一种适应于水陆两栖工况的氢空燃料电池系统及控制方法与流程

1.本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种适应于水陆两栖工况的氢空燃料电池系统及控制方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池工作原理是：氢气或其他燃料进入到阳极，并在电极和电解质的界面上发生氧化与氧气还原的电化学反应，产生电流，输出电能。质子交换膜燃料电池的阳极反应气体一般为氢气或重整氢气，阴极氧化剂为纯氧或者空气，氢气通过导气板上的导气通道到达阳极，在阳极催化剂的作用下发生电极反应分解为氢离子和电子，氢离子通过质子交换膜后到达阴极，电子通过外电路到达阴极，使用燃料电池一般就是利用电子在外电路产生电能的这一过程。在阴极端空气或纯氧通过导气板上导气通道到达阴极，氧分子在催化剂的作用下与到达阴极的氢离子和电子反应生成水并释放出热量，水通过电极随尾气排出。
3.其中，质子交换膜燃料电池按照阴极氧化剂的不同，可以细分为纯氧和空气两种，即所谓的氢空燃料电池和氢氧燃料电池，以上两种的技术路线的基本结构相同，但是内部设计会存在较大差异，整体来说，氢氧燃料电池电堆的总体设计难度要大于氢空燃料电池电堆。相对于氢空燃料电池电堆，氢氧燃料电池电堆的研究设计过程要考虑更高的氢氧利用率、更严格的密封要求、更安静的运行要求、更智能的自反馈调节能力。目前氢空燃料电池普遍在交通领域进行规模示范应用，而氢氧燃料电池基本还处于实验室研究阶段，因此氢空燃料电池的成熟度远高于氢氧燃料电池。
4.本发明专利主要利用成熟的氢空燃料电池产品，解决燃料电池技术在水陆两栖车辆中的应用。


技术实现要素：

5.本发明专利提供了一种适应于水陆两栖工况的氢空燃料电池系统及控制方法，实现了氢空燃料电池系统在水下或无氧的环境中的正常使用。
6.本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种适应于水陆两栖工况的氢空燃料电池系统，包括氢空燃料电池；
7.阳极供气模块，包括与氢空燃料电池阳极进气口相连的氢气储罐；
8.阴极水下供气模块，包括与氢空燃料电池阴极进气口相连的空气配比模块、分别与空气配比模块相连的氧气储罐和氮气储罐，所述空气配比模块用于对氧气储罐中的氧气和氮气储罐的氮气进行配比以及对配比后的气体进行减压；由于氮气和氧气气化后都是带压的，混合后的气体压力一般都要减压到燃料电池系统的压力需求；
9.阴极陆上供气模块，包括按照气体进入方向依次连接的空气滤清器、空气压缩机、增湿器，所述增湿器出气口与氢空燃料电池阴极进气口相连；
10.陆上尾排模块，包括与氢空燃料电池尾排出口相连的第一排气单向阀，所述氢空
燃料电池尾排出口与第一排气单向阀之间设置有第一阀门；所述第一阀门用于控制氢空燃料电池尾排出口与第一排气单向阀之间气体输送的通断；
11.水下尾排模块，包括与氢空燃料电池尾排出口相连的气液分离器，所述氢空燃料电池尾排出口与气液分离器之间设置有第二阀门，所述第二阀门用于控制氢空燃料电池尾排出口与气液分离器之间气体输送的通断；所述气液分离器气体出口与空气配比模块相连，所述空气配比模块用于对气液分离器分离出的气体进行配比和加压，所述气液分离器液体出口按照尾排方向依次设置有尾排储水罐和尾排水泵，在利用水下尾排模块时，能够回收利用氢空燃料电池尾排出的水对反应气体进行加湿，因此不需要另外设置增湿器。
12.本发明的技术方案还有：所述空气滤清器进气口设置有水浸传感器，所述水浸传感器用于监测空气滤清器进气口与液面的位置关系以判断所述的适应于水陆两栖工况的氢空燃料电池系统是否位于水下；
13.所述空气滤清器进气口设置有第一氧气浓度传感器，所述第一氧气浓度传感器用于监测空气滤清器进气口处气体的含氧量以判断所述的适应于水陆两栖工况的氢空燃料电池系统是否处于无氧环境；
14.所述第一排气单向阀出口设置有温度传感器，所述温度传感器用于监测第一排气单向阀出口处的温度是否低于水蒸气冷凝温度。利用水浸传感器监测空气滤清器进气口与液面的位置关系以判断系统是否位于水下，如果空气滤清器进气口位于水下，则不满足阴极陆上供气模块的供气条件，需要转换成阴极水下供气模块对燃料电池阴极进行供气；利用第一氧气浓度传感器用于监测空气滤清器进气口处气体的含氧量以判断系统是否处于无氧环境，如果空气滤清器进气口处于无氧环境下，则不满足阴极陆上供气模块的供气条件，需要转换成阴极水下供气模块对燃料电池阴极进行供气；利用温度传感器监测第一排气单向阀出口处的温度是否低于水蒸气冷凝温度，如果第一排气单向阀出口处的温度低于水蒸气冷凝温度，则水蒸气无法以气态排出，会造成液体水回流到燃料电池阴极影响电池性能，因此需要利用水下尾排模块对氢空燃料电池进行尾排。
15.本发明的技术方案还有：所述空气配比模块包括与氧气储罐连接的氧气输送管道、与氮气储罐连接的氮气输送管道、与氢空燃料电池阴极进气口相连的空气输送管道，所述氧气输送管道出口、所述氮气输送管道出口分别与所述空气输送管道入口连接；
16.所述氧气输送管道上设置有氧气控制阀、氧气输送泵，所述氮气输送管道上设置有氮气控制阀、氮气输送泵，所述空气输送管道上沿气流方向依次设置有第一压力传感器和减压阀。利用氧气控制阀、氧气输送泵控制氧气的输送量和压力值，利用氮气控制阀、氮气输送泵控制氮气的输送量和压力值，实现对氧气和氮气的配比和配比后气体的压力控制，保证减压阀进口处的气体压力值满足减压阀的工作要求，通过设置减压阀能够对混合气体进行减压并且使减压阀输出气体压力保持在设定值，以满足燃料电池的供气要求。
17.本发明的技术方案还有：所述空气配比模块还包括低温泵、气化器和缓冲罐，所述氧气储罐为液氧储罐，在氧气控制阀和氧气输送泵之间按照气流方向依次设置有低温泵、气化器和缓冲罐。将氧气以液态进行存储，有助于增大氧气携带量，提升燃料电池的续航里程，利用气化器将液氧转化成气态的氧，利用缓冲罐存储气态的氧，避免氧气输送中断。
18.本发明的技术方案还有：所述空气配比模块还包括第二氧气浓度传感器、第三氧气浓度传感器以及与气液分离器气体出口相连的空气循环泵，所述空气循环泵出口与空气
输送管道入口相连，所述空气循环泵出口与空气输送管道入口之间设置有第三氧气浓度传感器，所述空气输送管道在第一压力传感器前侧设置有第二氧气浓度传感器。通过设置空气循环泵将气液分离器分离出的气体回收重新参与配比，实现了氧气和氮气的回收利用，减少了氮气携带量，通过第三氧气浓度传感器监测回收气体的氧气浓度值，以判断补充氧气还是氮气，通过第二氧气浓度传感器监测配比后气体的氧气含量值是否满足燃料电池的工作要求。
19.本发明的技术方案还有：所述氢气储罐与氢空燃料电池之间按照氢气供给方向依次设置有二级减压阀和第二压力传感器。利用二级减压阀对氢气储罐中的氢气进行减压后提供给氢空燃料电池，利用第二压力传感器实时监测氢气的压力值。
20.本发明的技术方案还有：还包括与氢空燃料电池氢气出口相连的氢气循环泵，所述氢气循环泵出口与氢空燃料电池氢气入口相连。利用氢气循环泵将氢空燃料电池反应后剩余的氢气重新回收利用，有助于提升燃料电池的续航里程。
21.本发明的技术方案还有：还包括与氢空燃料电池散热口连接的散热系统，所述散热系统与气化器相连，所述散热系统用于对氢空燃料电池进行散热。气化器需要吸热实现将液氧转变成气态氧气的目的，散热系统将氢空燃料电池产生的热量传递给气化器，实现了能量的合理利用，减少了能源消耗。
22.本发明还公开了一种适应于水陆两栖工况的氢空燃料电池系统的控制方法，包括以下步骤：当系统处于陆上环境时或处于有氧环境时，启动空气滤清器、空气压缩机和增湿器，为氢空燃料电池阴极提供空气供给，将氢空燃料电池产生的水蒸气和反应后的空气通过第一排气单向阀排出；
23.当系统处于水下环境时或处于无氧环境时，利用空气配比模块对氧气储罐中的氧气、氮气储罐的氮气进行配比并对配比后的气体进行减压后供给氢空燃料电池阴极；
24.当系统处于水下环境时，利用气液分离器对氢空燃料电池尾排出口的尾排物进行气液分离，将分离出的水集中在尾排储水罐中，当尾排储水罐中集中的水达到设定体积时，打开尾排水泵将尾排储水罐中的水排出；
25.当系统处于水下环境时，利用气液分离器对氢空燃料电池尾排出口的尾排物进行气液分离，将分离出的气体通过空气配比模块将气液分离器分离出的气体进行重新配比和加压，返回到氢空燃料电池阴极进气口，实现氮气的循环利用。
26.本发明的技术方案还有：还包括以下步骤：当系统所处温度无法将尾排的水蒸气以气体状态排出时，利用气液分离器对氢空燃料电池尾排出口的尾排物进行气液分离，将分离出的水集中在尾排储水罐中，当尾排储水罐中集中的水达到设定体积时，打开尾排水泵将尾排储水罐中的水排出。当尾排的水蒸气无法通过以气体状态排出时，会在电池系统内冷凝成液体进入燃料电池的阴极，影响电池的性能，因此通过气液分离将水蒸气提前与尾排出的空气分离存储在尾排储水罐中，避免影响电池工作性能。
27.本发明的有益效果：本发明专利提供了一种适应于水陆两栖工况的氢空燃料电池系统，在水下或无氧环境下使用阴极水下供气模块对氢空燃料电池阴极进行供气，并且通过增设气液分离器、尾排储水罐、尾排水泵，将尾排出的水蒸气与剩余空气分离出来储存在尾排储水罐中，然后通过尾排水泵将尾排储水罐中的水排出，实现了氢空燃料电池系统水下运行；在陆地上使用阴极陆上供气模块对氢空燃料电池阴极进行供气，提升了系统整体
的续航里程；本发明在其控制方法中，综合考虑水下环境对供气和尾排系统的影响，提供对应的解决方案，满足燃料电池水下工作的同时实现了气体的循环使用，提升了系统的续航里程。
28.本发明的主要构思：
29.1、本发明利用成熟的氢空燃料电池系统，节省了开发成本并且能够推广应用，当氢空燃料电池系统处于水下和无氧条件下，由于无法吸收到空气，本发明设置阴极水下供气模块，利用空气配比模块对氧气储罐中的氧气和氮气储罐中的氮气进行配比和减压以满足氢空燃料电池阴极供气的需求，并考虑到氢空燃料电池系统处于水下时，尾排系统排出的水蒸气会在水的冷却下凝结成液体进入燃料电池的阴极，影响电池的性能，本发明通过增设气液分离器、尾排储水罐、尾排水泵，将尾排出的水蒸气与剩余空气分离出来储存在尾排储水罐中，然后通过尾排水泵将尾排储水罐中的水排出，实现了氢空燃料电池系统水下运行；
30.2、为了降低氮气和氧气的携带量，采用空气循环系统将反应后剩余的氮气和氧气进行再回收利用，由于氮气不会参与氢空燃料电池内的反应而被消耗，能够重复利用，从而能够减少氮气携带量，并且氧气采用液氧形式存储，增加了氢空燃料电池系统的续航里程；
31.3、本发明在设置阴极水下供气模块的基础上，利用常用的空气供应系统作为阴极陆上供气模块，在陆地使用空气供应系统直接利用空气对氢空燃料电池阴极进行供气，在水下或无氧环境下使用阴极水下供气模块对氢空燃料电池阴极进行供气，提升了系统整体的续航里程。
32.目前氢空燃料电池普遍在交通领域进行规模示范应用，而氢氧燃料电池基本还处于实验室研究阶段，因此，氢空燃料电池的成熟度远高于氢氧燃料电池。采用本发明系统能够实现成熟的氢空燃料电池系统在水下或无氧环境中使用，使燃料电池产品满足更大范围的运用。
附图说明
33.图1为本发明所述适应于水陆两栖工况的氢空燃料电池系统的结构示意图；
34.图2为本发明所述适应于水陆两栖工况的氢空燃料电池系统的供气控制流程图；
35.图3为本发明所述适应于水陆两栖工况的氢空燃料电池系统的尾排控制流程图；
36.图中，1氢空燃料电池、2氢气储罐、3氧气储罐、4氮气储罐、5空气滤清器、51水浸传感器、52第一氧气浓度传感器；
37.6空气压缩机、7增湿器、8第一排气单向阀、81温度传感器；
38.9第一阀门、10气液分离器、11尾排储水罐、12尾排水泵、13第二阀门；
39.14氧气输送管道、141氧气控制阀、142氧气输送泵；
40.15氮气输送管道、151氮气控制阀、152氮气输送泵；
41.16空气输送管道、160减压阀、161第一压力传感器、162第二氧气浓度传感器；
42.17低温泵、18气化器、19缓冲罐、20空气循环泵、21第三氧气浓度传感器、22二级减压阀、23第二压力传感器、24氢气循环泵、25散热系统、26氢气控制阀；
43.31氧气单向阀、41氮气单向阀、201空气循环单向阀、241氢气循环单向阀。
具体实施方式
44.下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，本发明实施例中设置控制模块主要是为了实现自动化控制功能，本发明通过人为控制同样能够实现系统的基本功能。
45.实施例1
46.如图1-图3所示，一种适应于水陆两栖工况的氢空燃料电池系统，包括氢空燃料电池1、阳极供气模块、阴极水下供气模块、阴极陆上供气模块、陆上尾排模块、水下尾排模块和控制模块。
47.所述阳极供气模块，包括与氢空燃料电池1阳极进气口相连的氢气储罐2。
48.所述阴极水下供气模块，包括与氢空燃料电池1阴极进气口相连的空气配比模块、分别与空气配比模块相连的氧气储罐3和氮气储罐4，所述空气配比模块用于对氧气储罐3中的氧气和氮气储罐4的氮气进行配比以及对配比后的气体进行减压。
49.所述阴极陆上供气模块，包括按照气体进入方向依次连接的空气滤清器5、空气压缩机6、增湿器7，所述增湿器7出气口与氢空燃料电池1阴极进气口相连，所述空气滤清器5进气口设置有水浸传感器51，所述水浸传感器51用于监测空气滤清器5进气口与液面的位置关系。
50.所述陆上尾排模块，包括与氢空燃料电池1尾排出口相连的第一排气单向阀8，所述氢空燃料电池1尾排出口与第一排气单向阀8之间设置有第一阀门9，所述第一排气单向阀8出口设置有温度传感器81，所述温度传感器81用于监测第一排气单向阀8出口处的温度是否低于水蒸气冷凝温度。
51.所述水下尾排模块，包括与氢空燃料电池1尾排出口相连的气液分离器10，所述气液分离器10气体出口与空气配比模块相连，所述空气配比模块用于对气液分离器10分离出的气体进行配比和加压，所述气液分离器10液体出口按照尾排方向依次设置有尾排储水罐11和尾排水泵12，氢空燃料电池1尾排出口与气液分离器10之间设置有第二阀门13。
52.所述控制模块，用于当水浸传感器51监测到的空气滤清器5进气口位于液面之下时控制阴极水下供气模块对氢空燃料电池1进行供气，控制水下尾排模块对氢空燃料电池1进行尾排。
53.所述控制模块还用于当水浸传感器51监测到的空气滤清器5进气口位于液面之上时控制阴极陆上供气模块对氢空燃料电池1进行供气，控制陆上尾排模块对氢空燃料电池1进行尾排。
54.所述控制模块还用于当第一排气单向阀8出口处的温度低于水蒸气冷凝温度时，控制水下尾排模块对氢空燃料电池1进行尾排。
55.所述空气滤清器5进气口设置有第一氧气浓度传感器52，所述第一氧气浓度传感器52用于监测空气滤清器5进气口处气体的含氧量。
56.所述控制模块，还用于当第一氧气浓度传感器52监测到的空气滤清器5进气口处气体的含氧量低于设定氧气浓度阈值时，控制阴极水下供气模块对氢空燃料电池1进行供气。
57.所述空气配比模块包括与氧气储罐3连接的氧气输送管道14、与氮气储罐4连接的氮气输送管道15、与氢空燃料电池1阴极进气口相连的空气输送管道16，所述氧气输送管道14出口、所述氮气输送管道15出口通过三通与所述空气输送管道16入口连接。
58.所述氧气输送管道14上设置有氧气控制阀141、氧气输送泵142，所述氮气输送管道15上设置有氮气控制阀151、氮气输送泵152，所述空气输送管道16上沿气流方向依次设置有第一压力传感器161和减压阀160。
59.所述空气配比模块还包括低温泵17、气化器18和缓冲罐19，所述氧气储罐3为液氧储罐，在氧气控制阀141和氧气输送泵142之间按照气流方向依次设置有低温泵17、气化器18和缓冲罐19。
60.所述空气配比模块还包括第二氧气浓度传感器162、第三氧气浓度传感器21以及与气液分离器10气体出口相连的空气循环泵20，所述空气循环泵20出口与空气输送管道16入口相连，所述空气循环泵20出口与空气输送管道16入口之间设置有第三氧气浓度传感器21，所述空气输送管道16在第一压力传感器161前侧设置有第二氧气浓度传感器162。
61.所述氢气储罐2与氢空燃料电池1之间按照氢气供给方向依次设置有氢气控制阀26、二级减压阀22和第二压力传感器23，利用氢气控制阀26控制氢气储罐2输出氢气的流量和通断。
62.所述适应于水陆两栖工况的氢空燃料电池系统还包括与氢空燃料电池1氢气出口相连的氢气循环泵24，所述氢气循环泵24出口与氢空燃料电池1氢气入口相连。
63.所述适应于水陆两栖工况的氢空燃料电池系统还包括与氢空燃料电池1散热口连接的散热系统25，所述散热系统25与气化器18相连，所述散热系统25用于对氢空燃料电池1进行散热。
64.为了防止氧气储罐3、氮气储罐4中进入水汽，在氧气储罐3出口、氮气储罐4出口分别设置有氧气单向阀31、氮气单向阀41；为防止循环气体的倒流，空气循环泵20出口和氢气循环泵24出口分别设置有空气循环单向阀201、氢气循环单向阀241。
65.实施例2
66.如图1-图3所示，一种适应于水陆两栖工况的氢空燃料电池系统的控制方法，包括以下步骤：利用水浸传感器51监测空气滤清器5进气口与液面的位置关系。
67.当空气滤清器5进气口位于液面之上时，启动空气滤清器5、空气压缩机6和增湿器7，为氢空燃料电池1提供空气供给，同时关闭第二阀门13，打开第一阀门9，将氢空燃料电池1产生的水和反应后的空气通过第一排气单向阀8排出。
68.当空气滤清器5进气口位于液面之下时，分别控制氧气控制阀141的开启程度和氮气控制阀151的开启程度对氧气储罐3中的氧气和氮气储罐4中的氮气进行配比，并利用氧气输送泵142、氮气输送泵152对配比后的气体进行减压后供给氢空燃料电池1；同时关闭第一阀门9，开启第二阀门13、气液分离器10，将氢空燃料电池1产生的水集中在尾排储水罐11中，当尾排储水罐11中集中的水达到设定体积时，打开尾排水泵12将尾排储水罐11中的水排出。
69.当空气滤清器5进气口位于液面之下时，利用气液分离器10对氢空燃料电池1尾排出口的尾排物进行气液分离，将分离出的气体通过空气循环泵20返回到氢空燃料电池1阴极进气口，实现氮气的循环利用，并利用第三氧气浓度传感器21实时监测分离出的气体中
的氧气含量，根据监测到的氧气含量，开启氧气储罐3补充氧气或开启氮气储罐4补充氮气，利用第二氧气浓度传感器162实时监测配比后的氧气浓度是否满足氢空燃料电池1的工作要求，同时根据第一压力传感器161监测到减压阀160入口处的气体压力，利用氧气输送泵142、氮气输送泵152调节混合气体的压力，使其满足减压阀160的工作要求，然后通过减压阀160减压，输出稳定压力的混合气体以满足氢空燃料电池1阴极进气口处的气体压力需求。
70.实施例3
71.如图1-图3所示，一种适应于水陆两栖工况的氢空燃料电池系统的控制方法，还包括以下步骤，
72.利用水浸传感器51监测空气滤清器5进气口与液面的位置关系同时利用第一氧气浓度传感器52监测空气滤清器5进气口处气体的氧气含量；当空气滤清器5进气口位于液面之上，同时空气滤清器5进气口处气体的氧气含量低于设定氧气浓度阈值时，分别控制氧气控制阀141的开启程度和氮气控制阀151的开启程度对氧气储罐3中的氧气和氮气储罐4中的氮气进行配比，并利用氧气输送泵142、氮气输送泵152以及减压阀160对混合气体进行调压稳压后供给氢空燃料电池1。
73.利用温度传感器81实时监测第一排气单向阀8出口的温度，当第一排气单向阀8出口的温度低于设定温度阈值时，关闭第一阀门9，开启第二阀门13、气液分离器10，将氢空燃料电池1产生的水集中在尾排储水罐11中，当尾排储水罐11中集中的水达到设定体积时，打开尾排水泵12将尾排储水罐11中的水排出。