一种燃料电池系统及其停机阳极吹扫方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池系统及其停机阳极吹扫方法。


背景技术：

2.氢燃料，是一种清洁、无污染的可再生能源，正在被越来越多的领域使用。氢燃料电池可以将氢气转化为电能和热能，氢燃料电池在工作时，不仅发电效率高，而且具有噪音小、无污染等优点。
3.燃料电池电堆包括阴极和阳极，燃料电池电堆在工作时，氢气在阳极发生电化学反应，空气在阴极发生电化学反应。在燃料电池系统停机过程中，需要对燃料电池电堆的阴极和阳极进行吹扫。通过对阳极吹扫，排出阳极流道和管路中的液态水；通过对阴极吹扫，不仅排出阴极流道和管路中的液态水，而且降低膜电极水含量，以备下一次启动。另外，通过排出液态水，有利于防止低温下流道和管路出现结冰从而阻塞流道和管路的情况发生。其中，阴极使用空气进行吹扫，阳极则使用氢气进行吹扫。
4.对于阳极氢气吹扫的时长是难以把握的，现有技术为防止阳极液态水残留，通常采取过量吹扫方式，从而造成了氢气的浪费，降低了氢气利用率；或者是，氢气吹扫时间过短，造成阳极液态积水未充分去除。


技术实现要素：

5.本发明为解决上述技术问题之一，提供一种燃料电池系统及其停机阳极吹扫方法，通过氢气比例阀的开度情况来判断阳极液态水是否吹扫完毕，使阳极停机吹扫形成闭环反馈，节约氢气吹扫用量，从而节约成本。
6.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池系统，包括电堆、供氢单元、氢气比例阀、氢气引射器、气水分离器和排水排气阀，所述电堆包括阳极入口和阳极出口，供氢单元、氢气比例阀、氢气引射器和电堆的阳极入口依次连接，电堆的阳极出口连接气水分离器，气水分离器连接氢气引射器和排水排气阀；所述燃料电池系统还包括控制单元，所述控制单元连接氢气比例阀和排水排气阀；所述控制单元用于：在燃料电池系统停机吹扫过程中，控制单元周期性地开启排水排气阀，排水排气阀每一次的开启时长为t1，排水排气阀每两次开启的间隔时间为t2；控制单元适应性调节氢气比例阀开度，以维持电堆的阳极压力处于规定压力；控制单元记录排水排气阀每一次开启过程中氢气比例阀的开度变化，并计算记录排水排气阀每一次开启过程中氢气比例阀的平均开度，当氢气比例阀第n次的平均开度减去第n-1次的平均开度小于设定阈值时，则燃料电池系统停止电堆的阳极吹扫。
7.本发明另一目的是提供一种燃料电池系统停机阳极吹扫方法，其运行于一种燃料电池系统上，包括以下步骤：
燃料电池系统停机时，在电堆的阳极侧，供氢单元的氢气进入电堆阳极进行吹扫；阳极吹扫过程中，周期性地开启排水排气阀，排水排气阀每一次的开启时长为t1，排水排气阀每两次开启的间隔时间为t2；适应性调节氢气比例阀开度，以维持电堆的阳极压力处于规定压力；记录排水排气阀每一次开启过程中氢气比例阀的开度变化，并计算记录排水排气阀每一次开启过程中氢气比例阀的平均开度，当氢气比例阀第n次的平均开度减去第n-1次的平均开度小于设定阈值时，则停止电堆的阳极吹扫。
8.采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：本发明通过氢气比例阀的开度情况来判断阳极液态水是否吹扫完毕保证阳极积水得到充分去除，且大大节约氢气吹扫用量，从而节约成本；另外，本发明使得阳极停机吹扫形成闭环反馈。
附图说明
9.图1为本发明一种燃料电池系统的结构示意图。
10.图2为本发明一种燃料电池系统停机阳极吹扫方法的步骤流程图。
11.图3为本发明为氢气比例阀5的开度和排水排气阀8的开启随时间变化的状态图。
12.图4为本发明电堆阳极出口管路的两相流型图。
具体实施方式
13.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本技术作进一步详细说明。
14.实施例1如图1所示，本实施例公开一种燃料电池系统，包括电堆1、空压机2、中冷器3、空气背压阀4、氢气比例阀5、氢气引射器6、气水分离器7、排水排气阀8、供氢单元9和压力传感器10，所述电堆1包括阳极入口、阳极出口、阴极入口和阴极出口；空压机2、中冷器3和电堆1的阴极入口依次连接，电堆1的阴极出口连接空气背压阀4；供氢单元9、氢气比例阀5、氢气引射器6和电堆1的阳极入口依次连接，电堆1的阳极出口连接气水分离器7，气水分离器7连接氢气引射器6和排水排气阀8；所述压力传感器10连接电堆1的阳极入口。
15.所述供氢单元9用于给电堆1的阳极侧供应氢气；所述氢气比例阀5用于接收供氢单元9的氢气并对氢气进行减压后，将氢气输入所述氢气引射器6；所述用于接收氢气比例阀5输送的氢气以及气水分离器7输送的氢气，并将接收氢气输入电堆1的阳极；所述气水分离器7用于接收电堆1阳极排放出来的气水混合物，并将气水混合物进行分离，分离得到的氢气输送至氢气引射器6；所述排水排气阀8用于排放气水分离器7中的水；所述一种燃料电池系统还包括控制单元11，所述控制单元11连接氢气比例阀5、排水排气阀8和压力传感器10；所述控制单元11用于：在燃料电池系统停机吹扫过程中，控制单元11周期性地开启排水排气阀8，排水排气阀8每一次的开启时长为t1，排水排气阀8每两次开启的间隔时间
为t2；控制单元11适应性调节氢气比例阀5开度，以维持电堆1的阳极压力处于规定压力；控制单元11记录排水排气阀8每一次开启过程中氢气比例阀5的开度变化，并计算记录排水排气阀8每一次开启过程中氢气比例阀5的平均开度，当氢气比例阀5第n次的平均开度减去第n-1次的平均开度小于设定阈值时，则燃料电池系统停止电堆1的阳极吹扫。
16.本实施例主要是通过比较排水排气阀8开启时氢气比例阀开度5的变化，来判断阳极是否还有液态积水，当达到判断条件后，即停止阳极吹扫，使阳极停机吹扫形成闭环反馈，节约氢气吹扫用量。
17.实施例2本实施例公开一种燃料电池系统停机阳极吹扫方法，其运行于实施例1所述的一种燃料电池系统上，如图2所示，具体步骤为：燃料电池系统正常停机时，在电堆1的阴极侧，通过空压机2驱动的空气经过中冷器3冷却后进入电堆1阴极进行吹扫，空气背压阀4控制电堆1阴极侧的空气压力；在电堆1的阳极侧，供氢单元9的高压氢气经过氢气比例阀5减压后，通过氢气引射器6喷射进入电堆1阳极进行吹扫，同时氢气引射器6吸收电堆1阳极出口的废气从而形成氢气再循环利用，排水排气阀8定时开启，将气水分离器7中的气水混合物排出；阳极吹扫过程中，如图3所示，周期性地开启排水排气阀8，排水排气阀8每一次的开启时长为t1，排水排气阀8每两次开启的间隔时间为t2，这样设计的目的在于，每次吹扫过后，让阳极通道内细小液滴重新聚合成大液滴，相较于小液滴，大液滴更容易被吹扫排出，从而提高吹扫效率；适应性调节氢气比例阀5开度，以维持电堆1的阳极压力处于规定压力，具体为：排水排气阀8开启时，气液两相流快速流过排水排气阀8，如图4所示，会降低阳极压力，因此燃料电池系统为了维持阳极压力处于规定压力，需要开大氢气比例阀5，以弥补阳极压力的损失；如图3所示，当电堆1阳极侧的气液两相流中液体占比较多时，排水排气阀8开启，由于气液两相流在阳极的流动阻力较大，且气液两相流的流动非常不稳定，因此氢气比例阀5平均开度增量较小，开度波动较大；当排水排气阀8再次开启时，由于阳极的液体减少，即气液两相流中液体比例降低，气液两相流在阳极的流动阻力降低，液体扰动减小，因此氢气比例阀5平均开度增量变大，开度波动减小；记录排水排气阀8每一次开启过程中氢气比例阀5的开度变化，并计算记录排水排气阀8每一次开启过程中氢气比例阀5的平均开度，当氢气比例阀5第n次的平均开度减去第n-1次的平均开度小于设定阈值时，则认为阳极液态积水已经吹扫完毕，燃料电池系统停止电堆1的阳极吹扫；在阳极吹扫期间，阴极持续进行空气吹扫。
18.本实施例可以保证阳极积水得到充分去除，且大大节约氢气吹扫用量；另外，本实施例使得阳极停机吹扫形成闭环反馈。
19.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。