一种应用于氢氧燃料电池的零气体排放系统

技术领域

本发明属于燃料电池领域，更具体地，涉及一种应用于氢氧燃料电池的零气体排放系统。

背景技术

燃料电池用于水下推进的主要优势在于：(1)能量转换效率和比能量高，燃料电池直接把化学能转化为电能，没有其它中间步骤，不受卡诺循环的限制，能量转换效率比热机高2～3倍，结合高能量密度的氢氧能源，可使推进系统比能量大幅提高，有利于增加无人潜航器航程。(2)振动噪声低，燃料电池内部不存在运动部件，也不像热机那样存在燃烧，因此振动噪声低，有利于提高无人潜航器的隐身性。(3)无尾气排放，采用纯氢纯氧的燃料电池产物只有水，使用过程中既无排气尾迹，有利于提高隐蔽性，又不受水下排气背压影响，适应大深度。

在水下环境中，需要对燃料电池进行长时间的封闭运行。然而，在电堆长时间的封闭过程中，液态水不断产生在电池积聚，造成电池水淹，直接导致电池性能和寿命的衰减，会影响电流密度分布，物质运输和加速碳腐蚀。

现有方法是通过循环泵等设备对气体进行循环提高气体利用率，但会导致噪声增加，功耗增加等问题；通过电池停机通入惰性气体吹扫去除电堆中的液态水，会导致燃料电池工作暂停滞后的问题。CN111129545A公开了一种车用燃料电池氢气循环系统及控制方法，该方法采用蛇形purge进行排水，但依然需要在运行中进行尾部氢气排放，存在燃料损失。CN108075154A公开了一种氢空质子交换膜燃料电池无增湿条件启动及运行方法，无需加湿，但需要控制电流密度加载速率；CN105633433B公开了移动体中的排水的方法及燃料电池系统，该方法通过循环泵使废气中分离出的液体成分排出，仅对氢气进行回收，但采用循环泵会增加辅助设备所需功耗，并且采用气液分离器进行液态水分离增加了设备复杂度。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种应用于氢氧燃料电池的零气体排放系统，其中该系统利用静态缓冲容器包括氢气缓冲罐和氧气缓冲罐替代动态循环设备，并通过供气单元和缓冲单元的切换供气形成压差，将燃料电池堆中的水排出，能够有效提高燃料电池长时间稳定运行的能力。

为实现上述目的，本发明提出了一种应用于氢氧燃料电池的零气体排放系统，该系统包括燃料电池堆、供气转置和缓冲装置，其中：

所述燃料电池堆作为氢氧燃料电池的反应场所；

所述供气装置包括氢气供气单元和氧气供气单元，所述氢气供气单元与所述燃料电池堆的阳极气体入口连接，所述氧气供气单元与所述燃料电池堆的阴极气体入口连接，分别用于为所述燃料电池堆提供氢气和氧气；

所述缓冲装置包括氢气缓冲单元和氧气缓冲单元，所述氢气缓冲单元包括氢气缓冲罐和第一电磁阀，所述氢气缓冲罐一端与所述燃料电池堆的阳极气体出口连接，其另一端通过所述第一电磁阀与所述燃料电池堆的阳极气体入口连接；所述氧气缓冲单元包括氧气缓冲罐和第二电磁阀，所述氧气缓冲罐一端与所述燃料电池堆的阴极气体出口连接，其另一端通过所述第二电磁阀与所述燃料电池堆的阴极气体入口连接；工作时利用所述第一电磁阀和第二电磁阀的开闭控制所述氢气缓冲罐和氧气缓冲罐进行储气或供气，以形成压差将所述燃料电池堆中的水带出。

作为进一步优选地，所述氢气供气单元包括沿气体流动方向依次连接的氢气供气气瓶、第四电磁阀和第一紧急排气阀，工作时利用所述第四电磁阀控制所述氢气供气单元的通断，并利用所述第一紧急排气阀将阳极中的气体排空；所述氧气供气单元包括沿气体流动方向依次连接的氧气供气气瓶、第五电磁阀和第二紧急排气阀，工作时利用所述第五电磁阀控制所述氧气供气单元的通断，并利用所述第二紧急排气阀将阴极中的气体排空。

作为进一步优选地，所述零气体排放系统还包括吹扫装置，所述吹扫装置包括氮气供气气瓶和第三电磁阀，所述氮气供气气瓶通过第三电磁阀与所述燃料电池堆的阳极气体入口连接，用于向所述燃料电池堆通入氮气并通过所述第一紧急排气阀排出，以对所述燃料电池堆进行吹扫。

作为进一步优选地，第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀采用常闭式电磁阀，所述第四电磁阀和第五电磁阀采用常开式电磁阀。

作为进一步优选地，所述燃料电池堆竖直放置，双极板选用平行流道石墨板。

作为进一步优选地，所述氢气缓冲罐和氧气缓冲罐底部设置有紧急排气阀。

作为进一步优选地，所述氢气缓冲罐和氧气缓冲罐采用耐压为2.5Mpa以上的亚克力筒壁，并利用不锈钢顶盖和底盖进行密封，以实时观察水量变化。

作为进一步优选地，所述零气体排放系统还包括冷却装置，所述冷却装置包括沿液体流动方向依次连接的水箱、循环水泵和换热器，工作时利用所述循环水泵带动所述水箱中的冷却水进行循环，并通过所述换热器进行换热。

作为进一步优选地，所述零气体排放系统还包括监控装置，所述监控装置包括第一压力传感器、第一流量计、第二压力传感器、第二流量计、第三压力传感器、第四压力传感器、第一温度传感器和第二温度传感器，其中，所述第一压力传感器和第一流量计设置在所述第四电磁阀和阳极气体入口之间，分别用于测量氢气的压力和流量；所述第二压力传感器和第二流量计设置在所述第五电磁阀和阴极气体入口之间，分别用于测量氧气的压力和流量；所述第三压力传感器设置在所述氢气缓冲罐和第一电磁阀之间，用于测量所述氢气缓冲罐的压力；所述第四压力传感器设置在所述氧气缓冲罐和第二电磁阀之间，用于测量所述氧气缓冲罐的压力；所述第一温度传感器和第二温度传感器分别设置在冷却水的入口和出口，用于测量冷却水的温度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明提供了一种应用于氢氧燃料电池的零气体排放系统，该系统利用静态缓冲容器包括氢气缓冲罐和氧气缓冲罐替代动态循环设备，并通过供气单元和缓冲单元的切换供气形成压差，将燃料电池堆中的水排出，利用氢气缓冲罐和氧气缓冲罐进行收集，从而在实现零气体排放的同时，具有降低噪声和功耗、提高燃料利用率、除掉液态水的功能，能够有效提高燃料电池长时间稳定运行的能力，缓解燃料电池封闭运行下水淹的问题，提高电池性能，延长燃料电池质子交换膜的使用寿命；

2.此外，本发明通过设置缓冲装置，能够对燃料电池堆进行吹扫去除杂质气，同时能够在出现紧急情况如单片电压过低、电堆温度过高或气体泄漏的时候切断负载并进行氮气吹扫，从而保证系统的安全性；

3.同时，本发明对氢气缓冲罐和氧气缓冲罐的结构进行优化，能够实时观察水量并进行紧急释放，从而保证零气体排放系统具有较高的安全性。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例构建的应用于氢氧燃料电池的零气体排放系统。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-氢气供气气瓶，2-氮气供气气瓶，3-第一减压阀，4-第三电磁阀，5-第一稳压阀，6-第一压力传感器，7-第四电磁阀，8-第一电磁阀，9-第一流量计，10-第二温度传感器，11-换热器，12-循环水泵，13-水箱，14-第一温度传感器，15—第三压力传感器，16-氢气缓冲罐，17-第一紧急排气阀，18-氧气供气气瓶，19-第二减压阀，20-第二稳压阀，21-第五电磁阀，22-第二压力传感器，23-第二电磁阀，24-燃料电池堆，25-外部负载，26-第四压力传感器，27-氧气缓冲罐，28-第二流量计，29-第二紧急排气阀。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供一种应用于氢氧燃料电池的零气体排放系统，该系统包括燃料电池堆24、供气转置、缓冲装置和吹扫装置，其中：

燃料电池堆24作为氢氧燃料电池的反应场所，与外部负载25连接，以向其提供电能；

供气装置包括氢气供气单元和氧气供气单元，氢气供气单元与燃料电池堆24的阳极气体入口连接，氧气供气单元与燃料电池堆24的阴极气体入口连接，分别用于为燃料电池堆24提供氢气和氧气；氢气供气单元包括沿气体流动方向依次连接的氢气供气气瓶1、第一减压阀3、第一稳压阀5、第四电磁阀7和第一紧急排气阀17，工作时利用第一减压阀3和第一稳压阀5将氢气供气气瓶1中的高压氢气进行解压，并通过第四电磁阀7控制氢气供气单元的通断，同时利用第一紧急排气阀17将阳极中的气体排出；氧气供气单元包括沿气体流动方向依次连接的氧气供气气瓶18、第二减压阀19、第二稳压阀20、第五电磁阀21和第二紧急排气阀29，工作时利用第二减压阀19和第二稳压阀20将氧气供气气瓶18中的高压氧气进行解压，并通过第五电磁阀21控制氧气供气单元的通断，同时利用第二紧急排气阀29将阴极中的气体排出；

缓冲装置包括氢气缓冲单元和氧气缓冲单元，氢气缓冲单元包括氢气缓冲罐16和第一电磁阀8，氢气缓冲罐16一端与燃料电池堆24的阳极气体出口连接，其另一端通过第一电磁阀8与燃料电池堆24的阳极气体入口连接；氧气缓冲单元包括氧气缓冲罐27和第二电磁阀23，氧气缓冲罐27一端与燃料电池堆24的阴极气体出口连接，其另一端通过第二电磁阀23与燃料电池堆的阴极气体入口连接；工作时利用第一电磁阀8和第二电磁阀23的开闭控制氢气缓冲罐16和氧气缓冲罐27进行储气或供气，以形成压差将燃料电池堆24中的水带出，利用氢气缓冲罐16和氧气缓冲罐27将阳极气体出口和阴极气体出口过量的反应气进行回收储存，并供应燃料电池堆24进行反应利用，气体循环期间实现高燃料利用率和低噪声，同时氢气缓冲罐16和氧气缓冲罐27作为气液分离器，将反应生成的水进行收集，使得燃料电池堆工作过程中无物质排放到外界，包括生成的水和氢气、氧气，从而实现零气体排放；

吹扫装置包括氮气供气气瓶2和第三电磁阀4，氮气供气气瓶2通过第三电磁阀4与燃料电池堆24的阳极气体入口连接，用于向燃料电池堆24通入氮气并通过第一紧急排气阀17排出，以对燃料电池堆24进行吹扫。

进一步，第一电磁阀8、第二电磁阀23和第三电磁阀4采用常闭式电磁阀，第四电磁阀7和第五电磁阀21采用常开式电磁阀。燃料电池堆24竖直放置，双极板选用平行流道石墨板。

进一步，氢气缓冲罐16和氧气缓冲罐27底部设置有紧急排气阀，并且开有2～4个孔，分别为存气-供气、存气-存气-供气或存气-存气-存气-供气。氢气缓冲罐16和氧气缓冲罐27采用耐压为2.5Mpa以上的亚克力筒壁，并利用不锈钢顶盖和底盖进行密封，以实时观察水量变化。

进一步，零气体排放系统还包括冷却装置，冷却装置包括沿液体流动方向依次连接的水箱13、循环水泵12和换热器11，工作时利用循环水泵12带动水箱13中的冷却水进行循环，并通过换热器11进行换热。

进一步，零气体排放系统还包括监控装置，监控装置包括第一压力传感器6、第一流量计9、第二压力传感器22、第二流量计28、第三压力传感器15、第四压力传感器26、第一温度传感器14和第二温度传感器10，其中，第一压力传感器6和第一流量计9设置在第四电磁阀7和阳极气体入口之间，分别用于测量氢气的压力和流量；第二压力传感器22和第二流量计28设置在第五电磁阀21和阴极气体入口之间，分别用于测量氧气的压力和流量；第三压力传感器15设置在氢气缓冲罐16和第一电磁阀8之间，用于测量氢气缓冲罐16的压力；第四压力传感器26设置在氧气缓冲罐27和第二电磁阀23之间，用于测量氧气缓冲罐27的压力；第二温度传感器10和第一温度传感器14分别设置在冷却水的入口和出口，用于测量冷却水的温度。

本发明提供的应用于氢氧燃料电池的零气体排放系统的工作过程为：

准备阶段，将监控装置通电同时开启冷却装置，打开第三电磁阀4以利用氮气供气气瓶2供气，同时将第一紧急排气阀17打开，对燃料电池堆24进行吹扫，去除杂质气保护燃料电池堆24稳定运行；

吹扫完成后，将第三电磁阀4和第一紧急排气阀17关闭，打开第四电磁阀7和第五电磁阀21，利用氢气供气气瓶1和氧气供气气瓶18为燃料电池堆24进行供气，空载开路运行并观测检测装置的数据是否正常；

开启外部负载25进行加载，加载过程中若出现紧急情况如单片电压过低、电堆温度过高或气体泄漏，立刻切断外部负载25，关闭第四电磁阀7和第五电磁阀21，打开第一紧急排气阀17和第二紧急排气阀29并执行氮气吹扫；

运行过程中，定时关闭第四电磁阀7和第五电磁阀21，开启第一电磁阀8和第二电磁阀23，利用氢气缓冲罐16和氧气缓冲罐27为燃料电池堆24通气；待氢气缓冲罐16和氧气缓冲罐27的压力降低到预设压力后关闭第一电磁阀8和第二电磁阀23，开启第四电磁阀7和第五电磁阀21以利用氢气供气气瓶1和氧气供气气瓶18供气，通过压力差将燃料电池堆24中的水排出，通过氢气缓冲罐16和氧气缓冲罐27进行气液分离。

本领域的技术人员容易理解，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。