[发明专利]一种适应于水陆两栖工况的氢空燃料电池系统及控制方法

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种适应于水陆两栖工况的氢空燃料电池系统及控制方法，本发明氢空燃料电池系统，在水下或无氧环境下使用阴极水下供气模块对氢空燃料电池阴极进行供气，并且通过增设气液分离器、尾排储水罐、尾排水泵，将尾排出的水蒸气与剩余空气分离出来储存在尾排储水罐中，然后通过尾排水泵将尾排储水罐中的水排出，实现了氢空燃料电池系统水下运行；在陆地上使用阴极陆上供气模块对氢空燃料电池阴极进行供气，提升了系统整体的续航里程；本发明在系统控制方法中，综合考虑水下环境对供气和尾排系统的影响，提供对应的解决方案，满足燃料电池水下工作的同时实现了气体的循环使用，提升了系统的续航里程。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种适应于水陆两栖工况的氢空燃料电池系统及控制方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池工作原理是：氢气或其他燃料进入到阳极，并在电极和电解质的界面上发生氧化与氧气还原的电化学反应，产生电流，输出电能。质子交换膜燃料电池的阳极反应气体一般为氢气或重整氢气，阴极氧化剂为纯氧或者空气，氢气通过导气板上的导气通道到达阳极，在阳极催化剂的作用下发生电极反应分解为氢离子和电子，氢离子通过质子交换膜后到达阴极，电子通过外电路到达阴极，使用燃料电池一般就是利用电子在外电路产生电能的这一过程。在阴极端空气或纯氧通过导气板上导气通道到达阴极，氧分子在催化剂的作用下与到达阴极的氢离子和电子反应生成水并释放出热量，水通过电极随尾气排出。

其中，质子交换膜燃料电池按照阴极氧化剂的不同，可以细分为纯氧和空气两种，即所谓的氢空燃料电池和氢氧燃料电池，以上两种的技术路线的基本结构相同，但是内部设计会存在较大差异，整体来说，氢氧燃料电池电堆的总体设计难度要大于氢空燃料电池电堆。相对于氢空燃料电池电堆，氢氧燃料电池电堆的研究设计过程要考虑更高的氢氧利用率、更严格的密封要求、更安静的运行要求、更智能的自反馈调节能力。目前氢空燃料电池普遍在交通领域进行规模示范应用，而氢氧燃料电池基本还处于实验室研究阶段，因此氢空燃料电池的成熟度远高于氢氧燃料电池。

本发明专利主要利用成熟的氢空燃料电池产品，解决燃料电池技术在水陆两栖车辆中的应用。

发明内容

本发明专利提供了一种适应于水陆两栖工况的氢空燃料电池系统及控制方法，实现了氢空燃料电池系统在水下或无氧的环境中的正常使用。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种适应于水陆两栖工况的氢空燃料电池系统，包括氢空燃料电池；

阳极供气模块，包括与氢空燃料电池阳极进气口相连的氢气储罐；

阴极水下供气模块，包括与氢空燃料电池阴极进气口相连的空气配比模块、分别与空气配比模块相连的氧气储罐和氮气储罐，所述空气配比模块用于对氧气储罐中的氧气和氮气储罐的氮气进行配比以及对配比后的气体进行减压；由于氮气和氧气气化后都是带压的，混合后的气体压力一般都要减压到燃料电池系统的压力需求；

阴极陆上供气模块，包括按照气体进入方向依次连接的空气滤清器、空气压缩机、增湿器，所述增湿器出气口与氢空燃料电池阴极进气口相连；

陆上尾排模块，包括与氢空燃料电池尾排出口相连的第一排气单向阀，所述氢空燃料电池尾排出口与第一排气单向阀之间设置有第一阀门；所述第一阀门用于控制氢空燃料电池尾排出口与第一排气单向阀之间气体输送的通断；

水下尾排模块，包括与氢空燃料电池尾排出口相连的气液分离器，所述氢空燃料电池尾排出口与气液分离器之间设置有第二阀门，所述第二阀门用于控制氢空燃料电池尾排出口与气液分离器之间气体输送的通断；所述气液分离器气体出口与空气配比模块相连，所述空气配比模块用于对气液分离器分离出的气体进行配比和加压，所述气液分离器液体出口按照尾排方向依次设置有尾排储水罐和尾排水泵，在利用水下尾排模块时，能够回收利用氢空燃料电池尾排出的水对反应气体进行加湿，因此不需要另外设置增湿器。