一种燃料电池及其的电堆湿度控制装置和方法与流程

1.本技术实施例涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池及其的电堆湿度控制装置和方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从到达，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流，因此质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用，它的好坏直接影响电池的使用寿命。
3.电池内部湿度对质子交换膜的寿命影响巨大，湿度过低，质子交换膜的导电性变差；湿度过高会导致质子交换膜的水淹现象，造成浓差极化，同样会降低质子交换膜的导电性，故而需要保持合适的适度来改变点对稳定性与使用寿命，增加发电效率。
4.在现有技术中，通常采用进气加湿和循环加湿等手段，前者从源头增加原料湿度对外部加湿装备要求较高，使用成本较高；后者则是通过改变电堆内部结构将源头与过程中产生的水通过扩散进入质子交换膜内部或，此方法主要改变电堆内部结构，需要耐受较高工作温度、电场和压力的加湿工作组件，存在使用寿命和可靠性问题，同时，在特定情况下依然无法满足要求。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种燃料电池及其的电堆湿度控制装置和方法，以实现在不改变燃料电池内部结构的情况下，使得燃料电池电堆的湿度处于正常工作需求范围内。
6.本发明的第一方面，提供了一种燃料电池电堆湿度控制装置，具体包括：
7.电堆、汽水分离器、调温装置、湿度传感器和控制器；
8.调温装置位于电堆和汽水分离器之间的管路上，用于调整管路的温度；
9.湿度传感器用于采集电堆内部的湿度；
10.控制器分别与调温装置和湿度传感器连接，用于当电堆的湿度大于第一预设值时，控制调温装置进行降温动作，以控制管路的温度降低；还用于当电堆的湿度小于第二预设值时，控制调温装置进行升温动作，以控制管路的温度升高，其中，第一预设值大于或等于第二预设值。
11.进一步地，调温装置包括散热器和加热器，散热器用于对管路进行降温，加热器用于对管路进行升温。
12.优选地，散热器包括液冷循环装置和/或散热扇。
13.优选地，加热器包括加热片、电热丝或电阻丝中的至少一种。
14.进一步地，燃料电池电堆湿度控制装置，具体还包括：氢循环泵、供氢系统、排氢阀、排水阀和尾排系统；
15.电堆的阳极出口与汽水分离器的入口连接，汽水分离器的第一出口与排水阀的一端连接，排水阀的另一端与尾排系统连接，汽水分离器的第二出口分别氢循环泵的一端口和排氢阀的一端连接，排氢阀的另一端与尾排系统连接，氢循环泵的另一端口与电堆的阳极入口连接，供氢系统与电堆的阳极入口连接。
16.本发明的第二方面，提供了一种燃料电池电堆湿度控制方法，基于第一方面任一项的燃料电池电堆湿度控制装置实现，方法包括以下步骤：
17.获取电堆内部的湿度；
18.当电堆的湿度大于第一预设值时，控制调温装置进行降温动作，以控制管路的温度降低；
19.当电堆的湿度小于第二预设值时，控制调温装置进行升温动作，以控制管路的温度升高，其中，第一预设值大于或等于第二预设值。
20.进一步地，当电堆的湿度大于第一预设值时，控制调温装置进行降温动作，以控制管路的温度降温包括：
21.控制调温装置进行一次降温动作，检测一次电堆的湿度，依次循环该步骤，直至电堆的湿度维持在预设阈值范围内，控制调温装置停止降温动作；
22.当电堆的湿度小于第二预设值时，控制调温装置进行升温动作，以控制管路的温度升高包括：
23.控制调温装置进行一次升温动作，检测一次电堆的湿度，依次循环该步骤，直至电堆的湿度维持在预设阈值范围内，控制调温装置停止升温动作，预设阈值范围为大于第二预设值且小于第一预设值的范围。
24.进一步地，每次控制调温装置的升温幅度或降温幅度相同。
25.进一步地，在控制调温装置进行一次降温动作之前还包括：获取当前所述电堆的湿度与所述第一预设值的第一差值的绝对值；每次控制所述调温装置的降温幅度与所述第一差值的绝对值呈正相关关系；
26.在控制调温装置进行一次升温动作之前还包括：获取当前所述电堆的湿度与所述第二预设值的第二差值的绝对值；每次控制所述调温装置的升温幅度与所述第二差值的绝对值呈正相关关系。
27.根据本发明的第三方面，提供了一种燃料电池，具体包括本发明的第一方面中任一项的燃料电池电堆湿度控制装置。
28.根据本发明实施例提供的燃料电池及其的电堆湿度控制装置和方法，其中，控制装置包括电堆、汽水分离器、调温装置、湿度传感器和控制器；其中，调温装置位于电堆和汽水分离器之间的管路上，用于调整管路的温度；湿度传感器用于采集电堆内部的湿度；控制器分别与调温装置和湿度传感器连接，用于当电堆的湿度大于第一预设值时，控制调温装置进行降温动作，以控制管路的温度降低；还用于当电堆的湿度小于第二预设值时，控制调温装置进行升温动作，以控制管路的温度升高，其中，第一预设值大于或等于第二预设值，该燃料电池的控制装置通过改变汽水分离器与电堆之间的管路温度来调整汽水分离器对电堆的水供给，利用气态水的扩散作用实现了电堆的湿度调整，从而保持电堆湿度满足工作条件，进而提高了电堆寿命和可靠性。并且避免了通过外加水改变电堆湿度，造成的引入环境中的微粒污染电堆内部组成问题。
29.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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。
31.图1是根据本发明实施例提供的一种燃料电池电堆湿度控制装置示意图；
32.图2是根据本发明实施例提供的另一种燃料电池电堆湿度控制装置示意图；
33.图3是根据本发明实施例提供的一种燃料电池电堆湿度控制方法流程图
34.图4是根据本发明实施例提供的另一种燃料电池电堆湿度控制方法流程图；
35.图5是根据本发明实施例提供的又一种燃料电池电堆湿度控制方法流程图。
36.其中：1-电堆；2-汽水分离器；3-调温装置；4-湿度传感器；5-控制器；6-氢循环泵；7-供氢系统；8-排氢阀；9-排水阀；10-尾排系统。
具体实施方式
37.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
38.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
39.图1为本发明实施例提供的一种燃料电池系统水管理控制装置的结构示意图。如图1所示，该控制装置具体包括：电堆1、汽水分离器2、调温装置3、湿度传感器4和控制器5。
40.其中，调温装置3位于电堆1和汽水分离器2之间的管路上，用于调整管路的温度；湿度传感器4用于采集电堆内部的湿度；控制器5分别与调温装置3和湿度传感器4连接，用于当电堆的湿度大于第一预设值时，控制调温装置3进行降温动作，以控制管路的温度降低；还用于当电堆1的湿度小于第二预设值时，控制调温装置3进行升温动作，以控制管路的温度升高，其中，第一预设值大于或等于第二预设值。
41.需要说明的是，汽水分离器2内部的水来自电堆内部电化学反应生成的水，并以液态形式保存在汽水分离器2中。燃料电池可以将汽水分离器2中多余的水分以气态或液态的形式排出，湿度传感器4可以通过电子半导体器件连接电路，采集电堆内部的湿度。第一预
设值为在保护电堆基础上可以保持正常状态工作的电堆内部湿度的上限值，第二预设值为在保护电堆基础上可以保持正常状态工作的电堆内部湿度的下限值。
42.示例性的，第一预设值为a，第二预设值为b，其中，a≥b。当a》b时，若当前湿度传感器4采集的湿度值在b与a之间，则控制调温装置3不动作。若当前湿度传感器4采集的湿度值在大于a，说明当前电堆1内部湿度过湿，这样会导致质子交换膜的水淹现象，降低电池的性能，则此时需要控制调温装置3进行降温，降低电堆1和汽水分离器2之间的管路的温度，使得从电堆1流出的水分以更多的液体流入汽水分离器2，以使得汽水分离器2中的水蒸气减少，液体增加，从而使得通过汽水分离器2进入电堆1的水分减少，进而电堆1的湿度降低，最终使得电池工作在正常状态。若当前湿度传感器4采集的湿度值在小于b，说明当前电堆1内部湿度过干，这样会导致质子交换膜的导电性变差，降低电池的性能，则此时需要控制调温装置3进行升温，升高电堆1和汽水分离器2之间的管路的温度，使得从电堆1流出的水分以更多的气体流入汽水分离器2，以使得汽水分离器2中的水蒸气增加，从而使得通过汽水分离器2进入电堆1的水分增加，进而电堆1的湿度增加，最终使得电池工作在正常状态。
43.当a＝b＝c时，若当前湿度传感器4采集的湿度值为c，则控制调温装置3不动作。若当前湿度传感器4采集的湿度值为大于c，则控制调温装置3降温。若当前湿度传感器4采集的湿度值为小于c，则控制调温装置3升温。
44.由此，本发明实施例通过调整电堆1与汽水分离器2管路之间的温度，来调整进入汽水分离器2中的气态水与液态水的比例，从而调整进入电堆1的水分，保证了电堆1内部湿度的稳定，提高了电堆1的性能。
45.进一步地，调温装置3包括散热器和加热器，散热器用于对管路进行降温，加热器用于对管路进行升温。
46.其中，散热器包括液冷循环装置和/或散热扇。加热器包括加热片、电热丝或电阻丝中的至少一种。
47.需要解释的是，液冷循环装置通过热量交换的方式进行变温操作，散热扇通过加速空气流动，促进热传递。
48.当电堆1的湿度大于第一预设值时，控制调温装置3进行降温动作，可以通过散热器来对电堆1与汽水分离器2之间的管路进行散热，以控制管路的温度降低；当电堆1的湿度小于第二预设值时，控制调温装置3进行升温动作，可以通过加热器来对电堆1与汽水分离器2之间的管路进行加热，以控制管路的温度升高。
49.进一步地，燃料电池电堆湿度控制装置，如图2所示，具体还包括：氢循环泵6、供氢系统7、排氢阀8、排水阀9和尾排系统10；
50.其中，电堆1的阳极出口与汽水分离器2的入口连接，汽水分离器2的第一出口与排水阀9的一端连接，排水阀9的另一端与尾排系统10连接，汽水分离器2的第二出口分别氢循环泵6的一端口和排氢阀8的一端连接，排氢阀8的另一端与尾排系统10连接，氢循环泵6的另一端口与电堆1的阳极入口连接，供氢系统7与电堆1的阳极入口连接。
51.可以理解的是，供氢系统7向电堆1的供氢，电堆1在工作过程中，产生水和未利用的氢，自电堆1与汽水分离器2之间的管路流向汽水分离器2，并通过与汽水分离器2连接的氢循环泵6循环泵送氢至电堆1，还通过与汽水分离器2连接的排氢阀8将未利用的氢和水蒸气排入尾排系统10，还通过与汽水分离器2连接的排水阀9将液态水排入尾排系统10。
52.需要说明的是，燃料电池中汽水分离器2的内部收集并储存一定量的水，燃料电池可以将电堆1内部电化学反应生成水循环使用，反应生成水经过电堆1与汽水分离器2之间的管路流入并储存在汽水分离器2，通过调温装置3调整汽水分离器2中的水蒸气含量，在扩散作用和氢循环泵6循环泵送的作用下输送氢至电堆1参与电堆内部电化学反应，反应水的循环使用一方面可以避免水资源浪费，另一方面可以避免当直接对电堆内部的湿度进行调控，难免会引入环境中的微粒，污染电堆内部反应物质，从而影响质子交换膜的工作状态和使用寿命。
53.由此，此装置通过调温装置3调整电堆1与汽水分离器2管路之间的温度，来调整进入汽水分离器2中的气态水与液态水的比例，从而调整进入电堆1的水分，保证了电堆1内部湿度的稳定，避免了对电堆内部的直接操作引入杂质，提升了电堆寿命和可靠性。
54.图3是本发明实施例提供的一种燃料电池电堆湿度控制方法流程图，该方法基于第一方面任一项的燃料电池电堆湿度控制装置实现，如图3所示，方法包括以下步骤：
55.s101，获取电堆内部的湿度；
56.其中，可以通过湿度传感器来实时获取电堆内部的湿度。
57.s102，当电堆的湿度大于第一预设值时，控制调温装置进行降温动作，以控制管路的温度降低。
58.s103，当电堆的湿度小于第二预设值时，控制调温装置进行升温动作，以控制管路的温度升高，其中，第一预设值大于或等于第二预设值。
59.其中，每进行一次变温动作后需再次获取电堆内部湿度并进行判断，变温动作包括对降低湿度所采取的降温动作，可以通过散热器将电堆与汽水分离器之间的管路的热量由热量交换的方式转移，进行散热，以控制管路的温度降低，从而降低电堆内湿度，变温动作也包括提高湿度所采取的升温动作，可以通过加热器将热量由热量交换的方式转移到电堆与汽水分离器之间的管路，进行加热，以控制管路的温度升高，从而提高电堆内湿度。
60.图4是本发明实施例提供的另一种燃料电池电堆湿度控制方法流程图，该方法基于第一方面任一项的燃料电池电堆湿度控制装置实现，如图4所示，方法包括以下步骤：
61.s101，获取电堆内部的湿度；
62.其中，可以通过湿度传感器来实时获取电堆内部的湿度。
63.s102，当电堆的湿度大于第一预设值时，控制调温装置进行降温动作，以控制管路的温度降低。
64.其中，s102当电堆的湿度大于第一预设值时，控制调温装置进行降温动作，以控制管路的温度降低包括：
65.s1021，控制调温装置进行一次降温动作，检测一次电堆的湿度，依次循环该步骤，直至电堆的湿度维持在预设阈值范围内，控制调温装置停止降温动作。
66.可以理解的是，电堆的湿度大于第一预设值，说明电堆过湿，需要降温，使电堆与汽水分离器之间管路中的水蒸气液化变成液态水排出。示例性的，一次降温动作可以为降温预设时间，然后检测一次电堆的湿度，当降温多个预设时间之后，并检测电堆的湿度维持在预设阈值范围内，则停止降温。
67.s103，当电堆的湿度小于第二预设值时，控制调温装置进行升温动作，以控制管路的温度升高，其中，第一预设值大于或等于第二预设值。
68.其中，s103当电堆的湿度小于第二预设值时，控制调温装置进行升温动作，以控制管路的温度升高包括：
69.s1031，控制调温装置进行一次升温动作，检测一次电堆的湿度，依次循环该步骤，直至电堆的湿度维持在预设阈值范围内，控制调温装置停止升温动作，预设阈值范围为大于第二预设值且小于第一预设值的范围。
70.可以理解的是，电堆的湿度小于第二预设值，说明电堆过干，需要升温，使电堆与汽水分离器之间管路中的液态水蒸发变成气态水回到电堆。示例性的，一次升温动作可以为升温预设时间，然后检测一次电堆的湿度，当升温多个预设时间之后，并检测电堆的湿度维持在预设阈值范围内，则停止升温。
71.其中，若当前电堆的湿度维持在预设阈值范围内，则调温装置不进行动作。
72.在上述实施例中，汽水分离器及其前置管路的调温装置温度控制范围为5～(t1+5)℃；其中，t1为电堆的阳极出口温度。可以理解是，调温装置调节的温度范围最好在上述范围内，避免管路的温度过高于电堆的温度，对电堆造成影响。该实施例中的升温或降温基础可以为调温装置和管路当前的自身温度。
73.在另一个实施例中，每次控制调温装置的升温幅度或降温幅度相同。
74.可以理解的是，当需要升温或降温时，每一次升温或降温动作，升温或降温幅度相同。每次升温或降温动作均降低δt℃，然后检测一次湿度。示例性地，温度变化幅度δt的优选取值范围为0.2～5℃。
75.在又一个实施例中，在降温动作之前，还包括：获取当前电堆的湿度与第一预设值的第一差值的绝对值；每次控制调温装置的降温幅度与第一差值的绝对值呈正相关关系；在升温动作之前还包括获取当前电堆的湿度与第二预设值的第二差值的绝对值；每次控制调温装置的升温幅度与所述第二差值的绝对值呈正相关关系。
76.示例性地，第一预设值为60％，第二预设值为50％，当前电堆的湿度为70％，大于第一预设值，差值的绝对值为10％，判断为过湿情况，需要对电堆与汽水分离器之间的管路进行降温，在降温一次后，检测当前电堆的湿度为65％，大于第一预设值，差值的绝对值为5％，再降温一次后，检测当前电堆的湿度为62％，大于第一预设值，差值的绝对值为2％，每次降温，当前电堆的湿度更接近于第一预设值，降温可以第一次降温5℃，第二次降温3℃，第三次降温1℃。具体的第一差值的绝对值与降温幅度的正相关关系可以在实验室进行标定。
77.同样的，当前电堆的湿度为45％，低于第二预设值，差值的绝对值为5％，判断为过干情况，需要对电堆与汽水分离器之间的管路进行升温，在升温一次后，检测当前电堆的湿度为48％，小于第二预设值，差值的绝对值为2％，再升温一次后，检测当前电堆的湿度为50％，等于第二预设值，差值的绝对值为0％，每次升温，当前电堆的湿度更接近于第二预设值。升温可以第一次升温5℃，第二次升温3℃。具体的第二差值的绝对值与升温幅度的正相关关系可以在实验室进行标定。该实施例中的升温或降温基础可以为调温装置和管路当前的自身温度。
78.由此，通过升温或降温的幅度越来越小，电堆湿度越来越逼近预设值，防止升温或降温幅度过大，电堆湿度不易保持在预设阈值范围内。
79.图5是根据本发明又一个具体实施例提供的燃料电池电堆湿度控制方法流程图，
本实施例可适用于监测湿度变化并采取相应动作情况，该方法可以由上述燃料电池电堆湿度控制装置来执行，该燃料电池电堆湿度控制装置可以采用硬件和/或软件的形式实现，该燃料电池电堆湿度控制装置可配置于燃料电池系统中所有其他管路中。参考图4并结合图1所示，燃料电池电堆湿度控制方法包括：
80.s110、燃料电池系统运行。
81.s120、获取电堆内部湿度、阳极出口温度t1和调温装置温度t。
82.s130、判断电堆内部湿度是否大于第一预设值，若是，则执行s140；若否，则执行s150。
83.s140、判断电堆内部湿度状态为过湿，降低电堆1与汽水分离器2管路之间的温度至t-δt,返回s120。
84.s150、判断电堆内部湿度是否小于第二预设值，若是，则执行s160；若否，则执行s170。
85.s160、判断电堆内部湿度状态为过干，提高电堆1与汽水分离器2管路之间的温度至t+δt，返回s120。
86.s170、判断为电堆内部湿度状态正常，返回s120。
87.本发明提供的一种燃料电池电堆湿度控制方法，包括获取电堆内部的湿度；当电堆的湿度大于第一预设值时，控制调温装置进行降温动作，以控制管路的温度降低；当电堆的湿度小于第二预设值时，控制调温装置进行升温动作，以控制管路的温度升高步骤，通过对电堆内部的湿度状态的判断采取相应的调整电堆和汽水分离器之间的管路温度的操作，循环多次对电堆湿度的监控和判断，可以长期维持电堆湿度在预设阈值范围内，保持质子交换膜长期处于可正常工作状态，以延长电堆寿命。
88.本发明实施例还提供了一种燃料电池，包括本发明中任一实施例提出的燃料电池电堆湿度控制装置。
89.本发明提供的一种燃料电池，具有上述方面的任一项燃料电池电堆湿度控制装置和上述方面的任一项燃料电池电堆湿度控制方法。通过设置在电堆和汽水分离器之间的管路的调温装置，并采用本发明所提供的控制方法，监测电堆湿度，调控管路温度，保持电堆湿度长期处于正常工作状态的对应湿度范围，并且在调控过程中不会引入环境杂质，影响质子交换膜性能，从而提高了电堆寿命和可靠性。同时此燃料电池可对电堆内部的反应水进行循环利用，避免水的浪费。
90.应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
91.上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。