[发明专利]燃料电池阳极水管理系统与控制方法

权利要求书

1.一种燃料电池阳极水管理系统，其特征在于，该系统包括气水分离装置、高压氢气源、减压阀、引射器、氢气入口压力传感器、燃料电池堆、氢气出口压力传感器、氢气循环泵、颗粒过滤器、比例调节阀、去离子器、单向阀、排气电磁阀、湿度传感器；

所述气水分离装置分为气水分离部分和储液部分；所述气水分离部分内布置有若干挡板，当燃料电池堆阳极尾气从氢气进气口进入气水分离部分后，液态水接触挡板，在惯性与重力作用下沿挡板向下滑动，最终脱离挡板并落入储液部分中，不含液态水的湿氢气从挡板之间的空隙绕流到达氢气出气口；气水分离部分可以有效去除燃料电池堆阳极尾气中的液态水，避免氢气循环引起的水淹；

所述气水分离装置储液部分通过浮球式排液开关自动控制储液部分内液面高度，当液位低于设定值时，浮球所受重力大于浮力，在杠杆作用下，活塞堵塞排水口，排水功能关闭；当液位高于设定值时，浮球所受重力小于浮力，在杠杆作用下，活塞脱离排水口，排水功能开启，液位下降到设定值；通过浮球式排液开关，液面高度可以控制在设定值以下，避免了液态水溢出引起的气水分离部分失效；

所述高压氢气源中释放的氢气经过减压阀后压力下降到预设值，随后通过引射器喷嘴进入缩放管，然后再通过阳极入口进入燃料电池堆；燃料电池堆阳极出口连接气水分离装置的氢气进气口，经过气液分离后不含液态水的湿氢气从氢气出气口进入氢气循环泵，保证循环回燃料电池堆阳极入口的氢气不含液态水；

所述燃料电池堆阳极出口处还布置有一旁路，用于定期排出阳极回路内的积水和氮气，该旁路依次通过单向阀和排气电磁阀；所述排气电磁阀的作用是定期执行脉冲式开关动作，单向阀的作用是防止排气瞬间外部空气进入氢气循环回路；

所述氢气入口压力传感器设置于阳极入口处，用于实时监测阳极入口压力，所述氢气出口压力传感器设置于阳极出口处，用于实时监测阳极出口压力；所述湿度传感器设置于氢气循环泵出口处，用于测量氢气循环泵出口氢气湿度；

当燃料电池质子交换膜过干时，开启比例调节阀，储液部分内存储的液态水通过加湿水出口依次流经颗粒过滤器、比例调节阀和去离子器，最终在引射器混合室内与高速流动的氢气混合，共同进入电堆阳极，为电堆阳极加湿；其中，水流量通过改变比例调节阀的开度来控制。

2.如权利要求1所述的一种燃料电池阳极水管理系统，其特征在于，该系统储液部分内还设置有温度传感器和电加热器，当温度传感器检测到温度低于某一下限值时，电加热器启动，对水进行加热，直到温度传感器检测到温度高于某一上限值时，电加热器停止工作。

3.一种基于权利要求1的燃料电池阳极水管理系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：判断阳极水状态：

根据湿度传感器测量值，以及氢气入口压力传感器和氢气出口压力传感器测量得到的电堆阳极压降，判断阳极水状态；

当湿度传感器测量值RH小于某一设定的湿度判断阈值时，判定阳极膜干；若湿度传感器测量值RH等于或大于某一设定的湿度判断阈值，同时燃料电池堆阳极出口氢气饱和或者过饱和，加入压降判断条件；当压降大于某一设定的压降判断阈值时，则判断阳极发生水淹；未判断阳极发生膜干与水淹时，默认阳极为正常状态；

S2：调节阳极含水量：

若通过S1步骤判断燃料电池堆为正常状态，则保持原有运行状态；

若通过S1步骤判断燃料电池堆水淹，则加大氢气循环泵转速，加速液态水从阳极出口排出速率，从而降低燃料电池堆阳极含水量直到通过S1步骤判断燃料电池堆正常，将氢气循环泵转速设定到标称值；

若通过S1步骤判断燃料电池堆膜干，则开启比例调节阀，气水分离装置储液部分中储存的液态水经过颗粒过滤器与去离子器净化后，被吸入引射器混合室内，然后氢气与液态水一同进入燃料电池堆，使阳极含水量迅速提高，直到通过S1步骤判断燃料电池堆正常，则关闭比例调节阀，停止对阳极进气进行加湿，氢气循环泵转速设定到标称值。

4.如权利要求3所述的一种燃料电池阳极水管理系统的控制方法，其特征在于，在需要加湿的情况下，当温度传感器检测到温度低于某一下限值时，电加热器启动，对水进行加热，直到温度传感器检测到温度高于某一上限值时，电加热器停止工作，保证加湿水温度处于合适的区间内。