CN107195924B - 燃料电池系统、其控制方法及包括其的交通工具 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃料电池系统、其控制方法及包括其的交通工具。该燃料电池系统包括：电池堆，具有阴极气体入口和阴极尾气出口；阴极气体输送管路，末端与阴极气体入口相连；加湿装置，设置在阴极气体输送管路上利用加湿介质对阴极气体进行加湿；阴极尾气输送管路，起始端与阴极尾气出口相连，且与加湿装置相连为加湿装置提供对加湿介质；以及换热装置，换热装置包括：第一换热装置，设置在阴极尾气输送管路上，且位于阴极尾气出口和加湿装置之间；和/或第二换热装置，设置在阴极气体输送管路上，且位于加湿装置和阴极气体入口之间。通过对COG加湿回路进行温度调节，最终达到电池堆湿度实时控制的目的，进而保证了燃料电池系统稳定工作。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种燃料电池系统、其控制方法及包括其的交通工具。
背景技术
燃料电池汽车（FCV）是一种用车载燃料电池装置产生的电能作为动力的汽车。目前，广泛应用于燃料电池汽车的是质子交换膜燃料电池（PEMFC）。质子交换膜燃料电池汽车的工作原理为：燃料氢气沿燃料电池电堆阳极板流道分配在膜电极的阳极侧，在阳极催化剂的作用下解离成电子和质子，电子经外电路到达阴极，质子直接穿过膜电极到达阴极，与阴极反应气体中的氧气反应生成水。此过程的产物为电能、热和水。其中电能带动电动机工作，电动机再带动汽车中的机械传动结构，进而带动汽车的前桥(或后桥)等行走机械结构工作，从而驱动电动汽车前进。热和水通过热交换装置直接排放或综合利用。
目前，对于功率等级较大的质子交换膜燃料电池车用动力系统，为了降低系统散热负荷，保证较高的电堆反应温度，通常空气需要进行外部加湿，外部加湿一般采用气/气型加湿方式，即利用电池堆阴极反应尾气（COG）中的热量和气态水对阴极进堆空气进行加湿。同时为了提高氢气利用率及系统使用安全性，燃料供给系统一般采用氢气循环方式。图1为质子交换膜燃料电池车用动力系统的简化结构示意图，其主要包含空气供给、氢气供给及电池堆冷却三个回路，电池堆10’电化学反应所需的空气由空气输送设备21’提供动力进入加湿器22’被电堆阴极反应尾气加湿升温后进入电池堆阴极侧，阴极尾气与空气在加湿器22’中完成传热传质后的废气直接排放；来自高压储气瓶31’的氢气通过减压及计量装置32’后进入电堆阳极侧，电堆阳极侧反应后的出堆气体通过氢气循环动力装置33’输送又循环进入电池堆，此过程由于涉及阴极惰性气体N2膜渗透、阳极杂质气体循环累积及水管理等问题，在阳极出口氢气管路设置了吹扫装置34’，以便定时定量进行阳极杂质气体排放与阳极气水管理。电池堆电化学反应过程产生的热量由动力设备41’输送的冷却介质穿过电池堆10’带出后进入散热装置42’完成热量平衡，冷却介质在散热装置42’降温后又循环进入电池堆10’。
上述系统从燃料阴阳极反应物料供给及电堆热量平衡方面给出了较为优化的方案，但系统热管理方面只考虑了散热，对系统回路之间的水热耦合、部件对系统水热平衡影响考虑不多，尤其对于COG加湿过程涉及的水热管理及进堆气体湿度控制鲜有公开资料报道。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种燃料电池系统、其控制方法及包括其的交通工具，以解决现有技术中的燃料电池系统的水热利用不充分导致系统工作不稳定的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池系统，包括：电池堆，具有阴极气体入口和阴极尾气出口；阴极气体输送管路，末端与阴极气体入口相连；加湿装置，设置在阴极气体输送管路上利用加湿介质对阴极气体进行加湿；阴极尾气输送管路，起始端与阴极尾气出口相连，且与加湿装置相连为加湿装置提供加湿介质；以及换热装置，换热装置包括：第一换热装置，设置在阴极气体输送管路上，且位于阴极气体出口和加湿装置之间；和/或第二换热装置，设置在阴极尾气输送管路上，且位于加湿装置和阴极尾气入口之间。
进一步地，上述电池堆还具有阳极气体入口，燃料电池系统还包括：阳极气源存储装置；阳极气体输送管路，连接设置在阳极气源存储装置和阳极气体入口之间；以及减压计量装置，设置在阳极气体输送管路上。
进一步地，上述电池堆还具有阳极气态产物出口，燃料电池系统还包括：阳极气体循环管路，连接在阳极气体入口和阳极气态产物出口之间。
进一步地，上述阳极气体循环管路上设置有第一动力装置。
进一步地，上述阳极气体循环管路通过第一接口和阳极气体输送管路相连后与阳极气体入口相连，且第一接口位于减压计量装置和阳极气体入口之间。
进一步地，上述阳极气体循环管路上还设置有吹扫装置，吹扫装置设置在阳极气体入口和第一动力装置之间。
进一步地，上述电池堆还具有冷却介质入口和冷却介质出口，燃料电池系统还包括：冷却介质循环管路，连接设置在冷却介质入口和冷却介质出口之间；第二动力装置，设置在冷却介质循环管线上；以及散热装置，设置在冷却介质循环管线上，且位于第二动力装置和冷却介质入口之间。
进一步地，上述电池堆还具有冷却介质入口和冷却介质出口，燃料电池系统还包括：冷却介质循环管路，连接设置在冷却介质入口和冷却介质出口之间，且冷却介质循环管路穿过第一换热装置，为第一换热装置提供热介质。
进一步地，上述阳极气体输送管路穿过第二换热装置，为第二换热装置提供冷介质。
进一步地，上述燃料电池系统还包括湿度检测器，设置在阴极气体输送管路上，且位于加湿装置和阴极气体入口之间。
进一步地，上述阴极尾气输送管路上设置有排液阀，排液阀设置在第二换热装置与加湿装置之间，且排液阀的海拔高度低于加湿装置的海拔高度。
根据本发明的另一方面，提供了一种交通工具，具有动力系统，该动力系统包括上述任一种的燃料电池系统。
根据本发明的又一方面，提供了一种上述任一种的燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统中设置有第一换热装置和/或第二换热装置，控制方法包括：通过第一换热装置和/或第二换热装置与阴极气体的换热程度来调整阴极气体的湿度。
进一步地，上述控制方法包括：当阴极气体的RH低于燃料电池系统的运行湿度设定值RH0时，减小第二换热装置的冷介质流量；当冷介质流量等于低于下限，且RH还未达到设定值RH0时，增加第一换热装置的热介质流量；若RH达到RH0，则保持第一换热装置的热介质流量状态，正常运行；若第一换热装置的热介质流量调至上限，RH还未达到RH0，则判断燃料电池系统出现故障。
进一步地，上述控制方法包括：当阴极气体的湿度RH高于燃料电池系统的运行湿度设定值RH0时，减小第一换热装置的热介质流量；若热介质流量等于低于下限，RH还未达到设定值RH0，增加第二换热装置的冷介质流量；若RH达到RH0，则保持第二换热装置的冷介质流量状态，正常运行；若第二换热装置的冷介质流量调至上限，RH还未达到RH0，则判断燃料电池系统出现故障。
应用本发明的技术方案，通过对COG加湿回路进行温度调节，最终达到电池堆湿度实时控制的目的，进而保证了燃料电池系统稳定工作。具体地，通过设置的第一换热装置和第二换热装置，对进入阴极的阴极气体的温度进行调节，进而控制其中水的状态，从而调节阴极气体中气态水的含量。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据现有技术提供的一种燃料电池系统的结构示意图；以及
图2示出了根据本申请一种优选的实施例提供的燃料电池系统的结构示意图；
图3示出了根据本申请一种优选实施例提供的图1所示的燃料电池系统的控制流程示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10’、电池堆；21’、空气输送设备；22’、加湿器；31’、高压储气瓶；32’、计量装置；33’、氢气循环动力装置；34’、吹扫装置；41’、动力设备；42’、散热装置；
10、电池堆；11、阴极气体入口；12、阴极尾气出口；13、阳极气体入口；14、阳极气态产物出口；15、冷却介质入口；16、冷却介质出口；
20、阴极气体输送管路；21、加湿装置；22、第一换热装置；23、湿度检测器；
30、阴极尾气输送管路；31、第二换热装置；
40、阳极气体输送管路；41、阳极气源存储装置；42、减压计量装置；
50、阳极气体循环管路；51、第一动力装置；52、吹扫装置；
60、冷却介质循环管路；61、第二动力装置；62、散热装置。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如本申请背景技术所分析的，现有技术虽然采用COG加湿，但是由于燃料电池动力系统应用场所不同、功率量级不同或电池堆关键材料及结构设计差别导致其对反应物料的湿度需求有所不同。利用电池堆COG对阴极进堆空气加湿时，空气湿度受COG湿度、温度等因素影响而变化，即处于被动调节状态，导致进入电池堆的阴极气体的湿度不可控，这样可能造成电池堆在某些运行条件下（如温度升高、计量比增加等）过干，某些条件下（如温度降低、计量比减小等）水淹，进而导致燃料电池系统的工作不稳定。为了解决该问题，本申请提供了一种燃料电池系统、其控制方法及包括其的交通工具。
在本申请一种典型的实施方式中，提供了一种燃料电池系统，如图2所示，该燃料电池系统包括电池堆10、阴极气体输送管路20、加湿装置21、阴极尾气输送管路30和换热装置，电池堆10具有阴极气体入口11和阴极尾气出口12；阴极气体输送管路20的末端与阴极气体入口11相连；加湿装置21设置在阴极气体输送管路20上利用加湿介质对阴极气体进行加湿；阴极尾气输送管路30的起始端与阴极尾气出口12相连，且与加湿装置21相连为加湿装置21提供对加湿介质；换热装置包括第一换热装置22和/或第二换热装置31，第一换热装置22设置在阴极气体输送管路20上，且位于阴极气体入口11和加湿装置21之间； 第二换热装置31设置在阴极尾气输送管路30上，且位于加湿装置21和阴极尾气出口12之间。
本发明通过对COG加湿回路进行温度调节，最终达到电池堆10湿度实时控制的目的，进而保证了燃料电池系统稳定工作。具体地，通过设置的第一换热装置22和第二换热装置31，对进入阴极的阴极气体的温度进行调节，进而控制其中水的状态，从而调节阴极气体中气态水的含量。比如：
当阴极气体的RH低于燃料电池系统的运行湿度设定值RH0时，减小第二换热装置31的冷介质流量，进而增加阴极尾气中气态水的含量，从而在加湿装置21中可以增加进入阴极气体的气态水的含量；当冷介质流量等于低于下限，且RH还未达到设定值RH0时，增加第一换热装置22的热介质流量，以利用热量将更多的液态水转换为气态水，进而增加阴极气体的湿度；若RH达到RH0，则保持第一换热装置22的热介质流量状态，正常运行；若第一换热装置22的热介质流量调至上限， RH还未达到RH0，则判断燃料电池系统出现故障。
当阴极气体的湿度RH高于燃料电池系统的运行湿度设定值RH0时，减小第一换热装置22的热介质流量，增加经过加湿装置21的阴极气体的气态水冷却量，进而降低阴极气体的湿度；若热介质流量等于低于下限，RH还未达到设定值RH0，增加第二换热装置31的冷介质流量，进而降低阴极尾气中气态水含量，从而减少加湿装置21对阴极气体的加湿程度；若RH达到RH0，则保持第二换热装置31的冷介质流量状态，正常运行；若第二换热装置31的冷介质流量调至上限， RH还未达到RH0，则判断燃料电池系统出现故障。
在本申请一种优选的实施例中，如图2所示，电池堆10还具有阳极气体入口13，上述燃料电池系统还包括阳极气源存储装置41、阳极气体输送管路40和减压计量装置42，阳极气体输送管路40连接设置在阳极气源存储装置41和阳极气体入口13之间；减压计量装置42设置在阳极气体输送管路40上。通过减压计量装置42对进入阳极的气体进行计量和压力控制，进而避免由于阳极气体的流量和压力变化导致的燃料电池系统工作状态波动的缺陷。
为了提高阳极气体的利用率及系统使用安全性，优选如图2所示，电池堆10还具有阳极气态产物出口14，该燃料电池系统还包括阳极气体循环管路50，阳极气体循环管路50连接在阳极气体入口13和阳极气态产物出口14之间。进一步地，为了控制阳极气体的循环流量，优选如图2所示，该阳极气体循环管路50上设置有第一动力装置51。
此外，为了简化燃料电池系统结构，优选上述阳极气体循环管路50通过第一接口和阳极气体输送管路40相连后与阳极气体入口13相连，且第一接口位于减压计量装置42和阳极气体入口13之间。
在本申请另一种优选的实施例中，优选如图2所示，上述阳极气体循环管路50上还设置有吹扫装置52，吹扫装置52设置在阳极气体入口13和第一动力装置51之间。利用吹扫装置52定时定量地对阳极气体循环管路50进行阳极杂质气体排放与阳极气水管理，保证燃料电池系统长期稳定运行。
燃料电池系统的电池堆10在产生电能的同时还会产生热能，为了保证燃料电池系统长期稳定运行，优选如图2所示，上述电池堆10还具有冷却介质入口15和冷却介质出口16，燃料电池系统还包括冷却介质循环管路60、第二动力装置61和散热装置62：冷却介质循环管路60连接设置在冷却介质入口15和冷却介质出口16之间；第二动力装置61设置在冷却介质循环管线上；散热装置62设置在冷却介质循环管线上，且位于第二动力装置61和冷却介质入口15之间。如本领域技术人员对冷却介质的常规理解，本申请的冷却介质不参与电池堆的化学反应，仅对电池堆进行降温冷却。
利用冷却介质吸收电池堆10中的热量，然后利用散热装置62对吸收热量后的冷却介质进行冷却，进而实现了对电池堆10的持续控温。
为了增强燃料电池系统的热量综合利用，在本申请一种优选的实施例中，上述电池堆10还具有冷却介质入口15和冷却介质出口16，燃料电池系统还包括冷却介质循环管路60，冷却介质循环管路60连接设置在冷却介质入口15和冷却介质出口16之间，且冷却介质循环管路60穿过第一换热装置22，为第一换热装置22提供热介质。冷却介质吸收电池堆10的热量后进入第一换热装置22作为热介质将热量传递给阴极气体，进而增加阴极气体中的气态水含量。
阳极气体的温度相对较低，为了提高热量的综合利用效率，优选上述阳极气体输送管路40穿过第二换热装置31，为第二换热装置31提供冷介质。利用阳极气体对第二换热装置31中的阴极尾气进行降温，以增加阴极尾气中的液态水含量，进而减小阴极气体中的气态水含量。
为了增加本申请的燃料电池系统的阴极气体湿度调节的及时性，优选上述燃料电池系统还包括湿度检测器23，设置在阴极气体输送管路20上，且位于加湿装置21和阴极气体入口11之间。利用湿度检测器23实时监测阴极气体的湿度，以便于根据检测结果及时进行湿度调节。
为了避免在加湿过程中产生的冷凝液态水堵塞管路，影响系统稳定性，优选在阴极尾气输送管路30上设置有排液阀32，排液阀32设置在第二换热装置31与加湿装置21之间，且排液阀32的海拔高度低于加湿装置21的海拔高度。利用所设置的加湿装置21将冷凝的液态水排出。
在本申请另一种典型的实施方式中，提供了一种交通工具，该交通工具具有动力系统，该动力系统上述任一种的燃料电池系统。
由于本申请的燃料电池系统可以对电池堆湿度进行控制，因此可以保证燃料电池系统的稳定工作，进而保证了利用其作为动力系统的交通工具的稳定运行。
在本申请又一种典型的实施方式中，提供了一种如上述任一种的燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统中设置有第一换热装置22和/或第二换热装置31，控制方法包括：通过第一换热装置22和/或第二换热装置31与阴极气体的换热程度来调整阴极气体的湿度。本发明通过对COG加湿回路进行温度调节，最终达到电池堆10湿度实时控制的目的，进而保证了燃料电池系统稳定工作。具体地，通过设置的第一换热装置22和第二换热装置31，对进入阴极的阴极气体的温度进行调节，进而控制其中水的状态，从而调节阴极气体中气态水的含量。
在本申请一种优选的实施例中，如图3所示，上述控制方法包括：当阴极气体的RH低于燃料电池系统的运行湿度设定值RH0时，减小第二换热装置31的冷介质流量；当冷介质流量等于低于下限，且RH还未达到设定值RH0时，增加第一换热装置22的热介质流量；若RH达到RH0，则保持第一换热装置22的热介质流量状态，正常运行；若第一换热装置22的热介质流量调至上限，RH还未达到RH0，则判断燃料电池系统出现故障。图3中q2表示第二换热装置的冷介质流量，其q2min表示第二换热装置的冷介质流量的下限值，q1表示第一换热装置的热介质流量，其q1max表示第一换热装置的热介质流量的上限值。
通过减小第二换热装置31的冷介质流量，增加阴极尾气中气态水的含量，从而在加湿装置21中可以增加进入阴极气体的气态水的含量；通过增加第一换热装置22的热介质流量，以利用热量将更多的液态水转换为气态水，进而增加阴极气体的湿度。
在本申请另一种优选的实施例中，如图3所示，上述控制方法包括：当阴极气体的湿度RH高于燃料电池系统的运行湿度设定值RH0时，减小第一换热装置22的热介质流量；若热介质流量等于低于下限，RH还未达到设定值RH0，增加第二换热装置31的冷介质流量；若RH达到RH0，则保持第二换热装置31的冷介质流量状态，正常运行；若第二换热装置31的冷介质流量调至上限，RH还未达到RH0，则判断燃料电池系统出现故障。图3中q2表示第二换热装置的冷介质流量，其q2max表示第二换热装置的冷介质流量的上限值，q1表示第一换热装置的热介质流量，其q1min表示第一换热装置的热介质流量的下限值。
通过减小第一换热装置22的热介质流量，增加经过加湿装置21的阴极气体的气态水冷却量，进而降低阴极气体的湿度；通过增加第二换热装置31的冷介质流量，进而降低阴极尾气中气态水含量，从而减少加湿装置21对阴极气体的加湿程度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
电池堆(10)，具有阴极气体入口(11)和阴极尾气出口(12)；
阴极气体输送管路(20)，末端与所述阴极气体入口(11)相连；
加湿装置(21)，设置在所述阴极气体输送管路(20)上利用加湿介质对阴极气体进行加湿；
阴极尾气输送管路(30)，起始端与所述阴极尾气出口(12)相连，且与所述加湿装置(21)相连为所述加湿装置(21)提供所述加湿介质；以及
换热装置，所述换热装置包括：
第一换热装置(22)，设置在所述阴极气体输送管路(20)上，且位于所述阴极气体入口(11)和所述加湿装置(21)之间；和
第二换热装置(31)，设置在所述阴极尾气输送管路(30)上，且位于所述加湿装置(21)和所述阴极尾气出口(12)之间；
当所述阴极气体的RH低于所述燃料电池系统的运行湿度设定值RH0时，减小所述第二换热装置(31)的冷介质流量；
当所述冷介质流量等于低于下限，且所述RH还未达到设定值RH0时，增加第一换热装置(22)的热介质流量；
若所述RH达到RH0，则保持第一换热装置(22)的热介质流量状态，正常运行；若所述第一换热装置(22)的热介质流量调至上限，所述RH还未达到RH0，则判断所述燃料电池系统出现故障；或
当所述阴极气体的湿度RH高于所述燃料电池系统的运行湿度设定值RH0时，减小所述第一换热装置(22)的热介质流量；
若所述热介质流量等于低于下限，所述RH还未达到设定值RH0，增加所述第二换热装置(31)的冷介质流量；
若所述RH达到所述RH0，则保持第二换热装置(31)的冷介质流量状态，正常运行；若所述第二换热装置(31)的冷介质流量调至上限，所述RH还未达到RH0，则判断所述燃料电池系统出现故障。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电池堆(10)还具有阳极气体入口(13)，所述燃料电池系统还包括：
阳极气源存储装置(41)；
阳极气体输送管路(40)，连接设置在所述阳极气源存储装置(41)和所述阳极气体入口(13)之间；以及
减压计量装置(42)，设置在所述阳极气体输送管路(40)上。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电池堆(10)还具有阳极气态产物出口(14)，所述燃料电池系统还包括：
阳极气体循环管路(50)，连接在所述阳极气体入口(13)和所述阳极气态产物出口(14)之间。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阳极气体循环管路(50)上设置有第一动力装置(51)。
5.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阳极气体循环管路(50)通过第一接口和所述阳极气体输送管路(40)相连后与所述阳极气体入口(13)相连，且所述第一接口位于所述减压计量装置(42)和所述阳极气体入口(13)之间。
6.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阳极气体循环管路(50)上还设置有吹扫装置(52)，所述吹扫装置(52)设置在所述阳极气体入口(13)和所述第一动力装置(51)之间。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电池堆(10)还具有冷却介质入口(15)和冷却介质出口(16)，所述燃料电池系统还包括：
冷却介质循环管路(60)，连接设置在所述冷却介质入口(15)和所述冷却介质出口(16)之间；
第二动力装置(61)，设置在所述冷却介质循环管线上；以及
散热装置(62)，设置在所述冷却介质循环管线上，且位于所述第二动力装置(61)和所述冷却介质入口(15)之间。
8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电池堆(10)还具有冷却介质入口(15)和冷却介质出口(16)，所述燃料电池系统还包括：
冷却介质循环管路(60)，连接设置在所述冷却介质入口(15)和所述冷却介质出口(16)之间，且所述冷却介质循环管路(60)穿过所述第一换热装置(22)，为所述第一换热装置(22)提供热介质。
9.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阳极气体输送管路(40)穿过所述第二换热装置(31)，为所述第二换热装置(31)提供冷介质。
10.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括湿度检测器(23)，设置在所述阴极气体输送管路(20)上，且位于所述加湿装置(21)和所述阴极气体入口(11)之间。
11.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极尾气输送管路(30)上设置有排液阀(32)，所述排液阀(32)设置在所述第二换热装置(31)与所述加湿装置(21)之间，且所述排液阀(32)的海拔高度低于所述加湿装置(21)的海拔高度。
12.一种交通工具，具有动力系统，其特征在于，所述动力系统包括权利要求1至11中任一项所述的燃料电池系统。
13.一种权利要求1至11中任一项所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，所述燃料电池系统中设置有所述第一换热装置(22)和/或第二换热装置(31)，所述控制方法包括：通过第一换热装置(22)和/或第二换热装置(31)与阴极气体的换热程度来调整所述阴极气体的湿度。
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