自增湿燃料电池水热管理系统及其控制方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种自增湿燃料电池水热管理系统及其控制方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池通过氢气和氧气的化学反应释放电能，因其不受卡诺极限限制，是目前最高效的氢能利用方式。质子交换膜燃料电池具有众多突出的优点，如能量转化率高、能量密度高、噪音低以及零排放等。质子交换膜燃料电池水淹和膜干是其在运行过程中最常见的故障，燃料电池内部水含量过高会产生水淹故障，而水含量不足则会导致膜干故障。电堆水淹/膜干主要受电流、温度、气体压力及过量系数等因素影响。热管理和水管理出现失衡时，会出现液态水积聚在电堆流道及气体扩散层内无法排出或者质子交换膜水分太少而影响质子的传导，导致燃料电池进入水淹/膜干状态，影响燃料电池的正常工作，系统的耐久性降低，使用寿命缩短。因此，需要合理的水热管理系统及其控制方法来实现燃料电池的水平衡。
3.现有的专利，如公布号为cn109799457a、公开日为2019
‑
05
‑
24的中国专利申请，其公开了一种燃料电池水管理监测系统及其工作方法，以在及时发现并调节燃料电池的水平衡问题的同时，还能对燃料电池工作时所产生的带有余热的废水进行回收利用，但该系统所需部件较多，系统较为复杂；又如公布号为cn110034315a、公开日为2019
‑
07
‑
19的中国专利申请，其公开了一种燃料电池堆阳极水管理方法，目的在于提供一种能够简单有效地解决燃料电池堆内部由于水不均匀分布所带来的性能下降问题的水管理方法，但其没有考虑电堆阴极的水含量状态；又如公布号为cn111864234a，公开日为2020
‑
10
‑
30的中国专利申请，其公开了一种闭环加压的燃料电池水管理系统及控制方法，通过进出口压力变化以及水流量的变化判断燃料电池电堆内部水状态，利用闭环控制的方法，将氧气排气通道封闭，将氧气回路变成封闭回路，让进气回路变成加压回路，从而改善燃料电池电堆水淹问题，但其并没有考虑电堆阳极的水含量问题。
4.为了克服上述技术的不足，本发明提出一种自增湿燃料电池水热管理系统及其控制方法，以维持燃料电池在正常的水含量状态。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种自增湿燃料电池水热管理系统及其控制方法，以解决上述现有技术存在的问题，该自增湿燃料电池水热管理系统及其控制方法通过判断阴阳极两侧的含水量情况，采取针对阴阳极两侧的水热管理操作以防止水淹或者膜干对燃料电池性能产生影响，进而维持燃料电池内部的水平衡。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.本发明提供一种自增湿燃料电池水热管理系统，主要包括：
8.空气路系统，所述空气路系统包括滤清器、空压机、加湿器、第一压力传感器、第二
压力传感器、第一温度传感器和第一排气阀；所述滤清器、所述空压机和所述加湿器依次串联后，所述加湿器连接于燃料电池的阴极入口处；所述阴极入口与所述加湿器之间连接所述第一压力传感器和所述第一温度传感器；所述燃料电池的阴极出口设置第二压力传感器，所述第二压力传感器同时与所述第一排气阀和所述加湿器连接；
9.氢气路系统，所述氢气路系统包括高压气瓶、第三压力传感器、第四压力传感器、第二温度传感器和第二排气阀；所述高压氢瓶连接于所述燃料电池的阳极入口处，且所述高压氢瓶与所述阳极入口之间连接所述第三压力传感器和所述第二温度传感器；所述第二排气阀连接于所述燃料电池的阳极出口处，且所述第二排气阀与所述阳极出口之间连接所述第四压力传感器；
10.氢气循环系统，所述氢气循环系统包括氢气循环泵、气液分离器、第一循环支路和第二循环支路，所述气液分离器安装于所述第一循环支路或所述第二循环支路；所述第一循环支路和所述第二循环支路并联后，与所述氢气循环泵串联；所述氢气循环系统并联于所述阳极出口和所述阳极入口之间；
11.冷却水路系统，所述冷却水路系统包括水箱、电导率传感器、水泵、去离子器、过滤器、第五压力传感器、第三温度传感器和/或散热器；所述水箱、所述电导率传感器、所述水泵和所述过滤器依次串联后，所述过滤器连接于所述燃料电池的冷却水入口处、所述水箱连接于所述燃料电池的冷却水出口处，且所述冷却水入口与所述过滤器之间连接所述第五压力传感器和所述第三温度传感器；所述去离子器并联于所述冷却水入口和所述冷却水出口之间；所述散热器并联于所述水箱的两端；
12.控制器，所述空气路系统、所述氢气路系统、所述氢气循环系统和/或所述冷却水路系统与所述控制器电性连接。
13.可选的，还包括第一流量计和/或第二流量计；所述第一流量计连接于所述空压机和所述加湿器之间；所述第二流量计连接于所述高压氢瓶与所述阳极入口之间。
14.可选的，还包括减压阀，所述减压阀连接于所述高压氢瓶与所述阳极入口之间；且所述减压阀沿氢气流动方向至少设置一级。所述减压阀沿氢气流动方向可设置两级，即同时设置一级减压阀和二级减压阀。
15.可选的，所述第一循环支路上安装第一电磁阀；所述第二循环支路上安装第二电磁阀和所述气液分离器。
16.可选的，所述第一排气阀通过第一三通阀与所述第二压力传感器连接，且所述第一三通阀的一个出口与所述加湿器连接。
17.可选的，所述氢气循环系统的一端通过第二三通阀连接于所述高压氢瓶与所述阳极入口之间，另一端通过第三三通阀连接于所述第二排气阀与所述阳极出口之间。
18.可选的，所述第二循环支路的一端通过第四三通阀与所述阳极出口连接，且所述第四三通阀的一个出口连接所述第一循环支路的一端；所述第二循环支路的另一端通过第五三通阀与所述氢气循环泵连接，且所述第五三通阀的一个入口连接所述第一循环支路的另一端。
19.可选的，所述水箱与所述冷却水入口之间沿水流方向依次连接第六三通阀和第七三通阀，且所述第六三通阀的一个入口与所述散热器的出水口连接，所述第七三通阀的一个出口与所述去离子器的入水口连接；所述冷却水出口与所述水箱之间沿水流方向依次连
接第八三通阀和第九三通阀，且所述第八三通阀的一个入口与所述去离子器的出水口连接，所述第九三通阀的一个出口与所述散热器的入水口连接。
20.同时，本发明提出一种基于上述自增湿燃料电池水热管理系统的控制方法，具体包括如下步骤：
21.步骤一：测量所述阴极入口的空气流量、空气温度和/或空气压力；测量所述阴极出口的空气压力；测量所述阳极入口的氢气流量、氢气温度和/或氢气压力；测量所述阳极出口的氢气压力；测量所述冷却水入口处的温度和/或压力；
22.步骤二：由控制器获取步骤一测得的数值后，计算出燃料电池阴、阳极两侧的实际压降值，并由控制器将所述实际压降值与燃料电池正常工作情况下的阴、阳极两侧的理论压降值进行比较，以判断燃料电池内的水含量状态：当阴极侧实际压降值大于理论压降值时，燃料电池的阴极侧处于水淹状态；当阴极侧实际压降值小于理论压降值时，燃料电池的阴极侧处于膜干状态；当阳极侧实际压降值大于理论压降值时，燃料电池的阳极侧处于水淹状态；当阳极侧实际压降值小于理论压降值时，燃料电池的阳极侧处于膜干状态；
23.步骤三；根据步骤二中控制器判定的燃料电池水含量状态，采取对应的调控措施：
24.步骤3.1：当控制器判定燃料电池的阴极侧处于水淹状态时，间断开启所述第一排气阀，以利用多余的空气产生压力波动，同时通过控制器调低所述散热器中风扇转速与所述水泵的流量，来调高燃料电池的温度，进而通过采用脉冲排气与升高燃料电池温度的方式排出燃料电池内部多余积水；
25.步骤3.2：当控制器判定燃料电池的阴极侧处于膜干状态时，通过控制器调高所述散热器中风扇转速与所述水泵的流量，来降低燃料电池的温度，进而增加燃料电池内部的水含量；正常工作过程中，所述第一排气阀为关闭状态，所述加湿器工作，利用阴极出口的气体中的水分对阴极入口的空气进行加湿；步骤3.3：当控制器判定燃料电池的阳极侧处于水淹状态时，间断开启所述第二排气阀，以利用多余的氢气产生压力波动，同时通过控制器调低所述散热器中风扇转速与所述水泵的流量，来调高燃料电池的温度，进而通过采用脉冲排气与升高燃料电池温度的方式排出燃料电池内部多余积水；同时开启所述氢气循环系统中添加有所述气液分离器的循环支路，并使所述气液分离器开始工作，同时关闭所述氢气循环系统中的另一循环支路；
26.步骤3.4：当控制器判定燃料电池的阳极侧处于膜干状态时，通过控制器调高所述散热器中风扇转速与所述水泵的流量，来降低燃料电池的温度，进而增加燃料电池内部的水含量；正常工作过程中，所述第二电磁阀为关闭状态，所述气液分离器不工作，所述第一电磁阀为开启状态，阳极出口气体通过氢气循环泵对阳极入口氢气加湿。所述控制器与上述空压机、第一流量计、第二流量计、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第五压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、减压阀、第一电磁阀、第二电磁阀、第一排气阀、第二排气阀、氢气循环泵、水泵、电导率传感器、风扇等均以常规的方式进行电性连接，以实时接收各部件的检测信号。
27.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
28.本发明提出的自增湿燃料电池水热管理系统及其控制方法，系统结构简单合理，方案整体兼顾考量了电堆阴极的水含量状态以及电堆阳极的水含量状态，通过阴阳极实际压降值与正常工作状态下理论压降值进行比较，来判断此时燃料电池内部含水量情况，进
而执行相对应的水热管理操作，以维持燃料电池在正常的水含量状态，控制方法简便易行。本发明的具体有益效果如下：
29.1)本发明通过阴阳极压降来判断阴阳极两侧的水含量情况，并进行相应针对阴极侧或阳极侧的调控操作，更具有针对性，控制精度更高；
30.2)本发明通过加湿器和氢气循环泵利用阴阳极出口的排气来加湿阴阳极入口的气体，以达到自增湿的效果；
31.3)本发明在原有的氢气循环回路基础上加装了气液分离器，变动较小，容易实现；
32.4)本发明把水管理和热管理相结合来控制燃料电池内部的水含量，效果更佳，控制方法简单，有利于提高燃料电池的工作性能，实用性强。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本发明自增湿燃料电池水热管理系统的结构原理图；
35.图2为本发明自增湿燃料电池水热管理系统的控制流程图；
36.其中，附图标记为：100
‑
自增湿燃料电池水热管理系统，1
‑
空气流，2
‑
滤清器，3
‑
空压机，4
‑
第一流量计，5
‑
加湿器，6
‑
第一压力传感器，7
‑
第一温度传感器，8
‑
电堆、9
‑
第二压力传感器，10
‑
第一三通阀，11
‑
第一排气阀，12
‑
高压氢瓶，13
‑
一级减压阀，14
‑
二级减压阀，15
‑
第二流量计，16
‑
第二三通阀，17
‑
第三压力传感器，18
‑
第二温度传感器，19
‑
第四压力传感器，20
‑
第三三通阀，21
‑
第二排气阀，22
‑
第四三通阀，23
‑
第一电磁阀，24
‑
第二电磁阀，25
‑
气液分离器，26
‑
第五三通阀，27
‑
氢气循环泵，28
‑
水箱，29
‑
第六三通阀，30
‑
电导率传感器，31
‑
水泵，32
‑
第七三通阀，33
‑
过滤器，34
‑
第三温度传感器，35
‑
第五压力传感器，36
‑
第八三通阀，37
‑
去离子器，38
‑
第九三通阀，39
‑
散热器，40
‑
风扇。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.本发明的目的是提供一种自增湿燃料电池水热管理系统及其控制方法，该自增湿燃料电池水热管理系统及其控制方法通过判断阴阳极两侧的含水量情况，采取针对阴阳极两侧的水热管理操作以防止水淹或者膜干对燃料电池性能产生影响，进而维持燃料电池内部的水平衡。
39.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
40.实施例一
41.如图1所示，本实施例提供一种自增湿燃料电池水热管理系统100，包括电堆8、空
气路系统、氢气路系统、氢气循环系统和冷却水路系统；其中的电堆8，即电池堆，由多个燃料电池组成。空气路系统主要包括滤清器2、空压机3、第一流量计4、加湿器5、第一压力传感器6、第二压力传感器9、第一温度传感器7、第一三通阀10和第一排气阀11；氢气路系统主要包括高压气瓶12、一级减压阀13、二级减压阀14、第二流量计15、第二三通阀16、第三三通阀20、第三压力传感器17、第四压力传感器19、第二温度传感器18和第二排气阀21；氢气循环系统主要包括氢气循环泵27、第四三通阀22、第五三通阀26、气液分离器25、第一电磁阀23、第二电磁阀24；冷却水路系统主要包括水箱28、第六三通阀29、电导率传感器30、水泵31、第七三通阀32、过滤器33、第三温度传感器34、第五压力传感器35、第八三通阀36、去离子器37、第九三通阀38、散热器39和风扇40，风扇40配置于散热器39。上述各系统的具体连接方式如下：
42.空气路系统中的滤清器2、空压机3、第一流量计4、加湿器5、第一压力传感器6和第一温度传感器7依次相连接并连接在燃料电池(或电堆)的阴极入口处，空气流1经滤清器2进入空气路系统；第一排气阀11、第一三通阀10和第二压力传感器9依次串联并连接在燃料电池阴极出口处；第一三通阀10的一个出口与加湿器相连接。氢气路系统中的高压氢瓶12、一级减压阀13、二级减压阀14、第二流量计15、第二三通阀16、第三压力传感器17和第二温度传感器18依次相串联并连接在燃料电池的阳极入口处；第二排气阀21、第三三通阀20和第四压力传感器19依次相串联并连接在燃料电池的阳极出口处。氢气循环系统中的第一电磁阀23与加装气液分离器25的电磁二24相并联，且两支路并联后与氢气循环泵27串联。冷却水路系统中的水箱28、第六三通阀29、电导率传感器30、水泵31、第七三通阀32、过滤器33、第五压力传感器34和第三温度传感器35依次串联并连接在燃料电池冷却水入口处；去离子器37的一侧与第七三通阀32的一个出口连接、另一侧与第八三通阀36的一个入口连接；散热器39与水箱28形成两个并联支路，散热器39与水箱28的两侧均与第六三通阀29、第九三通阀38相连接。
43.本实施例的自增湿燃料电池水热管理系统100还包括控制器，控制器与上述的空压机3、第一流量计4和第二流量计15、第一压力传感器6、第二压力传感器9、第三压力传感器17、第四压力传感器19、第五压力传感器34、第一温度传感器7、第二温度传感器18、第三温度传感器33、一级减压阀13、二级减压阀14、第一电磁阀23、第二电磁阀24、第一排气阀11、第二排气阀21、氢气循环泵27、水泵31、电导率传感器30、风扇40等以常规的方式进行电性连接。
44.本实施例的自增湿燃料电池水热管理系统100中，第一流量计4、第一温度传感器7、第一压力传感器6用于测量阴极入口的流量、温度和压力，第二压力传感器9用于测量阴极出口的压力；第二流量计15、第二温度传感器18、压力传感器17三用于测量阳极入口的流量、温度和压力，第四压力传感器19用于测量阳极出口的压力；第三温度传感器33、第五压力传感器34用于测量冷却水入口温度、压力；电导率传感器30用于测量冷却水的离子浓度。
45.通过第一压力传感器6和第二压力传感器9可以得到阴极侧的实际压降，并与燃料电池正常工作情况下的阴阳极侧的理论压降进行比较。当阴极侧实际压降大于理论压降时，说明燃料电池阴极侧处于水淹状态，当阴极侧实际压降小于理论压降时，说明燃料电池阴极侧处于膜干状态。通过第三压力传感器17和第四压力传感器19可以得到阳极侧的实际压降，并与燃料电池正常工作情况下的阴阳极侧的理论压降进行比较。当燃料电池阳极侧
实际压降大于理论压降时，说明燃料电池阳极侧处于水淹状态，当阳极侧实际压降小于理论压降时，说明燃料电池阳极侧处于膜干状态。针对上述情况，本实施例可通过上述自增湿燃料电池水热管理系统100进行如下调控操作：
46.当燃料电池阴极侧处于水淹状态时，采用脉冲排气与升高电堆温度的方式排出燃料电池内部多余的积水，具体实施方式为：间断开启第一排气阀11利用多余的空气产生的压力波动，并且通过控制器调低散热器39的风扇40转速与调低水泵29流量来调高电堆温度，将燃料电池内部多余的积水排出；
47.当燃料电池阴极侧处于膜干状态时，采用降低电堆温度的方式来增加燃料电池内部的水含量，具体实施方式为：通过控制器调高散热器39的风扇40转速与调高水泵29流量来降低电堆温度。正常工作过程中，第一排气阀11为关闭状态，加湿器5工作，利用阴极出口空气中的水分对阴极入口空气进行加湿；
48.当燃料电池阳极侧处于水淹状态时，采用脉冲排气与升高电堆温度的方式排出燃料电池内部多余的积水，具体实施方式为：间断开启第二排气阀21利用多余的氢气产生的压力波动，并且通过控制器调低散热器39的风扇40转速与调低水泵29流量来调高电堆温度，将燃料电池内部多余的积水排出，在此过程中关闭第一电磁阀23，开启第二电磁阀24，同时气液分离器25开始工作；
49.当燃料电池阳极侧处于膜干状态时，采用降低电堆温度的方式来增加燃料电池内部的水含量，具体实施方式为：通过控制器调高散热器39的风扇40转速与调高水泵29流量来降低电堆温度。正常工作过程中，第二电磁阀24关闭状态，气液分离器25不工作，第一电磁阀23为开启状态，阳极出口的气体通过氢气循环泵27对阳极入口氢气加湿。
50.由此可见，本实施例提出的自增湿燃料电池水热管理系统及其控制方法，系统结构简单合理，方案整体兼顾考量了电堆阴极的水含量状态以及电堆阳极的水含量状态，通过阴阳极实际压降值与正常工作状态下理论压降值进行比较，来判断此时燃料电池内部含水量情况，进而执行相对应的水热管理操作，以维持燃料电池在正常的水含量状态，控制方法简便易行，实用性强。
51.需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
52.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。