一种燃料电池阴极增湿系统及其控制方法与流程

本发明属于燃料电池，特别涉及一种燃料电池阴极增湿系统及其控制方法。

背景技术：

1、氢燃料电池是一种将氢气中的化学能转化为电能的能量转化装置，氢气和氧气通过电化学反应将持续输出电能，具有能量转化效率高、无污染等优点。而氢燃料电池电堆，特别是质子交换膜燃料电池的质子交换膜对气体湿度敏感。如果气体湿度过低，质子交换膜过于干燥，质子传导阻力增加，导致燃料电池性能下降，如果气体湿度过高，质子交换膜会发生水淹现象，阻碍反应气体的扩散通道，也会导致燃料电池性能下降，因此必须对燃料电池反应气体的加湿程度可控。

2、加湿系统对于燃料电池来说至关重要，现有技术中没有一个最优化的方法，大致分为内增湿和外增湿两亮种类型，外增湿也存在需要额外补充水份的情形，增加了系统的复杂程度，抗恶劣环境能力也较为薄弱。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种燃料电池阴极增湿系统及其控制方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种燃料电池阴极增湿系统，包括：加湿子系统、电堆电性能监控诊断系统和燃料电池电池控制fcu；

3、所述加湿子系统和电堆电性能监控诊断系统由燃料电池控制器fcu控制；

4、所述加湿子系统用于收集燃料电池电堆阴极出口的气体分流作为加湿气体加湿干燥空气后送入燃料电池，并实时检测送入燃料电池前被加湿气体的温、湿度值及排出燃料电池电堆阴极出口气体的湿度值，发送给燃料电池控制器fcu；

5、所述电堆电性能监控诊断系统用于实时检测电堆正负极之间电压和电流，以及电池单体的电压，发送给燃料电池控制器fcu；

6、所述燃料电池电池控制器fcu用于设定目标值，启动燃料电池并根据收到的实时检测值，通过调整加湿子系统控制加湿气体的流量使入堆空气的湿度逼近目标值，并在明显偏离目标值时进行诊断响应。

7、进一步的，加湿子系统沿空气流经方向依次设置有干燥气体输入接口、加湿器、温度传感器、第一湿度传感器、与电堆阴极入口对接管路，与电堆阴极出口对接管路、第二湿度传感器、可调三通阀、三通和尾排接口；所述可调三通阀和三通的第三管口都连通加湿器，加湿气体部分通过可调三通阀经加湿器为干燥气体进行加湿，未被加湿器利用的加湿空气从加湿器排出到三通阀，与另一部分从可调三通阀流入的加湿气体进行混合，排空到系统外部。

8、进一步的，加湿器为膜加湿器。

9、进一步的，第一湿度传感器和第二湿度传感器都为相对湿度传感器或者露点传感器。

10、进一步的，可调三通阀为一进二出，每个出口调节开度为0～100％。

11、进一步的，电堆性能监控诊断系统包括接在电堆正负极之间的电压传感器、电流传感器，以及接在电堆每个单片的单体电压巡检子系统cvm。

12、进一步的，燃料电池控制器fcu为集成式燃料电池控制器。

13、一种燃料电池阴极增湿系统控制燃料电池湿度的方法，包括以下步骤：

14、(1)通过燃料电池控制器fcu设定目标入堆湿度值和燃料电池目标小电流值；

15、(2)启动燃料电池系统，燃料电池发电后，实时获取送入燃料电池前被加湿气体的温、湿度值和排出燃料电池电堆阴极出口气体的湿度值，以及电堆正负极之间电压和电流、电池单体的电压；

16、(3)在燃料电池发电达到目标小电流值时，开始调节燃料电池电堆阴极出口的气体分流作为加湿气体的流量，使燃料电池电堆阴极出口气体的湿度值逼近目标入堆湿度值；

17、(4)在送入燃料电池被加湿气体的湿度值明显偏离目标入堆湿度值时，进行诊断响应。

18、进一步的，目标入堆湿度值数量为n个，将燃料电池的最大发电电流划分为n个区间，每个区间分别设定一个目标入堆湿度值。

19、进一步的，诊断响应为通过燃料电池电池控制fcu关闭加湿子系统，之后停止燃料电池。

20、本发明提供一种燃料电池阴极增湿系统，及其控制方法和诊断方法，基于燃料电池阴极尾气的空气和水蒸气混合物通过可调三通阀进行尾气分流，将分流的汽水混合物通过膜加湿器对干燥空气进行加湿，该系统能够适应大流量下加湿效果不理想的情形(如>3000l/min时)，干空气加湿程度可以通过调节阴极尾气温度，尾气流量，加湿器参数协同调控加湿能力。本发明在小流量空气和大流量空气两种情形下加湿稳定，为燃料电池提供指定湿度或者指定露点的空气。

21、本发明的有益效果：

22、(1)本发明不需要额外补充水份：本系统可以不需要额外补充水分，加湿器水份来源全部由燃料电池反应产生。

23、(2)本发明适应不同功率级别的电堆：本系统加湿调节时，根据被控燃料电池的额定功率，产生的水份的含量是不变的，但是本系统具有兼容方式，不论燃料电池额定功率多大，反应产生的水多和少，系统可以根据出口露点，电堆入口的温度和露点检查出水份的含量，通过加湿器和可调三通阀进行加湿量调整，最终调整出满足燃料电池需求的温度和湿度的空气。

24、(3)本发明具有干湿切换功能：本系统在加湿器保持不变的情况下，处于系统内部位置不变的情况下，管道不改变的情况下，通过调节可调三通阀，进行增加湿度还是减少湿度，全加湿还是部分加湿，或者是不加湿这5种状态的调节。

25、(4)本发明湿度检测、控制、诊断直观，直接通过湿度传感器获取电堆阴极湿度：本系统通过入口露点传感器，温度传感器和出口露点传感器，电压传感器和电流传感器诊断燃料电池实际的工作状态是否是燃料电池系统控制器控制的状态，燃料电池发出更大功率意味着产生更多的水，这些水如果排放掉就太浪费了，由上述5个传感器，可以知道实际的阴极产水量，结合电堆的性能参数，温度要求和露点要求。系统可以提供给燃料电池满足要求的加湿量。

技术特征：

1.一种燃料电池阴极增湿系统，其特征在于包括：加湿子系统、电堆电性能监控诊断系统和燃料电池电池控制fcu；

2.根据权利要求1所述的燃料电池阴极增湿系统，其特征在于：所述加湿子系统沿空气流经方向依次设置有干燥气体输入接口、加湿器、温度传感器、第一湿度传感器、与电堆阴极入口对接管路，与电堆阴极出口对接管路、第二湿度传感器、可调三通阀、三通和尾排接口；所述可调三通阀和三通的第三管口都连通加湿器，加湿气体部分通过可调三通阀经加湿器为干燥气体进行加湿，未被加湿器利用的加湿空气从加湿器排出到三通阀，与另一部分从可调三通阀流入的加湿气体进行混合，排空到系统外部。

3.根据权利要求2所述的燃料电池阴极增湿系统，其特征在于：所述加湿器为膜加湿器。

4.根据权利要求2所述的燃料电池阴极增湿系统，其特征在于：所述第一湿度传感器和第二湿度传感器都为相对湿度传感器或者露点传感器。

5.根据权利要求2所述的燃料电池阴极增湿系统，其特征在于：所述可调三通阀为一进二出，每个出口调节开度为0～100％。

6.根据权利要求1所述的燃料电池阴极增湿系统，其特征在于：所述电堆性能监控诊断系统包括接在电堆正负极之间的电压传感器、电流传感器，以及接在电堆每个单片的单体电压巡检子系统cvm。

7.根据权利要求1所述的燃料电池阴极增湿系统，其特征在于：所述燃料电池控制器fcu为集成式燃料电池控制器。

8.一种根据权利要求1至7任一所述燃料电池阴极增湿系统控制燃料电池湿度的方法，其特征在于包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的控制燃料电池湿度的方法，其特征在于：所述目标入堆湿度值数量为n个，将燃料电池的最大发电电流划分为n个区间，每个区间分别设定一个目标入堆湿度值。

10.根据权利要求8所述的控制燃料电池湿度的方法，其特征在于：所述诊断响应为通过燃料电池电池控制fcu关闭加湿子系统，之后停止燃料电池。

技术总结
本发明公开了一种燃料电池阴极增湿系统及其控制方法。燃料电池阴极增湿系统，包括：加湿子系统、电堆电性能监控诊断系统和燃料电池电池控制器FCU；加湿子系统和电堆电性能监控诊断系统由燃料电池控制器FCU控制。基于燃料电池阴极尾气的空气和水蒸气混合物通过可调三通阀进行尾气分流，将分流的汽水混合物通过膜加湿器对干燥空气进行加湿，该系统能够适应大流量下加湿效果不理想的情形，干空气加湿程度可以通过调节阴极尾气温度，尾气流量，加湿器参数协同调控加湿能力。本发明在小流量空气和大流量空气两种情形下加湿稳定，为燃料电池提供指定湿度或者露点的空气。

技术研发人员：伍翾衡
受保护的技术使用者：武汉氢阳能源有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11