CN106992308B - 一种燃料电池堆发电系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池堆发电系统及控制方法，包括燃料电池堆、氢气供给子系统、空气供给子系统和液体循环子系统，所述氢气供给子系统、空气供给子系统和液体循环子系统分别与所述燃料所述电池堆连通，还包括控制器，所述控制器与所述氢气供给子系统、空气供给子系统和液体循环子系统中的传感元件和执行元件连接。本发明通过控制器对燃料电池的各个部分进行实时监控及数据采集，涉及的多种传感元件将数据传输到控制器，并由控制器对多种执行元件进行控制，提高燃料电池系统的整体平衡能力，使各个部分协调工作，从而使燃料电池始终工作在最佳效率以及运行安全。

Description

一种燃料电池堆发电系统及控制方法

技术领域

本发明属于电池发电技术领域，特别是涉及一种燃料电池堆发电系统。

背景技术

燃料电池技术的发展历程已经超过了100多年，在交通运输、固定式应用领域及太空计划中取得了非常大的成功。目前有很多不同类型的燃料电池技术，随着时间的推移燃料电池的研发应用到各种特殊的领域。其主要特点：能量转化效率高；它直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45％～60％，而火力发电和核电的效率大约在30％-40％。安装地点灵活；燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电站，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。负荷响应快，运行质量高；燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率。由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因此，它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换的损失，达到很高的发电效率。在最近几年的时间里才实现部分商品化。

燃料电池通常被这样定义：只要不断地向电极提供反应物质，就能连续地将供给的燃料的化学能转化成电能、热能和水的电化学装置。按照电解质的不同可将燃料电池分为熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、固体聚合物燃料电池、直接甲醇燃料电池；而固体聚合物燃料电池因其操作温度，功率密度高，启动快，对负载响应快，在最近几年发展较快。

固体聚合物燃料电池是基于全氟磺酸离子交换聚合物为电解质，以铂为电极催化剂，阳极进行氢气氧化反应和阴极氧气还原反应的燃料电池，其具有运行温度低(800℃左右)、功率密度高、启动快和对功率需求变化匹配快等显著优点，是轻型汽车与建筑物供能的首选；固体聚合物燃料电池是目前发展的热门技术，具有能量转化效率高、运行噪声低、可靠性高、维护方便、发电效率受负荷变化影响很小，非常适合于用作分散型发电装置(作为主机组)，也适于用作电网的“调峰”发电机组(作为辅机组)；因此，燃料电池的这些优势是其他任何现有技术所不能与之相比的，是未来发展的必然趋势。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种燃料电池堆发电系统及控制方法，通过控制器对燃料电池的各个部分进行实时监控及数据采集，涉及的多种传感元件将数据传输到控制器，并由控制器对多种执行元件进行控制，提高燃料电池系统的整体平衡能力，使各个部分协调工作，从而使燃料电池始终工作在最佳效率以及运行安全。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种燃料电池堆发电系统，所述燃料电池堆发电系统包括燃料电池堆、氢气供给子系统、空气供给子系统和液体循环子系统，所述氢气供给子系统、空气供给子系统和液体循环子系统分别与所述燃料电池堆连通；

所述氢气供给子系统包括氢气输送管和氢气排出管，所述氢气输送管与所述燃料电池堆的氢气进口连通，所述氢气排出管与所述燃料电池堆的氢气出口连通，所述氢气输送管沿氢气流方向依次设有减压阀、氢气进气电磁阀、电动调节阀、氢气进气流量计、氢气进气压力传感器，所述氢气排出管沿氢气流方向设有气水分离器，所述氢气进气压力传感器位于所述氢气输送管上且靠近所述燃料电池堆的氢气进口端，所述氢气排出管与所述气水分离器的输入端连通，所述气水分离器的输出端包括氢气输出端和水输出端，所述氢气输出端连通有氢气循环管，所述氢气循环管通过三通与所述氢气输送管连通，所述三通位于所述氢气进气流量计的上游，氢气循环泵位于所述氢气循环管上，所述水输出端连通有排水管，所述排水管上设有排水电磁阀；

所述空气供给子系统包括空气过滤器、空气增压器、加湿器及管道，所述管道包括空气输送管和空气排出管，所述空气输送管包括第一空气送风管段和第二空气送风管段，所述空气排出管包括第一空气排风管段和第二空气排风管段；所述空气过滤器的出风口与所述空气增压器的进风口连通，所述加湿器内设有送风流道和回风流道，所述送风流道的一端通过所述第一空气送风管段与所述空气增压器的出风口连通，所述送风流道的另一端通过所述第二空气送风管段与所述燃料电池堆的空气进口连通，所述回风流道的一端通过所述第一空气排风管段与所述燃料电池堆的空气出口连通，所述回风流道的另一端连接所述第二空气排风管段；所述第一空气送风管段上设有空气进气流量计，所述第二空气送风管段上设有空气进气压力传感器；

所述液体循环子系统包括低温启动预热子系统和外循环冷却子系统，所述燃料电池堆的液体进口连通第一液体总管，所述燃料电池堆的液体出口连通第二液体总管，所述第二液体总管的末端分支成第一液体支管和第二液体支管，所述第一液体支管和所述第二液体支管的末端汇集成所述第一液体总管的首端；所述第一液体支管上按照液体流方向依次设有加热器、第一液体循环泵和第一单向阀，所述第二液体支管上按照液体流方向依次设有热交换器、第二液体循环泵和第二单向阀；所述第一液体总管上按照液体流方向依次设有离子交换器、电导率传感器、进水温度传感器和进水压力传感器；所述第二液体总管上且位于所述燃料电池堆的液体出口端设有出水温度传感器；所述第一液体支管、加热器、第一液体循环泵、第一单向阀、第一液体总管、离子交换器、电导率传感器、进水温度传感器、进水压力传感器、第二液体总管和出水温度传感器组成所述低温启动预热子系统；所述第二液体支管、热交换器、第二液体循环泵、第二单向阀、第一液体总管、离子交换器、电导率传感器、进水温度传感器和进水压力传感器、第二液体总管和出水温度传感器组成所述外循环冷却子系统；

还包括控制器，所述氢气进气电磁阀、电动调节阀、氢气循环泵、排水电磁阀、空气增压器、加热器、第一液体循环泵、第一单向阀、第二液体循环泵和第二单向阀分别与所述控制器电连接；所述氢气进气流量计、氢气进气压力传感器、空气进气流量计、空气进气压力传感器、电导率传感器、进水温度传感器、进水压力传感器和出水温度传感器分别与所述控制器信号连接。

进一步地说，所述热交换器自带储水容器，且所述储水容器内设有液位传感器，所述液位传感器与所述控制器信号连接。

进一步地说，所述氢气输送管上还设有氢气进气温度传感器和氢气进气湿度传感器，所述氢气进气温度传感器和所述氢气进气湿度传感器皆设于所述燃料电池堆的氢气进口端且位于所述氢气进气流量计的下游，所述氢气进气温度传感器和所述氢气进气湿度传感器分别与所述控制器信号连接。

进一步地说，所述氢气输送管、所述氢气排出管、所述氢气循环管和所述排水管皆为不锈钢管，所述不锈钢管是内表面进行过防氢脆处理的不锈钢管。

进一步地说，所述液体循环子系统还包括报警装置，所述报警装置与所述控制器电连接，且所述报警装置为灯光提醒和声音提醒中的至少一种。

进一步地说，所述第二空气送风管段的内径和所述第一空气排风管段的内径分别为28-32mm且所述第二空气送风管段的壁厚和所述第一空气排风管段的壁厚分别为3-4mm。

进一步地说，所述氢气输送管的内管径为25-35mm。

进一步地说，所述控制器为单片机或电子控制单元。

进一步地说，所述燃料电池堆为质子交换膜燃料电池堆。

所述的一种燃料电池堆发电系统的控制方法，包括以下步骤：

第一步：控制器控制低温启动预热子系统的加热器和第一液体循环泵打开，液体经加热器加热后通入燃料电池堆；其中，进水压力传感器控制进水压力为10-50KPa，电导率传感器控制进水电导率不高于200μS/cm，进水温度传感器控制进水温度为65-70℃；

第二步：当出水温度传感器检测到出水温度为75-80℃时，控制器关闭低温启动预热子系统的第一液体循环泵和加热器，同时启动氢气供给子系统、空气供给子系统和外循环冷却子系统；

氢气供给子系统的控制过程：控制器控制氢气进气电磁阀打开，氢气通过减压阀使氢气进气压力下降，并通过管道进入燃料电池堆，在燃料电池堆的氢气进口端通过采集氢气进气流量计、氢气进气压力传感器、氢气进气温度传感器和氢气进气湿度传感器的数据，将采集的数据由控制器作出判断后，再由控制器发出指令给氢气进气电磁阀和氢气进气电动调节阀，从而通过控制氢气进气电磁阀来控制氢气的压力，通过控制氢气进气电动调节阀来控制氢气流量；另外，氢气循环泵将气水分离器中分离出的氢气重新泵入燃料电池堆，当燃料电池堆的氢气进口端的氢气进气压力传感器检测到氢气进气的压力值超过设定值时，将信号传递给控制器，并由控制器控制电动调节阀调节氢气进气流量；其中，氢气进气流量计的流量为650-700L/min，氢气进气压力传感器的压力稳定在0.2-0.25MPa，氢气进气温度传感器的温度维持在大于60℃，氢气进气湿度传感器的湿度维持在90-100％；

空气供给子系统的控制过程：空气通过空气过滤器、加湿器进入燃料电池堆，并在燃料电池堆的空气进口端采集空气进气流量计和空气进气压力传感器的数据，当空气进气压力传感器采集的压力值超出正常值时，由控制器发出指令给空气增压器，控制空气进气流量；其中，空气进气流量计的流量为2500-2580L/min，空气进气压力传感器的压力稳定在0.2-0.25MPa；

外循环冷却子系统的控制过程：控制器开启外循环冷却子系统的第二液体循环泵，当热交换器中的液位传感器检测到热交换器中水位低于设定值时，将信号传送到控制器，提醒工作人员在热交换器中添加水。

本发明的有益效果至少具有以下几点：

在启动燃料电池堆系统发电时，先启动低温启动预热子系统使燃料电池堆发电系统达到需要的工作温度，一般为80-85℃，然后控制器控制第一液体循环泵和加热器停止工作，即关闭低温启动预热子系统；同时启动氢气供给子系统、空气供给子系统和外循环冷却子系统，使氢气和空气同时进入燃料电池堆发电系统，氢气和空气在燃料电池堆内经过化学反应产生电能、热能和水，其中电能是要利用的部分，经外电路被收集利用；热能是通过外循环冷却子系统排出，反应产生的水由空气供给子系统排出；从而燃料电池堆发电系统正常工作；至少具有以下几点优点：

一、本发明在氢气排出管上增设氢气循环泵，将未能充分反应的氢气循环回氢气输送管最终进入燃料电池继续反应，最终只产生水，以免对氢气造成浪费，同时也提高了燃料电池的安全性；

二、氢气供给子系统中设有的氢气进气压力传感器和氢气进气流量计分别与控制器电连接，氢气进气压力传感器和氢气进气流量计的数据准确传输给控制器后，控制器发出指令控制氢气进气电磁阀和电动调节阀动作，有效的控制氢气流量和压力，保证电堆的阳极有足够的氢气发生电化学反应，从而保证燃料电池堆反应的持续性，提高燃料电池堆的发电率；

三、氢气供给子系统中在氢气排出管上设有气水分离器，通过气水分离器将分离出的氢气通过氢气循环泵重新并入氢气输送管输送到燃料电池堆进行反应，使氢气不直接排放到空气中，提高氢气的利用率同时避免浪费；

四、空气供给子系统中的空气过滤器，可有效去除空气中的大颗粒物质，利用化学处理吸附一氧化碳、二氧化硫和硫化氢等有害气体，使经过空气过滤器过滤后的空气中颗粒物(粒径小于等于10微克)小于50微克/年、二氧化硫小于150微克/小时、一氧化氮小于10微克/小时，从而保证燃料电池堆不受大颗粒物质或有害气体的损害，延长使用寿命；

五、空气供给子系统中的加湿器，将回风流道内空气的热量传递至送风流道内的空气中，使进入燃料电池堆的空气的相对湿度达到90-100％，从而使热量循环利用；

六、液体循环子系统中设有低温启动预热子系统，能够满足燃料电池堆发电系统在低温环境下正常使用的条件，即燃料电池堆发电系统的适用范围广；还设有外循环冷却子系统，燃料电池堆发电过程中产生的大量的热量可通过外循环冷却子系统散出，保证燃料电池堆的温度始终在工作范围内，避免质子交换膜失水，保证燃料电池堆的性能不会下降，同时也起到提高燃料电池堆的使用寿命和发电效率的作用；

七、液体循环子系统中的离子交换器，由于低温启动预热子系统和外循环冷却子系统中使用的都是去离子水，而且随着使用的时间，水中离子的浓度会增高，故设有的离子交换器，能够有效去除循环水中的离子，使其循环液体保持良好的绝缘性能；

八、液体循环子系统中的进水温度传感器、出水温度传感器、电导率传感器和进水压力传感器能够将水的相关各项指标实时信号传输给控制器，控制器根据信号实时调整，实行反馈控制调节，实现对去离子水的水质的实时监控，将循环水的进水温度控制在68℃左右，而出水温度控制在78℃左右，将循环水的电导率控制在200μS/cm以下，为燃料电池对的反应提供有力的保障，提高其性能和发电效率；

九、液体循环子系统中的热交换器自带水箱，且设有液位传感器，液位过低会传输信号给控制器，控制器会控制报警装置发出报警，提醒工作人员及时加水，保证燃料电池发电堆发电系统中的去离子水的供应，进而保证燃料电池堆的反应温度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的控制原理图；

附图中各部分标记如下：

燃料电池堆1、氢气供给子系统2、空气供给子系统3、氢气输送管4、氢气排出管5、减压阀6、氢气进气电磁阀7、电动调节阀8、氢气进气流量计9、氢气进气压力传感器10、气水分离器11、氢气循环泵12、氢气循环管13、排水管14、排水电磁阀15、空气过滤器16、空气增压器17、加湿器18、第一空气送风管段19、第二空气送风管段20、第一空气排风管段21、第二空气排风管段22、空气进气流量计23、空气进气压力传感器24、第一液体总管25、第二液体总管26、第一液体支管27、第二液体支管28、加热器29、第一液体循环泵30、第一单向阀31、热交换器32、第二液体循环泵33、第二单向阀34、离子交换器35、电导率传感器36、进水温度传感器37、进水压力传感器38、出水温度传感器39、控制器40、液位传感器41、氢气进气温度传感器42、氢气进气湿度传感器43、报警装置44、液位报警单元441、电导率报警单元442和第三空气送风管段45。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例：一种燃料电池堆发电系统，如图1-图2所示，所述燃料电池堆发电系统包括燃料电池堆1、氢气供给子系统2、空气供给子系统3和液体循环子系统，所述氢气供给子系统2、空气供给子系统3和液体循环子系统分别与所述燃料电池堆1连通；

所述氢气供给子系统2包括氢气输送管4和氢气排出管5，所述氢气输送管4与所述燃料电池堆1的氢气进口连通，所述氢气排出管5与所述燃料电池堆1的氢气出口连通，所述氢气输送管4沿氢气流方向依次设有减压阀6、氢气进气电磁阀7、电动调节阀8、氢气进气流量计9、氢气进气压力传感器10，所述氢气排出管沿氢气流方向设有气水分离器11，所述氢气进气压力传感器10位于所述氢气输送管4上且靠近所述燃料电池堆的氢气进口端，所述氢气排出管5与所述气水分离器11的输入端连通，所述气水分离器11的输出端包括氢气输出端和水输出端，所述氢气输出端连通有氢气循环管13，所述氢气循环管13通过三通与所述氢气输送管4连通，所述三通位于所述氢气进气流量计9的上游，氢气循环泵12位于所述氢气循环管13上，所述水输出端连通有排水管14，所述排水管14上设有排水电磁阀15；

所述空气供给子系统3包括空气过滤器16、空气增压器17、加湿器18及管道，所述管道包括空气输送管和空气排出管，所述空气输送管包括第一空气送风管段19和第二空气送风管段20，所述空气排出管包括第一空气排风管段21和第二空气排风管段22；所述空气过滤器16的出风口与所述空气增压器17的进风口连通，所述加湿器18内设有送风流道和回风流道，所述送风流道的一端通过所述第一空气送风管段19与所述空气增压器17的出风口连通，所述送风流道的另一端通过所述第二空气送风管段20与所述燃料电池堆1的空气进口连通，所述回风流道的一端通过所述第一空气排风管段21与所述燃料电池堆1的空气出口连通，所述回风流道的另一端连接所述第二空气排风管段22；所述第一空气送风管段19上设有空气进气流量计23，所述第二空气送风管段20上设有空气进气压力传感器24；

所述液体循环子系统包括低温启动预热子系统和外循环冷却子系统，所述燃料电池堆1的液体进口连通第一液体总管25，所述燃料电池堆1的液体出口连通第二液体总管26，所述第二液体总管26的末端分支成第一液体支管27和第二液体支管28，所述第一液体支管27和所述第二液体支管28的末端汇集成所述第一液体总管25的首端；所述第一液体支管27上按照液体流方向依次设有加热器29、第一液体循环泵30和第一单向阀31，所述第二液体支管28上按照液体流方向依次设有热交换器32、第二液体循环泵33和第二单向阀34；所述第一液体总管25上按照液体流方向依次设有离子交换器35、电导率传感器36、进水温度传感器37和进水压力传感器38；所述第二液体总管26上且位于所述燃料电池堆1的液体出口端设有出水温度传感器39；所述第一液体支管27、加热器29、第一液体循环泵30、第一单向阀31、第一液体总管25、离子交换器35、电导率传感器36、进水温度传感器37、进水压力传感器38、第二液体总管26和出水温度传感器39组成所述低温启动预热子系统；所述第二液体支管28、热交换器32、第二液体循环泵33、第二单向阀34、第一液体总管25、离子交换器35、电导率传感器36、进水温度传感器37和进水压力传感器38、第二液体总管26和出水温度传感器39组成所述外循环冷却子系统；

还包括控制器40，所述氢气进气电磁阀、电动调节阀、氢气循环泵、排水电磁阀、空气增压器、加热器、第一液体循环泵、第一单向阀、第二液体循环泵和第二单向阀分别与所述控制器电连接；所述氢气进气流量计、氢气进气压力传感器、空气进气流量计、空气进气压力传感器、电导率传感器、进水温度传感器、进水压力传感器和出水温度传感器分别与所述控制器信号连接。

所述热交换器32自带储水容器，且所述储水容器内设有液位传感器41，所述液位传感器41与所述控制器40信号连接。

所述氢气输送管上还设有氢气进气温度传感器42和氢气进气湿度传感器43，所述氢气进气温度传感器和所述氢气进气湿度传感器皆设于所述燃料电池堆的氢气进口端且位于所述氢气进气流量计的下游，所述氢气进气温度传感器和所述氢气进气湿度传感器分别与所述控制器信号连接。

所述氢气输送管4、所述氢气排出管5、所述氢气循环管13和所述排水管14皆为不锈钢管，所述不锈钢管是内表面进行过防氢脆处理的不锈钢管。防氢脆处理的方法可以是对不锈钢管依次进行酸洗、阴极除油和电镀。所述防氢脆处理的电镀层为镀镍层。

所述液体循环子系统还包括报警装置44，所述报警装置44与所述控制器40电连接，且所述报警装置为灯光提醒和声音提醒中的至少一种。所述报警装置44包括液位报警单元441和电导率报警单元442，所述液位报警单元441和所述电导率报警单元442分别与所述控制器40电连接。

所述第二空气送风管段20的内径和所述第一空气排风管段21的内径分别为28-32mm且所述第二空气送风管段20的壁厚和所述第一空气排风管段21的壁厚分别为3-4mm。

所述氢气输送管4的内管径为25-35mm。

所述控制器40为单片机或电子控制单元。

所述燃料电池堆1为质子交换膜燃料电池堆。

所述的一种燃料电池堆发电系统的控制方法，包括以下步骤：

第一步：控制器控制低温启动预热子系统的加热器和第一液体循环泵打开，液体经加热器加热后通入燃料电池堆；其中，进水压力传感器控制进水压力为10-50KPa，电导率传感器控制进水电导率不高于200μS/cm，进水温度传感器控制进水温度为65-70℃；

第二步：当出水温度传感器检测到出水温度为75-80℃时，控制器关闭低温启动预热子系统的第一液体循环泵和加热器，同时启动氢气供给子系统、空气供给子系统和外循环冷却子系统；

氢气供给子系统的控制过程：控制器控制氢气进气电磁阀打开，氢气通过减压阀使氢气进气压力下降，并通过管道进入燃料电池堆，在燃料电池堆的氢气进口端通过采集氢气进气流量计、氢气进气压力传感器、氢气进气温度传感器和氢气进气湿度传感器的数据，将采集的数据由控制器作出判断后，再由控制器发出指令给氢气进气电磁阀和氢气进气电动调节阀，从而通过控制氢气进气电磁阀来控制氢气的压力，通过控制氢气进气电动调节阀来控制氢气流量；另外，氢气循环泵将气水分离器中分离出的氢气重新泵入燃料电池堆，当燃料电池堆的氢气进口端的氢气进气压力传感器检测到氢气进气的压力值超过设定值时，将信号传递给控制器，并由控制器控制电动调节阀调节氢气进气流量；其中，氢气进气流量计的流量为650-700L/min，氢气进气压力传感器的压力稳定在0.2-0.25MPa，氢气进气温度传感器的温度维持在大于60℃，氢气进气湿度传感器的湿度维持在90-100％；

空气供给子系统的控制过程：空气通过空气过滤器、加湿器进入燃料电池堆，并在燃料电池堆的空气进口端采集空气进气流量计和空气进气压力传感器的数据，当空气进气压力传感器采集的压力值超出正常值时，由控制器发出指令给空气增压器，控制空气进气流量；其中，空气进气流量计的流量为2500-2580L/min，空气进气压力传感器的压力稳定在0.2-0.25MPa；

外循环冷却子系统的控制过程：控制器开启外循环冷却子系统的第二液体循环泵，当热交换器中的液位传感器检测到热交换器中水位低于设定值时，将信号传送到控制器，提醒工作人员在热交换器中添加水。

所述排水电磁阀与所述控制器的控制方法包括以下两种：

第一种：设定控制器每5-10min打开排水电磁阀，将氢气控制单元中产生的水排放出去，间隔0.5-1.5s后关闭排水电磁阀，如此循环；

第二种：排水电磁阀的上游设有一出水液位传感器，出水液位传感器与控制器电连接，当出水液位传感器检测到氢气控制单元中排水管道的水位超过设定值时，将信号传输至控制器，从而控制器控制排水电磁阀打开，排水。

所述三通与所述氢气输送管4和所述氢气循环管13的连接口皆设有密封圈，所述密封圈为硅橡胶密封圈、丁晴橡胶密封圈或氢化丁晴橡胶密封圈。

所述空气过滤器16的出风口与所述空气增压器17的进风口通过第三空气送风管段45连接，也可以通过法兰连接或螺纹连接。

所述第一单向阀31和所述第二单向阀34皆为不锈钢阀。

所述第一液体支管27、第二液体支管28、第一液体总管25和第二液体总管26皆为耐高温管，优选为硅橡胶管，但不限于此。

所述第一液体循环泵30和所述第二液体循环泵33皆为耐热水泵。

所述电导率传感器36采用铂热电阻。

本发明的工作原理或工作流程如下：

在启动燃料电池堆系统发电时，先启动低温启动预热子系统使燃料电池堆发电系统达到需要的工作温度，一般为80-85℃，然后控制器控制第一液体循环泵和加热器停止工作，即关闭低温启动预热子系统；同时启动氢气供给子系统、空气供给子系统和外循环冷却子系统，使氢气和空气同时进入燃料电池堆发电系统，氢气和空气在燃料电池堆内经过化学反应产生电能、热能和水，其中电能是要利用的部分，经外电路被收集利用；热能是通过外循环冷却子系统排出，反应产生的水由空气供给子系统排出，从而燃料电池堆发电系统正常工作。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池堆发电系统，所述燃料电池堆发电系统包括燃料电池堆(1)、氢气供给子系统(2)、空气供给子系统(3)和液体循环子系统，所述氢气供给子系统、空气供给子系统和液体循环子系统分别与所述燃料电池堆连通，其特征在于：

所述氢气供给子系统包括氢气输送管(4)和氢气排出管(5)，所述氢气输送管与所述燃料电池堆的氢气进口连通，所述氢气排出管与所述燃料电池堆的氢气出口连通，所述氢气输送管沿氢气流方向依次设有减压阀(6)、氢气进气电磁阀(7)、电动调节阀(8)、氢气进气流量计(9)、氢气进气压力传感器(10)，所述氢气排出管沿氢气流方向设有气水分离器(11)，所述氢气进气压力传感器位于所述氢气输送管上且靠近所述燃料电池堆的氢气进口端，所述氢气排出管与所述气水分离器的输入端连通，所述气水分离器的输出端包括氢气输出端和水输出端，所述氢气输出端连通有氢气循环管(13)，所述氢气循环管通过三通与所述氢气输送管连通，所述三通位于所述氢气进气流量计的上游，氢气循环泵(12)位于所述氢气循环管上，所述水输出端连通有排水管(14)，所述排水管上设有排水电磁阀(15)；

所述空气供给子系统包括空气过滤器(16)、空气增压器(17)、加湿器(18)及管道，所述管道包括空气输送管和空气排出管，所述空气输送管包括第一空气送风管段(19)和第二空气送风管段(20)，所述空气排出管包括第一空气排风管段(21)和第二空气排风管段(22)；所述空气过滤器的出风口与所述空气增压器的进风口连通，所述加湿器内设有送风流道和回风流道，所述送风流道的一端通过所述第一空气送风管段与所述空气增压器的出风口连通，所述送风流道的另一端通过所述第二空气送风管段与所述燃料电池堆的空气进口连通，所述回风流道的一端通过所述第一空气排风管段与所述燃料电池堆的空气出口连通，所述回风流道的另一端连接所述第二空气排风管段；所述第一空气送风管段上设有空气进气流量计(23)，所述第二空气送风管段上设有空气进气压力传感器(24)；

所述液体循环子系统包括低温启动预热子系统和外循环冷却子系统，所述燃料电池堆的液体进口连通第一液体总管(25)，所述燃料电池堆的液体出口连通第二液体总管(26)，所述第二液体总管的末端分支成第一液体支管(27)和第二液体支管(28)，所述第一液体支管和所述第二液体支管的末端汇集成所述第一液体总管的首端；所述第一液体支管上按照液体流方向依次设有加热器(29)、第一液体循环泵(30)和第一单向阀(31)，所述第二液体支管上按照液体流方向依次设有热交换器(32)、第二液体循环泵(33)和第二单向阀(34)；所述第一液体总管上按照液体流方向依次设有离子交换器(35)、电导率传感器(36)、进水温度传感器(37)和进水压力传感器(38)；所述第二液体总管上且位于所述燃料电池堆的液体出口端设有出水温度传感器(39)；所述第一液体支管、加热器、第一液体循环泵、第一单向阀、第一液体总管、离子交换器、电导率传感器、进水温度传感器、进水压力传感器、第二液体总管和出水温度传感器组成所述低温启动预热子系统；所述第二液体支管、热交换器、第二液体循环泵、第二单向阀、第一液体总管、离子交换器、电导率传感器、进水温度传感器和进水压力传感器、第二液体总管和出水温度传感器组成所述外循环冷却子系统；

还包括控制器(40)，所述氢气进气电磁阀、电动调节阀、氢气循环泵、排水电磁阀、空气增压器、加热器、第一液体循环泵、第一单向阀、第二液体循环泵和第二单向阀分别与所述控制器电连接；所述氢气进气流量计、氢气进气压力传感器、空气进气流量计、空气进气压力传感器、电导率传感器、进水温度传感器、进水压力传感器和出水温度传感器分别与所述控制器信号连接。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池堆发电系统，其特征在于：所述热交换器自带储水容器，且所述储水容器内设有液位传感器(41)，所述液位传感器与所述控制器信号连接。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池堆发电系统，其特征在于：所述氢气输送管上还设有氢气进气温度传感器(42)和氢气进气湿度传感器(43)，所述氢气进气温度传感器和所述氢气进气湿度传感器皆设于所述燃料电池堆的氢气进口端且位于所述氢气进气流量计的下游，所述氢气进气温度传感器和所述氢气进气湿度传感器分别与所述控制器信号连接。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池堆发电系统，其特征在于：所述氢气输送管、所述氢气排出管、所述氢气循环管和所述排水管皆为不锈钢管，所述不锈钢管是内表面进行过防氢脆处理的不锈钢管。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池堆发电系统，其特征在于：所述液体循环子系统还包括报警装置(44)，所述报警装置与所述控制器电连接，且所述报警装置为灯光提醒和声音提醒中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池堆发电系统，其特征在于：所述第二空气送风管段的内径和所述第一空气排风管段的内径分别为28-32mm且所述第二空气送风管段的壁厚和所述第一空气排风管段的壁厚分别为3-4mm。

7.根据权利要求1所述的一种燃料电池堆发电系统，其特征在于：所述氢气输送管的内管径为25-35mm。

8.根据权利要求1所述的一种燃料电池堆发电系统，其特征在于：所述控制器为单片机或电子控制单元。

9.根据权利要求1所述的一种燃料电池堆发电系统，其特征在于：所述燃料电池堆为质子交换膜燃料电池堆。

10.根据权利要求1所述的一种燃料电池堆发电系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：控制器控制低温启动预热子系统的加热器和第一液体循环泵打开，液体经加热器加热后通入燃料电池堆；其中，进水压力传感器控制进水压力为10-50KPa，电导率传感器控制进水电导率不高于200μS/cm，进水温度传感器控制进水温度为65-70℃；

第二步：当出水温度传感器检测到出水温度为75-80℃时，控制器关闭低温启动预热子系统的第一液体循环泵和加热器，同时启动氢气供给子系统、空气供给子系统和外循环冷却子系统；

氢气供给子系统的控制过程：控制器控制氢气进气电磁阀打开，氢气通过减压阀使氢气进气压力下降，并通过管道进入燃料电池堆，在燃料电池堆的氢气进口端通过采集氢气进气流量计、氢气进气压力传感器、氢气进气温度传感器和氢气进气湿度传感器的数据，将采集的数据由控制器作出判断后，再由控制器发出指令给氢气进气电磁阀和氢气进气电动调节阀，从而通过控制氢气进气电磁阀来控制氢气的压力，通过控制氢气进气电动调节阀来控制氢气流量；另外，氢气循环泵将气水分离器中分离出的氢气重新泵入燃料电池堆，当燃料电池堆的氢气进口端的氢气进气压力传感器检测到氢气进气的压力值超过设定值时，将信号传递给控制器，并由控制器控制电动调节阀调节氢气进气流量；其中，氢气进气流量计的流量为650-700L/min，氢气进气压力传感器的压力稳定在0.2-0.25MPa，氢气进气温度传感器的温度维持在大于60℃，氢气进气湿度传感器的湿度维持在90-100％；

空气供给子系统的控制过程：空气通过空气过滤器、加湿器进入燃料电池堆，并在燃料电池堆的空气进口端采集空气进气流量计和空气进气压力传感器的数据，当空气进气压力传感器采集的压力值超出正常值时，由控制器发出指令给空气增压器，控制空气进气流量；其中，空气进气流量计的流量为2500-2580L/min，空气进气压力传感器的压力稳定在0.2-0.25MPa；

外循环冷却子系统的控制过程：控制器开启外循环冷却子系统的第二液体循环泵，当热交换器中的液位传感器检测到热交换器中水位低于设定值时，将信号传送到控制器，提醒工作人员在热交换器中添加水。