一种解决封闭环境中氢氧燃料电池水淹问题的方法

摘要

本发明属于燃料电池领域，并具体公开了一种解决封闭环境中氢氧燃料电池水淹问题的方法。该方法具体为：计算燃料电池中单体电压偏离比例和平均电压偏离比例，判断其是否全部小于脉冲电压降下降比例，若是，则判定状态正常，若否，则进入下一步；利用缓冲罐替代供气气瓶为燃料电池堆供气，若单体电压或平均电压低于保护电压，启动保护机制；当氢气缓冲压力和氧气缓冲压力任一项小于缓冲压力时，重新利用供气气瓶为燃料电池供气，通过压差将燃料电池堆中的水带出；重复以上操作直至燃料电池停机。本发明能够预警电堆的水淹趋势，为故障规避预留调控时间，并利用压差产生的驱动力将水带出，以此解决闭口燃料电池水淹问题，提高燃料利用率。

权利要求

1.一种解决封闭环境中氢氧燃料电池水淹问题的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1设定保护电压Vp、缓冲压力P1和脉冲电压降下降比例α％，记录氢氧燃料电池稳定工作时的初始电压V0、初始单体电压δ0i，i＝1，2，3......n以及初始平均电压 n为单电池数目；

S2检测所述氢氧燃料电池的单体电压Vi，并根据其计算平均电压 然后利用下式分别计算单体电压偏离比例βi和平均电压偏离比例判断单体电压偏离比例βi和平均电压偏离比例 是否全部小于脉冲电压降下降比例α％，若是，则判定所述氢氧燃料电池状态正常，无需后续步骤，若否，则判定所述氢氧燃料电池存在水淹风险并进入步骤S3；

S3利用缓冲罐替代供气气瓶为燃料电池堆供气，若单体电压Vi或平均电压 低于保护电压Vp，则启动保护机制，自动断载并切换至氮气吹扫；若单体电压Vi和平均电压 均高于或等于保护电压Vp，则将氢气缓冲压力PHP和氧气缓冲压力POP与缓冲压力P1进行比较，当其中任一项小于缓冲压力P1时，重新利用供气气瓶为燃料电池供气，通过压差将所述燃料电池堆中的水带出；其中，通过压差将所述燃料电池堆中的水带出，具体为：电池堆内阳极侧的水通过压差ΔPH＝PH‑PHP产生的驱动力被带出，电池堆内阴极侧的水通过压差ΔPO＝PO‑POP产生的驱动力被带出，其中ΔPH为阳极侧压差，PH为氢气进气压力，ΔPO为阴极侧压差，PO为氧气进气压力；

S4重复步骤S2、S3直至燃料电池停机，以此通过脉冲方式解决封闭环境中氢氧电池水淹问题。

2.如权利要求1所述的解决封闭环境中氢氧燃料电池水淹问题的方法，其特征在于，所述保护电压Vp为0.25～0.35V。

3.如权利要求1所述的解决封闭环境中氢氧燃料电池水淹问题的方法，其特征在于，所述保护电压Vp为0.3V。

4.如权利要求1所述的解决封闭环境中氢氧燃料电池水淹问题的方法，其特征在于，所述缓冲压力P1为0.2atm以上。

5.如权利要求1所述的解决封闭环境中氢氧燃料电池水淹问题的方法，其特征在于，所述脉冲电压降下降比例为2％～15％。

6.如权利要求1所述的解决封闭环境中氢氧燃料电池水淹问题的方法，其特征在于，步骤S3中产生的压差为0.5atm～1.0atm。

7.如权利要求1所述的解决封闭环境中氢氧燃料电池水淹问题的方法，其特征在于，所述氢氧燃料电池中控制供气气瓶供气的电磁阀选用常开式电磁阀，控制缓冲罐供气的电磁阀选用常闭式电磁阀。

8.如权利要求1～7任一项所述的解决封闭环境中氢氧燃料电池水淹问题的方法，其特征在于，所述燃料电池堆采用竖直放置方式，以辅助排水。

说明书

一种解决封闭环境中氢氧燃料电池水淹问题的方法

技术领域

[0001] 本发明属于燃料电池领域，更具体地，涉及一种解决封闭环境中氢氧燃料电池水淹问题的方法。

背景技术

[0002] 质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其高效率、比功率和比能量高、零排放、常温下运行和启动时间短的特点，广泛用于燃料电池汽车，公共汽车，潜艇和无人水下航行器等作为
动力装置。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，液态水不断产生并在电池积聚，造成电池水淹，直接导致电池性能和寿命的衰
减，因此，对水的运输进行良好的管理对于维持PEMFC的高效稳定运行至关重要。

[0003] 水在膜内的传输包括电拖曳、反渗透、扩散等过程，电拖曳和反渗透被认为是膜内水传输的主要机制。其中，气体湿度、压力、温度是影响膜内水传输的主要外部因素。氢转化
为电能和热能的消耗的百分比称为燃料利用率，它是衡量所供应氢利用率的程度。100％的
燃料利用率意味着理论上提供给阳极的氢量与所需的电化学反应量相同。然而，由于水淹
和氮的积聚，在电池组的出口处存在因电池电压不稳定和电池降解而导致的燃料不足产生
“燃料饥饿”，从而影响物质运输和加速碳腐蚀。

[0004] 现有解决水淹的方法是通入过量的反应气体或者将电池停机通入惰性气体进行吹扫去除电堆中积聚的水。然而该方法会导致反应气体的浪费或者燃料电池工作暂停滞后
的问题。

发明内容

[0005] 针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本发明提供了一种解决封闭环境中氢氧燃料电池水淹问题的方法，其中以电压降作为前期水淹故障预判断的标准，可准确预警
电堆的水淹趋势；同时采取脉冲措施产生的驱动力将水带出，以此解决闭口燃料电池水淹
问题，提高燃料利用率。

[0006] 为实现上述目的，本发明提出了一种解决封闭环境中氢氧燃料电池水淹问题的方法，该方法包括如下步骤：

[0007] S1设定保护电压Vp、缓冲压力P1和脉冲电压降下降比例α％，记录氢氧燃料电池稳定工作时的初始电压V0、初始单体电压δ0i(i＝1,2,3……n)以及初始平均电压 n为单电
池数目；

[0008] S2检测所述氢氧燃料电池的单体电压Vi，并根据其计算平均电压 然后利用下式分别计算单体电压偏离比例βi和平均电压偏离比例

[0009]

[0010]

[0011] 判断单体电压偏离比例βi和平均电压偏离比例 是否全部小于脉冲电压降下降比例α％，若是，则判定所述氢氧燃料电池状态正常，无需后续步骤，若否，则判定所述氢氧燃
料电池存在水淹风险并进入步骤S3；

[0012] S3利用缓冲罐替代供气气瓶为燃料电池堆供气，若单体电压Vi或平均电压 低于保护电压Vp，则启动保护机制，自动断载并切换至氮气吹扫；若单体电压Vi和平均电压 均
高于或等于保护电压Vp，则将氢气缓冲压力PHP和氧气缓冲压力POP与缓冲压力P1进行比较，
当其中任一项小于缓冲压力P1时，重新利用供气气瓶为燃料电池供气，通过压差将所述燃
料电池堆中的水带出；

[0013] S4重复步骤S2、S3直至燃料电池停机，以此通过脉冲方式解决封闭环境中氢氧电池水淹问题。

[0014] 作为进一步优选地，所述保护电压Vp为0.25～0.35V。

[0015] 作为进一步优选地，所述保护电压Vp为0.3V。

[0016] 作为进一步优选地，所述缓冲压力P1为0.2atm以上。

[0017] 作为进一步优选地，所述脉冲电压降下降比例为2％～15％。

[0018] 作为进一步优选地，步骤S3中产生的压差为0.5atm～1.0atm。

[0019] 作为进一步优选地，所述氢氧燃料电池中控制供气气瓶供气的电磁阀选用常开式电磁阀，控制缓冲罐供气的电磁阀选用常闭式电磁阀。

[0020] 作为进一步优选地，所述燃料电池堆采用竖直放置方式，以辅助排水。

[0021] 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：

[0022] 1.本发明单独采集每一个燃料电池的单体电压，并以电压降作为前期水淹故障预判断的标准，可准确预警电堆的水淹趋势，为故障规避预留调控时间；当存在水淹风险时切
换到缓冲罐供气一段时间，然后再切换到供气气瓶供气，以此使得燃料电池堆内产生较大
压差，利用压差产生的驱动力将水带出，以此解决闭口燃料电池水淹问题，提高燃料利用
率，有效地规避水淹故障，并且还能够将过量气体进行利用，采用本发明提供的方法可实现
燃料利用率达99.97％以上的高效利用；

[0023] 2.尤其是，本发明通过对设定的保护电压、缓冲压力和脉冲电压降下降比例的取值进行优化，能够在对燃料电池堆输出堆影响尽量小的情况下，实现质子交换膜上液态水
的有效去除和燃料电池堆性能的小范围回升，保障燃料电池系统的稳定高效运行。

附图说明

[0024] 图1是按照本发明优选实施例构建的解决封闭环境中氢氧燃料电池水淹问题的控制方法示意图；

[0025] 图2是本发明优选实施例中氢氧燃料电池的结构示意图，其中(a)为阳极示意图，(b)为阴极示意图。

[0026] 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：

[0027] 1‑氢气供气气瓶，2‑氧气供气气瓶，3‑第一稳压阀，4‑第二稳压阀，5‑第一电磁阀，6‑第二电磁阀，7‑第三电磁阀，8‑燃料电池堆，9‑第四电磁阀，10‑第一缓冲罐，11‑第二缓冲
罐。

具体实施方式

[0028] 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。

[0029] 如图2所示，本发明优选实施例中氢氧燃料电池的结构示意图，该氢氧燃料电池包括供气单元、脉冲单元和燃料电池堆8，其中供气单元包括氢气供气气路和氧气供气气路，
氢气供气气路中氢气供气气瓶1通过第一稳压阀3和第一电磁阀5与燃料电池堆8连接，氧气
供气气路中氧气供气气瓶2通过第二稳压阀4和第二电磁阀6与燃料电池堆8连接；脉冲单元
包括氢气脉冲气路和氧气脉冲气路，氢气缓冲气路中第一缓冲罐10通过第三电磁阀7与燃
料电池堆8的氢气进气口连接，同时燃料电池堆8的出气口与第一缓冲罐10的进气口连接；
氧气缓冲气路中第二缓冲罐11通过第四电磁阀9与燃料电池堆8的氧气进气口连接，同时燃
料电池堆8的出气口与第二缓冲罐11的进气口连接。

[0030] 如图1所示，本发明实施例提供了一种解决封闭环境中氢氧燃料电池水淹问题的方法，该方法包括如下步骤：

[0031] S1设定保护电压Vp、缓冲压力P1和脉冲电压降下降比例α％，记录氢氧燃料电池稳定工作时的初始电压V0、初始单体电压δ0i(i＝1,2,3……n)以及初始平均电压 n为单电
池数目；

[0032]

[0033] S2检测氢氧燃料电池的单体电压Vi，并根据其计算平均电压 然后利用下式分别计算单体电压偏离比例βi和平均电压偏离比例

[0034]

[0035]

[0036]

[0037] 判断单体电压偏离比例βi和平均电压偏离比例 是否全部小于脉冲电压降下降比例α％，若是，则判定氢氧燃料电池状态正常，无需后续步骤；若否，代表系统内的水分和杂
质气的积累已经影响到燃料电池堆的性能，判定氢氧燃料电池存在水淹风险并进入步骤
S3；

[0038] S3闭合第一电磁阀5和第二电磁阀6，打开第三电磁阀7和第四电磁阀9，利用第一缓冲罐10和第二缓冲罐11替代氢气供气气瓶1和氧气供气气瓶2为燃料电池堆供气，若单体
电压Vi或平均电压 低于保护电压Vp，则启动保护机制，自动断载并切换至氮气吹扫；若单
体电压Vi和平均电压 均高于或等于保护电压Vp，则将第一缓冲罐10的氢气缓冲压力PHP和
第二缓冲罐11的氧气缓冲压力POP与缓冲压力P1进行比较，当其中任一项小于缓冲压力P1
时，打开第一电磁阀5和第二电磁阀6，闭合第三电磁阀7和第四电磁阀9，重新利用氢气供气
气瓶1和氧气供气气瓶2为燃料电池堆8供气；此时，电压和压力会迅速回升，电池堆内阳极
侧的水通过压差ΔPH＝PH‑PHP产生的驱动力被大量带出，电池堆内阴极侧的水通过压差ΔPO
＝PO‑POP产生的驱动力被大量带出，其中ΔPH为阳极侧压差，PH为氢气进气压力，PHP为氢气
缓冲压力，ΔPO为阴极侧压差，PO为氧气进气压力，POP为氧气缓冲压力；

[0039] S4重复步骤S2、S3并记录氢气供气气瓶1和氧气供气气瓶2的供气时间，即脉冲周期Ti，同时记录第一缓冲罐10和第二缓冲罐11供气时间，即脉冲响应时间TPi，i为执行步骤
S3的次数，直至循环次数达到预设周期，燃料电池停机，以此通过脉冲方式解决封闭环境中
氢氧电池水淹问题；

[0040] 进一步，保护电压Vp为0.25～0.35V，并进一步优选为0.3V，以保证氢氧燃料电池的安全运行。缓冲压力与进气压力的压差为除水动力，缓冲压力越小压差越大，除水效果越
好，但是缓冲压力过低会导致燃料饥饿，因此缓冲压力P1为0.2atm以上。脉冲电压降为脉冲
执行前电压相对于稳定运行阶段的压力下降比值，其代表随着燃料电池堆闭式运行时，液
态水和杂质气的积累对性能造成的衰减，为保障燃料电池系统的稳定高效运行，脉冲电压
降下降比例为2％～15％，通过上述参数相互作用，能够在对燃料电池堆输出性能影响尽量
小的情况下，实现质子交换膜上液态水的有效去除和电堆性能的小范围回升，保障燃料电
池系统的稳定高效运行。

[0041] 进一步，第一电磁阀5和第二电磁阀6选用常开式电磁阀，第三电磁阀7和第四电磁阀9选用常闭式电磁阀；步骤S3中产生的压差ΔPH和ΔPO应该在0.3atm以上，并优选为
0.5atm～1.0atm。

[0042] 进一步，燃料电池堆采用竖直放置方式，以辅助排水；第一缓冲罐10和第二缓冲罐11优选耐压为2.5Mpa以上的亚克力筒壁，不锈钢顶盖底盖使用螺栓紧固的透明罐体。

[0043] 本发明提供的方法中，供气单元处无需设置加湿器，脉冲单元上还可以设置气液分离器，气液分离器出口连接燃料电池电堆入口，也可以达到辅助排水的效果。本发明结合
潜航器、无人船等水下动力设备的封闭式燃料电池系统的实际使用需求，在系统方案及电
堆内部结构等确保燃料电池稳定输出的基础上，提出了便于实现的燃料电池系统单体状态
监测，联合排水，提高燃料利用率的控制方法，并重点发明了基于电压监测的脉冲除水方
法。可以在实际水下动力设备的实际过程中的控制器上实现，而且判断迅速，实际应用效果
好。

[0044] 下面根据具体实施例对本发明提供的技术方案进行进一步说明。

[0045] (1)使燃料电池稳定运行，设定保护电压V0＝0.3V、脉冲电压降下降比例α％＝10％，缓冲压力P1＝0.2atm，记录燃料电池稳定工作时的初始电压V0＝0.75V、燃料电池堆氢
气进气压力PH＝0.8atm和氧气进气压力PO＝0.8atm，氢气缓冲压力PHP和氧气缓冲压力POP，
各单电池电压δ0i(i＝1,2,3……10)，和平均电压 检测燃料电池的单体单压Vi，计算平均
电压偏离值 因 与预设下降比例α％相
等，进入步骤(2)；

[0046] (2)第一电磁阀5和第二电磁阀6闭合，第三电磁阀7和第四电磁阀9打开，脉冲周期T1为3小时,氢气缓冲压力PHP，下降至0.2atm，进入步骤(3)；

[0047] (3)第一电磁阀5和第二电磁阀6打开，第三电磁阀7和第四电磁阀9闭合，上述响应动作同时进行，TP1＝2s,电压和压力会迅速回升；

[0048] (4)长时间运行后多次进行步骤(2)、(3)的切换，记录脉冲周期T2＝2.7h，T3＝2.2h，T4＝1.6h和脉冲响应时间TP2＝2.12s，TP3＝1.95s，TP3＝2.02s。

[0049] 本领域的技术人员容易理解，以上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。