CN110190307A - 燃料电池系统、其湿度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池系统、其湿度控制方法。该燃料电池系统包括：电池单元，具有利用质子交换膜隔离的阳极和阴极；阳极气体供应管线，与电池单元的阳极气体进口相连；阴极气体供应管线，与电池单元的阴极极气体进口相连；冷却管线，与电池单元的冷却液进口和冷却液出口相连；阳极气体供应管线包括：阳极气体储存罐；阳极进气管路，一端与阳极气体储罐相连，另一端与阳极气体进口相连，阳极进气管路的靠近阳极气体进口的位置设置有第一湿度检测器；阳极尾气输送管路，一端与阳极的阳极尾气出口相连，另一端与阳极进气管路相连，且阳极尾气输送管路上设置有氢气循环泵、第一换热器和第二湿度检测器，且第二湿度检测器靠近阳极尾气出口设置。

Description

燃料电池系统、其湿度控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池系统技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池系统、其湿度控制方法。

背景技术

随着全球能源使用量的增长及不科学使用，化石燃料等不可再生能源将日益枯竭，并对环境产生严重影响.这就迫切要求人们开发氢能、太阳能等新能源以应对能源危机和环境污染问题。氢能来源丰富，可以高效转化，使用过程无排放污染，作为二次能源的载体，在工业、交通等领域中有重要前景。

氢燃料电池系统是为氢气和氧气提供电化学反应场所的能量转化装置。与化学储能电池不同，氢燃料电池系统的反应介质(氢气和空气/氧气)贮存是独立于反应场所(电堆)的，在氢燃料电池系统工作过程中，反应介质需要特定的输送设备/部件源源不断的向电堆输送。电堆内部设计有阳极流场和阴极流场分别为氢气和空气/氧气提供流动通道，还设置供反应进行的膜电极(主要由质子交换膜、催化剂和多孔介质等构成)。反应过程，氢气送到电堆的阳极板或双极板阳极侧(阳极板上设计有供氢气流动通道或双极板阳极侧上设计有供氢气流动通道)，到达膜电极的阳极侧，在催化剂的作用下，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子(质子)穿过质子交换膜，到达膜电极阴极侧，电子不能穿过质子交换膜，只能经外部电路，到达膜电极阴极侧，此过程在外电路中产生了电流。质子和电子与经过阴极板流场(阴极板上设计有供空气/氧气流动通道或双极板阳极侧上设计有供空气/氧气流动通道)到达膜电极阴极侧的氧气(或空气中的氧气)结合为水。反应进行时，反应介质的化学能转化为电能的同时，也会产生热能，大部分热能需要及时通过冷却介质排出电堆，利用电堆外部冷却装置转移或消耗。电堆反应产物为纯水，一部分用于润湿电堆内部的膜材料，一部分被反应尾气(未反应完全的阳极尾气和阴极尾气)带出电堆。燃料电池系统发出的电，经变换器、控制器等装置，便可以针对性的利用。

为保证燃料电池系统反应顺利进行，除了源源不断的反应介质供应，电能、热能平衡输出等条件外，反应场所还需要保证一定量的水分存在，以使质子交换膜处于一定的水化状态，因为质子的传导能力与质子交换膜的含水量有关，含水量太低，质子传导能力弱，含水量过高，会引起膜电极水淹，导致与其相连的气体扩散或传输通道水堵塞。

前述的质子交换膜燃料电池系统运行过程必须保证质子交换膜处于一定的水化状态，即堆内湿度需要维持在一定范围内，否则电池性能会受影响，严重时电池会无法工作。质子交换膜燃料电池系统运行过程虽然水生成于阴极，但由于浓差扩散、电渗拖拽等原因水会在质子交换膜两侧不断传输扩散，当运行电流密度较小，质子交换膜较薄时，浓差扩散较强，电渗拖拽作用较弱，阴极湿度偏高，阳极湿度偏低。反之，当运行电流密度较高，质子交换膜较厚时，电渗拖拽作用较强，阴极湿度偏低，阳极湿度偏高。于此同时，阴极的水分会随着空气/氧气的流动在阴极流场传输，一部分水分随着反应尾气排放，当空气/氧气流量较大，相同设计下，流速增大，进口附近区域比出口干燥，尾气量较多时，尾气带出电堆的水分增多，电堆内部也会偏干。又由于燃料电池系统应用场景的要求(比如车用工况)，整个使用周期内电池多数都处于变载过程，意味着电堆阴阳极供气量、排气量、发电量、产水量等都处于不断变化的过程，堆内水分布不断变化，很容易出现局部过干或水淹，而为了使得电化学反应顺利进行，又需要保证电堆处于相对良好状态，因此，需要保证一个良好的水平衡关系。

公开号为CN108232250A的中国专利申请公布一种质子交换膜燃料电池系统空气湿度控制系统及方法，对进堆前空气的湿度进行调节，采用的方法是通过调节进堆空气的温度和加湿水量，但是该方法不能控制电堆内部阴阳极两侧水平衡状态。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种燃料电池系统、其湿度控制方法，以解决现有技术中燃料电池系统的电堆内部阴阳极两侧湿度难以平衡的问题。

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，燃料电池系统包括：电池单元，具有利用质子交换膜隔离的阳极和阴极；阳极气体供应管线，与电池单元的阳极气体进口相连；阴极气体供应管线，与电池单元的阴极极气体进口相连；冷却管线，与电池单元的冷却液进口和冷却液出口相连；阳极气体供应管线包括：阳极气体储存罐；阳极进气管路，一端与阳极气体储罐相连，另一端与阳极气体进口相连，阳极进气管路的靠近阳极气体进口的位置设置有第一湿度检测器；阳极尾气输送管路，一端与阳极的阳极尾气出口相连，另一端与阳极进气管路相连，且阳极尾气输送管路上设置有氢气循环泵、第一换热器和第二湿度检测器，且第二湿度检测器靠近阳极尾气出口设置。

进一步地，上述燃料电池系统还包括控制单元，控制单元与第一换热器、第一湿度检测器和第二湿度检测器连接，用于接受第一湿度检测器和第二湿度检测器的检测结果并根据检测结果向第一换热器发出调节冷流体流量的指令。

进一步地，上述阳极尾气输送管路的外侧设置有第一保温装置，阳极进气管路和阳极进气管路的接口下游的阳极进气管路的外侧设置有第二保温装置，第一保温装置和第二保温装置的功率大小可调节，优选燃料电池系统还包括控制单元，控制单元与第一保温装置、第二保温装置、第一湿度检测器和第二湿度检测器连接，用于接受第一湿度检测器和第二湿度检测器的检测结果并根据检测结果向第一保温装置和/或第二保温装置发出调节功率的指令。

进一步地，上述阴极气体供应管线包括：加湿器，具有湿阴极气体出口和阴极尾气入口；阴极进气管路，一端与湿阴极气体出口，另一端与阴极气体进口相连且阴极进气管路的靠近阴极气体进口的位置设置有第三湿度检测器；阴极尾气输送管路，一端与阴极的阴极尾气出口相连，另一端与阴极尾气入口相连，阴极尾气输送管路连通设置有阴极尾气排放支路，且阴极尾气排放支路上设置有流量调节阀，阴极尾气输送管路靠近阴极尾气出口的位置设置有第四湿度检测器，优选燃料电池系统还包括控制单元，控制单元与流量调节阀、第三湿度检测器和第四湿度检测器连接，用于接受第三湿度检测器和第四湿度检测器的检测结果并根据检测结果向流量调节阀发出调节阴极尾气排放流量调节的指令。

进一步地，上述阴极进气管路的外侧设置有第三保温装置，阴极尾气输送管路的外侧设置有第四保温装置，第三保温装置和第四保温装置的功率大小可调节，优选燃料电池系统还包括控制单元，控制单元与第三保温装置、第四保温装置、第三湿度检测器和第四湿度检测器连接，用于接受第三湿度检测器和第四湿度检测器的检测结果并根据检测结果向第三保温装置和/或第三保温装置发出调节功率的指令。

进一步地，上述冷却管线上设置有第二换热器。

根据本发明的另一方面，提供了一种上述任一种的燃料电池系统的湿度控制方法，该湿度控制方法包括：当燃料电池系统中的湿度检测器的检测结果不满足设定范围，利用燃料电池系统中的第一换热器调整循环进入电池单元的阴极尾气在的水分含量。

进一步地，上述燃料电池系统具有第一湿度检测器和第二湿度检测器，湿度控制方法包括第一控制流程，第一控制流程包括：步骤S11，判断第一湿度检测器和第二湿度检测器的检测结果的第一平均值是否在第一湿度设定范围内；步骤S12，如果大于第一湿度设定上限，增大第一换热器的冷流体流量至第一平均值达到第一湿度设定范围或收到停机指令，如果小于第一湿度设定下限，减小第一换热器的冷流体流量至第一平均值达到第一湿度设定范围或收到停机指令，否则返回步骤S11。

进一步地，上述燃料电池系统具有第一保温装置和第二保温装置，湿度控制方法还包括第二控制流程，第二控制流程在第一控制流程之后进行或与第一控制流程并行进行，第二控制流程包括：步骤S21，判断第一湿度检测器和第二湿度检测器的检测结果的第一平均值是否在第一湿度设定范围内；步骤S22，如果大于第一湿度设定上限，减小第一保温装置和/或第二保温装置的功率至第一平均值达到第一湿度设定范围或收到停机指令，如果小于第一湿度设定下限，增大第一保温装置和/或第二保温装置的功率至第一平均值达到第一湿度设定范围或收到停机指令，否则返回步骤S21。

进一步地，上述燃料电池系统具有第三湿度检测器、第四湿度检测器和流量调节阀，湿度控制方法还包括第三控制流程，第三控制流程在第一控制流程之后进行或与第一控制流程并行进行，第三控制流程包括：步骤S31，判断第三湿度检测器和第四湿度检测器的检测结果的第二平均值是否在第二湿度设定范围内；步骤S32，如果大于第二湿度设定上限，增大流量调节阀的排放流量至第二平均值达到第二湿度设定范围或收到停机指令，如果小于第二湿度设定下限，减小流量调节阀的排放流量至第二平均值达到第二湿度设定范围或收到停机指令，否则返回步骤S31

进一步地，上述燃料电池系统具有第三湿度检测器、第四湿度检测器、第三保温装置和第四保温装置，湿度控制方法还包括第四控制流程，第四控制流程在第一控制流程之后进行或与第一控制流程并行进行，第四控制流程包括：步骤S41，判断第三湿度检测器和第四湿度检测器的检测结果的第二平均值是否在第二湿度设定范围内；步骤S42，如果大于第二湿度设定上限，减小第三保温装置和/或第四保温装置的功率至第二平均值达到第二湿度设定范围或收到停机指令，如果小于第二湿度设定下限，增大第三保温装置.和/或第四保温装置的功率至第二平均值达到第二湿度设定范围或收到停机指令，否则返回步骤S41。

进一步地，上述控制方法采用自动控制单元来实现。

应用本发明的技术方案，当燃料电池系统中设置有上述电池单元、阳极气体供应管线、阴极气体供应管线和冷却管线时，如果第一湿度检测器和第二湿度检测器的检测结果不满足设定范围，利用燃料电池系统中的第一换热器调整循环进入电池单元的阴极尾气在的水分含，进而调整了电池单元中阳极的湿度，使得电池单元内部阴阳两级水趋于平衡。

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示出了根据本发明的一种优选实施例提供的燃料电池系统的结构示意图；

图2示出了根据本申请的燃料电池系统的湿度控制方法的第一控制流程示意图；

图3示出了根据本申请的燃料电池系统的湿度控制方法的第二控制流程示意图；

图4示出了根据本申请的燃料电池系统的湿度控制方法的第三控制流程示意图；以及

图5示出了根据本申请的燃料电池系统的湿度控制方法的第四控制流程示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、电池单元；2、氢气循环泵；3、阳极气体储存罐；4、第一换热器；5、输送泵；6、加湿器；7、冷却液泵；8、第二换热器；9、冷却液箱；10、负载；

11、第一开关阀；12、第二开关阀；13、冷凝液排放器；14、流量调节阀；15、控制单元；16、第一保温装置；17、第二保温装置；18、第三保温装置；19、第四保温装置；

121、第一湿度检测器；122、第二湿度检测器；123、第三湿度检测器；124、第四湿度检测器。

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，现有技术的燃料电池系统空气湿度控制方法不能控制电堆内部阴阳极两侧水平衡状态。为了解决该问题，本申请提供了一种燃料电池系统、其湿度控制方法。

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1所示，该燃料电池系统包括电池单元1、阳极气体供应管线、阴极气体供应管线和冷却管线，电池单元1具有利用质子交换膜隔离的阳极和阴极；阳极气体供应管线与电池单元1的阳极气体进口相连；阴极气体供应管线与电池单元1的阴极气体进口相连；冷却管线与电池单元1的冷却液进口和冷却液出口相连，阳极气体供应管线包括阳极气体储存罐3、阳极进气管路和阳极尾气输送管路；阳极进气管路一端与阳极气体储罐相连，另一端与阳极气体进口相连，阳极进气管路的靠近阳极气体进口的位置设置有第一湿度检测器121；阳极尾气输送管路一端与阳极的阳极尾气出口相连，另一端与阳极进气管路相连，且阳极尾气输送管路上设置有氢气循环泵2、第一换热器4和第二湿度检测器122，且第二湿度检测器122靠近阳极尾气出口设置。

当燃料电池系统中设置有上述电池单元1、阳极气体供应管线、阴极气体供应管线和冷却管线时，如果第一湿度检测器121和第二湿度检测器122的检测结果不满足设定范围，利用燃料电池系统中的第一换热器4调整循环进入电池单元1的阴极尾气在的水分含，进而调整了电池单元1中阳极的湿度，使得电池单元1内部阴阳两级水趋于平衡。

上述阳极气体和阴极气体为燃料电池系统中常用的气体，比如阳极气体采用高纯氢气，阴极气体采用高纯氧气或者压缩空气或富氧空气。

为了提高本申请的燃料电池系统的自动化程度，如图1所示，上述燃料电池系统还包括控制单元15，该控制单元15与第一换热器4、第一湿度检测器121和第二湿度检测器122连接，用于接受第一湿度检测器121和第二湿度检测器122的检测结果并根据检测结果向第一换热器4发出调节冷流体流量的指令。

具体的，如图2所示，上述控制过程可以采用如下步骤进行：

步骤S11，判断第一湿度检测器121和第二湿度检测器122的检测结果的第一平均值是否在第一湿度设定范围内；步骤S12，如果大于第一湿度设定上限，增大第一换热器4的冷流体流量至第一平均值达到第一湿度设定范围或收到停机指令，其中，第一换热器4冷流体流量增加，使得阳极尾气输送管路的尾气中更多的水汽凝结，进而返回电池单元1的气态水减少，达到降低阳极湿度的效果；如果小于第一湿度设定下限，减小第一换热器4的冷流体流量至第一平均值达到第一湿度设定范围或收到停机指令，其中，第一换热器4冷流体流量减少，使得阳极尾气输送管路的尾气水汽凝结量减少，进而返回电池单元1的气态水增多，达到增加阳极湿度的效果，否则返回步骤S11。

在本申请一种实施例中，如图1所示，上述阳极尾气输送管路的外侧设置有第一保温装置16，阳极进气管路和阳极进气管路的接口下游的阳极进气管路的外侧设置有第二保温装置17，第一保温装置16和第二保温装置17的功率大小可调节，优选燃料电池系统还包括控制单元15，控制单元15与第一保温装置16、第二保温装置17、第一湿度检测器121和第二湿度检测器122连接，用于接受第一湿度检测器121和第二湿度检测器122的检测结果并根据检测结果向第一保温装置16和/或第二保温装置17发出调节功率的指令。上述第一保温装置16和第二保温装置17作为是加热或伴热装置，对阳极尾气输送管路和阳极进气管路构成的阳极循环回路中的水气态水和液态水进行加热，其中可以通过调节加热功率，进行循环回路气态水含量调节，进而达到控制电堆湿度的目的，以下第三保温装置18和第四保温装置19的作用原理与之相同。

具体的，如图3所示，上述控制过程可以采用如下步骤进行：

步骤S21，判断第一湿度检测器121和第二湿度检测器122的检测结果的第一平均值是否在第一湿度设定范围内；步骤S22，如果大于第一湿度设定上限，减小第一保温装置16和/或第二保温装置17的功率至第一平均值达到第一湿度设定范围或收到停机指令，其中，减小第一保温装置16和/或第二保温装置17的功率，使得阳极尾气输送管路的尾气中更多的水汽凝结，进而返回电池单元1的气态水减少，达到降低阳极湿度的效果；如果小于第一湿度设定下限，增大第一保温装置16和/或第二保温装置17的功率至第一平均值达到第一湿度设定范围或收到停机指令，其中，增大第一保温装置16和/或第二保温装置17的功率，使得阳极尾气输送管路的尾气中水汽凝结量减少，进而返回电池单元1的气态水增加，达到增加阳极湿度的效果，否则返回步骤S21。

为了进一步精确调整电池单元1阴阳两极的湿度，优选如图1所示，上述阴极气体供应管线包括加湿器6、阴极进气管路和阴极尾气输送管路，加湿器6具有湿阴极气体出口和阴极尾气入口；阴极进气管路一端与湿阴极气体出口，另一端与阴极气体进口相连且阴极进气管路的靠近阴极气体进口的位置设置有第三湿度检测器123；阴极尾气输送管路一端与阴极的阴极尾气出口相连，另一端与阴极尾气入口相连，阴极尾气输送管路连通设置有阴极尾气排放支路，且阴极尾气排放支路上设置有流量调节阀14，阴极尾气输送管路靠近阴极尾气出口的位置设置有第四湿度检测器124。上述加湿器6采用阴极尾气作为加湿器6的水分来源对即将进入阴极的阴极气体进行加湿。优选燃料电池系统还包括控制单元15，控制单元15与流量调节阀14、第三湿度检测器123和第四湿度检测器124连接，用于接受第三湿度检测器123和第四湿度检测器124的检测结果并根据检测结果向流量调节阀14发出调节阴极尾气排放流量调节的指令。

具体的，如图4所示，上述控制过程可以采用如下步骤进行：

步骤S31，判断第三湿度检测器123和第四湿度检测器124的检测结果的第二平均值是否在第二湿度设定范围内；步骤S32，如果大于第二湿度设定上限，增大流量调节阀14的排放流量至第二平均值达到第二湿度设定范围或收到停机指令，其中，增大流量调节阀14的排放流量，使得排放的阴极尾气量增加，返回加湿器6的尾气减少，进而使得加湿器6的加湿介质减少，从而使进入阴极的阴极气体的湿度减小，如果小于第二湿度设定下限，减小流量调节阀14的排放流量至第二平均值达到第二湿度设定范围或收到停机指令，其中，减小流量调节阀14的排放流量，使得排放的阴极尾气量减小，返回加湿器6的尾气增加，进而使得加湿器6的加湿介质增加，从而使进入阴极的阴极气体的湿度增加，否则返回步骤S31。

在本申请另一种实施例中，如图1所示，上述阴极进气管路的外侧设置有第三保温装置18，阴极尾气输送管路的外侧设置有第四保温装置19，第三保温装置18和第四保温装置19的功率大小可调节，优选燃料电池系统还包括控制单元15，控制单元15与第三保温装置18、第四保温装置19、第三湿度检测器123和第四湿度检测器124连接，用于接受第三湿度检测器123和第四湿度检测器124的检测结果并根据检测结果向第三保温装置18和/或第三保温装置18发出调节功率的指令。

具体的，如图5所示，上述控制过程可以采用如下步骤进行：

步骤S41，判断第三湿度检测器123和第四湿度检测器124的检测结果的第二平均值是否在第二湿度设定范围内；步骤S42，如果大于第二湿度设定上限，减小第三保温装置18和/或第四保温装置19的功率至第二平均值达到第二湿度设定范围或收到停机指令，其中，通过减小第三保温装置18和/或第四保温装置19的功率，使得阴极尾气的气态水冷凝量增大，进而进入加湿器6的阴极尾气水分含量减少，对阴极气体的加湿效果减弱，使得阴极湿度减小；如果小于第二湿度设定下限，增大第三保温装置18和/或第四保温装置19的功率至第二平均值达到第二湿度设定范围或收到停机指令，其中，通过增大第三保温装置18和/或第四保温装置19的功率，使得阴极尾气的气态水冷凝量减小，进而进入加湿器6的阴极尾气水分含量增加，对阴极气体的加湿效果增强，使得阴极湿度增大，否则返回步骤S41

另外，为了更高效地对电池单元1实现冷却，优选上述冷却管线上设置有第二换热器8，以便于及时调整进入电池单元1的冷却介质的温度。

在本申请另一种典型的实施方式中，提供了一种上述任一种的燃料电池系统的湿度控制方法，该湿度控制方法包括：当燃料电池系统中的湿度检测器的检测结果不满足设定范围，利用燃料电池系统中的第一换热器4调整循环进入电池单元1的阴极尾气在的水分含量。利用说上述湿度控制方法，调整了电池单元1中阳极的湿度，使得电池单元1内部阴阳两级水趋于平衡。

在本申请一种实施例中，燃料电池系统具有第一湿度检测器121和第二湿度检测器122，上述湿度控制方法包括第一控制流程，如图2所示，第一控制流程包括：步骤S11，判断第一湿度检测器121和第二湿度检测器122的检测结果的第一平均值是否在第一湿度设定范围内；步骤S12，如果大于第一湿度设定上限，增大第一换热器4的冷流体流量至第一平均值达到第一湿度设定范围或收到停机指令，如果小于第一湿度设定下限，减小第一换热器4的冷流体流量至第一平均值达到第一湿度设定范围或收到停机指令，否则返回步骤S11。其中，第一换热器4冷流体流量增加，使得阳极尾气输送管路的尾气中更多的水汽凝结，进而返回电池单元1的气态水减少，达到降低阳极湿度的效果；第一换热器4冷流体流量减少，使得阳极尾气输送管路的尾气水汽凝结量减少，进而返回电池单元1的气态水增多，达到增加阳极湿度的效果。

为了更灵活地控制湿度，优选燃料电池系统具有第一保温装置16和第二保温装置17，上述湿度控制方法还包括第二控制流程，第二控制流程在第一控制流程之后进行或与第一控制流程并行进行，如图3所示，第二控制流程包括：步骤S21，判断第一湿度检测器121和第二湿度检测器122的检测结果的第一平均值是否在第一湿度设定范围内；步骤S22，如果大于第一湿度设定上限，减小第一保温装置16和/或第二保温装置17的功率至第一平均值达到第一湿度设定范围或收到停机指令，如果小于第一湿度设定下限，增大第一保温装置16和/或第二保温装置17的功率至第一平均值达到第一湿度设定范围或收到停机指令，否则返回步骤S21。其中，减小第一保温装置16和/或第二保温装置17的功率，使得阳极尾气输送管路的尾气中更多的水汽凝结，进而返回电池单元1的气态水减少，达到降低阳极湿度的效果；增大第一保温装置16和/或第二保温装置17的功率，使得阳极尾气输送管路的尾气中水汽凝结量减少，进而返回电池单元1的气态水增加，达到增加阳极湿度的效果。

在本申请另一种实施例中，上述燃料电池系统具有第三湿度检测器123、第四湿度检测器124和流量调节阀14，湿度控制方法还包括第三控制流程，第三控制流程在第一控制流程之后进行或与第一控制流程并行进行，如图4所示，第三控制流程包括：步骤S31，判断第三湿度检测器123和第四湿度检测器124的检测结果的第二平均值是否在第二湿度设定范围内；步骤S32，如果大于第二湿度设定上限，增大流量调节阀14的排放流量至第二平均值达到第二湿度设定范围或收到停机指令，如果小于第二湿度设定下限，减小流量调节阀14的排放流量至第二平均值达到第二湿度设定范围或收到停机指令，否则返回步骤S31。其中，增大流量调节阀14的排放流量，使得排放的阴极尾气量增加，返回加湿器6的尾气减少，进而使得加湿器6的加湿介质减少，从而使进入阴极的阴极气体的湿度减小；减小流量调节阀14的排放流量，使得排放的阴极尾气量减小，返回加湿器6的尾气增加，进而使得加湿器6的加湿介质增加，从而使进入阴极的阴极气体的湿度增加。

进一步地，优选上述燃料电池系统具有第三湿度检测器123、第四湿度检测器124、第三保温装置18和第四保温装置，湿度控制方法还包括第四控制流程，第四控制流程在第一控制流程之后进行或与第一控制流程并行进行，如图5所示，第四控制流程包括：步骤S41，判断第三湿度检测器123和第四湿度检测器124的检测结果的第二平均值是否在第二湿度设定范围内；步骤S42，如果大于第二湿度设定上限，减小第三保温装置18和/或第四保温装置19的功率至第二平均值达到第二湿度设定范围或收到停机指令，如果小于第二湿度设定下限，增大第三保温装置18和/或第四保温装置19的功率至第二平均值达到第二湿度设定范围或收到停机指令，否则返回步骤S41。其中，通过减小第三保温装置18和/或第四保温装置19的功率，使得阴极尾气的气态水冷凝量增大，进而进入加湿器6的阴极尾气水分含量减少，对阴极气体的加湿效果减弱，使得阴极湿度减小；通过增大第三保温装置18和/或第四保温装置19的功率，使得阴极尾气的气态水冷凝量减小，进而进入加湿器6的阴极尾气水分含量增加，对阴极气体的加湿效果增强，使得阴极湿度增大。

为了提高自动化程度，以及湿度控制的及时性和准确性，优选上述控制方法采用自动控制单元15来实现。

为了进一步便于理解本申请的技术方案，以下将结合附图和具体实施例进行说明：

如图1示出了电池单元1的正常运行过程，阳极气体储存罐3内贮存的氢气经过第一开关阀11进入电池单元1的阳极反应，未反应完全的剩余氢气出堆后经过氢气循环泵2与进堆氢气混合再次入堆，电池单元1阳极出口设置了尾气定时排放通道，利用第二开关阀12控制阳极尾气排放量和排放频率，阳极尾气输送管路设置了第一换热器4，第一换热器4的热流体为循环回路的氢气与水的混合气体，冷流体可以为冷却液或空气，阳极尾气输送管路设置了第一保温装置16，用于对阳极尾气输送管路进行加热保温或升温，阳极尾气输送管路低位还设置了冷凝液排放器13，用于排放回路的冷凝液。电池单元1阴极反应介质空气/氧气作为干气体经过输送泵5输送先进加湿器6被加湿后再入堆，阴极未反应的尾气出堆后，一部分尾气作为湿气经过加湿器6对干气加湿后，再排放，阴极尾气输送管路设置了第三保温装置18，用于对阴极尾气输送管路进行加热保温或升温，另一部分经阴极尾气排放支路直接排放，阴极尾气排放支路设置了流量调节阀14，用于调节流量，阴极尾气输送管路低位设置了冷凝液排放器，用于排放回路的冷凝液。氢气与空气/氧气在电池单元1内反应产生水、电、热量，电经过负载10消耗，热量大部分经过冷却液带出电池单元1，由冷却液泵7输送流经第二换热器8转移，其中冷却液箱9作为冷却液贮存和补液用。

电堆反应介质氢气和空气/氧气分别设置了进出堆湿度监测点：第一湿度检测器121检测氢气进堆湿度，第二湿度检测器122检测阳极尾气出堆湿度；第三湿度检测器123检测空气/氧气进堆湿度，第四湿度检测器124检测阴极尾气出堆湿度。

电堆冷却介质回路设置了进出堆温度检测点用于检测进堆冷却液温度、出堆冷却液温度。

系统各流体输送设备、阀门、加热带在调控方面各自具有不同的功能特点：氢气循环泵具有调速功能，用于控制循环流量的大小，氢气循环回路上的第一换热器4具有调速功能，用于控制冷流体流量大小；空气/氧气输送泵具有调速功能，用于控制空气/氧气流量的大小；换热器冷流体输送设备(如风扇)具有调速功能，用于控制冷流体流量大小；阳极尾气排气阀具有调节功能，用于调节流量大小，第一保温装置16具有调节功能，用于调节加热功率大小，第三保温装置18具有调节功能，用于调节加热功率大小。

上述系统所有信号采集、处理及输出等过程实现均由控制单元15完成。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本发明技术方案根据电池反应特性，从电堆内部水传输机理出发，设计的具有阳极循环系统及阴极循环系统，以系统湿度为直接判据，结合换热器冷流体调速、加热带功率调节等，从系统设计及控制方法层面充分利用了电堆自身产水，达到了电堆阴阳极湿度调控以及电堆单极测流体流动方向湿度动态调控，可以避免燃料电池在稳态和动态运行过程出现的局部过干和水淹问题，有利于提升电池性能，增加电池寿命；又由于系统不需要外部供水，应用工况可以灵活选择。

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 (12)

1.一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括：

电池单元(1)，具有利用质子交换膜隔离的阳极和阴极；

阳极气体供应管线，与所述电池单元(1)的阳极气体进口相连；

阴极气体供应管线，与所述电池单元(1)的阴极极气体进口相连；

冷却管线，与所述电池单元(1)的冷却液进口和冷却液出口相连；

其特征在于，

所述阳极气体供应管线包括：

阳极气体储存罐(3)；

阳极进气管路，一端与所述阳极气体储罐相连，另一端与所述阳极气体进口相连，所述阳极进气管路的靠近所述阳极气体进口的位置设置有第一湿度检测器(121)；

阳极尾气输送管路，一端与所述阳极的阳极尾气出口相连，另一端与所述阳极进气管路相连，且所述阳极尾气输送管路上设置有氢气循环泵(2)、第一换热器(4)和第二湿度检测器(122)，且所述第二湿度检测器(122)靠近所述阳极尾气出口设置。

2.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控制单元(15)，所述控制单元(15)与所述第一换热器(4)、所述第一湿度检测器(121)和所述第二湿度检测器(122)连接，用于接受所述第一湿度检测器(121)和所述第二湿度检测器(122)的检测结果并根据所述检测结果向所述第一换热器(4)发出调节冷流体流量的指令。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阳极尾气输送管路的外侧设置有第一保温装置(16)，所述阳极进气管路和所述阳极进气管路的接口下游的所述阳极进气管路的外侧设置有第二保温装置(17)，所述第一保温装置(16)和所述第二保温装置(17)的功率大小可调节，优选所述燃料电池系统还包括所述控制单元(15)，所述控制单元(15)与所述第一保温装置(16)、所述第二保温装置(17)、所述第一湿度检测器(121)和所述第二湿度检测器(122)连接，用于接受所述第一湿度检测器(121)和所述第二湿度检测器(122)的检测结果并根据所述检测结果向所述第一保温装置(16)和/或所述第二保温装置(17)发出调节功率的指令。

4.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极气体供应管线包括：

加湿器(6)，具有湿阴极气体出口和阴极尾气入口；

阴极进气管路，一端与所述湿阴极气体出口，另一端与所述阴极气体进口相连且所述阴极进气管路的靠近所述阴极气体进口的位置设置有第三湿度检测器(123)；

阴极尾气输送管路，一端与所述阴极的阴极尾气出口相连，另一端与所述阴极尾气入口相连，所述阴极尾气输送管路连通设置有阴极尾气排放支路，且所述阴极尾气排放支路上设置有流量调节阀(14)，所述阴极尾气输送管路靠近所述阴极尾气出口的位置设置有第四湿度检测器(124)，

优选所述燃料电池系统还包括所述控制单元(15)，所述控制单元(15)与所述流量调节阀(14)、所述第三湿度检测器(123)和所述第四湿度检测器(124)连接，用于接受所述第三湿度检测器(123)和所述第四湿度检测器(124)的检测结果并根据所述检测结果向所述流量调节阀(14)发出调节阴极尾气排放流量调节的指令。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极进气管路的外侧设置有第三保温装置(18)，所述阴极尾气输送管路的外侧设置有第四保温装置(19)，所述第三保温装置(18)和所述第四保温装置(19)的功率大小可调节，优选所述燃料电池系统还包括所述控制单元(15)，所述控制单元(15)与所述第三保温装置(18)、所述第四保温装置(19)、所述第三湿度检测器(123)和所述第四湿度检测器(124)连接，用于接受所述第三湿度检测器(123)和所述第四湿度检测器(124)的检测结果并根据所述检测结果向所述第三保温装置(18)和/或所述第三保温装置(18)发出调节功率的指令。

6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述冷却管线上设置有第二换热器(8)。

7.一种权利要求1至6中任一项所述的燃料电池系统的湿度控制方法，其特征在于，所述湿度控制方法包括：

当所述燃料电池系统中的湿度检测器的检测结果不满足设定范围，利用所述燃料电池系统中的第一换热器(4)调整循环进入所述电池单元(1)的阴极尾气在的水分含量。

8.根据权利要求7所述的湿度控制方法，其特征在于，所述燃料电池系统具有第一湿度检测器(121)和第二湿度检测器(122)，所述湿度控制方法包括第一控制流程，所述第一控制流程包括：

步骤S11，判断所述第一湿度检测器(121)和所述第二湿度检测器(122)的检测结果的第一平均值是否在第一湿度设定范围内；

步骤S12，如果大于第一湿度设定上限，增大所述第一换热器(4)的冷流体流量至所述第一平均值达到第一湿度设定范围或收到停机指令，如果小于第一湿度设定下限，减小所述第一换热器(4)的冷流体流量至所述第一平均值达到第一湿度设定范围或收到停机指令，否则返回所述步骤S11。

9.根据权利要求8所述的湿度控制方法，其特征在于，所述燃料电池系统具有第一保温装置(16)和第二保温装置(17)，所述湿度控制方法还包括第二控制流程，所述第二控制流程在所述第一控制流程之后进行或与所述第一控制流程并行进行，所述第二控制流程包括：

步骤S21，判断所述第一湿度检测器(121)和所述第二湿度检测器(122)的检测结果的第一平均值是否在第一湿度设定范围内；

步骤S22，如果大于第一湿度设定上限，减小所述第一保温装置(16)和/或所述第二保温装置(17)的功率至所述第一平均值达到第一湿度设定范围或收到停机指令，如果小于第一湿度设定下限，增大所述第一保温装置(16)和/或所述第二保温装置(17)的功率至所述第一平均值达到第一湿度设定范围或收到停机指令，否则返回所述步骤S21。

10.根据权利要求8所述的湿度控制方法，其特征在于，所述燃料电池系统具有第三湿度检测器(123)、第四湿度检测器(124)和流量调节阀(14)，所述湿度控制方法还包括第三控制流程，所述第三控制流程在所述第一控制流程之后进行或与所述第一控制流程并行进行，所述第三控制流程包括：

步骤S31，判断所述第三湿度检测器(123)和所述第四湿度检测器(124)的检测结果的第二平均值是否在第二湿度设定范围内；

步骤S32，如果大于第二湿度设定上限，增大所述流量调节阀(14)的排放流量至所述第二平均值达到第二湿度设定范围或收到停机指令，如果小于第二湿度设定下限，减小所述流量调节阀(14)的排放流量至所述第二平均值达到第二湿度设定范围或收到停机指令，否则返回所述步骤S31。

11.根据权利要求8所述的湿度控制方法，其特征在于，所述燃料电池系统具有第三湿度检测器(123)、第四湿度检测器(124)、第三保温装置(18)和第四保温装置(19)，所述湿度控制方法还包括第四控制流程，所述第四控制流程在所述第一控制流程之后进行或与所述第一控制流程并行进行，所述第四控制流程包括：

步骤S41，判断所述第三湿度检测器(123)和所述第四湿度检测器(124)的检测结果的第二平均值是否在第二湿度设定范围内；

步骤S42，如果大于第二湿度设定上限，减小所述第三保温装置(18)和/或所述第四保温装置(19)的功率至所述第二平均值达到第二湿度设定范围或收到停机指令，如果小于第二湿度设定下限，增大所述第三保温装置(18)和/或所述第四保温装置(19)的功率至所述第二平均值达到第二湿度设定范围或收到停机指令，否则返回所述步骤S41。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的湿度控制方法，其特征在于，所述控制方法采用自动控制单元(15)来实现。