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CN113497257A - 一种燃料电池关机吹扫方法、装置及系统 - Google Patents

一种燃料电池关机吹扫方法、装置及系统 Download PDF

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CN113497257A CN202010202119.2A CN202010202119A CN113497257A CN 113497257 A CN113497257 A CN 113497257A CN 202010202119 A CN202010202119 A CN 202010202119A CN 113497257 A CN113497257 A CN 113497257A
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曹卓涛
张龙海
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Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池关机吹扫方法、装置及系统。该方法首先在燃料电池系统关机后，获取燃料电池工作中生成的理论水量；然后对燃料电池进行持续吹扫，对吹扫后的气体进行气液分离，采集吹扫带出的实际水量；最后比较理论水量和实际水量，直至实际水量增加至理论水量，停止吹扫。本发明可有效控制吹扫时间，防止吹扫时间过长或者过短，给燃料电池提供一个良好的储存环境，避免燃料电池使用寿命的减少。有效控制吹扫时间，防止吹扫时间过长或者过短，给燃料电池提供一个良好的储存环境，避免燃料电池使用寿命的减少。

Description

一种燃料电池关机吹扫方法、装置及系统
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池关机吹扫方法、装置及系统。
背景技术
燃料电池是一种采用电化学反应的方式将燃料中的化学能转化为电能的发电装置，具有环境友好、安全可靠和易于操作等优点，广泛应用于备用电源、分布式电站和汽车动力等多个领域。
其中，质子交换膜燃料电池作为燃料电池中的一种，在原理上相当于水电解的逆装置，发电过程的产物是水。因此，在电池反应区的中后段常常会有液态水的堆积。所以，燃料电池系统关机时需要对未反应的燃料气体和反应流道中的水进行吹扫。
在进行吹扫时，若吹扫时间过短，造成仍旧有部分液态水堆积在燃料电池的电堆内部，造成燃料电池的电堆内部液态水结冰，破坏燃料电池系统内部结构，影响其使用寿命；若吹扫时间过长，造成燃料电池堆膜干，既浪费吹扫能量，也会影响燃料电池系统开机时性能，同时也会影响其寿命。
发明内容
本发明提供了一种燃料电池关机吹扫方法、装置及系统，用以解决吹扫时间过长或过短造成的影响燃料电池性能的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案包括：
本发明提供了一种燃料电池关机吹扫方法，包括如下步骤：
在燃料电池系统关机后，获取燃料电池工作中生成的理论水量；对燃料电池进行持续吹扫，对吹扫后的气体进行气液分离，采集吹扫带出的实际水量；比较理论水量和实际水量，直至实际水量增加至理论水量，停止吹扫。
上述技术方案的有益效果为：在对燃料电池进行吹扫时，获取得到燃料电池工作中生成的理论水量，并对吹扫后的气体进行气液分离以获得吹扫带出的实际水量，在实际水量小于理论水量的时间内对燃料电池进行持续吹扫，随着吹扫的持续进行，实际水量不断增加，在实际水量增加至理论水量时停止吹扫，从而有效控制吹扫时间，防止吹扫时间过长或者过短，给燃料电池提供一个良好的储存环境，避免燃料电池使用寿命的减少。
作为方法的进一步改进，为了简单准确计算得到燃料电池工作中生成的理论水量，根据燃料电池工作中输出的功率和外界空气的温度，计算得到所述燃料电池工作中生成的理论水量。
作为方法的进一步改进，为了防止触电腐蚀，采用氢气路和空气路两路对燃料电池进行持续吹扫。
作为方法的进一步改进，为了改变吹扫效率，采用以下至少一种手段来改变吹扫的效率：控制改变供空气路上空压机转速、控制改变空气路上节气门开度、控制改变氢路上氢泵转速和控制改变氢路上比例阀开度。
作为方法的进一步改进，为了快速检测得到吹扫带出的实际水量，通过收集并检测气液分离后得到的液态水的液位来得到所述吹扫带出的实际水量。
本发明还提供了一种燃料电池关机吹扫装置，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现上述燃料电池关机吹扫方法，并达到与方法相同的效果。
本发明还提供了一种燃料电池关机吹扫系统，包括供气管路和出气管路，还包括：
气液分离装置，设置在出空气管路上，用于对吹扫后的气体进行气液分离；
水量检测装置，用于检测吹扫带出的实际水量；
存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如下方法：
在燃料电池系统关机后，获取燃料电池工作中生成的理论水量；对燃料电池进行持续吹扫，对吹扫后的气体进行气液分离，采集吹扫带出的实际水量；比较理论水量和实际水量，直至实际水量增加至理论水量，停止吹扫。
上述技术方案的有益效果为：在对燃料电池进行吹扫时，获取得到燃料电池工作中生成的理论水量，通过气液分离装置对吹扫后的气体进行气液分离，并通过水量检测装置获得吹扫带出的实际水量，在实际水量小于理论水量的时间内对燃料电池进行持续吹扫，随着吹扫的持续进行，实际水量不断增加，在实际水量增加至理论水量时停止吹扫，从而有效控制吹扫时间，防止吹扫时间过长或者过短，给燃料电池提供一个良好的储存环境，避免燃料电池使用寿命的减少。
作为系统的进一步改进，为了防止触电腐蚀，所述供气管路包括供空气管路和供氢气管路，所述出气管路包括出空气管路和出氢气管路；所述供空气管路上设置有空压机，用于向燃料电池供给空气；所述出氢气管路上设置有氢泵；所述气液分离装置包括第一气液装置和第二气液分离装置，分别设置在出空气管路和出氢气管路上。
作为系统的进一步改进，为了快速检测得到吹扫带出的实际水量，该系统还包括液体收集装置，用于收集气液分离装置分离出的液态水；且所述水量检测装置为设置在液体收集装置中的液位传感器。
作为系统的进一步改进，为了简单准确计算得到燃料电池工作中生成的理论水量，该系统还包括温度传感器，设置在供空气管路的进气口处，用于采集外界空气的温度；用于根据燃料电池工作中输出的功率和外界空气的温度，计算得到所述燃料电池工作中生成的理论水量。
附图说明
图1是本发明的系统实施例中燃料电池关机吹扫系统的连接示意图；
图2是本发明的系统实施例中燃料电池关机吹扫方法的流程图；
图3是本发明的方法实施例中燃料电池关机吹扫方法的流程图；
图4是本发明的装置实施例中燃料电池关机吹扫装置的示意图；
其中，1-温度传感器，2-空压机，3-增湿器，4-第一阀门开关，5-第二阀门开关，6-散热器，7-燃料电池电堆，8-比例阀，9-第二分水器，10-氢泵，11-节气门，12-第一分水器，13-液体收集装置，14-控制装置。
具体实施方式
系统实施例：
该实施例提供了一种燃料电池关机吹扫系统，该系统可以对图1中的燃料电池电堆7进行吹扫，以带走燃料电池电堆阴极侧的液态水。
该系统包括空气路(包括供空气管路和出空气管路)和氢气路(包括供氢气管路和出氢气管路)两路吹扫管路。
如图1所示，供空气管路的进空气口处设置有用于检测外界空气的温度传感器1，温度传感器1的探头可设置在管路内部，且供空气管路上设置有空压机2和第一阀门开关4；出空气管路上设置有节气门11和第一分水器12。空压机2配合节气门11，能够在燃料电池系统关机吹扫时通过提供一定流量和压力的空气以带走燃料电池电堆阴极侧的液态水。第一分水器12为气液分离装置，能够有效分离出空气和液态水。
供氢气管路上设置有比例阀8，出氢气管路上设置有第二分水器9和氢泵10。为了实现氢气的循环吹扫利用，第二分水器9和氢泵10设置的位置如图1所示，使吹扫出的氢气先经过第二分水器9，再经过氢泵10，且氢泵10的出口直接连接至进氢气管路。氢泵10配合比例阀8，能够在燃料电池系统关机吹扫时通过提供一定流量和压力的氢气以带走燃料电池电堆阴极侧的液态水。第二分水器9为气液分离装置，能够有效分离出氢气和液态水。
第一分水器12和第二分水器9分离出的液态水均通过液体收集装置13进行收集。该液体收集装置13可为下部宽、上部窄的容器。且该液体收集装置13内配备有液位传感器(图1中未画出)，以实时反馈吹扫带出的实际水量。
而且，该系统中还设置有第二阀门开关5和相应的管路，以配合第一阀门开关4实现空压机2排出的空气是否通过增湿器3。散热器6在燃料电池电堆7温度过高时对燃料电池电堆7进行散热。
控制装置14连接液位传感器和温度传感器，以获取各个传感器采集的信息，还连接空压机2、第一阀门开关4、第二阀门开关5、节气门11、氢泵10和比例阀8，以控制这几个执行机构动作。且该控制装置包括存储器和处理器，处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现一种燃料电池关机吹扫方法，下面结合图2，对该方法进行详细说明。
首先，燃料电池系统关机时，温度传感器1采集外界空气温度T并传递给控制装置14，控制装置14获取燃料电池系统关机前其输出的功率P。控制装置14根据T和P计算得到燃料电池工作中生成的理论水量Y。需说明的是，燃料电池系统关机前其输出的功率P为燃料电池系统从此次启动至此次关机这段时间内输出的功率。其中，具体如何根据P计算得到燃料电池工作中生成的理论水量Y为现有技术，其原理为，燃料电池系统工作功率P影响水的饱和含量，根据传统饱和水含量的计算即可算出，具体可参考作者为侯献军、杜传进等的《车用燃料电池发动机系统设计研究》的内容，该文献中指出，根据电堆设计功率，便可计算得到每小时消耗的H2质量和O2质量，进而计算得到燃料电池工作中生成的理论水量。而且，空气路吹入的空气的温度和吹扫后带出的液态水存在以下关系：空气路吹入的空气温度越低，吹扫后带出的液态水越多。依据该关系，便可修正根据燃料电池系统关机前其输出的功率P计算得到的燃料电池工作中生成的理论水量，使得到的理论水量更准确。
其次，在记录下T和P后，控制装置14控制空气路和氢气路在确定流量和确定压力下同时进行吹扫。其中，对于空气路，控制装置14控制打开第一阀门开关4，控制关闭第二阀门开关5，空压机2转速设置为R，节气门11开度设置为A，开展空气路的吹扫工作；对于氢气路，设置氢泵10的转速为R’，比例阀8的开度设置为A’，开展氢气路的吹扫工作。
然后，在开展空气路和氢气路的吹扫工作时，第一分水器12和第二分水器9将液态水分离出来，并通过液位收集装置13进行液态水的收集。同时，液位收集装置13中的液位传感器实时采集当前水量液位，并反馈给控制装置14。
接着，控制装置14根据液位传感反馈的液位信息，计算得到当前吹扫带出的实际水量X。比较理论水量Y和实际水量X，如X<Y，则继续吹扫，此时可改变空压机2转速、节气门11开度、氢阀转速以及比例阀开度，也可按照开始的设置值继续吹扫，直至X＝Y，停止吹扫。
整体来看，该系统通过比较理论水量和实际水量的大小来制定燃料电池系统的吹扫策略，在实际水量上升至理论水量时才停止吹扫，精准控制吹扫时间，以防水扫时间过长或过短，给燃料电池提供了一个良好的存储环境，保证了燃料电池的使用寿命。而且，该系统中采用两路吹扫管路，分别为氢气路和空气路，氢气路的设置可防止触电腐蚀。
在该实施例中，该系统采用两路吹扫管路，以对燃料电池进行吹扫。作为其他实施方式，可采用一路，例如只采用空气路对燃料电池进行吹扫，相应的分水器(气液分离装置)只需设置一个即可。而且，管路上一些阀门开关的数量、设置位置等可根据需求改变。相应所采用的方法的原理不变，均在燃料电池工作中生成的理论水量增加至吹扫带出的实际水量时才停止吹扫，在此之前持续吹扫。
在该实施例中，为了得到吹扫带出的实际水量X，设置了一个液体收集装置来收集分水器分离出的液态水，并配合设置在液位收集装置中的液位传感器来得到该值。作为其他实施方式，可在分水器的出口处设置检测液态水流量的流量传感器，根据流量和时间等参数也可计算出吹扫带出的实际水量X。
在该实施例中，为了得到燃料电池工作中生成的理论水量Y，根据外界空气温度T和燃料电池工作中输出的功率P来计算得到。作为其他实施方式，可只根据燃料电池工作中输出的功率P计算得到燃料电池工作中生成的理论水量Y，从而可加快计算理论水量Y的计算速度。而且，还可采用现有的其他方法来计算得到燃料电池工作中生成的理论水量Y。例如，可采用空气体积流量、氢气体积流量或压力等方法求解出，具体方式如下：
1)燃料电池反应方程式：2H2+O2＝2H2O，在空压机后端增加空气流量计，测量空气的流量V1(L/s)，根据氧气占比空气21％计算氧气的流量V2＝0.21*V1，单位时间内氧气的物质的量m(O2)＝V2/22.4*32，单位时间内产生的水的物质的量m(H2O)＝2*m(O2)，从而求出单位时间内产生的水的质量M(H2O)＝18*m(H2O)，根据水的密度和水的体积、温度的关系图，能够求出生成水的体积。
2)根据氢气体积流量或者压力，采用理想状态方程同方法1)可以求出。
方法实施例：
该实施例提供了一种燃料电池关机吹扫方法，如图3所示，具体步骤包括：
在燃料电池系统关机后，首先需要根据燃料电池工作中输出的功率和外界空气的温度计算得到燃料电池工作中生成的理论水量，并对燃料电池进行持续吹扫，然后对吹扫后的气体进行气液分离，收集并实时采集气液分离后得到的液态水的液位，以获得吹扫带出的实际水量，随着吹扫过程的持续进行，实际水量不断增加，在实际水量增加至理论水量时便可停止吹扫，以精确控制吹扫时间，防止吹扫时间过长或过短。
在对燃料电池进行吹扫时，可采用氢气路和空气路两路对燃料电池进行持续吹扫，或者只采用空气路进行吹扫。具体的吹扫方式不做限制。
该方法可应用于系统实施例中如图1所示的系统中，实现对吹扫时间的精准控制，以防吹扫时间过长或过短。在该系统中，采用两路管路对燃料电池进行持续吹扫时，且在空气路上设置氢阀和节气门，在氢气路上设置氢泵和比例阀，此时便可通过控制改变供空气路上空压机转速、空气路上节气门开度、氢泵转速和比例阀开度来改变吹扫的效率。
装置实施例：
该实施例提供了一种燃料电池关机吹扫装置，如图4所示，该装置包括存储器和处理器，以及总线和I/O接口，处理器、I/O接口、存储器之间通过总线完成相互间的通信。处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行如下方法：在燃料电池系统关机后，获取燃料电池工作中生成的理论水量；对燃料电池进行持续吹扫，对吹扫后的气体进行气液分离，采集吹扫带出的实际水量；比较理论水量和实际水量，直至实际水量增加至理论水量，停止吹扫。
上述存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

Claims (10)

1.一种燃料电池关机吹扫方法，其特征在于，包括如下步骤：
在燃料电池系统关机后，获取燃料电池工作中生成的理论水量；
对燃料电池进行持续吹扫，对吹扫后的气体进行气液分离，采集吹扫带出的实际水量；
比较理论水量和实际水量，直至实际水量增加至理论水量，停止吹扫。
2.根据权利要求1所述的燃料电池关机吹扫方法，其特征在于，根据燃料电池工作中输出的功率和外界空气的温度，计算得到所述燃料电池工作中生成的理论水量。
3.根据权利要求1所述的燃料电池关机吹扫方法，其特征在于，采用氢气路和空气路两路对燃料电池进行持续吹扫。
4.根据权利要求3所述的燃料电池关机吹扫方法，其特征在于，采用以下至少一种手段来改变吹扫的效率：控制改变供空气路上空压机转速、控制改变空气路上节气门开度、控制改变氢路上氢泵转速和控制改变氢路上比例阀开度。
5.根据权利要求1～4任一项所述的燃料电池关机吹扫方法，其特征在于，通过收集并检测气液分离后得到的液态水的液位来得到所述吹扫带出的实际水量。
6.一种燃料电池关机吹扫装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如权利要求1～5任一项所述的燃料电池关机吹扫方法。
7.一种燃料电池关机吹扫系统，其特征在于，包括供气管路和出气管路，还包括：
气液分离装置，设置在出空气管路上，用于对吹扫后的气体进行气液分离；
水量检测装置，用于检测吹扫带出的实际水量；
存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如下方法：
在燃料电池系统关机后，获取燃料电池工作中生成的理论水量；
对燃料电池进行持续吹扫，对吹扫后的气体进行气液分离，采集吹扫带出的实际水量；
比较理论水量和实际水量，直至实际水量增加至理论水量，停止吹扫。
8.根据权利要求7所述的燃料电池关机吹扫系统，其特征在于，所述供气管路包括供空气管路和供氢气管路，所述出气管路包括出空气管路和出氢气管路；所述供空气管路上设置有空压机，用于向燃料电池供给空气；所述出氢气管路上设置有氢泵；所述气液分离装置包括第一气液装置和第二气液分离装置，分别设置在出空气管路和出氢气管路上。
9.根据权利要求7所述的燃料电池关机吹扫系统，其特征在于，该系统还包括液体收集装置，用于收集气液分离装置分离出的液态水；且所述水量检测装置为设置在液体收集装置中的液位传感器。
10.根据权利要求8或9所述的燃料电池关机吹扫系统，其特征在于，该系统还包括温度传感器，设置在供空气管路的进气口处，用于采集外界空气的温度；用于根据燃料电池工作中输出的功率和外界空气的温度，计算得到所述燃料电池工作中生成的理论水量。
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