【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及氫燃料電池，尤其涉及一種低壓燃料電池供氫系統(tǒng)及控制方法。
技術(shù)介紹
1、在氫燃料電池行業(yè)，為提高燃料電池系統(tǒng)的安全性及發(fā)電效率，必須提高氫氣的利用率。目前燃料電池系統(tǒng)主要有三種排氫模式：死端、直排、循環(huán)脈沖，其中死端是完全封閉陽極出口，雖百分百利用反應(yīng)燃料氣體，但長期運行陽極積累的液態(tài)水及惰性氣體無法及時排除，造成電堆水淹影響系統(tǒng)發(fā)電性能及壽命；直排是陽極出口直接與大氣連通，雖有利于燃料電池的水熱管理，但未反應(yīng)的氫氣直接排放造成系統(tǒng)發(fā)電效率和安全性較低；循環(huán)脈沖是利用氣水分離器、循環(huán)泵或引射器對陽極出口的尾氣進行循環(huán)，充分利用反應(yīng)過剩的氫氣并對入堆氫氣進行一定程度的加溫加濕，通過電磁閥周期性脈沖排放累積的惰性氣體，更能穩(wěn)定電池性能，因此是目前使用最多的排氫模式。
2、然而對于家用、備用電源等應(yīng)用場景的小型燃料電池系統(tǒng)，氫氣系統(tǒng)前端的供氣壓力都較低，一般為幾十千帕(最低可至2～3千帕)，采用現(xiàn)有循環(huán)脈沖的排氫模式，難以滿足低壓供氫系統(tǒng)對回流氫氣流量和循環(huán)回路壓力穩(wěn)定控制的要求，在正常運行或工況切換時可能出現(xiàn)補氣遲滯和壓力大幅波動現(xiàn)象，造成燃料電池電堆性能不穩(wěn)定，長期運行更是影響系統(tǒng)壽命。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中燃料電池系統(tǒng)的排氫模式不適用低壓氫燃料電池系統(tǒng)的問題：循環(huán)脈沖法一方面回流氫氣經(jīng)循環(huán)泵增壓后可能高于進氣壓力造成電堆入口供氫遲滯或不足，另一方面脈沖排氣的瞬間會對低壓工作的部件及電堆造成劇烈的壓力波動和沖擊；直排法氫氣利用率低影響系統(tǒng)發(fā)電
2、本專利技術(shù)提出一種低壓燃料電池供氫系統(tǒng)及控制方法，可有效解決上述問題，以更好地配合低壓燃料電池及系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全工作。
3、本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案如下：
4、一種低壓燃料電池供氫系統(tǒng)，包括氫氣過濾器、進氣電動調(diào)節(jié)閥、流量計、氣體增壓設(shè)備、壓力傳感器、疏水閥和排氣電動調(diào)節(jié)閥，所述氫氣過濾器的進氣端接入氫氣，所述氫氣過濾器、進氣電動調(diào)節(jié)閥、流量計和氣體增壓設(shè)備依次連接，所述氣體增壓設(shè)備的排氣端連接燃料電池堆陽極，所述壓力傳感器設(shè)置于氣體增壓設(shè)備與燃料電池堆陽極之間的管路；所述疏水閥的輸入端接入反應(yīng)后的氫氣與電堆產(chǎn)水，排氣端分別連接氣體增壓設(shè)備和排氣電動調(diào)節(jié)閥的進氣端。
5、進一步地，輸入供氫系統(tǒng)的氫氣依次經(jīng)過氫氣過濾器、進氣電動調(diào)節(jié)閥和流量計后，與燃料電池堆出口經(jīng)疏水閥分離出的濕氣混合，通過氣體增壓設(shè)備加壓后送入燃料電池堆陽極，反應(yīng)后的氫氣與產(chǎn)水進入疏水閥；疏水閥的出口包括位于底部的排水口和位于頂部的排氣口，當(dāng)液態(tài)水受重力作用積累到一定液位高度后通過排水口自動排出，排至疏水閥內(nèi)剩余設(shè)定水量后自動關(guān)閉形成水封以防止氫氣泄露；疏水閥的排氣口設(shè)置有兩個分支，其中一個分支與氣體增壓設(shè)備的入口連接，同氣體增壓設(shè)備出口和燃料電池堆入口連接形成氫氣循環(huán)回路，從而實現(xiàn)對過量未反應(yīng)完的氫氣的再次利用；另一分支與排氣電動調(diào)節(jié)閥連接，排氣電動調(diào)節(jié)閥出口和疏水閥排水口匯合后一起排出廢氣廢水。
6、進一步地，所述疏水閥的排氣口和排氣電動調(diào)節(jié)閥的管路應(yīng)低于氣體增壓設(shè)備及氫氣循環(huán)回路，使氣體增壓設(shè)備運轉(zhuǎn)時經(jīng)疏水閥排出的氫氣能夠通過循環(huán)再次返回燃料電池堆，在疏水閥出口與排氣電動調(diào)節(jié)閥連接管路中蓄積的氮氣通過打開排氣電動調(diào)節(jié)閥進行排出。
7、進一步地，所述氫氣過濾器被配置為過濾輸入供氫系統(tǒng)的氫氣中的雜質(zhì)。
8、進一步地，所述進氣電動調(diào)節(jié)閥被配置為調(diào)節(jié)輸入供氫系統(tǒng)的氫氣流量大小。
9、進一步地，所述氫氣流量計被配置為監(jiān)測燃料供氣端實時輸送的氫氣流量。
10、進一步地，所述氣體增壓設(shè)備被配置為將燃料電池堆陽極出口未反應(yīng)的氫氣與供氫系統(tǒng)入口氫氣的混合氣體增壓并送入燃料電池堆，所述氣體增壓設(shè)備包括氫氣循環(huán)泵。
11、進一步地，所述壓力傳感器被配置為監(jiān)測進入燃料電池堆的氫氣壓力。
12、進一步地，所述排氣電動調(diào)節(jié)閥被配置為調(diào)節(jié)排氣流量的大小。
13、一種低壓燃料電池供氫系統(tǒng)控制方法，包括：
14、通過控制單元控制燃料電池啟動并進行檢測初始化；
15、根據(jù)預(yù)設(shè)電流及已知燃料電池堆節(jié)數(shù)計算燃料電池堆的氫氣消耗量f0；
16、當(dāng)進氫時根據(jù)氫氣流量計示數(shù)f反饋調(diào)節(jié)進氣電動調(diào)節(jié)閥開度，使監(jiān)測氫氣流量f-f0/ηh2≤設(shè)定閾值δf，其中ηh2為理想氫氣利用率；滿足流量要求后保持進氣電動調(diào)節(jié)閥開度不變；
17、根據(jù)已知工況設(shè)計的氫氣計量比及燃料電池堆進出口壓差給定氫氣氣體增壓設(shè)備轉(zhuǎn)速，并通過進堆壓力傳感器示數(shù)p反饋調(diào)節(jié)排氣電動調(diào)節(jié)閥開度，使監(jiān)測燃料電池堆入口壓力p-p0≤設(shè)定閾值δp，其中p0為已知工況下設(shè)計的燃料電池堆入口壓力，滿足壓力要求后保持排氣電動調(diào)節(jié)閥開度不變；
18、當(dāng)工況切換時，由控制單元調(diào)動再次計算燃料電池堆的氫氣消耗量進行流程循環(huán)，直到達到穩(wěn)定。
19、本專利技術(shù)的有益效果在于：
20、1.本專利技術(shù)通過設(shè)置進氣和排氣電動調(diào)節(jié)閥及氫氣循環(huán)回路，可精準(zhǔn)控制進入系統(tǒng)的氫氣流量并對未反應(yīng)的氫氣再次利用，提高燃料電池系統(tǒng)的氫氣利用率，進而提高系統(tǒng)發(fā)電效率；
21、2.本專利技術(shù)通過設(shè)置電堆陽極出口電動調(diào)節(jié)閥，并通過壓力傳感器示數(shù)來反饋調(diào)節(jié)和保持閥的開度，解決了脈沖排放壓力波動導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定問題；
22、3.本專利技術(shù)通過在電堆入口前對混合后的低壓氫氣設(shè)置增壓裝置，如氫氣循環(huán)泵，并通過轉(zhuǎn)速控制，解決了電堆入口低壓氫氣供氣遲滯或不足的問題；
23、4.本專利技術(shù)的低壓燃料電池供氫系統(tǒng)部件少，結(jié)構(gòu)簡單，且便于實現(xiàn)控制。
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1.一種低壓燃料電池供氫系統(tǒng)，其特征在于，包括氫氣過濾器、進氣電動調(diào)節(jié)閥、流量計、氣體增壓設(shè)備、壓力傳感器、疏水閥和排氣電動調(diào)節(jié)閥，所述氫氣過濾器的進氣端接入氫氣，所述氫氣過濾器、進氣電動調(diào)節(jié)閥、流量計和氣體增壓設(shè)備依次連接，所述氣體增壓設(shè)備的排氣端連接燃料電池堆陽極，所述壓力傳感器設(shè)置于氣體增壓設(shè)備與燃料電池堆陽極之間的管路；所述疏水閥的輸入端接入反應(yīng)后的氫氣與電堆產(chǎn)水，排氣端分別連接氣體增壓設(shè)備和排氣電動調(diào)節(jié)閥的進氣端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低壓燃料電池供氫系統(tǒng)，其特征在于，輸入供氫系統(tǒng)的氫氣依次經(jīng)過氫氣過濾器、進氣電動調(diào)節(jié)閥和流量計后，與燃料電池堆出口經(jīng)疏水閥分離出的濕氣混合，通過氣體增壓設(shè)備加壓后送入燃料電池堆陽極，反應(yīng)后的氫氣與產(chǎn)水進入疏水閥；疏水閥的出口包括位于底部的排水口和位于頂部的排氣口，當(dāng)液態(tài)水受重力作用積累到一定液位高度后通過排水口自動排出，排至疏水閥內(nèi)剩余設(shè)定水量后自動關(guān)閉形成水封以防止氫氣泄露；疏水閥的排氣口設(shè)置有兩個分支，其中一個分支與氣體增壓設(shè)備的入口連接，同氣體增壓設(shè)備出口和燃料電池堆入口連接形成氫氣循環(huán)回路，從而實現(xiàn)對過量未反應(yīng)
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種低壓燃料電池供氫系統(tǒng)，其特征在于，所述疏水閥的排氣口和排氣電動調(diào)節(jié)閥的管路應(yīng)低于氣體增壓設(shè)備及氫氣循環(huán)回路，使氣體增壓設(shè)備運轉(zhuǎn)時經(jīng)疏水閥排出的氫氣能夠通過循環(huán)再次返回燃料電池堆，在疏水閥出口與排氣電動調(diào)節(jié)閥連接管路中蓄積的氮氣通過打開排氣電動調(diào)節(jié)閥進行排出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低壓燃料電池供氫系統(tǒng)，其特征在于，所述氫氣過濾器被配置為過濾輸入供氫系統(tǒng)的氫氣中的雜質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低壓燃料電池供氫系統(tǒng)，其特征在于，所述進氣電動調(diào)節(jié)閥被配置為調(diào)節(jié)輸入供氫系統(tǒng)的氫氣流量大小。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低壓燃料電池供氫系統(tǒng)，其特征在于，所述氫氣流量計被配置為監(jiān)測燃料供氣端實時輸送的氫氣流量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低壓燃料電池供氫系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體增壓設(shè)備被配置為將燃料電池堆陽極出口未反應(yīng)的氫氣與供氫系統(tǒng)入口氫氣的混合氣體增壓并送入燃料電池堆，所述氣體增壓設(shè)備包括氫氣循環(huán)泵。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低壓燃料電池供氫系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力傳感器被配置為監(jiān)測進入燃料電池堆的氫氣壓力。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低壓燃料電池供氫系統(tǒng)，其特征在于，所述排氣電動調(diào)節(jié)閥被配置為調(diào)節(jié)排氣流量的大小。
10.一種低壓燃料電池供氫系統(tǒng)控制方法，應(yīng)用于如權(quán)利要求1所述的低壓燃料電池供氫系統(tǒng)，其特征在于，所述控制方法包括：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種低壓燃料電池供氫系統(tǒng)，其特征在于，包括氫氣過濾器、進氣電動調(diào)節(jié)閥、流量計、氣體增壓設(shè)備、壓力傳感器、疏水閥和排氣電動調(diào)節(jié)閥，所述氫氣過濾器的進氣端接入氫氣，所述氫氣過濾器、進氣電動調(diào)節(jié)閥、流量計和氣體增壓設(shè)備依次連接，所述氣體增壓設(shè)備的排氣端連接燃料電池堆陽極，所述壓力傳感器設(shè)置于氣體增壓設(shè)備與燃料電池堆陽極之間的管路；所述疏水閥的輸入端接入反應(yīng)后的氫氣與電堆產(chǎn)水，排氣端分別連接氣體增壓設(shè)備和排氣電動調(diào)節(jié)閥的進氣端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低壓燃料電池供氫系統(tǒng)，其特征在于，輸入供氫系統(tǒng)的氫氣依次經(jīng)過氫氣過濾器、進氣電動調(diào)節(jié)閥和流量計后，與燃料電池堆出口經(jīng)疏水閥分離出的濕氣混合，通過氣體增壓設(shè)備加壓后送入燃料電池堆陽極，反應(yīng)后的氫氣與產(chǎn)水進入疏水閥；疏水閥的出口包括位于底部的排水口和位于頂部的排氣口，當(dāng)液態(tài)水受重力作用積累到一定液位高度后通過排水口自動排出，排至疏水閥內(nèi)剩余設(shè)定水量后自動關(guān)閉形成水封以防止氫氣泄露；疏水閥的排氣口設(shè)置有兩個分支，其中一個分支與氣體增壓設(shè)備的入口連接，同氣體增壓設(shè)備出口和燃料電池堆入口連接形成氫氣循環(huán)回路，從而實現(xiàn)對過量未反應(yīng)完的氫氣的再次利用；另一分支與排氣電動調(diào)節(jié)閥連接，排氣電動調(diào)節(jié)閥出口和疏水閥排水口匯合后一起排出廢氣廢水。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種低壓燃料電池供氫系統(tǒng)，其特征在于，所述疏水閥的排氣口和...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李欣，雷姣，王聰，宋彥彬，
申請(專利權(quán))人：東方電氣成都氫能科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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