燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法。


背景技术：

2.燃料电池系统能够在反应堆中以所供应气体为原料发生化学反应，从而产生电能。反应堆的气体入口接收外部提供的气体原料，气体原料在反应堆内发生化学反应后，多余的气体原料通过反应堆的气体出口输出。为了提高气体原料的利用率，多余的气体原料可以与外部提供的气体原料进行混合，并重新输入至反应堆中发生化学反应。
3.然而，由于从气体出口输出的气体包含大量的水蒸气，并且与外部提供的气体原料存在较高的温度差，因此，在两者混合之后水蒸气凝结产生大量的冷凝水，产生的冷凝水会随着气体原料流入反应堆，反应堆容易发生水淹，从而影响燃料电池系统的性能和稳定性。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法，能够避免发生水淹的问题，从而提高燃料电池系统的性能和稳定性。
5.第一方面，本技术提供了一种燃料电池系统，包括：储气瓶，所述储气瓶用于存储第一气体；反应堆，所述反应堆设有第一气体入口、第二气体入口和气体出口；其中，所述第一气体入口通过管路与所述储气瓶连接，所述第一气体入口用于接收所述第一气体，所述第二气体入口用于接收第二气体；所述反应堆用于根据所述第一气体和所述第二气体产生电能和反应剩余物；所述气体出口用于排出所述反应剩余物；分水器，所述分水器的一端与所述气体出口连接，所述分水器用于对所述反应剩余物进行气液分离操作，以得到分离气体；循环器，所述循环器的一端与所述分水器的另一端连接，所述循环器的另一端与所述第一气体入口处的管路连接，所述循环器用于将引导所述分离气体与所述第一气体进行混合，以形成混合物；第一温度传感器，所述第一温度传感器与所述储气瓶连接，所述第一温度传感器用于检测所述第一气体的第一温度；第二温度传感器，所述第二温度传感器与所述气体出口连接，所述第二温度传感器用于检测所述反应剩余物的第二温度；控制器，所述控制器分别与所述第一温度传感器、所述第二温度传感器电连接，所述控制器还用于根据所述第一温度、所述第二温度、预设阈值生成控制信号；排水阀，所述排水阀与所述第一气体入口处的管路连接，所述排水阀用于根据所述控制信号切换开启状态，以控制所述混合物中冷凝水的排放。
6.本实施例中燃料电池系统通过第一温度传感器对第一气体的温度进行检测，以生成第一温度传输给控制器；且燃料电池系统通过第二温度传感器对反应剩余物的温度进行检测，以生成第二温度传输给控制器。控制器通过第一温度、第二温度和预设阈值对混合气
体产生的冷凝水量进行预测，从而对混合气体中的冷凝水进行排除，避免发生水淹现象，从而提高了燃料电池系统的性能和稳定性。此外，由于控制器还能够根据预测的冷凝水量对排水阀的开启时间实现动态调整，从而避免造成气体资源的浪费。
7.在一些实施例中，所述燃料电池系统还包括：调节装置，所述调节装置的一端与所述储气瓶连接，所述调节装置的另一端与所述第一气体入口连接。
8.在一些实施例中，所述调节装置包括：减压阀，所述减压阀的一端与所述储气瓶连接，所述减压阀的另一端与所述第一气体入口连接。
9.在一些实施例中，所述调节装置还包括：比例阀，所述比例阀的一端与所述减压阀的另一端连接，所述比例阀的另一端与所述第一气体入口连接。
10.在一些实施例中，所述循环器包括循环泵、引射器中的任一种。
11.第二方面，本技术还提供了一种燃料电池系统的控制方法，所述控制方法应用于上述任一项实施例所述的燃料电池系统，所述燃料电池系统的控制方法包括：控制器获取第一温度传感器采集的第一温度和第二温度传感器采集的第二温度；所述控制器根据所述第一温度、所述第二温度和预设阈值生成控制信号；排水阀根据所述控制信号切换为开启状态，以控制冷凝水的排放。
12.在一些实施例中，所述开启状态包括开启，所述控制信号包括第一控制信号；所述控制器根据所述第一温度、所述第二温度和预设阈值生成控制信号，包括：所述控制器根据所述第一温度和所述第二温度得到第一差值；当所述第一差值大于或等于所述预设阈值时，所述控制器生成所述第一控制信号；所述排水阀根据所述第一控制信号切换开启状态，包括：所述排水阀根据所述第一控制信号切换为开启。
13.在一些实施例中，所述开启状态包括关闭，所述控制信号包括第二控制信号；所述控制器根据所述第一温度、所述第二温度和预设阈值生成控制信号，还包括：当所述第一差值小于所述预设阈值时，所述控制器生成所述第二控制信号；所述排水阀根据所述第二控制信号切换开启状态，包括：所述排水阀根据所述第二控制信号切换为关闭。
14.在一些实施例中，所述燃料电池系统的控制方法还包括：所述控制器根据所述第一差值和所述预设阈值得到第二差值；所述控制器根据所述第二差值得到响应时长；其中，所述响应时长用于表征所述排水阀根据所述第一控制信号切换为开启的时长。
15.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
16.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
17.图1为本发明实施例燃料电池系统的一结构示意图；
18.图2为本发明实施例燃料电池系统的控制方法的一流程示意图；
19.图3为本发明实施例燃料电池系统的控制方法的另一流程示意图；
20.图4为本发明实施例燃料电池系统的控制方法的又一流程示意图；
21.图5为本发明实施例燃料电池系统的控制方法的又一流程示意图。
22.附图标记：燃料电池系统100、储气瓶110、反应堆120、分水器130、循环器140、第一温度传感器150、第二温度传感器160、控制器170、排水阀180、调节装置190、减压阀191、比
例阀192。
具体实施方式
23.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
24.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
25.在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
26.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
27.本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
28.需要说明的是，燃料电池系统通过对化学能进行转换，能够生成电能以给设备供电。其中，燃料电池系统能够以氢气(第一气体)和氧气(第二气体)作为气体原料，输入至燃料电池系统的反应堆中，氢气和氧气在反应堆的催化剂作用下发生化学反应，从而产生电能。在一些应用场景中，为了提高对氢气或者氧气的利用率，燃料电池系统对未反应完的第一气体进行循环利用。具体的，反应堆的第一气体入口接收外部提供的第一气体，反应堆的第二气体入口接收外部提供的第二气体，第一气体和第二气体在反应堆内部发生化学反应产生电能，部分未反应的第一气体从反应堆的气体出口输出，与外部提供的第一气体(即气体原料)进行混合，并重新由第一气体入口输入至反应堆中重复利用。然而，由于反应堆内发生化学反应之后，其内部温度会升高为70摄氏度至80摄氏度之间，并产生大量的水蒸气，使得未反应的第一气体的温度也较高，而外部提供的第一气体温度较低。因此，从气体出口输出的湿热气流与低温的气体原料汇合时，将产生大量液态的冷凝水。冷凝水在第一气体入口处聚焦并在气流的作用下流入反应堆中，极易导致反应堆发生水淹，从而影响电池的性能和稳定性。
29.为此，本技术提供了一种燃料电池系统及冷凝水排放方法，能够避免发生水淹的问题，从而提高燃料电池系统的性能和稳定性。
30.请参阅图1，第一方面，本技术提供了一种燃料电池系统100，包括：储气瓶110，储气瓶110用于存储第一气体；反应堆120，反应堆120设有第一气体入口in、第二气体入口和
气体出口out；其中，第一气体入口in与储气瓶110连接，第一气体入口in用于接收第一气体，第二气体入口用于接收第二气体；反应堆120用于根据第一气体和第二气体产生电能和反应剩余物；气体出口out用于排出反应剩余物；分水器130，分水器130的一端与气体出口out连接，分水器130用于对反应剩余物进行气液分离操作，以得到分离气体；循环器140，循环器140的一端与分水器130的另一端连接，循环器140的另一端与第一气体入口管路连接，循环器140用于将分离气体与第一气体进行混合，以形成混合物；第一温度传感器150，第一温度传感器150与储气瓶110连接，第一温度传感器150用于检测第一气体的第一温度；第二温度传感器160，第二温度传感器160与气体出口out连接，第二温度传感器160用于检测反应剩余物的第二温度；控制器170，控制器170分别与第一温度传感器150、第二温度传感器160电连接，控制器170还用于根据第一温度、第二温度、预设阈值生成控制信号；排水阀180位于第一气体入口处，排水阀180用于根据控制信号切换开启状态，以控制混合物中冷凝水的排出。
31.可以理解的是，本实施例的燃料电池系统100包括储气瓶110、反应堆120、分水器130、循环器140、第一温度传感器150、第二温度传感器160和控制器170。其中，反应堆120的第一气体入口in分别与储气瓶110、循环器140和排水阀180连接，反应堆120的气体出口out分别与分水器130、第二温度传感器160连接，控制器170分别与第一温度传感器150、第二温度传感器160和排水阀180连接。
32.可以理解的是，由上述内容可知，燃料电池系统100的反应堆120能够接收外界提供的气体原料，并通过气体原料发生化学反应以产生电能。为此，本实施例中燃料电池系统100设置了相应的储气瓶110，储气瓶110用于存储第一气体，即气体原料。当燃料电池系统100进行工作时，储气瓶110将发生化学反应所需的第一气体传输至反应堆120的第一气体入口in。此外，反应堆120的第二气体入口接收外部提供的第二气体。可以理解的是，第一气体和第二气体进入反应堆120后，在反应堆120中催化剂的作用下发生强烈的化学反应，从而产生电能。此外，为了保证化学反应的高效率，反应堆120中往往需要保持过量的第一气体和第二气体。因此，在发生化学反应后，反应堆120产生的反应剩余物包含未进行反应的第一气体，还包含有大量形成的水蒸气。同时，未反应的第一气体也具有较高的温度，因此，反应剩余物的温度较高。
33.可以理解的是，由上述内容可知，为了提高资源利用率，未反应的第一气体可以重新传输至反应堆120的第一气体入口in，以实现循环利用。具体的，反应剩余物从反应堆120的气体出口out输出后，反应剩余物中包含少量的冷凝水。本实施例的燃料电池系统100在气体出口out处设置了相应的分水器130，分水器130能够对反应剩余物进行分离操作，从而将反应剩余物中的冷凝水分离去除，并生成分离气体，分离气体包含未反应的第一气体和水蒸气。此时，分离气体仍然保持较高的温度。
34.可以理解的是，分离气体需要重新与储气瓶110输出的第一气体进行混合，以传输给反应堆120的第一气体入口in，从而达到循环利用的目的。为此，本实施例中燃料电池系统100设置了相应的循环器140，循环器140用于将分离气体和第一气体进行混合，混合气体传输至第一气体入口in，并作为气体原料参与反应堆120内部的化学反应。
35.可以理解的是，由上述内容可知，分离气体在与第一气体进行混合时仍然保持着较高的温度，且分离气体包含大量的水蒸气。因此，分离气体与第一气体混合时的温度差异
使得分离气体中大量的水蒸气发生了凝结，从而生成大量的冷凝水。为了避免冷凝水在混合气体的气流作用下流入反应堆120内，从而导致发生水淹的现象，本实施例中燃料电池系统100设置了相应的排水阀180。当排水阀180切换的开启状态切换为开启时，能够控制冷凝水的排出至外界。因此，排水阀180能够将混合气体产生的冷凝水进行排除，从而避免反应堆120发生水淹的现象。
36.可以理解的是，当排水阀180切换的开启状态切换为开启时，部分混合气体有可能会被排水阀180排出至外界大气，从而容易造成气体资源的浪费。为此，本实施例中燃料电池系统100设置了相应的控制器170、第一温度传感器150和第二温度传感器160。其中，控制器170能够对排水阀180的开启状态进行控制，以使排水阀180在有需要的时候才将开启状态切换为开启，从而避免气体资源的浪费。
37.具体的，第一温度传感器150用于对储气瓶110中第一气体的温度进行检测，以生成第一温度，第二温度传感器160用于对气体出口out输出的反应剩余物的温度进行检测，以生成第二温度。当第二温度与第一温度的差值越大，即分离气体与第一气体的温差越大时，两者进行混合后产生的冷凝水量也越大。因此，控制器170在接收第一温度和第二温度后，通过计算第一温度和第二温度的差值，能够对混合气体产生的冷凝水量进行预判，从而生成相应的控制信号，以控制排水阀180切换的开启状态切换为开启，并将混合气体中的冷凝水及时排出。
38.在一个具体的实施例中，燃料电池系统100以氢气作为第一气体，以氧气作为第二气体。可以理解的是，储存在储气瓶110中的氢气保持着环境温度值，第一温度传感器150通过对储气瓶110输出氢气的温度进行检测，能够生成相应的第一温度传输给控制器170。氢气通过第一气体入口in输入至反应堆120中，氧气通过第二气体入口输入至反应堆120中，氢气和氧气在反应堆120中发生化学反应产生电能和大量的水蒸气，且水蒸气和未反应的氢气作为反应剩余物从反应堆120的气体出口out处输出。此时，第二温度传感器160能够对反应剩余物的温度进行检测，并将检测后生成的第二温度传输给控制器170。控制器170通过计算第一温度和第二温度的差值，能够生成相应的控制信号，以控制排水阀180的开启状态切换为开启。
39.具体的，控制器170计算第一温度tp1和第二温度tp2的第一差值tp＝tp2-tp1。当tp大于或等于预设阈值tpth时，表征分离气体和第一气体之间存在的温差tp会使得混合物产生大量的冷凝水，从而使得反应堆120发生水淹现象。此时，控制器170生成第一控制信号(控制信号)，排水阀180根据第一控制信号切换其开启状态为开启。当排水阀180切换为开启时，冷凝水从排水阀180处排出至外界，即排水阀180能够控制冷凝水的排放至外界。可以理解的是，当第一温度和第二温度的温差越大，即第一差值越大时，混合气体产生的冷凝水也会越多。为了能够将混合气体产生的冷凝水及时排出，控制器170还用于控制排水阀180开启状态的切换时长。具体的，控制器170计算第一差值tp与预设阈值tpth的差值t＝tp-tpth，当差值t越大时，表征混合气体产生的冷凝水越多，此时控制器170生成第一子控制信号(子控制信号)，以增大排水阀180的开启时长，加快排水频率，从而使得排水阀180能够及时排出冷凝水。同理的，当差值t越小时，表征混合气体产生的冷凝水越少，此时控制器170生成第二子控制信号(子控制信号)，以减小排水阀180的开启时长，从而避免造成气体资源的浪费。
40.可以理解的是，当tp小于预设阈值tpth时，表征分离气体和第一气体之间存在的温差tp不会使得混合气体产生冷凝水，或者产生的冷凝水量不足以使反应堆120发生水淹现象。此时，控制器170生成第二控制信号，排水阀180根据第二控制信号切换其开启状态为关闭。当排水阀180切换为关闭时，混合气体不会从排水阀180处排出，从而避免了气体资源的浪费。
41.本实施例中燃料电池系统100通过第一温度传感器150对第一气体的温度进行检测，以生成第一温度传输给控制器170；且燃料电池系统100通过第二温度传感器160对反应剩余物的温度进行检测，以生成第二温度传输给控制器170。控制器170通过第一温度、第二温度和预设阈值对混合气体产生的冷凝水量进行预测，从而对混合气体中的冷凝水进行排除，避免发生水淹现象，从而提高了燃料电池系统100的性能和稳定性。此外，由于控制器170还能够根据预测的冷凝水量对排水阀180的开启时长实现动态调整，从而避免造成气体资源的浪费。
42.请再次参阅图1，在一些实施例中，燃料电池系统100还包括：调节装置190，调节装置190的一端与储气瓶110连接，调节装置190的另一端与第一气体入口in连接。
43.可以理解的是，调节装置190分别与储气瓶110和第一气体入口in连接，调节装置190能够对输入至第一气体入口in的第一气体的压强和流量进行调节，以满足不同的需求。
44.请再次参阅图1，在一些实施例中，调节装置190包括：减压阀191，减压阀191的一端与储气瓶110连接，减压阀191的另一端与第一气体入口in连接。
45.可以理解的是，减压阀191能够根据实际需求对第一气体的压力进行调节，并且使其保持稳定，避免对反应堆120造成影响。
46.请再次参阅图1，在一些实施例中，调节装置190还包括：比例阀192，比例阀192的一端与减压阀191的另一端连接，比例阀192的另一端与第一气体入口in连接。
47.具体的，可以理解的是，本实施例中比例阀192能够根据实际需求连续对第一气体的压力、流量进行调节，且可靠性高，能够保证第一气体的稳定。
48.在一些实施例中，循环器140包括循环泵、引射器中的任一种。
49.可以理解的是，根据实际需求，燃料电池系统100可以采用循环泵或者引射器将分离气体与第一气体进行混合。此外，燃料电池系统100还可以采用其他类型的循环器140，本实施例在此不作限定。
50.请参阅图1和图2，第二方面，本技术还提供了一种燃料电池系统100的控制方法，控制方法应用于上述任一项实施例的燃料电池系统100，燃料电池系统100的控制方法包括：
51.步骤s101、控制器获取第一温度传感器采集的第一温度和第二温度传感器采集的第二温度；
52.步骤s102、控制器根据第一温度、第二温度和预设阈值生成控制信号；
53.步骤s103、排水阀根据控制信号切换开启状态；
54.其中，排水阀的开启状态包括开启和关闭，通过控制排水阀的开启状态，能够控制冷凝水的排放。
55.可以理解的是，由上述内容可知，第一温度传感器150用于对储气瓶110中第一气体的温度进行检测，以生成第一温度，第二温度传感器160用于对气体出口out输出的反应
剩余物的温度进行检测，以生成第二温度。由于当第二温度与第一温度的差值越大，即分离气体与第一气体的温差越大时，两者进行混合后产生的冷凝水量也越大。因此，控制器170在接收第一温度和第二温度后，通过计算第一温度和第二温度的差值，能够对混合气体产生的冷凝水量进行预判，从而生成相应的控制信号，以控制排水阀180的开启状态切换为开启，并将混合气体中的冷凝水及时排出。
56.请参阅图1和图3，在一些实施例中，开启状态包括开启，控制信号包括第一控制信号；步骤s102、控制器根据第一温度、第二温度和预设阈值生成控制信号，包括：
57.步骤s201、控制器根据第一温度和第二温度得到第一差值；
58.步骤s202、当第一差值大于或等于预设阈值时，控制器生成第一控制信号；其中，步骤s103、排水阀根据第一控制信号切换开启状态，包括：
59.步骤s203、排水阀根据第一控制信号切换为开启。
60.可以理解的是，由上述内容可知，控制器170获取第一温度和第二温度，并计算第一温度tp1和第二温度tp2的第一差值tp＝tp2-tp1。当tp大于或等于预设阈值tpth时，表征分离气体和第一气体之间存在的温差tp会使得混合气体产生大量的冷凝水，从而使得反应堆120发生水淹现象。此时，控制器170生成第一控制信号(控制信号)，排水阀180根据第一控制信号切换其开启状态为开启。当排水阀180切换为开启时，冷凝水从排水阀180处排出至外界，即排水阀180能够控制冷凝水排放至外界。
61.请参阅图1和图4，在一些实施例中，开启状态包括关闭，控制信号包括第二控制信号；步骤s102、控制器根据第一温度、第二温度和预设阈值生成控制信号，还包括：
62.步骤s204、当第一差值小于预设阈值时，控制器生成第二控制信号；步骤s103、排水阀根据第二控制信号切换开启状态，包括：
63.步骤s205、排水阀根据第二控制信号切换为关闭。
64.可以理解的是，当tp小于预设阈值tpth时，表征分离气体和第一气体之间存在的温差tp不会使得混合气体产生冷凝水，或者产生的冷凝水量不足以使反应堆120发生水淹现象。此时，控制器170生成第二控制信号，排水阀180根据第二控制信号切换为关闭。当排水阀180切换为关闭时，混合气体不会从排水阀180处排出，从而避免了气体资源的浪费。
65.请参阅图1和图5，在一些实施例中，燃料电池系统的控制方法还包括：
66.步骤s104、控制器根据第一差值和预设阈值得到第二差值；
67.步骤s105、控制器根据第二差值得到响应时长；
68.可以理解的是，其中，响应时长用于表征排水阀根据第一控制信号切换为开启的时长。
69.可以理解的是，当第一温度和第二温度的温差越大，即第一差值越大时，混合气体产生的冷凝水也会越多。为了能够将混合气体产生的冷凝水及时排出，控制器170还用于控制排水阀180切换为开启状态的时长。具体的，控制器170计算第一差值tp与预设阈值tpth的差值t＝tp-tpth，当差值t越大时，表征混合气体产生的冷凝水越多，此时控制器170生成第一子控制信号，以增大排水阀180的开启时长，加快排水频率，从而使得排水阀180能够及时排出冷凝水。同理的，当差值t越小时，表征混合气体产生的冷凝水越少，此时控制器170生成第二子控制信号，以减小排水阀180的开启时长，从而避免造成气体资源的浪费。
70.上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在
所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。