用于燃料电池发动机的氢气水汽分离装置及其排水方法

技术领域

本发明属氢燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于燃料电池发动机的氢气水汽分离装置及其排水方法。

背景技术

燃料电池是一种将化学能直接转化成电能的装置，由于效率高、噪声小、启动温度低、零污染等优点，被广泛应用于固定式发电、交通运输以及便携式电源等领域。

膜电极是燃料电池的核心部件，膜电极一般由聚合物膜、催化剂层和气体扩散层组成，其中，聚合物膜的主要作用是传导质子、隔绝反应气体，由于质子的传导一般是以水合质子的形式进行，因而在燃料电池运行过程中，需要使聚合物膜保持一定的湿度，但湿度又不能过大，如果湿度较大，则形成的液态水将会引起膜电极水淹，阻碍反应气体的传输，导致燃料电池的性能降低，因此，膜电极的水管理问题对于燃料电池的性能具有重要的影响。

电堆阴极水管理相对容易，基本通过调节加湿流量和供气计量比就能控制湿度，但电堆阳极氢气水管理较为困难，氢气作为燃料是在一个闭环系统下工作，循环氢气不但需要把氢气水汽混合物里的液态水分离出排掉，还要保证氢气不被浪费，同时还要保证温度压力下降不能太明显。现有的技术大多集中在利用气液分离器进行水气分离，实现方法有多种：1.利用流体转向过程时气液的比重不同，液体下沉与气体分离。比如利用挡板结构，挡板使这种流体转向。又如旋风式水气分离器结构中，液体被高速气流甩到容器壁上，这些液体失去动能后实现与气体分离；2.利用防水透气材料过滤实现水气分离；3.通过冷凝器降低温度利用沸点温度不同实现水气分离。但由于行业不同，对水气分离效率、介质、尺寸等要求各有差异，现有的水气分离方式并不完全适用于燃料电池，氢燃料电池对水气分离有比较严苛的要求：1.水气分离效率要求高至少在90％以上；2.体积要小，特别是车载燃料电池系统对体积密度有较高要求，水气分离器体积不能太大；3.压降不能过大，经过水气分离器的氢气还要参与循环，压降大会限制循环流量；4.材料要求兼容氢气且耐热耐压。目前，还没有理想的可用于燃料电池发动机的氢气水汽分离装置。

发明内容

针对上述背景技术中指出的不足，本发明提供了一种用于燃料电池发动机的氢气水汽分离装置及其排水方法，旨在解决上述背景技术中现有存在的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

用于燃料电池发动机的氢气水汽分离装置，包括水气分离器和电堆，所述水气分离器包括外腔、设置于外腔内的中腔以及设置于中腔内的内腔，形成三层嵌套结构，所述中腔的壁采用热交换膜，使外腔与中腔之间能发生热交换，内腔的壁采用防水透气膜，可使中腔内的气体进入内腔中，而隔离液态水于中腔内，使内腔中形成干燥的氢气。所述外腔连接有冷氢入管和热氢出管，所述冷氢入管上设有进氢开关阀和进气调节阀，所述内腔连接有循环管，循环管上设置有氢气循环装置，所述热氢出管和循环管的出口均与电堆的氢气入口连接，所述电堆的氢气出口通过回氢管与所述中腔连接，所述回氢管上设有压力传感器，所述中腔连接有排气管和排水管。

优选地，所述中腔内设有多个陶瓷小球，陶瓷小球对中腔内的湿热气体进行扰流，降温使更多的液态水析出，同时，陶瓷小球扰乱气流，减小液态水的波动，更有利于排水。

优选地，所述排气管上沿气体排出方向依次设有排气阀、单项阀和消音器，废气与排水混合经消音器排出，减小噪音；所述排水管上设有排水阀需要排水时打开排水阀。

优选地，所述水气分离器呈筒状，便于气体流动；所述冷氢入管和热氢出管分别连接于外腔两侧的顶部，所述回氢管连接于中腔的顶部，所述循环管连接于内腔的顶部，方便气体流动，避免受液态水的影响。进一步地，所述排气管连接于中腔的顶部，所述排水管连接于中腔的底部，排水管的出水端与所述消音器连接。

本发明进一步提供了氢气水汽分离装置的排水方法，步骤如下：

S1.电堆启动后，燃料电池产生电流，电池正常运行；

S2.燃料电池控制器(FCU)根据电流传感器反馈的燃料电池的实际电流值计算电堆产生的水量，判断实际电流值是否满足开启排水阀的电流值限值，若不满足，则关闭排水阀；若满足，则开启排水阀；

S3.开启排水阀后，FCU检测燃料电池电堆内压力波动是否处于正常范围，若处于正常范围，则根据FCU中设定的参数组周期开启排水阀；若超出正常范围，则进入步骤S4；

S4.FCU判断压力波动是否处于FCU中设定的一级报警范围，若压力波动处于一级报警范围，则降低排水时长，增加排水间隔；若压力波动超出一级报警范围，则进入步骤S5；

S5.FCU判断压力波动是否处于FCU中设定的二级报警范围，若压力波动处于二级报警范围，则关闭排水阀；若压力波动超出二级报警范围，则进入步骤S2，重新判断是否满足开启排水阀的条件，继续重复步骤S2至S5。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过热交换和陶瓷小球的扰流作用，对电堆阳极氢气水汽进行有效分离，分离后的氢气再经过一层防水透气膜进一步提高水气分离效率。集成热交换和水气分离，既完成了氢气的进气加热，又实现了水气高效分离，大大提升燃料电池的工作性能。

(2)取消现有系统应用的氢气换热器，整个装置结构紧凑、简单，降低了制造成本和能量损耗。

(3)由阳极排气压力传感器代替现有技术中的液位计，提高可靠性，减少水气分离结构所用传感器数量，简化控制关系，节省成本。

(4)集成排气阀，即可做排气用，也可辅助排水。

(5)由于电堆的进氢已经做了热交换，因此可取消进氢水气分离。

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于燃料电池发动机的氢气水汽分离装置的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的用于燃料电池发动机的氢气水汽分离装置的侧视结构示意图。

图3是本发明实施例提供的用于燃料电池发动机的氢气水汽分离装置的俯视结构示意图。

图4是本发明实施例提供的用于燃料电池发动机的氢气水汽分离过程示意图。

图5是本发明实施例提供的水气分离器的排水逻辑图。

图中：1-水气分离器；1.1-外腔；1.2-中腔；1.3-内腔；1.4-陶瓷小球；2-电堆；3-冷氢入管；4-热氢出管；5-循环管；6-氢气循环装置；7-回氢管；8-压力传感器；9-排气管；10-排气阀；11-单项阀；12-消音器；13-排水管；14-排水阀；15-进氢开关阀；16-进气调节阀。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-3所示，用于燃料电池发动机的氢气水汽分离装置，在燃料电池的电堆2上连接一个水气分离器1，水气分离器1包括外腔1.1、设置于外腔1.1内的中腔1.2以及设置于中腔1.2内的内腔1.3，考虑到燃料电池对体积的要求，水气分离器1采用筒状结构，其中，中腔1.2的壁采用热交换膜，中腔1.2内设有多个陶瓷小球1.4，内腔1.3的壁采用防水透气膜。外腔1.1顶部两侧连接有冷氢入管3和热氢出管4，冷氢入管3上设有进氢开关阀15和进气调节阀16，热氢出管4与电堆2的氢气入口连接。内腔1.3的顶部连接有循环管5，循环管5上设置有氢气循环装置6，循环管5的出口也与电堆2的氢气入口连接。电堆2的氢气出口连接有回氢管7，回氢管7的出口与中腔1.2的顶部连接，回氢管7上设有压力传感器8，

中腔1.2的顶部连接有排气管9，排气管9上沿气体排出方向依次设有排气阀10、单项阀11；中腔1.2的底部连接有排水管13，排水管13上设有排水阀14，排气管9的出气端和排水管13的出水端均与消音器12连接。

工作原理：

如图4所示，首先气源一级减压后供应冷氢气到冷氢入管3，进氢开关阀15打开，气流进入进气调节阀16，进氢调节阀16控制进气压力和流量，然后气流进入水气分离器1的外腔1.1中，外腔1.1中的冷氢气和电堆2排入中腔1.2内湿热氢气进行热交换，使外腔1.1中的冷氢气升高温度，经过换热后的氢气通过热氢出管4进入电堆2参与反应发电，电堆2中过量的氢气带着由阳极渗透的水和部分热量排出电堆2后进入水气分离器1的中腔1.2中，湿热气体进入中腔1.2后，一方面与冷氢进气发生热交换，湿热气体温度降低，使水汽冷凝析出；另一方面湿热气体由中腔1.2内的陶瓷小球1.4扰流，降温析出更多的液态水，同时，陶瓷小球1.4扰乱气流，减小液态水的波动更有利于排水。之后中腔1.2内的气体再经过防水透气膜进一步滤水后进入内腔1.3，成为干燥的氢气，内腔1.3中干燥的氢气经过氢气回流装置6后与电堆2的进氢气汇合再次进入电堆2。当电堆2需要冲刷时，废气通过排气管9，打开排气阀10和排水阀14，废气与排水混合经消音器12排出。

本发明集成热交换和水气分离，既完成了氢气的进气加热，又实现了水气高效分离。通过热交换和陶瓷小球的扰流作用，对电堆阳极氢气水汽进行有效分离，分离后的氢气再经过一层防水透气膜进一步提高水气分离效率。此外，本发明由阳极排气压力传感器8代替现有技术中水气分离结构中的液位计，提高可靠性，减少结构所用传感器数量，简化控制关系，节省成本。

根据本发明提供的水气分离装置，进一步简化了排水控制逻辑，如图5所示，排水控制方法具体如下：

S1.电堆启动后，燃料电池产生电流；

S2.燃料电池控制器(FCU)根据电流传感器反馈的燃料电池的实际电流值计算电堆产生的水量，判断实际电流值是否满足开启排水阀的电流值限值，若不满足，则关闭排水阀；若满足，则开启排水阀；

S3.开启排水阀后，FCU检测压力传感器反馈的压力波动是否处于正常范围，若处于正常范围，则根据FCU中设定的参数组周期开启排水阀；若超出正常范围，则进入步骤S4；

S4.FCU判断压力波动是否处于FCU中设定的一级报警范围，若压力波动处于一级报警范围，则降低排水时长，增加排水间隔；若压力波动超出一级报警范围，则进入步骤S5；

S5.FCU判断压力波动是否处于FCU中设定的二级报警范围，若压力波动处于二级报警范围，则关闭排水阀；若压力波动超出二级报警范围，则进入步骤S2，重新判断是否满足开启排水阀的条件，继续重复步骤S2至S5。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。