CN110212221B - 燃料电池、其湿度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池、其湿度控制方法。该燃料电池包括：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，冷却管线上设置有换热器，换热器配置冷流体输送设备；阳极气体供应管线和阴极气体供应管线的靠近电池单元的位置分别设置有湿度检测器，冷流体输送设备具有流量调节件。当燃料电池中的湿度检测器的检测结果不满足设定范围，利用流量调节件调整进入换热器的冷流体的量，进而调整与冷流体换热后的冷却介质的温度，从而通过调整阴极水分的排出量改善了阴阳极两侧水平衡关系。

Description

燃料电池、其湿度控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池、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、其湿度控制方法，以解决现有技术中燃料电池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，燃料电池包括：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，冷却管线上设置有换热器，换热器配置冷流体输送设备；阳极气体供应管线和阴极气体供应管线的靠近电池单元的位置分别设置有湿度检测器，冷流体输送设备具有流量调节件。

进一步地，上述冷却管线靠近冷却液出口的位置设置有第五温度检测器，靠近冷却液进口的位置设置有第六温度检测器，燃料电池还包括控制单元，控制单元与湿度检测器、第五温度检测器、第六温度检测器和流量调节件相连，控制单元接收湿度检测器、第五温度检测器和第六温度检测器的检测结果并根据检测结果向流量调节件发出流量调节的指令。

进一步地，上述阳极气体供应管线包括：阳极气体储罐；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和第一压力检测器，控制单元与第一湿度检测器和第一压力检测器相连。

进一步地，上述阳极气体供应管线还包括：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，且接口位于第一湿度检测器和第一压力检测器上游，阳极尾气输送管路上设置有氢气循环泵、阳极尾气排放口、第二湿度检测器和第二压力检测器，控制单元与第二湿度检测器、第二压力检测器和氢气循环泵相连，控制单元接收第二湿度检测器、第二压力检测器的检测结果并根据检测结果向氢气循环泵发出调节泵速的指令。

进一步地，上述阳极进气管路上还设置有减压阀组，控制单元与减压阀组相连，控制单元根据检测结果向减压阀组发出调节压力的指令。

进一步地，上述阴极气体供应管线包括：阴极进气管路，末端与阴极气体进口相连，阴极进气管路上设置有第三压力检测器；阴极尾气输送管路，始端与阴极的阴极尾气出口相连，阴极尾气输送管路的靠近阴极尾气出口的位置设置有第四湿度检测器和第四压力检测器，控制单元与第四湿度检测器和第四压力检测器相连以接受它们的检测结果。

进一步地，上述阴极尾气输送管路上还设置有背压阀，控制单元与背压阀相连并根据检测结果向背压阀发出调节背压的指令。

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的湿度控制方法，湿度控制方法包括：当燃料电池中的湿度检测器的检测结果不满足设定范围，利用燃料电池中的流量调节件调整进入至电池单元的冷却介质的温度。

进一步地，上述燃料电池设置有第一湿度检测器、第二湿度检测器、第四湿度检测器、第五温度检测器和第六温度检测器，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的检测结果是否在第一湿度设定范围内；步骤S12，如果不在第一湿度设定范围内，判断第二湿度检测器的检测结果是否在第二湿度设定范围内，否则返回步骤S11；步骤S13，如果不在第二湿度设定范围内，判断第四湿度检测器的检测结果是否在第四湿度设定范围内，否则返回步骤S11；步骤S14，如果大于第四湿度设定上限，利用流量调节件减小冷却介质的温度，如果小于第四湿度设定下限，利用流量调节件增加冷却介质的温度，否则返回步骤S11；步骤S15，判断第五温度检测器和第六温度检测器的检测结果平均值是否在温度设定范围内，如果在温度设定范围内，则继续调整冷却介质的温度至第四湿度检测器的检测结果在第四湿度设定范围内；如果不在设定范围内且未收到停机信号，则返回步骤S11。

进一步地，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，第二控制流程包括：步骤S21，判断第二湿度检测器和第一湿度检测器的检测结果差值是否在差值设定范围内；步骤S22，如果大于差值设定上限则减小燃料电池的氢气循环泵的泵速；如果小于差值设定下限则增大氢气循环泵的泵速，如果没有收到停机指令则继续调整氢气循环泵的泵速至第二湿度检测器和第一湿度检测器的检测结果差值在差值设定范围内。

进一步地，上述燃料电池设置有第一压力检测器和第二压力检测器，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，判断第一湿度检测器的检测结果是否在第一湿度设定范围内；步骤S32，如果不在第一湿度设定范围内，判断第二湿度检测器的检测结果是否在第二湿度设定范围内，否则返回步骤S31；步骤S33，如果大于第二湿度设定范围内利用燃料电池的减压阀组减小进入阳极的阳极气压力；如果小于第二湿度设定范围内利用燃料电池的减压阀组增大进入阳极的阳极气压力，否则返回步骤S31；步骤S34，判断第一压力检测器和第二压力检测器的检测结果平均值是否在第一压力设定范围内，如果在第一压力设定范围内则继续调整进入阳极的阳极压力至第二湿度检测器的检测结果在第二湿度设定范围内；如果不在第一压力设定范围内且未收到停机信号，则返回步骤S31。

进一步地，上述燃料电池设置有第三压力检测器和第四压力检测器，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，判断第四湿度检测器的检测结果是否在第四湿度设定范围内；步骤S42，如果大于第四湿度设定上限则利用燃料电池的背压阀减小阴极出口压力；如果小于第四湿度设定下限则利用背压阀增大阴极出口压力；步骤S43，判断第三压力检测器和第四压力检测器的检测结果平均值是否在第二压力设定范围内，如果在第二压力设定范围内则继续调整进入阴极出口压力至第四湿度检测器的检测结果在第三湿度设定范围内；如果不在第二压力设定范围内且未收到停机信号，则返回步骤S41。

进一步地，上述控制方法采用控制单元来实现。

应用本发明的技术方案，燃料电池通过设置湿度检测器检测进出电池单元的气体的湿度，当燃料电池中的湿度检测器的检测结果不满足设定范围，利用燃料电池中的流量调节件调整进入换热器的冷流体的量，进而调整与冷流体换热后的冷却介质的温度，即通过调整进入至电池单元的冷却介质的温度调整了电池单元的冷却水的凝结量和输出量，从而通过对电池单元内阴极水分的排出量改善了阴阳极两侧水平衡关系。

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的结构示意图；

图2示出了根据本申请的燃料电池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、输送泵；5、冷却液箱；6、冷却液泵；7、换热器；8、负载；9、控制单元；

11、第一开关阀；12、减压阀组；13、第二开关阀；14、调节阀；

101、第一温度检测器；111、第一压力检测器；121、第一湿度检测器；102、第一湿度检测器；112、第二压力检测器；122、第二湿度检测器；103、第三温度检测器；113、第三压力检测器；123、第三湿度检测器；104、第四温度检测器；114、第四压力检测器；124、第四湿度检测器；105、第五温度检测器；106、第六温度检测器。

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、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，如图1所示，该燃料电池包括电池单元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，冷却管线上设置有换热器7，换热器7配置冷流体输送设备；阳极气体供应管线和阴极气体供应管线的靠近电池单元1的位置分别设置有湿度检测器，冷流体输送设备具有流量调节件。

本申请的燃料电池通过设置湿度检测器检测进出电池单元1的气体的湿度，当燃料电池中的湿度检测器的检测结果不满足设定范围，利用燃料电池中的流量调节件调整进入换热器7的冷流体的量，进而调整与冷流体换热后的冷却介质的温度，即通过调整进入至电池单元1的冷却介质的温度调整了电池单元1的冷却水的凝结量和输出量，从而通过调整电池单元1内阴极水分的排出量改善了阴阳极两侧水平衡关系。

上述阳极气体和阴极气体为燃料电池中常用的气体，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。

在调节冷却介质温度的同时，为了保证对电池单元1足够的冷却，优选上述冷却管线靠近冷却液进口的位置设置有第五温度检测器105，靠近冷却液出口的位置设置有第六温度检测器106。利用上述两个温度检测器检测进出电池单元1的冷却介质温度，进而一方面有利于监控对电池单元1的冷却效果，另一方面可以根据上述两个温度检测器的检测结果燃料电池的预警系统在必要时可以发出停机警报或指令，进而保证燃料电池运行的安全性。

为了提高自动化程度，如图1所示，优选上述燃料电池还包括控制单元，该控制单元与湿度检测器、压力检测器、第五温度检测器105、第六温度检测器106和流量调节件相连，控制单元接收湿度检测器、压力检测器、第五温度检测器105和第六温度检测器106的检测结果并根据检测结果向流量调节件发出流量调节的指令。

在本申请一种实施例中，如图1所示，上述阳极气体供应管线包括阳极气体储罐和阳极进气管路，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和第一压力检测器111，控制单元与第一湿度检测器121和第一压力检测器111相连。通过上述第一湿度检测器121和第一压力检测器111检测阳极侧的进入的阳极气的湿度和压力，为上述冷却介质的是否需要调节以及调节程度提供准确的数据。

优选地，如图1所示，上述阳极气体供应管线还包括阳极尾气输送管路，阳极尾气输送管路一端与阳极的阳极尾气出口相连，另一端与进气管路相连，且接口位于第一湿度检测器121和第一压力检测器111上游，阳极尾气输送管路上设置有氢气循环泵2、阳极尾气排放口、第二湿度检测器122和第二压力检测器112，控制单元与第二湿度检测器122、第二压力检测器112和氢气循环泵2相连，控制单元接收第二湿度检测器122、第二压力检测器112的检测结果并根据检测结果向氢气循环泵2发出调节泵速的指令。通过上述第一湿度检测器121和第一压力检测器111检测阳极尾气的湿度和压力。在收集了上述各检测器所检测到的温度、湿度和压力数据后，优选通过以下方式进行湿度的控制，可参考图2：

步骤S11，判断第一湿度检测器121的检测结果即第一湿度是否在第一湿度设定范围内；

步骤S12，如果不在第一湿度设定范围内，判断第二湿度检测器122的检测结果即第二湿度是否在第二湿度设定范围内，否则返回步骤S11；

步骤S13，如果不在第二湿度设定范围内，判断第四湿度检测器124的检测结果即第四湿度是否在第四湿度设定范围内，否则返回步骤S11；

步骤S14，如果大于第四湿度设定上限，利用流量调节件减小冷却介质的温度，具体地当流量调节件为风扇时，降低风扇的转速可以减少进入换热器7的冷流体的流量，进而增大了冷却介质的温度，采用该冷却介质对电池单元1进行冷却时，电池单元1的温度自然也升高了，尾气中水蒸汽含量增高，由阴极带出的水分增多，从而减少了阴极湿度，那么第四湿度检测器124检测到的湿度就会降低；如果小于第四湿度设定下限，利用所述流量调节件增加冷却介质的温度，其原理与前述原理相反，最终会使得第四湿度检测器124检测到的湿度增加，否则返回所述步骤S11；

步骤S15，判断所述第五温度检测器105和第六温度检测器106的检测结果平均值即第一温度平均值是否在温度设定范围内，如果在温度设定范围内，则继续调整所述冷却介质的温度至所述第四湿度检测器124的检测结果在第四湿度设定范围内；如果不在设定范围内且未收到停机信号，则返回所述步骤S11。通过上述过程可以使得电池单元1的温度维持在燃料电池运行可接受范围内，保证系统运行的安全性。

为了进一步提高湿度平衡，优选还可以采用氢气循环泵2对湿度进行调节，优选采用以下步骤实现，可参考图3：

步骤S21，判断第二湿度检测器122和第一湿度检测器121的检测结果差值即第一湿度差值是否在差值设定范围内；步骤S22，如果大于差值设定上限则减小燃料电池的氢气循环泵2的泵速，具体地，当减小氢气循环泵2的泵速时，使得阳极流场气流流通量减小，阳极进口向阳极出口的水分减少，带出电池单元1的水分也减少，因此可以使得上述差值减小；如果小于差值设定下限则增大氢气循环泵2的泵速，其原理与前述原理相反，最终会使得二者的差值增加，如果没有收到停机指令则继续调整氢气循环泵2的泵速至第二湿度检测器122和第一湿度检测器121的检测结果差值在差值设定范围内。

在本申请另一种实施例中，上述阳极进气管路上还设置有减压阀组12，控制单元与减压阀组12相连，控制单元根据检测结果向减压阀组12发出调节压力的指令。采用上述减压阀组12对湿度进行进一步控制，其过程采用以下步骤实现，可参考图4：

步骤S31，判断第一湿度检测器121的检测结果即第一湿度是否在第一湿度设定范围内；

步骤S32，如果不在第一湿度设定范围内，判断第二湿度检测器122的检测结果即第二湿度是否在第二湿度设定范围内，否则返回步骤S31；

步骤S33，如果大于第二湿度设定范围内利用燃料电池的减压阀组12减小进入阳极的阳极气压力，具体地，采用减压阀组12减小进入阳极的阳极气体压力，从而使得阳极水汽分压减小，水汽更容易与阳极气体分离，进而使得阳极侧湿度降低；如果小于第二湿度设定范围内利用燃料电池的减压阀组12增大进入阳极的阳极气压力，其原理与前述原理相反，最终会使得第二湿度检测器122检测到的湿度增加，否则返回步骤S31；

步骤S34，判断第一压力检测器111和第二压力检测器112的检测结果平均值即第一压力平均值是否在第一压力设定范围内，如果在第一压力设定范围内则继续调整进入阳极的阳极压力至第二湿度检测器122的检测结果在第二湿度设定范围内；如果不在第一压力设定范围内且未收到停机信号，则返回步骤S31。通过上述过程可以使得电池单元1的压力维持在燃料电池运行可接受范围内，保证系统运行的安全性。

在本申请另一种实施例中，如图1所示，上述阴极气体供应管线包括阴极进气管路和阴极尾气输送管路，阴极进气管路末端与阴极气体进口相连，阴极进气管路上设置有第三压力检测器113；阴极尾气输送管路始端与阴极的阴极尾气出口相连，阴极尾气输送管路的靠近阴极尾气出口的位置设置有第四湿度检测器124和第四压力检测器114，控制单元与第四湿度检测器124和第四压力检测器114相连以接受它们的检测结果。利用第四湿度检测器124对阴极气体出口的温度进行检测，并将检测结果提供给控制单元，有利于对湿度的进一步控制。

为了根据第四湿度检测器124的检测结果及时作出响应，优选如图1所示，上述阴极尾气输送管路上还设置有背压阀14，控制单元与背压阀14相连并根据检测结果向背压阀14发出调节背压的指令。

采用上述结构可以实现以下控制步骤，可参考图5：

步骤S41，判断第四湿度检测器124的检测结果即第四湿度是否在第四湿度设定范围内；

步骤S42，如果大于第四湿度设定上限则利用燃料电池的背压阀14减小阴极出口压力，具体地，通过背压阀14减小阴极出口压力，进而有利于提高尾气的排放速度，从而减小阴极出口处的湿度；如果小于第四湿度设定下限则利用背压阀14增大阴极出口压力，其原理与前述原理相反，最终能增加第四湿度检测器124的检测结果；

步骤S43，判断第三压力检测器113和第四压力检测器114的检测结果平均值即第二压力平均值是否在第二压力设定范围内，如果在第二压力设定范围内则继续调整进入阳极出口压力至第四湿度检测器124的检测结果在第四湿度设定范围内；如果不在第二压力设定范围内且未收到停机信号，则返回步骤S41。通过上述过程可以使得电池单元1的压力维持在燃料电池运行可接受范围内，保证系统运行的安全性。

在本申请另一种典型的实施方式中，提供了一种上述的燃料电池的湿度控制方法，该湿度控制方法包括：当燃料电池中的湿度检测器的检测结果不满足设定范围，利用燃料电池中的流量调节件调整进入至电池单元1的冷却介质的温度。

当燃料电池中的湿度检测器的检测结果不满足设定范围，利用燃料电池中的流量调节件调整进入换热器7的冷流体的量，进而调整与冷流体换热后的冷却介质的温度，即通过调整进入至电池单元1的冷却介质的温度调整了电池单元1的冷却水的凝结量和输出量，从而通过调整电池单元1内阴极水分的排出量改善了阴阳极两侧水平衡关系。

在本申请一种实施例中，优选上述湿度控制方法包括第一控制流程，如图2所示，上述第一控制流程包括：步骤S11，判断第一湿度检测器121的检测结果是否在第一湿度设定范围内；步骤S12，如果不在第一湿度设定范围内，判断第二湿度检测器122的检测结果是否在第二湿度设定范围内，否则返回步骤S11；步骤S13，如果不在第二湿度设定范围内，判断第四湿度检测器124的检测结果是否在第三湿度设定范围内，否则返回步骤S11；步骤S14，如果大于第三湿度设定上限，利用流量调节件减小冷却介质的温度，如果小于第三湿度设定下限，利用流量调节件增加冷却介质的温度，否则返回步骤S11；步骤S15，判断第五温度检测器105和第六温度检测器106的检测结果平均值是否在温度设定范围内，如果在温度设定范围内，则继续调整冷却介质的温度至第四湿度检测器124的检测结果在第三湿度设定范围内；如果不在设定范围内且未收到停机信号，则返回步骤S11。

在另一种实施例中，优选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，上述第二控制流程包括：步骤S21，判断第二湿度检测器122和第一湿度检测器121的检测结果差值是否在差值设定范围内；步骤S22，如果大于差值设定上限则减小燃料电池的氢气循环泵2的泵速；如果小于差值设定下限则增大氢气循环泵2的泵速，如果没有收到停机指令则继续调整氢气循环泵2的泵速至第二湿度检测器122和第一湿度检测器121的检测结果差值在差值设定范围内。

此外，上述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，上述第三控制流程包括：步骤S31，判断第一湿度检测器121的检测结果是否在第一湿度设定范围内；步骤S32，如果不在第一湿度设定范围内，判断第二湿度检测器122的检测结果是否在第二湿度设定范围内，否则返回步骤S31；步骤S33，如果大于第二湿度设定范围内利用燃料电池的减压阀组12减小进入阳极的阳极气压力；如果小于第二湿度设定范围内利用燃料电池的减压阀组12增大进入阳极的阳极气压力，否则返回步骤S31；步骤S34，判断第一压力检测器111和第二压力检测器112的检测结果平均值是否在第一压力设定范围内，如果在第一压力设定范围内则继续调整进入阳极的阳极压力至第二湿度检测器122的检测结果在第二湿度设定范围内；如果不在第一压力设定范围内且未收到停机信号，则返回步骤S31。

进一步地，上述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，上述第四控制流程包括：步骤S41，判断第四湿度检测器124的检测结果是否在第三湿度设定范围内；步骤S42，如果大于第三湿度设定上限则利用燃料电池的背压阀14减小阴极出口压力；如果小于第三湿度设定下限则利用背压阀14增大阴极出口压力；步骤S43，判断第四压力检测器114和第四压力检测器114的检测结果平均值是否在第二压力设定范围内，如果在第二压力设定范围内则继续调整进入阴极出口压力至第四湿度检测器124的检测结果在第三湿度设定范围内；如果不在第二压力设定范围内且未收到停机信号，则返回步骤S41。

为了提高上述控制方法的自动化程度以及精确性和及时性，优选上述控制方法采用控制单元来实现。

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和减压阀组12后进入电池单元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13控制阳极尾气排放量和排放频率。电池单元1阴极反应介质空气/氧气经过输送泵4输送入堆，阴极未反应的尾气出堆经调节阀14调控。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8消耗，热量大部分经过冷却液带出电池单元1，由冷却液泵6输送流经换热器7转移，其中冷却液箱5作为冷却液贮存和补液用。

电池单元1的反应介质氢气和空气/氧气分别设置了进出堆温度、压力和湿度监测点：第一温度检测器101检测氢气进堆温度、第一压力检测器111检测氢气进堆压力、第一湿度检测器121检测氢气进堆湿度，第二温度检测器102检测阳极尾气出堆温度、第二压力检测器112检测阳极尾气出堆压力、第二湿度检测器122检测阳极尾气出堆湿度；第三温度检测器103检测空气/氧气进堆温度、第三压力检测器113检测空气/氧气进堆压力、第三湿度检测器123检测空气/氧气进堆湿度，第四温度检测器104检测阴极尾气出堆温度、第四压力检测器114检测阴极尾气出堆压力、第四湿度检测器124检测阴极尾气出堆湿度。

与电池单元1的冷却管线设置了进出堆温度检测点：第五温度检测器105检测进堆冷却液温度105、第六温度检测器106检测出堆冷却液温度。

系统各流体输送设备和阀门在调控方面各自具有不同的功能特点：氢气循环泵2具有调速功能，用于控制循环流量的大小，其调速信号为第一调速信号131；空气/氧气输送泵4具有调速功能，用于控制空气/氧气流量的大小，其调速信号为第二调速信号136；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，其调速信号为第三调速信号135；氢气堆前减压阀组具有调节功能，用于控制氢气入堆压力，其调节信号为第一调节信号137；阳极尾气排气阀13具有开断功能，其控制信号为第一控制信号133；阴极尾气排放阀14具有开度调节功能，用于控制阴极背压，其控制信号为第二控制信号134。

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9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，以系统温度、压力、湿度等为判据，结合换热器冷流体调速、氢气循环泵调速、背压调节等，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，有利于提升电池运行稳定性和性能，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 (5)

1.一种燃料电池的湿度控制方法，其特征在于，所述燃料电池包括：

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，所述冷却管线上设置有换热器(7)，所述换热器(7)配置冷流体输送设备；

所述阳极气体供应管线和所述阴极气体供应管线的靠近所述电池单元(1)的位置分别设置有湿度检测器，所述冷流体输送设备具有流量调节件，

所述冷却管线靠近所述冷却液出口的位置设置有第五温度检测器(105)，靠近所述冷却液进口的位置设置有第六温度检测器(106)，所述燃料电池还包括控制单元，所述控制单元与所述湿度检测器、所述第五温度检测器(105)、所述第六温度检测器(106)和所述流量调节件相连，所述控制单元接收所述湿度检测器、所述第五温度检测器(105)和所述第六温度检测器(106)的检测结果并根据所述检测结果向所述流量调节件发出流量调节的指令；

所述阳极气体供应管线包括：

阳极气体储罐；

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)和第一压力检测器(111)，所述控制单元与所述第一湿度检测器(121)和第一压力检测器(111)相连；

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，且接口位于所述第一湿度检测器(121)和所述第一压力检测器(111)上游，所述阳极尾气输送管路上设置有氢气循环泵(2)、阳极尾气排放口、第二湿度检测器(122)和第二压力检测器(112)，所述控制单元与所述第二湿度检测器(122)、所述第二压力检测器(112)和所述氢气循环泵(2)相连，所述控制单元接收所述第二湿度检测器(122)、所述第二压力检测器(112)的检测结果并根据所述第二湿度检测器(122)和所述第一湿度检测器(121)的检测结果向所述氢气循环泵(2)发出调节泵速的指令；

所述阴极气体供应管线包括：

阴极进气管路，末端与所述阴极气体进口相连，所述阴极进气管路上设置有第三压力检测器(113)；

阴极尾气输送管路，始端与所述阴极的阴极尾气出口相连，所述阴极尾气输送管路的靠近所述阴极尾气出口的位置设置有第四湿度检测器(124)和第四压力检测器(114)，所述控制单元与所述第四湿度检测器(124)和所述第四压力检测器(114)相连以接受它们的检测结果，

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)的检测结果是否在第一湿度设定范围内；

步骤S12，如果不在第一湿度设定范围内，判断所述第二湿度检测器(122)的检测结果是否在第二湿度设定范围内，否则返回所述步骤S11；

步骤S13，如果不在第二湿度设定范围内，判断所述第四湿度检测器(124)的检测结果是否在第四湿度设定范围内，否则返回所述步骤S11；

步骤S14，如果大于第四湿度设定上限，利用所述流量调节件减小冷却介质的温度，如果小于第四湿度设定下限，利用所述流量调节件增加所述冷却介质的温度，否则返回所述步骤S11，所述冷却介质为进入所述电池单元(1)的冷却介质；

步骤S15，判断所述第五温度检测器(105)和第六温度检测器(106)的检测结果平均值是否在温度设定范围内，如果在温度设定范围内，则继续调整所述冷却介质的温度至所述第四湿度检测器(124)的检测结果在第四湿度设定范围内；如果不在设定范围内且未收到停机信号，则返回所述步骤S11。

2.根据权利要求1所述的湿度控制方法，其特征在于，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，判断所述第二湿度检测器(122)和第一湿度检测器(121)的检测结果差值是否在差值设定范围内；

步骤S22，如果大于差值设定上限则减小所述燃料电池的氢气循环泵(2)的泵速；如果小于差值设定下限则增大所述氢气循环泵(2)的泵速，如果没有收到停机指令则继续调整所述氢气循环泵(2)的泵速至所述第二湿度检测器(122)和第一湿度检测器(121)的检测结果差值在差值设定范围内。

3.根据权利要求1所述的湿度控制方法，其特征在于，所述阳极进气管路上还设置有减压阀组(12)，所述控制单元与所述减压阀组(12)相连，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，判断所述第一湿度检测器(121)的检测结果是否在第一湿度设定范围内；

步骤S32，如果不在第一湿度设定范围内，判断所述第二湿度检测器(122)的检测结果是否在第二湿度设定范围内，否则返回所述步骤S31；

步骤S33，如果大于第二湿度设定范围内利用所述燃料电池的减压阀组(12)减小进入阳极的阳极气压力；如果小于第二湿度设定范围内利用所述燃料电池的减压阀组(12)增大进入阳极的阳极气压力，否则返回所述步骤S31；

步骤S34，判断所述第一压力检测器(111)和第二压力检测器(112)的检测结果平均值是否在第一压力设定范围内，如果在第一压力设定范围内则继续调整进入所述阳极的阳极压力至所述第二湿度检测器(122)的检测结果在第二湿度设定范围内；如果不在第一压力设定范围内且未收到停机信号，则返回所述步骤S31。

4.根据权利要求1所述的湿度控制方法，其特征在于，所述阴极尾气输送管路上还设置有背压阀(14)，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，判断所述第四湿度检测器(124)的检测结果是否在第四湿度设定范围内；

步骤S42，如果大于第四湿度设定上限则利用所述燃料电池的背压阀(14)减小阴极出口压力；如果小于第四湿度设定下限则利用所述背压阀(14)增大所述阴极出口压力；

步骤S43，判断所述第三压力检测器(113)和所述第四压力检测器(114)的检测结果平均值是否在第二压力设定范围内，如果在所述第二压力设定范围内则继续调整进入所述阴极出口压力至所述第四湿度检测器(124)的检测结果在第三湿度设定范围内；如果不在第二压力设定范围内且未收到停机信号，则返回所述步骤S41。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的湿度控制方法，其特征在于，所述控制方法采用控制单元来实现。

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