一种闭口氢氧燃料电池系统及其控制方法

本发明属于燃料电池，尤其是涉及一种闭口氢氧燃料电池系统及其控制方法。

背景技术：

1、燃料电池作为一种清洁、高效的能源转换技术备受关注。在水下潜航器等密闭环境下工作时，氢氧燃料电池由于阴极供应纯氧，避免氮气等杂质气体的累积，可以实现闭口运行以满足高燃料利用率以及零排放的需求。

2、然而，闭口氢氧燃料电池系统内部反应气体流速很低，运行过程中产生的水无法有效排出，且长时间运行下气体相互渗透的累积，会存在如下问题中的一种或几种：(1)液态水在催化剂层、气体扩散层和流道的累积从而产生“水淹”等水的管理问题，“水淹”不仅会发生在电极的催化剂层或者扩散层，同时会在电池的流道内发生，阻碍反应气体向催化剂的活性位点的传输，导致电流密度分布不均和电池性能下降；(2)液态水累积甚至引起局部欠气等“氧饥饿”问题，产生高电位，导致碳腐蚀，降低电池的使用寿命；(3)闭口系统为了实现有效排水，多采用循环泵的方案来使气体循环起来，通过分水器进行排水，但是循环泵会增加系统的辅助功耗并且增加系统的噪声；(4)氢气和氧气相互渗透且是闭口系统，会存在阴极的氢浓度超过爆炸极限，造成安全隐患；(5)闭口的氢氧燃料电池系统在停机之后，阴极和阳极的氧气和氢气大量消耗，造成较大的负压和压差，甚至会产生“氢空界面”，造成性能损伤。

3、因此，针对上述闭口氢氧燃料电池系统内部存在的问题，亟待开发一种新型的闭口氢氧燃料电池系统及其控制方法。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了解决闭口氢氧燃料电池系统内部水分无法有效排出进而出现的问题，而提供一种闭口氢氧燃料电池系统及其控制方法，以避免由于难以排水而对燃料电池系统造成的损伤。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种闭口氢氧燃料电池系统，包括氢氧燃料电池电堆、氧气气路、氢气气路和氮气气路；

4、所述氧气气路中包括氧引射器、氧分水器和氧储水罐；所述氧引射器与氧分水器连接且二者之间设有氧循环电磁阀；所述氧分水器与氧储水罐连接形成排水管路；氧引射器与氧分水器分别与氢氧燃料电池电堆的入口和出口连接，使氧引射器、氧分水器和氢氧燃料电池电堆之间形成循环气路；所述氧气气路中还包括氧中压电磁阀和与其连接的氧比例阀，氧比例阀与氧引射器的入口连接；

5、所述氢气气路中包括氢引射器、氢分水器和氢储水罐；其中氢引射器与氢分水器连接且二者之间设有氢循环电磁阀；所述氢分水器与氢储水罐连接形成排水管路；氢引射器与氢分水器分别与氢氧燃料电池电堆的入口和出口连接，使氢引射器、氢分水器和氢氧燃料电池电堆之间形成循环气路；所述氢气气路中还包括氢中压电磁阀和与其连接的氢比例阀，氢比例阀与氢引射器的入口连接；

6、所述氮气气路中包括氮气中压电磁阀和氮气中压传感器，氮气中压电磁阀分别通过氮气支路与氧比例阀的入口和氢比例阀的入口连接。

7、在运行过程中，根据电压巡检单元检测的单体电压的波动，根据聚类等方法，建立电堆的水淹状态对应的单体电压状态，从而分析电堆的水淹状态，通过对氮气中压电磁阀、氢中压电磁阀以及氧中压电磁阀的自动控制，增加阴极和阳极的气体的流量，实现运行过程中的快速分水，避免水淹造成的系统故障。

8、进一步地，所述氢氧燃料电池电堆的氧气入口处设有氧进温压传感器。

9、进一步地，所述氢氧燃料电池电堆的氢气入口处设有氢进温压传感器。

10、进一步地，所述氧分水器与氧储水罐之间设有氧排水电磁阀。

11、进一步地，所述氢分水器与氢储水罐之间设有氢排水电磁阀。

12、进一步地，所述氧分水器的出口处设有氧中氢传感器。

13、进一步地，所述氢分水器的出口处设有氢中氧传感器。

14、氧中氢传感器和氢中氧传感器可以在系统运行过程中，实时监控阴极侧的氢气浓度以及阳极侧的氧气浓度，并通过对排水电磁阀的实时控制，实现阴、阳极的氢浓度和氧浓度维持在安全的阈值范围内和高的电堆效率值下，从而提高系统的安全性和效率。

15、进一步地，所述氧分水器分别连接有氧高液位传感器和氧低液位传感器。

16、进一步地，所述氢分水器分别连接有氢高液位传感器和氢低液位传感器。

17、上述液位传感器可以在系统运行过程中，为排水的控制提供液态水状态反馈，实现排水电磁阀排水的精确控制，避免氢气和氧气的多余排放，提高氢气和氧气的利用率。

18、进一步地，所述氮气中压电磁阀与氮气中压传感器连接，氮气通过氮气中压传感器后分为两条氮气支路；

19、其中一条氮气支路中设有第一单向阀并与氧比例阀的入口连接，另一条氮气支路中设有第二单向阀并与氢比例阀连接。

20、本发明还提供一种基于上述闭口氢氧燃料电池系统的控制方法，具体包括以下工作模式：

21、s1开机吹扫模式：关闭氮气气路；在氧气气路中，关闭氧循环电磁阀，氧气通过氧引射器进入氢氧燃料电池电堆，再经氧分水器将残余液态水排入氧储水罐；随后打开氧循环电磁阀，排出循环支路中的残余气体完成吹扫；氢气气路同理；

22、s2正常闭口运行模式：关闭氮气气路；在氧气气路中，打开氧循环电磁阀，关闭排水管路；氧气进入氧引射器的进口，经循环气路分水后返回至氧引射器的回流口并进入氢氧燃料电池电堆；反应后的氧气经分水后再次进入循环气路，实现系统的闭口运行；氢气气路同理；

23、s3分水模式：打开氮气气路；在氧气气路中，打开氧循环电磁阀，将氮气与氧气的混合气体经循环气路分水后返回至氧引射器的回流口并进入氢氧燃料电池电堆；反应后的氧气经分水后再次进入循环气路进行闭口运行；打开排水管路，排出分水用的氮气；氢气气路同理；

24、s4排水模式：关闭氮气气路；在氧气气路中，打开氧循环电磁阀，以s2正常闭口运行模式进行闭口运行；打开排水管路，实现液态水的有效排出；氢气气路同理；

25、s5纯化模式：关闭氮气气路；在氧气气路中，关闭氧循环电磁阀，氧气通过氧引射器进入氢氧燃料电池电堆，再经氧分水器将液态水排入氧储水罐；待氢气浓度降低至安全范围，再进入s2正常闭口运行模式；氢气气路同理；

26、s6停机吹扫模式：打开氮气气路；在氧气气路中，关闭氧气输入，打开氧循环电磁阀，氮气以s2正常闭口运行模式进行闭口运行；打开排水管路，实现氮气和残余液态水的排出；氢气气路同理。

27、进一步地，在s2正常闭口运行模式、s3分水模式、s4排水模式和s5纯化模式中，均以氧进温压传感器和氢进温压传感器为反馈量，通过闭环控制实现氢氧燃料电池电堆的压力精确控制。

28、进一步地，在s4排水模式中，以氧高液位传感器和氧低液位传感器为依据进行时序开关控制，维持氧分水器中的液态水维持在低液位附近；氢分水器同理。

29、进一步地，在s5纯化模式下，以氧中氢传感器和氢中氧传感器为反馈量，确保阴、阳极的氢浓度和氧浓度维持在安全的阈值范围内和高的电堆效率值下。

30、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

31、(1)本发明的闭口氢氧燃料电池系统通过氢氧燃料电池电堆、氧气气路、氢气气路和氮气气路的合理布局设计，可以实现氢氧燃料电池系统的闭口运行和有效排水，避免由于难以排水而对燃料电池系统造成的损伤。

32、(2)本发明在氢气气路和氧气气路中皆采用引射器方案，取消了传统的循环泵的结构，可以降低辅助系统零部件的功耗和噪声，大幅提高系统的效率并降低系统的噪声。

33、(3)本发明在氢气气路和氧气气路中分别增加高、低液位传感器，可以在系统运行过程中，为排水的控制提供液态水状态反馈，实现排水电磁阀排水的精确控制，避免氢气和氧气的多余排放，提高氢气和氧气的利用率。

34、(4)本发明在氢气气路和氧气气路的循环气路中分别增加了氧中氢和氢中氧传感器，可以在系统运行过程中，实时监控阴极侧的氢气浓度以及阳极侧氧气浓度，并通过对排水电磁阀的实时控制，实现阴、阳极的氢浓度和氧浓度维持在安全的阈值范围内和高的电堆效率值下，从而提高系统的安全性和效率。

35、(5)本发明的闭口氢氧燃料电池系统引入了氮气支路，在运行过程中，根据电压巡检单元检测的单体电压的波动，分析电堆的水淹状态，通过对氮气中压电磁阀、氢中压电磁阀以及氧中压电磁阀的自动控制，实现运行过程中阴极和阳极的吹扫气体的流量的增加，从而提高排水的效率以及气体的纯化，避免由于水淹造成的系统故障。

36、(6)本发明的闭口氢氧燃料电池系统引入了氮气支路，在停机过程中，通过对氮气中压电磁阀、氢中压电磁阀以及氧中压电磁阀的自动控制，实现停机过程中阴极和阳极的液态水吹扫以及气体的置换，避免由于停机过程中氢气和氧气消耗所造成的系统内部压差过大以及其氢空界面造成的性能损伤。

37、(7)本发明的闭口氢氧燃料电池系统可以实现闭口运行以满足高燃料利用率以及零排放的需求，并且提高氢氧燃料电池系统的安全性和效率，可广泛应用于水下潜航器等密闭环境下的工作，具有产业化的应用前景。