一种燃料电池系统排水装置及方法与流程

1.本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统排水装置及方法。


背景技术：

2.燃料电池是通过电化学反应将氢燃料中的化学能转化为电能的装置，因具有能量转换率高、反应产物清洁无污染和适应性强等优点，被视作是一种发展前景广阔的能源动力装置。
3.氢燃料电池的反应产物仅为水，主要在阴极产生，然而由于阴阳两极浓度梯度的影响，阴极产生的水会透过质子交换膜渗透至阳极，若不进行气水分离，及时排出分离出的水，势必出现阳极侧“水淹”，对阳极零部件和系统的正常工作造成影响，甚至影响电堆寿命。
4.因此，有必要在电堆阳极出口安装气水分离器，分离出气体中携带的水分，通过排水阀将其排出。在排水方法上，脉冲式排放应用较多，此方法虽然操作简单，在高功率工况下却极易因排水不及时堵塞流道或过度排水造成较大的压力波动，而在低功率工况下则会因排水时间过长将氢气排出，降低了燃料利用率，且排水阀的频繁开闭亦会缩短其使用寿命。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种可将分离出的水及时有效地排出且防止氢气排出的燃料电池系统排水装置及方法。
6.本发明所采用的技术方案为：
7.一种燃料电池系统排水装置，包括气水分离器，气水分离器包括相互连通的气水分离腔和储水腔，储水腔的底部设置有出水口，储水腔的出水口处连接有排水阀，排水阀的另一端连接有孔板，孔板的另一端连接有排水管。
8.气水分离腔将电堆阳极出口流体中的氢气和水进行分离，水进入储水腔。打开排水阀时，水经孔板和排水管排出。孔板能稳定水流速度，防止氢气经孔板排出，可相应提高氢气的利用率。
9.在燃料电池高功率工况下选择排水阀常开的方式进行排水，使得储水腔内的水恰好能完全排出，且无气体排出，防止了因水分过度排放而造成的压力波动。而在燃料电池低功率工况下，由于电堆产水量较少，则选择脉冲式排水的方式，防止氢气的排出。
10.作为本发明的优选方案，所述孔板的孔个数≥1个。
11.作为本发明的优选方案，所述储水腔内部的底部从边缘向出水口倾斜，出水口位于储水腔的最低点。储水腔内的水能从斜坡流到出水口，便于液体汇集和排出。
12.作为本发明的优选方案，所述孔板的数量≥1个。
13.作为本发明的优选方案，所述孔板的形状为方形或圆形。
14.作为本发明的优选方案，所述孔板的所有孔的孔径之和小于排水阀的通径，从而
水流出时更加稳定，防止氢气排出。
15.作为本发明的优选方案，所述孔板通径满足：孔板最大排水量大于电堆反应渗透到阳极侧的水量。孔板的总通径保证电堆反应渗透到阳极侧的水能及时排出，避免阳极侧“水淹”。其中，电堆反应渗透到阳极侧的水量以燃料电池正常工况或额定工况进行测定，孔板的最大排水量根据孔板的总通径进行计算。
16.一种燃料电池系统排水方法，包括以下步骤：
17.s1：用气水分离器对电堆阳极出口流体中的氢气和水进行分离；
18.s2：在燃料电池功率≥限定功率时，将排水阀常开；在燃料电池功率＜限定功率时，将排水阀置于常闭状态且周期性地开启；
19.s3：经过排水阀的水由孔板排出到排水管。
20.在燃料电池高功率工况下选择排水阀常开的方式进行排水，使得储水腔内的水恰好能完全排出，且无气体排出，防止了因水分过度排放而造成的压力波动。而在燃料电池低功率工况下，由于电堆产水量较少，则选择脉冲式排水的方式，防止氢气的排出。
21.作为本发明的优选方案，在步骤s1中，气水分离器将氢气和水分离后，水从储水腔的内部的底部斜面汇集到出水口。
22.作为本发明的优选方案，在步骤s3中，所述孔板的通径满足：孔板最大排水量大于电堆反应渗透到阳极侧的水量。其中，电堆反应渗透到阳极侧的水量以燃料电池正常工况或额定工况进行测定，孔板的最大排水量根据孔板的总通径进行计算。
23.本发明的有益效果为：
24.1.本发明的气水分离腔将电堆阳极出口流体中的氢气和水进行分离，水进入储水腔。打开排水阀时，水经孔板和排水管排出。孔板能稳定水流速度，防止氢气经孔板排出，可相应提高氢气的利用率。
25.2.在燃料电池高功率工况下选择排水阀常开的方式进行排水，使得储水腔内的水恰好能完全排出，且无气体排出，防止了因水分过度排放而造成的压力波动。而在燃料电池低功率工况下，由于电堆产水量较少，则选择脉冲式排水的方式，防止氢气的排出。
附图说明
26.图1是本发明的结构示意图；
27.图2是气水分离器的结构示意图；
28.图3是储水腔的结构示意图。
29.图中，1-气水分离器；2-排水阀；3-孔板；4-气水分离腔；5-储水腔； 6-出水口。
具体实施方式
30.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
31.如图1～图3所示，本实施例的燃料电池系统排水装置，包括气水分离器1，气水分离器1包括相互连通的气水分离腔4和储水腔5，储水腔5的的底部设置有出水口6，储水腔5的出水口6处连接有排水阀2，排水阀2 的另一端连接有孔板3，孔板3的另一端连接有排水
管。
32.气水分离腔4将电堆阳极出口流体中的氢气和水进行分离，水进入储水腔5。打开排水阀2时，水经孔板3和排水管排出。孔板3能稳定水流速度，防止氢气经孔板3排出，可相应提高氢气的利用率。
33.在燃料电池高功率工况下选择排水阀2常开的方式进行排水，使得储水腔5内的水恰好能完全排出，且无气体排出，防止了因水分过度排放而造成的压力波动。而在燃料电池低功率工况下，由于电堆产水量较少，则选择脉冲式排水的方式，防止氢气的排出。
34.具体地，在排水方式上，燃料电池功率≥限定功率的工况下，储水腔5 内水汇集较快，排水量较大，排水阀2常开，保证储水腔5内水顺利排出；燃料电池功率＜限定功率的工况下，储水腔5内水汇集较慢，排水阀2处于常闭状态，需周期性地开启排水阀2，排出水分。其中，限定功率可为额定功率的50％。
35.其中，所述孔板的孔个数≥1个。
36.所述孔板3的所有孔的孔径之和小于排水阀2的通径，从而水流出时更加稳定，防止氢气排出。
37.所述孔板3通径满足：孔板3最大排水量大于电堆反应渗透到阳极侧的水量。孔板3的总通径保证电堆反应渗透到阳极侧的水能及时排出，避免阳极侧“水淹”。其中，电堆反应渗透到阳极侧的水量以燃料电池正常工况或额定工况进行测定，孔板3的最大排水量根据孔板3的总通径进行计算。
38.所述孔板3的个数≥1个。孔板3可安装在排水阀2排水口内，亦可安装在排水口下游。孔板3形状可为方形和圆形。孔板3安装方式可为水平安装和竖直安装，具体视管道流向而定。
39.更进一步，所述储水腔5内部的底部从边缘向出水口6倾斜，出水口6 位于储水腔5的最低点。储水腔5内的水能从斜坡流到出水口6，便于液体汇集和排出。
40.一种燃料电池系统排水方法，包括以下步骤：
41.s1：用气水分离器1对电堆阳极出口流体中的氢气和水进行分离；
42.s2：在燃料电池功率≥限定功率时，将排水阀2常开；在燃料电池功率＜限定功率时，将排水阀2置于常闭状态且周期性地开启；其中，限定功率可为额定功率的50％；
43.s3：经过排水阀2的水由孔板3排出到排水管。
44.在燃料电池高功率工况下选择排水阀2常开的方式进行排水，使得储水腔5内的水恰好能完全排出，且无气体排出，防止了因水分过度排放而造成的压力波动。而在燃料电池低功率工况下，由于电堆产水量较少，则选择脉冲式排水的方式，防止氢气的排出。
45.在步骤s1中，气水分离器1将氢气和水分离后，水从储水腔5的内部的底部斜面汇集到出水口6。
46.在步骤s3中，所述孔板3的通径满足：孔板3最大排水量大于电堆反应渗透到阳极侧的水量。其中，电堆反应渗透到阳极侧的水量以燃料电池正常工况或额定工况进行测定，孔板3的最大排水量根据孔板3的总通径进行计算。
47.本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。