有氢气循环阀，所述氢气循环阀为单向机械恒压阀，所述单向机械恒压阀在所述氢气循环管道的氢气压力大于预设压力时使所述氢气循环管道向所述氢气进气管道单向导通。

13、在一些实施例中，还包括：

14、温度检测组件，用于检测所述气水分离组件内部的温度；

15、控制组件，连接所述温度检测组件和所述制冷组件，用于根据所述温度检测组件检测的温度调节所述制冷组件运行。

16、在一些实施例中，所述气水排放管道设有氢气排气阀，所述气水分离组件设有排水控制阀，所述氢气回收组件设有回收控制阀，所述氢气排气阀、所述排水控制阀和所述回收控制阀均连接所述控制组件并在所述控制组件控制下开启和关闭。

17、在一些实施例中，所述气水分离组件内设有液位检测组件，所述液位检测组件连接所述控制组件，所述控制组件用于根据所述液位检测组件检测的液位控制所述排水控制阀开启和关闭。

18、第二方面，本申请提供一种运行控制方法，适用于如上任一项所述的燃料电池冷凝回收系统，所述运行控制方法包括：

19、对燃料电池电堆排出的气水混合物进行冷凝，以使气水分离；

20、收集气水分离后的氢气。

21、在一些实施例中，所述对燃料电池电堆排出的气水混合物进行冷凝，以使气水分离的步骤之前包括：

22、检测燃料电池电堆的运行状态，根据所述运行状态控制气水排放管道开启排放气水混合物；

23、所述运行状态包括燃料电池电堆的输出电压，当所述输出电压低于预设值时，控制所述气水排放管道开启。

24、在一些实施例中，所述对电堆本体排出的气水混合物进行冷凝，以使气水分离的步骤包括：

25、检测所述气水分离组件的温度并调节所述制冷组件运行。

26、在一些实施例中，所述收集气水分离后的氢气的步骤包括：

27、检测气水分离组件内的液位，在所述气水分离组件内的液位高于预设液位后进行排水；

28、在排水结束后或在气水排放管道向气水分离组件通入气水混合物预设时间后将氢气排出所述气水分离组件。

29、本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：过量的氢气由电堆进气端板送入电堆本体内进行反应，随着反应的进行，液态水的生成和渗透使得气体扩散层出现液态水积留而影响反应气体的供应，需要将液态水进行排出；在排出积留水的同时，实现将过量的氢气排出，而电池反应产生的高温也会使部分液态水蒸发为水蒸气，也即从气水排放管道排出的为氢气、水蒸气和液态水的混合物。为了将氢气分离回收，本申请通过设置气水分离组件与气水排放管道连接，使得气水混合物进入气水分离组件内，然后利用制冷组件对气水分离组件降温，使得气水分离组件中水蒸气冷凝为液态水，实现氢气和水蒸气的分离，最后利用氢气回收组件将气水分离组件内的氢气抽吸回收，以便对气水排放管道排出的氢气回收利用，提高氢气利用率和燃料电池的运行经济性。

30、氢气回收组件优选可以包括抽气装置，使得氢气回收组件对气水分离组件内的氢气进行抽吸使得产生负压，能够加速燃料电池电堆的气水混合物进入气水分离组件，快速改善燃料电池电堆的运行效率。

技术特征：

1.一种燃料电池冷凝回收系统，应用于燃料电池电堆，所述燃料电池电堆包括电堆本体、电堆进气端板和电堆排气端板，所述电堆排气端板设有气水排放管道；其特征在于，所述燃料电池冷凝回收系统包括：

2.根据权利要求1所述的燃料电池冷凝回收系统，其特征在于，所述制冷组件包括半导体制冷集成板，所述半导体制冷集成板具有相互背离的冷面和热面，所述气水分离组件包括半导体冷端排气端板和设于所述半导体冷端排气端板内的负压气水分离腔体；

3.根据权利要求2所述的燃料电池冷凝回收系统，所述电堆进气端板设有氢气进气管道，其特征在于，所述氢气回收组件包括：

4.根据权利要求3所述的燃料电池冷凝回收系统，其特征在于，所述氢气循环管道设有氢气循环阀，所述氢气循环阀为单向机械恒压阀，所述单向机械恒压阀在所述氢气循环管道的氢气压力大于预设压力时使所述氢气循环管道向所述氢气进气管道单向导通。

5.根据权利要求1-4任一项所述的燃料电池冷凝回收系统，其特征在于，还包括：

6.根据权利要求5所述的燃料电池冷凝回收系统，其特征在于，所述气水排放管道设有氢气排气阀，所述气水分离组件设有排水控制阀，所述氢气回收组件设有回收控制阀，所述氢气排气阀、所述排水控制阀和所述回收控制阀均连接所述控制组件并在所述控制组件控制下开启和关闭。

7.根据权利要求6所述的燃料电池冷凝回收系统，其特征在于，所述气水分离组件内设有液位检测组件，所述液位检测组件连接所述控制组件，所述控制组件用于根据所述液位检测组件检测的液位控制所述排水控制阀开启和关闭。

8.一种运行控制方法，适用于权利要求1-7任一项所述的燃料电池冷凝回收系统，其特征在于，所述运行控制方法包括：

9.根据权利要求8所述的运行控制方法，其特征在于，所述对燃料电池电堆排出的气水混合物进行冷凝，以使气水分离的步骤之前包括：

10.根据权利要求8所述的运行控制方法，其特征在于，所述对电堆本体排出的气水混合物进行冷凝，以使气水分离的步骤包括：

11.根据权利要求8所述的运行控制方法，其特征在于，所述收集气水分离后的氢气的步骤包括：

技术总结
本申请涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池冷凝回收系统及运行控制方法。燃料电池冷凝回收系统用于燃料电池电堆，燃料电池电堆包括电堆本体、电堆进气端板和电堆排气端板；燃料电池冷凝回收系统包括气水分离组件、制冷组件和氢气回收组件；气水分离组件和气水排放管道连通，制冷组件用来对气水分离组件降温，使得排入气水分离组件的气水混合物种的水蒸气冷凝实现与氢气分离；氢气回收组件连接在气水分离组件的出气口，用来回收气水分离组件内的氢气。上述燃料电池冷凝回收系统提高了氢气利用率，提升了燃料电池电堆运行的经济性。

技术研发人员：李方烔,黄猛,朱伟睿
受保护的技术使用者：珠海格力电器股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/11/7