CN107293770B - 燃料电池内部含水量控制系统及方法 - Google Patents

燃料电池内部含水量控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池内部含水量控制系统及方法，该系统包括水量检测系统，安装于燃料电池电堆的两端，用于检测燃料电池电堆中质子膜的含水量，其中水量检测系统包括超声波发生器和超声波接收器，控制器连接至水量检测系统，用于根据从水量检测系统接收的质子膜的含水量调整燃料电池进排气系统的气体供应量。水量检测系统检测出燃料电池内部含水量，根据此内部含水量可推算出质子膜含水量，控制器根据质子膜含水量调节燃料电池进排气系统的气体供应量。通过本发明解决了现有技术中燃料电池在使用时由于质子膜含水量不均匀会导致燃料电池发电功率下降和质子膜使用寿命降低的问题。

Description

燃料电池内部含水量控制系统及方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池内部含水量控制系统及方法。
背景技术
氢燃料电池工作时，氢气和空气中的氧气在电化学方应中会产生水，其中一部分水会湿润质子膜，质子膜在湿润的状态下能够增加发电效率，从而电堆发电，一部分水会随着氢气或空气的流动排出电堆。
因此需要对燃料电池电堆中质子膜的含水量进行检测和控制，这部分水是电堆电化学反应之后产生的水，以分散的形式附着在质子膜表面或渗透在质子膜中，或以雾化的状态存在电堆的氢气道和空气道中，最后集中通过水路排出。电堆中的质子膜需要靠水来提高反应的催化活性，如果电堆中氢气和空气流量相对小，水会在氢气道或者空气道中存积多把气道堵塞，气体没法通过电堆，如果电堆中氢气和空气流量相对大，质子膜被吹干，也会使燃料电池发电功率下降，长期不均匀反应会使质子膜的使用寿命大大缩减。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种燃料电池内部含水量控制系统及方法，以解决现有技术中燃料电池在使用时由于质子膜含水量不均匀会导致燃料电池发电功率下降和质子膜使用寿命降低的问题。
为此，本发明实施例提供了如下技术方案：
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种燃料电池内部含水量控制系统，包括水量检测系统，安装于燃料电池电堆的两端，用于检测燃料电池电堆中质子膜的含水量，其中，所述水量检测系统包括超声波发生器和超声波接收器；控制器，连接至所述水量检测系统，用于根据从所述水量检测系统接收的质子膜的含水量调整燃料电池进排气系统的气体供应量。
可选地，所述超声波发生器安装于所述燃料电池电堆的一侧端板上，所述超声波接收器安装于所述燃料电池电堆的另一侧端板上；所述超声波接收器接收所述超声波发生器发送的波段信号，并根据所述波段信号检测所述燃料电池电堆中质子膜的含水量。
可选地，所述控制器还用于将所述质子膜的含水量与预定阈值进行比较；当所述质子膜的含水量大于所述预定阈值时，所述控制器控制所述燃料电池进排气系统增加进气量，直至所述质子膜含水量等于所述预定阈值；当所述质子膜的含水量小于所述预定阈值时，所述控制器控制所述燃料电池进排气系统减少进气量，同时增加所述燃料电池的输出功率直至所述质子膜含水量等于所述预定阈值。
可选地，所述燃料电池进排气系统包括：第一电机和第一节流阀，所述第一电机用于根据从所述控制器接收到的第一控制信号控制所述第一节流阀的开度；所述第一节流阀安装在所述燃料电池电堆的空气进气口处，用于通过控制所述第一节流阀的开度控制所述燃料电池电堆的空气进气量；和/或，第二电机和第二节流阀，所述第二电机用于根据从所述控制器接收到的第二控制信号控制所述第二节流阀的开度；所述第二节流阀安装在所述燃料电池电堆的氢气进气口处，用于通过控制所述第二节流阀的开度控制所述燃料电池电堆的氢气进气量。
可选地，燃料电池进排气系统还包括：第一背压阀，安装在所述燃料电池电堆的空气出口处，用于调整所述燃料电池电堆的空气流道内的空气流量；和/或，第二背压阀，安装在所述燃料电池电堆的氢气出口处，用于调整所述燃料电池电堆的氢气流道内的氢气流量。
可选地，所述控制器还用于当所述质子膜的含水量大于预定阈值时，控制所述第一背压阀和/或所述第二背压阀增大开启角度；当所述质子膜的含水量小于所述预定阈值时，控制所述第一背压阀和/或所述第二背压阀减小开启角度。
可选地，所述超声波发生器的频率根据所述燃料电池电堆的厚度确定。
可选地，所述的燃料电池内部含水量控制系统还包括：循环泵，安装于所述燃料电池电堆的氢气出口处与所述燃料电池电堆的氢气入口处之间，用于将所述氢气出口处排出的氢气通过循环泵再通入所述氢气入口处。
根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种燃料电池内部含水量控制方法，包括：接收水量检测系统检测到的燃料电池电堆中质子膜的含水量，其中所述水量检测系统安装于所述燃料电池电堆的两端，所述水量检测系统包括超声波发生器和超声波接收器；根据所述质子膜的含水量调整燃料电池进排气系统的气体供应量。
可选地，根据所述质子膜的含水量调整燃料电池进排气系统的气体供应量包括：将所述质子膜的含水量与预定阈值进行比较；当所述质子膜的含水量大于所述预定阈值时，控制所述燃料电池进排气系统增加进气量，直至所述质子膜含水量等于所述预定阈值；当所述质子膜的含水量小于所述预定阈值时，控制所述燃料电池进排气系统减少进气量，同时增加所述燃料电池的输出功率直至所述质子膜含水量等于所述预定阈值。
可选地，根据所述质子膜的含水量调整燃料电池进排气系统的气体供应量包括：根据所述质子膜的含水量控制所述燃料电池电堆的空气进气量；和/或，根据所述质子膜的含水量控制所述燃料电池电堆的氢气进气量。
可选地，燃料电池内部含水量控制方法还包括：控制空气侧的进气量和排气背压，和/或，控制氢气侧的进气量和排气背压以使得空气侧的气压与氢气侧的气压压差保持在预定范围。
本发明实施例技术方案，具有如下优点：
本发明实施例提供了一种燃料电池内部含水量控制系统及方法，其中，燃料电池内部含水量控制系统包括水量检测系统，安装于燃料电池电堆的两端，用于检测燃料电池电堆中质子膜的含水量，其中水量检测系统包括超声波发生器和超声波接收器，控制器连接至水量检测系统，用于根据从水量检测系统接收的质子膜的含水量调整燃料电池进排气系统的气体供应量。超声发生器安装在燃料电池电堆的一侧端板上，而超声波接收器安装在燃料电池电堆的另一侧端板上，超声波接收器接收超声波发生器的波段信号，根据该波段信号检测出燃料电池电堆内部含水量，根据此内部含水量推算出质子膜含水量，并把此质子膜的含水量信号发送给控制器，控制器将该质子膜的含水量与目标含水量进行比较，当测得的质子膜的含水量大于目标含水量时，控制器控制所述燃料电池进排气系统增加进气量，当测得的质子膜的含水量小于目标含水量时，控制器控制燃料电池进排气系统减少进气量，通过调整进气量使燃料电池内部含水量保持最佳。从而解决了现有技术中燃料电池在使用时由于质子膜含水量不均匀会导致燃料电池发电功率下降和质子膜使用寿命降低的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
图1为根据本发明实施例的燃料电池内部含水量控制系统的结构框图；
图2为根据本发明实施例的燃料电池内部含水量控制系统的具体装置示意图；
图3为根据本发明实施例的燃料电池内部含水量控制方法的一个流程图；
图4为根据本发明实施例的燃料电池内部含水量控制方法的另一个流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例中提供了一种燃料电池内部含水量控制系统，图1为根据本发明实施例的燃料电池内部含水量控制系统的结构框图，如图1所示，包括：水量检测系统11、控制器12和燃料电池进排气系统13，水量检测系统11连接至控制器12，控制器12连接至燃料电池进排气系统13。水量检测系统11安装于燃料电池电堆的两端，包括超声波发生器和超声波接收器，用于检测燃料电池电堆中质子膜的含水量，控制器12用于根据从水量检测系统11接收的质子膜的含水量调整燃料电池进排气系统13的气体供应量。水量检测系统11检测出燃料电池电堆内部含水量，并根据此含水量可以推算出质子膜的含水量，并把此质子膜的含水量信号发送给控制器12，控制器12将该质子膜的含水量与目标含水量进行比较，当测得的质子膜的含水量大于目标含水量时，控制器12控制燃料电池进排气系统13增加进气量，当测得的质子膜的含水量小于目标含水量时，控制器12控制燃料电池进排气系统13减少进气量，同时增加燃料电池的输出功率直至质子膜含水量等于目标含水量。通过调整进气量使燃料电池内部含水量保持最佳，提高了反应效率和质子膜使用寿命，解决了现有技术中燃料电池在使用时由于质子膜含水量不均匀会导致燃料电池发电功率下降和质子膜使用寿命降低的问题。
在一个可选实施例中，超声波发生器安装于燃料电池电堆的一侧端板上，超声波接收器安装于燃料电池电堆的另一侧端板上，接收器接收发生器发送的波段信号，并根据该波段信号检测燃料电池电堆中质子膜的含水量。具体地，根据超声波在不同介质中传播速率不同和超声波穿透能力强的特性，在燃料电池电堆的两侧端板分别布置超声波发生器和接收器，超声波发生器和超声波接收器的数量可以是1对或多对，多个超声波接收器可以接收不同波段的声波信号，根据该声波信号可以通过计算得到燃料电池电堆内部的含水量。超声波发生器的频率可以根据燃料电池电堆的厚度确定。
上述燃料电池进排气系统13，在一个具体实施例中包括第一电机和第一节流阀，第一电机用于根据从控制器12接收到的第一控制信号控制第一节流阀的开度，第一节流阀安装在燃料电池电堆的空气进气口处，用于通过控制其开度控制燃料电池电堆的空气进气量；和/或第二电机和第二节流阀，第二电机用于根据从控制器12接收到的第二控制信号控制第二节流阀的开度，第二节流阀安装在燃料电池电堆的氢气进气口处，用于通过控制其开度控制燃料电池电堆的氢气进气量。在本实施方式中，在空气流道入口处设置第一节流阀和在氢气流道入口处设置第二节流阀，当检测到质子膜中的含水量少时，控制器12发送第一控制信号至第一电机，第一电机控制第一节流阀减小开度，从而减少空气进气量；发送第二控制信号至第二电机，第二电机控制第二节流阀减小开度，从而减少氢气进气量，通过减少空气与氢气的相对流量来控制燃料电池内部含水量，使其保持最佳；在另一个可选实施方式中，可以只在空气道和氢气道其中一侧设置节流阀，控制其中一侧的进气量，也能达到控制电堆内气体相对流量的目的。
为了更精确地调整燃料电池电堆的内部含水量，在一个可选实施例中，该燃料电池内部含水量控制系统还包括安装在燃料电池电堆的空气出口处的第一背压阀和/或安装在燃料电池电堆的氢气出口处的第二背压阀，该第一背压阀用于调整燃料电池电堆的空气流道内的空气背压，进而调整空气流量，使其保持恒定背压，该第二背压阀用于调整燃料电池电堆的氢气流道内的氢气背压，进而调整氢气流量，使其保持恒定背压。具体地，当检测得到的质子膜的含水量大于预定阈值时，控制器12控制第一背压阀和/或第二背压阀增大开启角度，使得气体排出时带走更多的水分，当质子膜的含水量小于预定阈值时，控制器12控制第一背压阀和/或第二背压阀减小开启角度，保持质子膜湿润，提高反应效率。
为了更好地循环利用燃料电池电堆的氢气流道排出的氢气，在一个可选实施例中，该燃料电池内部含水量控制系统还包括安装于燃料电池电堆的氢气出口处与燃料电池电堆的氢气入口处之间的循环泵，用于将氢气出口处排出的氢气通过循环泵再通入所述氢气入口处，循环利用氢气，节约能源。
图2为根据本发明实施例的燃料电池内部含水量控制系统的具体装置示意图。如图2所示，在一个可选实施例中，燃料电池电堆的两侧端板207a和207b上分别安装有超声波发生器201和超声波接收器202，而在两侧端板上覆盖有绝缘板208a和208b，在燃料电池电堆的氢气进气口处安装有第二节流阀203，在空气入口处安装有第一节流阀204，在空气出口处安装有第一背压阀205，在氢气出口处安装有第二背压阀206，在氢气出口处与氢气入口处之间安装有循环泵211。超声波接收器202接收超声波发生器201的波段信号，根据此波段信号可以得到燃料电池电堆中质子膜210的含水量，如果含水量大于预定阈值，则控制器控制第一电机和第二电机，使其控制第一节流阀204和第二节流阀203的开度，使其进入流道内的气体流量增加，同时增大第一背压阀205和第二背压阀206的开启角度，使电堆内部的含水量减少；如果含水量小于预定阈值，则控制器控制第一电机和第二电机，使其控制第一节流阀204和第二节流阀203的开度，使其进入流道内的气体流量减少，同时减小第一背压阀205和第二背压阀206的开启角度，使电堆内部的含水量相对增加，提高电堆反应效率。同时，循环泵211可以使氢气出口处排出的氢气通过循环泵211再进入到氢气入口处，节约能源，提高氢气利用率。
本发明实施例还提供了一种燃料电池内部含水量控制方法，应用于燃料电池的控制器12，图3为根据本发明实施例的燃料电池内部含水量控制方法的一个流程图，如图3所示，包括：
S301：接收水量检测系统11检测到的燃料电池电堆中质子膜的含水量；其中，水量检测系统安装在燃料电池电堆的两端，包括超声波发生器和超声波接收器。具体地，该水量检测系统包括超声波发生器和超声波接收器，根据超声波在不同介质中传播速率不同和超声波穿透能力强的特性，在燃料电池电堆的两侧端板分别布置超声波发生器和接收器，超声波发生器和超声波接收器的数量可以是一对或多对，多个超声波接收器可以接收不同波段的声波信号，根据该信号测得燃料电池内部含水量，根据此含水量可以推算得到质子膜的含水量，并将此含水量信号发送至控制器12。
S302：根据质子膜的含水量调整燃料电池进排气系统13的气体供应量。具体地，将质子膜的含水量与预定阈值进行比较，当质子膜的含水量大于预定阈值时，控制燃料电池进排气系统13增加进气量，直至质子膜含水量等于预定阈值；当质子膜的含水量小于预定阈值时，控制燃料电池进排气系统13减少进气量，同时增加燃料电池的输出功率直至质子膜含水量等于预定阈值，通过调整进气量来控制燃料电池电堆内部含水量。
通过上述步骤，接收水量检测系统11检测到的燃料电池电堆中质子膜的含水量，根据质子膜的含水量调整燃料电池进排气系统13的气体供应量。水量检测系统11检测出燃料电池电堆中质子膜的含水量，并把此质子膜的含水量信号发送给控制器12，控制器12将该质子膜的含水量与目标含水量进行比较，当测得的质子膜的含水量大于目标含水量时，控制器12控制燃料电池进排气系统13增加进气量，当测得的质子膜的含水量小于目标含水量时，控制器12控制燃料电池进排气系统13减少进气量，通过调整进气量使燃料电池内部含水量保持最佳，提高了反应效率和质子膜使用寿命，解决了现有技术中燃料电池在使用时由于质子膜含水量不均匀会导致燃料电池发电功率下降和质子膜使用寿命降低的问题。
上述步骤S302涉及到根据质子膜的含水量调整燃料电池进排气系统13的气体供应量，在一个具体实施方式中，将质子膜的含水量与预定阈值进行比较，当质子膜的含水量大于预定阈值时，控制燃料电池进排气系统13增加进气量，直至质子膜含水量等于预定阈值；当质子膜的含水量小于预定阈值时，控制燃料电池进排气系统13减少进气量，同时增加燃料电池的输出功率直至质子膜含水量等于预定阈值。增加燃料电池输出功率可以使燃料电池内部产生的水增多，上述预定阈值是目标含水量。具体地，控制燃料电池空气侧的进气量和排气背压，和/或控制氢气侧的进气量和排气背压时以使得空气侧的气压与氢气侧的气压压差保持在预定范围，目的是为了维持反应膜两侧气体压力的平衡，不会出现因为一侧气体压力过大而导致损伤反应膜的问题。
图4为根据本发明实施例的燃料电池内部含水量控制方法的另一个流程图。如图4所示，在一个可选实施例中，控制器12控制启动超声波检测设备，对比各区域超声波传感器信号值，得到对应波段的含水量，控制器12将得到的质子膜的含水量与目标含水量进行比较，判断其是否符合目标含水量，如果判断的结果是检测出的含水量少，则控制器12控制减少燃料电池电堆的进气量，同时增加背压压力，增加系统压力，使第一背压阀和/或第二背压阀减小开启角度，从而保证电堆内质子膜的湿润，提高反应效率；如果判断的结果是检测出的含水量多，则控制器12控制增加燃料电池电堆的进气量，同时减小背压压力，减小系统压力，使第一背压阀和/或第二背压阀增大开启角度，使从电堆流道内排出的气体带走多余的水分；如果检测到的含水量符合目标含水量，则继续进行超声波传感器检测。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (11)

1.一种燃料电池内部含水量控制系统，其特征在于，包括：
水量检测系统，安装于燃料电池电堆的两端，用于检测燃料电池电堆中质子膜的含水量，其中，所述水量检测系统包括超声波发生器和超声波接收器；
控制器，连接至所述水量检测系统，用于根据从所述水量检测系统接收的质子膜的含水量调整燃料电池进排气系统的气体供应量；
所述超声波发生器的频率根据所述燃料电池电堆的厚度确定。
2.根据权利要求1所述的燃料电池内部含水量控制系统，其特征在于，
所述超声波发生器安装于所述燃料电池电堆的一侧端板上，所述超声波接收器安装于所述燃料电池电堆的另一侧端板上；
所述超声波接收器接收所述超声波发生器发送的波段信号，并根据所述波段信号检测所述燃料电池电堆中质子膜的含水量。
3.根据权利要求1所述的燃料电池内部含水量控制系统，其特征在于，
所述控制器，还用于将所述质子膜的含水量与预定阈值进行比较；
当所述质子膜的含水量大于所述预定阈值时，所述控制器控制所述燃料电池进排气系统增加进气量，直至所述质子膜含水量等于所述预定阈值；当所述质子膜的含水量小于所述预定阈值时，所述控制器控制所述燃料电池进排气系统减少进气量，同时增加所述燃料电池的输出功率直至所述质子膜含水量等于所述预定阈值。
4.根据权利要求1所述的燃料电池内部含水量控制系统，其特征在于，所述燃料电池进排气系统包括：
第一电机和第一节流阀，所述第一电机用于根据从所述控制器接收到的第一控制信号控制所述第一节流阀的开度；所述第一节流阀安装在所述燃料电池电堆的空气进气口处，用于通过控制所述第一节流阀的开度控制所述燃料电池电堆的空气进气量；和/或，
第二电机和第二节流阀，所述第二电机用于根据从所述控制器接收到的第二控制信号控制所述第二节流阀的开度；所述第二节流阀安装在所述燃料电池电堆的氢气进气口处，用于通过控制所述第二节流阀的开度控制所述燃料电池电堆的氢气进气量。
5.根据权利要求1所述的燃料电池内部含水量控制系统，其特征在于，所述燃料电池进排气系统还包括：
第一背压阀，安装在所述燃料电池电堆的空气出口处，用于调整所述燃料电池电堆的空气流道内的空气流量；和/或，
第二背压阀，安装在所述燃料电池电堆的氢气出口处，用于调整所述燃料电池电堆的氢气流道内的氢气流量。
6.根据权利要求5所述的燃料电池内部含水量控制系统，其特征在于，所述控制器还用于：
当所述质子膜的含水量大于预定阈值时，控制所述第一背压阀和/或所述第二背压阀增大开启角度；
当所述质子膜的含水量小于所述预定阈值时，控制所述第一背压阀和/或所述第二背压阀减小开启角度。
7.根据权利要求1至6中任一所述的燃料电池内部含水量控制系统，其特征在于，还包括：循环泵，安装于所述燃料电池电堆的氢气出口处与所述燃料电池电堆的氢气入口处之间，用于将所述氢气出口处排出的氢气通过循环泵再通入所述氢气入口处。
8.一种燃料电池内部含水量控制方法，其特征在于，包括：
接收水量检测系统检测到的燃料电池电堆中质子膜的含水量；其中，所述水量检测系统安装于所述燃料电池电堆的两端，所述水量检测系统包括超声波发生器和超声波接收器；
根据所述质子膜的含水量调整燃料电池进排气系统的气体供应量；
所述超声波发生器的频率根据所述燃料电池电堆的厚度确定。
9.根据权利要求8的燃料电池内部含水量控制方法，其特征在于，根据所述质子膜的含水量调整燃料电池进排气系统的气体供应量包括：
将所述质子膜的含水量与预定阈值进行比较；
当所述质子膜的含水量大于所述预定阈值时，控制所述燃料电池进排气系统增加进气量，直至所述质子膜含水量等于所述预定阈值；当所述质子膜的含水量小于所述预定阈值时，控制所述燃料电池进排气系统减少进气量，同时增加所述燃料电池的输出功率直至所述质子膜含水量等于所述预定阈值。
10.根据权利要求8所述的燃料电池内部含水量控制方法，根据所述质子膜的含水量调整燃料电池进排气系统的气体供应量包括：
根据所述质子膜的含水量控制所述燃料电池电堆的空气进气量；和/或，
根据所述质子膜的含水量控制所述燃料电池电堆的氢气进气量。
11.根据权利要求10的燃料电池内部含水量控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
控制空气侧的进气量和排气背压，和/或，控制氢气侧的进气量和排气背压以使得空气侧的气压与氢气侧的气压压差保持在预定范围。
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