[发明专利]一种质子交换膜燃料电池氢气循环系统及其杂质尾排控制方法

说明书

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池氢气循环系统，包括连接在燃料电池电堆阳极入口的调节阀、氢气循环喷射泵和压力传感器，连接在燃料电池电堆阳极出口的湿度传感器和气水分离器，气水分离器引出一条支路通过电磁阀连接氢气尾排，一条支路通过电磁阀连接废水尾排，一条支路通过湿度传感器连接氢气循环喷射泵；还公开了其针对氢气循环系统的杂质排放设计控制策略，实现燃料电池阳极侧尾排的控制：稳态条件下氢气循环质量算法、循环过程中杂质气体算法和尾排控制方法。本发明方法能够使质子交换膜燃料电池氢气循环利用，并使用控制策略对杂质的排放进行优化控制，提高氢气利用率。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池氢气循环系统，以及其杂质尾排控制方法。

背景技术

传统的化石能源将面临枯竭，为解决能源耗尽问题，需要研发出稳定、高效的绿色能源来提供电能，而燃料电池可以作为终极绿色能源，将得到广泛应用。质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于其清洁、高效、环境友好等优点，成为潜力巨大的能源装置之一。燃料电池的基本原理是将化学能转换为电能，具有比能量高、噪音小、无污染、零排放和能量转换效率高等特点。

在国外，以日本和美国为代表的国家已研发出可商用的燃料电池汽车，预示着燃料电池距离大规模商用已为期不远。我国在燃料电池技术上已取得重大突破，燃料电池发电方面也取得了长足进步。

质子交换膜燃料电池运行时不能完全利用氢气，如将氢气排掉，必将造成资源浪费，另外，阳极侧不可避免会产生杂质，有必要采用相应的方式将其排出。

发明内容

本发明的目的之一在于解决现有技术存在的上述问题，提供一种质子交换膜燃料电池氢气循环系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种质子交换膜燃料电池氢气循环系统，包括顺序连接在燃料电池电堆阳极入口的调节阀、氢气循环喷射泵和压力传感器，以及顺序连接在燃料电池电堆阳极出口的湿度传感器和气水分离器，湿度传感器检测出口侧氢气含水量，所述的气水分离器引出三条支路，一条支路通过电磁阀连接氢气尾排，一条支路通过电磁阀连接废水尾排，一条支路通过湿度传感器连接氢气循环喷射泵，用于送入燃料电池电堆阳极未反应完的氢气，与氢气循环喷射泵进口氢气混合后进入燃料电池电堆的阳极入口，湿度传感器检测出口侧汽水分离后的氢气含水量，防止氢气中水的含量大到影响质子交换膜的性能，适时进行排放。

本发明的目的之二在于提供上述质子交换膜燃料电池氢气循环系统相应的控制方法，以进行杂质尾排控制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种质子交换膜燃料电池氢气循环系统的杂质尾排控制方法，包括如下步骤：

利用氢气循环喷射泵为燃料电池电堆的反应提供氢气，并利用高压氢气的压力能，引射燃料电池电堆阳极出口未反应完的氢气，与氢气循环喷射泵的进口氢气混合后进入燃料电池电堆阳极入口，以满足燃料电池电堆的氢气循环需求；

针对氢气循环系统，设计合适的控制策略，实现燃料电池阳极侧尾排的控制：

步骤1，稳态条件下氢气循环质量算法推导

假设氢气循环喷射泵一次流入口持续稳定通入一个单位的纯氢气(99.99％)，NΔt(N＝1,2,3......n)时刻前未反应的氢气占燃料电池电堆阳极入口氢气的质量比例为a_n(0＜a_n＜1,N＝1,2,3......n)

则NΔt时刻末，燃料电池电堆阳极未反应的氢气质量为：

m_out＝1+a_n(1+a_n-1(...1+a₃(1+a₂(1+a₁))))，