用于净化燃料电池堆的冷凝水和氢气的系统和方法与流程

1.本公开涉及一种用于净化燃料电池堆的冷凝水和氢气的系统和方法，更具体地，涉及一种用于净化燃料电池堆的冷凝水和氢气的系统和方法，该系统和方法可以根据燃料电池堆的状态和运行条件将从燃料电池堆排放的冷凝水和氢气的一部分直接排放到大气中，从而提高燃料电池堆的运行稳定性和运行效率。


背景技术：

2.燃料电池系统被配置为包括被配置为生成电能的燃料电池堆、被配置为向燃料电池堆供应燃料(氢气)的氢气供应系统、被配置为向燃料电池堆供应作为电化学反应所必需的氧化剂的空气中的氧气的空气供应系统、被配置为控制燃料电池堆的运行温度的热和水管理系统等。
3.通常，提供燃料电池堆(以下称为“电池堆”)作为一种结构，其中，层压并组装多个单元电池，该单元电池包括电解质膜、阳极、阴极、气体扩散层等以便使氢气(h2)和氧气(o2)发生反应以生成电能，其中阳极是氢气(h2)供应到的、作为位于电解质膜一侧的催化剂电极层的对象，阴极是空气供应到的、作为位于电解质膜另一侧的催化剂电极层的对象，气体扩散层设置在阳极和阴极的外部。
4.因此，当燃料电池系统运行时，供应到电池堆阳极的氢气被分离成质子和电子，然后质子通过电解质膜朝向阴极移动，电子通过外部电路向阴极移动，使得氧分子、氢离子和电子在阴极上一起发生反应，以生成电和热，并生成冷凝水(h2o)，作为反应副产物。
5.参考图1，由电池堆10生成的冷凝水通过电池堆10的阴极出口排放，以收集在脱水器20中，并且当收集在脱水器20中的冷凝水的量被水平传感器(未示出)感测为预定水平或更高时，安装在脱水器20的出口上的排水阀22打开预定时间，使得收集在脱水器20中的冷凝水的一部分被排放到加湿器30的壳侧。
6.作为参考，加湿器将从空气供应系统供应的干燥空气转换成加湿空气，以将加湿空气供应到电池堆的阴极，并且在其中设置有束型中空纤维膜，干燥空气穿过该束型中空纤维膜。
7.因此，从脱水器20排放到加湿器30的壳侧的冷凝水用于渗透到布置在加湿器30的壳体的中心部分上的中空纤维膜中，以将干燥空气转换成加湿空气。
8.同时，从氢气供应系统供应到电池堆的氢气与空气发生反应，以生成氮气，并且当氮气在电池堆内逐渐积聚时，电池堆内的氢气浓度降低，此外，当氢气浓度降低到预定水平或更低时，用于生成电的反应氢气可能减少，从而导致电池堆的性能降低，同时单元电池的电压降低。
9.因此，为了降低在电池堆内积聚的氮气浓度，如图1所示，安装在电池堆10的氢气净化管线上的氢气净化阀12在预定时间期间打开，使得氮气和非反应氢气被净化到加湿器30的壳侧，从而将电池堆内的氢气浓度保持在预定水平或更高，以防止电池堆性能的降低。
10.此时，净化到加湿器30的壳侧的氮气和氧气通过连接到加湿器30的排出管线32排
放到大气中。
11.然而，在燃料电池系统冷运行时，由于冷凝水在电池堆阴极的出口上冻结，当氮气和非反应氢气通过阴极的出口被净化到加湿器的壳侧时，阴极侧的压力被冻结的冷凝水增加，从而存在由于供应到电池堆阴极的空气朝向阳极回流而生成反向电压的问题。
12.此外，如果在由电池堆生成的冷凝水被收集在脱水器中，然后被排放到加湿器的壳侧的状态下，空气从空气供应系统过量地朝向加湿器供应，则存在排放到加湿器的壳侧的冷凝水与空气一起被吸入到电池堆阴极的入口的问题，从而导致电池堆中的溢流现象。
13.在本背景技术部分中公开的上述信息仅用于增强对本公开背景的理解，因此可能包含不构成该国家中本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

14.本公开旨在解决上述问题，并且本公开的目的是提供一种用于净化燃料电池堆的冷凝水和氢气的系统和方法，根据电池堆的运行状态和运行条件，该系统和方法可以将从电池堆排放的冷凝水和氢气直接旁通到加湿器的排出管线而不是加湿器的壳侧，以净化到大气中，从而消除了在燃料电池系统冷运行时生成反向电压、电池堆中出现溢流现象等问题，以提高电池堆的运行稳定性和燃料电池系统的运行效率。
15.用于实现该目的的本公开的示例性实施例提供了一种用于净化燃料电池堆的冷凝水和氢气的系统，包括：集成净化阀，电池堆的氢气净化管线和收集由电池堆生成的冷凝水的脱水器的出口管线共同连接到集成净化阀；三通净化旁通阀，安装在集成净化阀的出口上；排放管线，连接在三通净化旁通阀的第一出口和加湿器的壳侧之间；以及旁通管线，连接在三通净化旁通阀的第二出口和加湿器的排出管线之间。
16.根据本公开的示例性实施例，当在燃料电池系统的冷启动和冷运行状态下，电池堆阴极的压力增加到或高于预定水平时，集成净化阀打开，同时，三通净化旁通阀朝向连接到加湿器的排出管线的旁通管线打开。
17.另一方面，当电池堆的阴极的压力处于低于预定水平的正常水平时，集成净化阀打开，同时，三通净化旁通阀朝向连接到加湿器的壳侧的排放管线打开。
18.根据本公开的示例性实施例，当确定电池堆内的相对湿度超过参考值、确定电池堆内的阳极侧的氢气浓度等于或低于参考值、或者确定发生电池溢流时，打开集成净化阀，同时，三通净化旁通阀朝向连接到加湿器的排出管线的旁通管线打开。
19.另一方面，当确定电池堆内的相对湿度满足参考值、电池堆内的阳极侧的氢气浓度满足参考值、并且电池堆内没有发生电池溢流时，打开集成净化阀，同时，三通净化旁通阀朝向连接到加湿器的壳侧的排放管线打开。
20.用于实现该目的的本公开的另一示例性实施例提供了一种用于净化燃料电池堆的冷凝水和氢气的方法，包括：确定是否执行燃料电池系统的冷启动和冷运行；当燃料电池系统处于冷启动和冷运行状态时，确定电池堆的阴极的压力是否增加；当确定电池堆的阴极的压力增加到或高于预定水平时，将从电池堆的阴极排放的冷凝水和非反应残余氢气通过加湿器的排出管线排放到大气中；并且当电池堆的阴极的压力处于低于预定水平的正常水平时，将从电池堆的阴极排放的冷凝水和非反应残余氢气排放到加湿器的壳侧。
21.在冷凝水和非反应残余氢气通过加湿器的排出管线排放到大气中时，打开电池堆
的氢气净化管线和脱水器的出口管线共同连接到的集成净化阀，同时，安装在集成净化阀的出口上的三通净化旁通阀朝向加湿器的排出管线打开。
22.在冷凝水和非反应残余氢气排放到加湿器的壳侧时，打开电池堆的氢气净化管线和脱水器的出口管线共同连接到的集成净化阀，同时，安装在集成净化阀的出口上的三通净化旁通阀朝向加湿器的壳侧打开。
23.本公开的另一示例性实施例还包括当确定燃料电池系统处于正常启动和正常运行状态而不是冷启动和冷运行状态时，执行电池堆内的相对湿度是否满足参考值、电池堆内的氢气浓度是否满足参考、或者在配置电池堆的多个电池中是否由于冷凝水而发生电池溢流的确定。
24.因此，当确定电池堆内的相对湿度超过参考值、确定电池堆内的阳极侧的氢气浓度为参考值或更低、或者确定电池堆内发生电池溢流时，打开集成净化阀，同时，三通净化旁通阀朝向加湿器的排出管线打开。
25.另一方面，当确定电池堆内的相对湿度满足参考值、电池堆内的阳极侧的氢气浓度满足参考值、并且电池堆内没有发生电池溢流时，打开集成净化阀，同时，三通净化旁通阀朝向连接到加湿器的壳侧的排放管线打开。
26.本公开通过上述配置提供了以下效果。
27.首先，在燃料电池系统的冷启动和冷运行时，通过随着在电池堆阴极的出口上冷凝的冷凝水被冻结而增加阴极的压力，可以防止当氢气被净化时由阴极侧的空气朝向阳极回流而引起的反向电压现象。
28.第二，通过允许积聚在电池堆内的氮气和残余氢气不穿过加湿器而被直接净化到大气中，可以立即净化大量的氮气和残余氢气，从而防止了由于传统的频繁氢气净化而导致的相关阀门系列等的耐用性和寿命的降低。
29.第三，可以允许利用与大气的压差将来自电池堆的冷凝水直接净化到大气中，而不排放到加湿器的壳侧，从而防止由排放到加湿器的壳侧的冷凝水与空气一起吸入电池堆的阴极的入口而引起的传统溢流现象，以防止壳体溢流现象。
30.第四，当确定电池堆内的相对湿度(rh)超过参考值、或者确定电池堆内的阳极侧的氢气浓度为参考值或更低时，通过三通净化旁通阀和旁通管线将包括冷凝水和氮气的残余氢气净化到大气中，使得电池堆的相对湿度和氢气浓度可以根据电池堆的运行条件和状态调节到合适的水平，从而实现电池堆耐用性的提高。
31.应当理解，本文使用的术语“汽车(automotive)”或“车辆(vehicular)”或其他类似术语包括一般的机动车辆，例如，包括运动型多功能车(操作suv)的乘用车、公共汽车、卡车、各种商业汽车、包括各种船只和船舶的水上交通工具、飞机等，并且包括混合动力汽车、电动汽车、插电式混合动力汽车、氢动力汽车和其他替代燃料汽车(例如，来自石油以外的资源的燃料)。如本文所述，混合动力汽车是具有两个或多个动力源的汽车，例如，汽油动力和电动汽车。
附图说明
32.现在将参考附图中示出的本公开的某些示例性示例来详细描述本公开的上述和其他特征，在下文中仅通过说明的方式给出这些示例性示例，因此不限制本公开，并且其
中：
33.图1是示出用于净化燃料电池堆的冷凝水和氢气的传统系统的示意图；
34.图2是示出根据本公开的用于净化燃料电池堆的冷凝水和氢气的系统的示意图；
35.图3是示出根据本公开的用于净化燃料电池堆的冷凝水和氢气的系统的操作流程的流程图。
36.应当理解，附图不一定是按比例的，呈现了说明本公开的基本原理的各种优选特征的稍微简化的表示。将由特定的预期应用和使用环境来部分确定本文公开的本公开的具体设计特征，包括例如具体的尺寸、方位、位置和形状。
37.在附图中，贯穿附图的几幅图，附图标记指代本公开的相同或等同部分。
具体实施方式
38.在下文中，将参考附图详细描述本公开的优选示例性实施例。
39.图2是示出根据本公开的用于净化燃料电池堆的冷凝水和氢气的系统的配置的示图，并且附图标记10表示燃料电池堆。
40.连接到电池堆10的阳极的出口的氢气净化管线11安装有集成净化阀40。
41.此外，收集由电池堆10生成的冷凝物的脱水器20的出口管线连接到集成净化阀40的入口。
42.集成净化阀40是这样一种阀，其中，安装在传统氢气净化管线上的氢气净化阀和安装在脱水器的出口上的排水阀集成为一体，并且用于通过开/关打开和关闭操作将收集在脱水器20中的冷凝水以及通过电池堆10的阳极的出口排放的氮气和非反应残余氢气朝向三通净化旁通阀50排放。
43.因此，由电池堆10生成的冷凝水通过电池堆10的阴极的出口排放，并收集在脱水器20中，然后当收集在脱水器20中的冷凝水的量被水平传感器(未示出)感测为处于或高于预定水平时，集成净化阀40在预定时间期间打开，使得冷凝水可以被排放到加湿器30的壳侧。
44.此外，为了降低积聚在电池堆10内的氮气浓度，当集成净化阀40在预定时间期间打开时，氮气和非反应氢气可以从电池堆10被净化到加湿器30的壳侧。
45.根据本公开，集成净化阀40的出口安装有三通净化旁通阀50。
46.特别地，排放管线53连接在三通净化旁通阀50的第一出口51和加湿器30的壳侧之间，旁通管线54连接在三通净化旁通阀50的第二出口52和加湿器30的排出管线32之间。
47.因此，根据电池堆10的运行状态和运行条件，从电池堆10排放的冷凝水和氢气可以通过连接到三通净化旁通阀50的第二出口52的旁通管线54直接旁通到加湿器30的排出管线32，以被净化到大气中，而不会排放到加湿器30的壳侧。
48.同时，加湿器30的排出管线32的入口侧安装有压力调节阀31，该压力调节阀调节加湿器内的空气压力并阻止外部空气的渗透。
49.此处，将如下参考图2和图3描述基于上述配置执行的净化燃料电池堆的冷凝水和氢气的过程。
50.首先，在s101处确定是否执行包括电池堆的燃料电池系统的冷启动和冷运行。
51.例如，当外部空气的温度为2℃或更低时，可以确定燃料电池系统处于冷启动和冷
运行状态。
52.当燃料电池系统处于冷启动和冷运行状态时，在s102处确定电池堆的阴极的压力是否增加。
53.例如，当电池堆的阴极压力和阳极压力在预定时间或更长时间(例如，5秒钟)期间保持在相同水平时，阴极和阳极之间的压差增加到参考值或更大，使得可以确定阴极的压力增加到预定水平或更大。
54.此时，电池堆的阴极的压力增加的原因在于，在燃料电池系统冷运行时，冷凝水的一部分在电池堆阴极的出口上冻结，并且当电池堆阴极的压力如上所述增加时，会出现这样的问题，即由供应到阴极的空气朝向阳极回流而生成反向电压。
55.为了解决该问题，在s103处，当确定电池堆10的阴极的压力增加到预定水平或更高时，集成净化阀40通过控制器的控制信号打开，同时，三通净化旁通阀50朝向第二出口52打开，旁通管线54连接到第二出口52。
56.因此，电池堆10的阴极的出口变成与加湿器30的排出管线32连通的状态，该排放管线32通过旁通管线54与大气连通。
57.此时，三通净化旁通阀50的第一出口51保持在关闭的状态。
58.因此，在s104处执行大气净化，其中，来自电池堆的阴极的冷凝水、非反应残余氢气等通过加湿器30的排出管线32穿过三通净化旁通阀50和旁通管线54直接排放到大气中。
59.如上所述，在包括电池堆的燃料电池系统的冷启动和冷运行条件下，通过允许从电池堆10排放的冷凝水和氢气通过连接到三通净化旁通阀50的第二出口52的旁通管线54直接旁通到加湿器30的排出管线32而不将冷凝水和氢气排放到加湿器的壳侧，从而被净化到大气中，可以降低电池堆阴极的压力，并且防止由供应到电池堆阴极的空气朝向阳极回流而生成反向电压的现象。
60.另一方面，作为步骤s102的确定结果，当确定电池堆的阴极的压力没有增加到预定水平或更高时，即，当电池堆的阴极的压力处于小于预定水平的正常水平时，如果需要排水和氢气净化，则集成净化阀40通过控制器的控制信号打开，同时，三通净化旁通阀50朝向第一出口51打开。
61.此时，三通净化旁通阀50保持在第二出口52侧关闭的状态。
62.因此，在s105处，从电池堆10排放的冷凝水和残余氢气沿着三通净化旁通阀50的第一出口51和排放管线53朝向加湿器30的壳侧被净化，并且排放的冷凝水用于在加湿器内将干燥空气转换成加湿空气，并且排放的残余氢气通过加湿器30的排出管线32被排放到大气中。
63.同时，作为步骤s101的确定结果，当包括电池堆的燃料电池系统不处于冷启动和冷运行状态时，即，当确定燃料电池系统处于正常启动和正常运行状态时，在s106处确定电池堆内的相对湿度(rh)是否满足参考值、电池堆内的氢气浓度是否满足参考值、在配置电池堆的多个电池中的冷凝水是否引起电池溢流等。
64.也就是说，确定电池堆内的相对湿度(rh)是否超过参考值、电池堆内阳极侧的氢气浓度是否为参考值或更低以及是否发生电池溢流。
65.对于电池溢流，当多个电池之间的差分电压(dv)为40mv或更高时，确定发生电池溢流。
66.因此，在s107处，当确定电池堆内的相对湿度(rh)超过参考值(基于目标rh图)、确定电池堆内阳极侧的氢气浓度为参考值或更低、或者确定发生电池溢流时，集成净化阀40通过控制器的控制信号打开，同时，三通净化旁通阀50朝向旁通管线54所连接的第二出口52打开。
67.随后，在s108处执行大气净化，其中，来自电池堆的冷凝水和包括氮气的残余氢气通过加湿器30的排出管线32穿过三通净化旁通阀50和旁通管线54直接排放到大气中。
68.因此，当确定电池堆内的相对湿度(rh)超过参考值(基于目标rh图)时，可以允许来自电池堆的冷凝水通过加湿器的排出管线直接净化到大气中，而无需将冷凝水排放到加湿器的壳侧，从而将电池堆内的相对湿度(rh)调节到满足参考值的水平。
69.此外，当确定发生电池溢流时，可以允许来自电池堆的冷凝水通过加湿器的排出管线直接净化到大气中，而不将冷凝水排放到加湿器的壳侧，从而防止由排放到加湿器的壳侧的冷凝水与空气一起被吸入电池堆阴极的入口而引起的传统溢流现象。
70.同时，供应到电池堆的氢气与空气发生反应，以生成氮气，当氮气在电池堆内逐渐积聚时，电池堆内的氢气浓度降低，并且当氢气浓度降低到预定水平或更低时，用于生成电的反应氢气可能减少，从而导致电池堆的性能降低，同时单元电池的电压降低。
71.因此，当确定电池堆内阳极侧的氢气浓度为参考值或更低时，通过允许如上所述包括氮气的非反应残余氢气通过加湿器的排出管线直接净化到大气中，而不从电池堆排放到加湿器的壳侧，与通过加湿器的壳侧将非反应残余氢气排放到大气的操作相比，不会出现净化压力阻力。因此，可以更快地将包括氮气的非反应残余氢气净化到大气中，从而降低电池堆内的氮气浓度，以将供应到电池堆的氢气浓度调节到参考值或更高，并防止电池堆性能的降低。
72.另一方面，作为步骤s106的确定结果，当确定电池堆内的相对湿度(rh)没有超过参考值(基于目标rh图)、不确定电池堆内阳极侧的氢气浓度是参考值或更低、并且确定没有发生电池溢流时，如果需要排水和氢气净化，集成净化阀40由控制器的控制信号打开，同时，三通净化旁通阀50朝向第一出口51打开。
73.即，当确定电池堆内的相对湿度满足参考值、电池堆内阳极侧的氢气浓度满足参考值、并且电池堆内没有发生电池溢流时，打开集成净化阀40，同时，三通净化旁通阀50朝向连接到加湿器30的壳侧的排放管线53打开。
74.因此，在s109处，从电池堆10排放的冷凝水和残余氢气沿着三通净化旁通阀50的第一出口51和排放管线53朝向加湿器30的壳侧被净化，并且排放的冷凝水用于在加湿器内将干燥空气转换成加湿空气，并且排放的残余氢气通过加湿器30的排出管线32被排放到大气中。
75.虽然上面已经讨论了多个示例性方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到，所公开的实施例的特征的进一步修改、置换、添加及其子组合仍然是可能的。