CN110600771A - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统及其控制方法。其中，该系统包括：加热装置，连接在空气泵与燃料电池堆的第一进气口之间，用于对输入至燃料电池堆的空气进行加热；加湿换热装置，加湿换热装置的第一进气口与燃料储气装置连接，加湿换热装置的第二进气口与燃料电池堆的第一出气口连接，加湿换热装置的第一出气口与燃料电池堆的第二进气口连接，用于利用燃料电池堆输出的空气对输入至燃料电池堆的燃料气体进行预热和加湿。本发明解决了现有的燃料电池在低温环境下启动，启动过程中能量效率低的技术问题。

Description

燃料电池系统及其控制方法
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及其控制方法。
背景技术
燃料电池是一种采用电化学反应的方式将燃料中的化学能转化为电能的发电装置，具有环境友好、安全可靠和易于操作等优点，工作原理如图1所示。由于不受卡诺循环的限制，其直接发电效率可达45％，热电联供效率可达90％以上，可广泛应用于备用电源、分布式电站和汽车动力等多个领域。
质子交换膜燃料电池的环境适应性是其能否广泛商业化应用的重要因素，特别是在交通领域中，零下低温环境下的燃料电池冷启动是目前燃料电池汽车面临的重要挑战之一。在环境温度低于0℃时，燃料电池内部的游离态水会结晶成冰，尽管经过关机时候的吹扫等处理，仍会有微量的冰晶存在，影响质子和水的传递，使燃料电池无法发电；在电池堆温度还处于零度以下时，若是部分电池可以发电，其电化学反应生成的水在没有排出电池堆前会结冰，堵塞气体通道和催化剂活性位，导致电化学反应就会终止，燃料电池启动失败。
燃料电池发电系统要快速启动，目前常用的方法在燃料电池系统中加入辅助的电加热模块，利用车载的蓄电池给进堆空气、电池堆极板、冷却液水箱等进行电加热，其中电加热进堆空气的方法直接将热空气送入电池堆反应流道和膜电极表面，迅速使电化学反应位点升温，同时，若有融化的液态水，热气流也迅速将其吹出电堆，是最为简单快速的冷启动策略之一。然而，该方法的给电堆加热后的出堆热空气的热量未被充分利用，造成电池堆冷启动过程中能量效率偏低。车载蓄电池的电量是有限的，在零下低温环境下，蓄电池本身的电能也会发生衰减，其能输出的总电量变少，在冷启动效率较低的情况下，长时间消耗蓄电池的电量可能到导致蓄电池电量耗尽甚至损坏，使燃料电池系统BOP供电中断，系统启动失败。
针对现有的燃料电池在低温环境下启动，启动过程中能量效率低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种燃料电池系统及其控制方法，以至少解决现有的燃料电池在低温环境下启动，启动过程中能量效率低的技术问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种燃料电池系统，包括：加热装置，连接在空气泵与燃料电池堆的第一进气口之间，用于对输入至燃料电池堆的空气进行加热；加湿换热装置，加湿换热装置的第一进气口与燃料储气装置连接，加湿换热装置的第二进气口与燃料电池堆的第一出气口连接，加湿换热装置的第一出气口与燃料电池堆的第二进气口连接，用于利用燃料电池堆输出的空气对输入至燃料电池堆的燃料气体进行预热和加湿。
进一步地，加湿换热装置包括：高分子材料制成的半透膜，半透膜允许水分子进行渗透，燃料电池堆输出的空气和输入至燃料电池堆的燃料气体分别在半透膜的两侧传输。
进一步地，高分子材料的导热系数大于10W/m·K。
进一步地，上述系统还包括：温度传感器，用于采集燃料电池堆的温度数据；控制器，与温度传感器和加热装置连接，用于根据温度数据，控制加热装置的启停和工作参数。
进一步地，上述系统还包括：供电装置，与加热装置连接，用于为加热装置供电。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种燃料电池系统的控制方法，包括：获取输入至燃料电池堆的空气，燃料电池堆输出的空气以及输入至燃料电池堆的燃料气体；对输入至燃料电池堆的空气进行加热，并利用燃料电池堆输出的空气对输入至燃料电池堆的燃料气体进行预热和加湿。
进一步地，利用燃料电池堆输出的空气对输入至燃料电池堆的燃料气体进行预热和加湿包括：通过加湿换热装置利用燃料电池堆输出的空气对输入至燃料电池堆的燃料气体进行预热和加湿。
进一步地，对输入至燃料电池堆的空气进行加热包括：获取燃料电池堆的温度数据；根据温度数据，通过加热装置对输入至燃料电池堆的空气进行加热。
进一步地，根据温度数据，控制加热装置对输入至燃料电池堆的空气进行加热包括：将温度数据与预设温度进行比较；当温度数据小于等于预设温度时，控制加热装置开启，并通过加热装置对输入至燃料电池堆的空气进行加热。
进一步地，在通过加热装置对输入至燃料电池堆的空气进行加热的过程中，上述方法还包括：获取温度数据对应的工作参数；根据温度数据对应的工作参数，控制加热装置的工作参数，并通过加热装置对输入至燃料电池堆的空气进行加热。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种存储介质，存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制存储介质所在设备执行上述的燃料电池系统的控制方法。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述的燃料电池系统的控制方法。
在本发明实施例中，通过加热装置对输入至燃料电池堆的空气进行加热，并通过加湿换热装置利用燃料电池堆输出的空气对输入至燃料电池堆的燃料气体进行预热和加湿，实现燃料电池在低温环境下的快速启动。与现有技术相比，可以利用燃料电池堆出堆空气尾气的含有的余热和水，给燃料气体进行预热并加湿，从而达到提高燃料电池低温启动速度，提高能量利用率，防止膜电极过干，提升启动可靠性的技术效果，进而解决了现有的燃料电池在低温环境下启动，启动过程中能量效率低的技术问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，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是根据现有技术的一种燃料电池工作原理的示意图；
图2是根据本发明实施例的一种燃料电池系统的示意图；
图3是根据本发明实施例的一种可选的燃料电池系统的示意图；以及
图4是根据本发明实施例的一种燃料电池系统的控制方法的流程图。
其中，上述附图中包含以下附图标记：
20、空气泵；1、入堆空气加热器；2、控制器；3、电堆温度传感器；22、燃料电池堆；4、蓄电池；28、加湿换热器置；5、电动阀门；6、减压阀；7、氢气瓶。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例1
根据本发明实施例，提供了一种燃料电池系统的实施例。
图2是根据本发明实施例的一种燃料电池系统的示意图，如图2所示，该系统包括：空气泵20、燃料电池堆22、燃料储气装置24、加热装置26和加湿换热装置28。
其中，加热装置26连接在空气泵20与燃料电池堆22的第一进气口之间，用于对输入至燃料电池堆的空气进行加热；加湿换热装置28的第一进气口与燃料储气装置24连接，加湿换热装置的第二进气口与燃料电池堆的第一出气口连接，加湿换热装置的第一出气口与燃料电池堆的第二进气口连接，用于利用燃料电池堆输出的空气对输入至燃料电池堆的燃料气体进行预热和加湿。
可选地，上述的燃料气体可以是氢气。
具体地，可以通过加热装置对燃料电池堆的进堆空气进行加热，迅速使得电化学反应位点升温，同时，若有融化的液态水，热气流也迅速将其吹出燃料电池堆，燃料电池堆出堆空气中含有的余热和水，通过加湿换热装置可以给进堆氢气进行预热并加湿，从而达到回收出堆热空气的热量和水分，提高了能量利用率。
根据本发明上述实施例，通过加热装置对输入至燃料电池堆的空气进行加热，并通过加湿换热装置利用燃料电池堆输出的空气对输入至燃料电池堆的燃料气体进行预热和加湿，实现燃料电池在低温环境下的快速启动。与现有技术相比，可以利用燃料电池堆出堆空气尾气的含有的余热和水，给燃料气体进行预热并加湿，从而达到提高燃料电池低温启动速度，提高能量利用率，防止膜电极过干，提升启动可靠性的技术效果，进而解决了现有的燃料电池在低温环境下启动，启动过程中能量效率低的技术问题。
可选地，在本发明上述实施例中，加湿换热装置包括：高分子材料制成的半透膜。
其中，半透膜允许水分子进行渗透，燃料电池堆输出的空气和输入至燃料电池堆的燃料气体分别在半透膜的两侧传输。
可选地，上述的高分子材料的导热系数大于10W/m·K。
具体地，加湿换热装置可以采用较高导热系数和只允许水分子浓差扩散的高分子材料作为热交换和水传输的中介，将出堆热空气含有的热量和水分传递给入堆氢气，阻止氢气和空气互相穿透，回收尾气的热量和水分，防止热空气吹扫导致膜电极过干，同时提高了系统的能量高效性。
可选地，在本发明上述实施例中，上述系统还包括：温度传感器和控制器。
其中，温度传感器用于采集燃料电池堆的温度数据；控制器与温度传感器和加热装置连接，用于根据温度数据，控制加热装置的启停和工作参数。
具体地，上述的工作参数可以是加热装置的加热功率。可以通过温度传感器实时采集燃料电池堆的温度数据，并通过控制器接收温度传感器采集到的温度数据，根据该温度数据控制加热装置的启停和功率大小，从而避免加热装置一直按照恒定功率开启，节约能源。
可选地，在本发明上述实施例中，上述控制器包括：比较模块、第一控制模块和第二控制模块。
其中，比较模块与温度传感器连接，用于将温度数据与预设温度进行比较；第一控制模块与比较模块和加热装置连接，用于当温度数据小于等于预设温度时，控制加热装置开启；第二控制模块与比较模块和加热装置连接，用于当温度数据大于预设温度时，控制加热装置关闭。
具体地，上述的预设温度可以是需要开启加热装置的环境温度，可以根据实际需要进行设定，例如，上述预设温度可以是0℃。控制器可以将接收到的温度数据与预设温度进行比较，如果温度数据小于等于预设温度，则确定环境温度较低，需要开启加热装置，从而控制器可以控制加热装置启动；如果温度数据大于预设温度，则确定环境温度正常，无需开启加热装置，则可以控制器可以控制加热装置关闭。
可选地，在本发明上述实施例中，上述控制器包括：处理模块和第三控制模块。
其中，处理模块，与温度传感器连接，用于获取温度数据对应的工作参数；第三控制模块，与处理模块和加热装置连接，用于根据温度数据对应的工作参数，控制加热装置工作。
具体地，可以预先在控制器中存储温度区间与加热功率的对应关系，控制器在控制加热装置开启之后，可以根据接收到的温度数据，从预先存储的对应关系中查询到该温度数据所属的温度区间，进一步查询到对应的加热功率，并控制加热装置按照相应的加热功率进行加热。
可选地，在本发明上述实施例中，上述系统还包括：电动阀门和控制器。
其中，电动阀门连接在加湿换热装置的第二进气口和燃料储气装置之间；控制器分别与空气泵和电动阀门连接，用于通过控制空气泵来控制输入至燃料电池堆的空气的流量，并通过控制电动阀门来控制输入至燃料电池堆的燃料气体的流量。
具体地，可以通过控制器控制空气泵的抽气功率，同时控制电动阀门的打开角度，从而控制输入至燃料电池堆的空气流量和氢气流量，以控制燃料电池堆生成的电量。
可选地，在本发明上述实施例中，上述系统还包括：减压阀。
其中，减压阀连接在电动阀门和燃料储气装置之间，用于对燃料储气装置输出的燃料气体的压力进行降低。
具体地，由于氢气存储在燃料储气装置中，燃料储气装置中存储的氢气压力较大，因此，燃料储气装置输出的氢气需要通过减压阀进行减压，然后通过电动阀门输出至加湿换热装置。
可选地，在本发明上述实施例中，上述系统还包括：供电装置。
其中，供电装置与加热装置连接，用于为加热装置供电。
具体地，上述的供电装置可以是蓄电池，通过蓄电池可以为加热装置供电，确保加热装置正常工作。
图3是根据本发明实施例的一种可选的燃料电池系统的示意图，如图3所示，该系统可以包括：空气泵20、入堆空气加热器1(即上述的加热装置)、控制器2、温度传感器3、燃料电池堆22、蓄电池4(即上述的供电装置)、加湿换热装置28、电动阀门5、减压阀6和氢气瓶7(即上述的燃料储气装置)。其中，蓄电池4与入堆空气加热器1连接，为其提供电能；控制器2接收温度传感器3所监测的电堆温度信号，并控制入堆空气加热器1的开关和功率大小；加湿换热装置28采用较高导热系数和只允许水分子浓差扩散的高分子材料作为热交换和水传输的中介，将出堆热空气含有的热量和水分传递给入堆氢气，阻止氢气和空气互相穿透，回收尾气的热量和水分，防止热空气吹扫导致膜电极过干，同时提高了系统的能量高效性。
通过上述方案，提供了一种高效的燃料电池低温启动系统，可以提高燃料电池低温启动速度，防止蓄电池缺电，提高系统能量利用率，防止升温过程中膜电极过干，保证系统的稳定快速启动，增加启动可靠性。
实施例2
根据本发明实施例，提供了一种燃料电池系统的控制方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图4是根据本发明实施例的一种燃料电池系统的控制方法的流程图，如图4所示，该方法包括如下步骤：
步骤S402，获取输入至燃料电池堆的空气，燃料电池堆输出的空气以及输入至燃料电池堆的燃料气体。
可选地，上述的燃料气体可以是氢气。
步骤S404，对输入至燃料电池堆的空气进行加热，并利用燃料电池堆输出的空气对输入至燃料电池堆的燃料气体进行预热和加湿。
具体地，可以通过加热装置对燃料电池堆的进堆空气进行加热，迅速使得电化学反应位点升温，同时，若有融化的液态水，热气流也迅速将其吹出燃料电池堆，燃料电池堆出堆空气中含有的余热和水，通过加湿换热装置可以给进堆氢气进行预设并加湿，从而达到回收出堆热空气的热量和水分，提高了能量利用率。
根据本发明上述实施例，获取输入至燃料电池堆的空气，燃料电池堆输出的空气以及输入至燃料电池堆的燃料气体，对输入至燃料电池堆的空气进行加热，并利用燃料电池堆输出的空气对输入至燃料电池堆的燃料气体进行预热和加湿，实现燃料电池在低温环境下的快速启动。与现有技术相比，可以利用燃料电池堆出堆空气尾气的含有的余热和水，给燃料气体进行预热并加湿，从而达到提高燃料电池低温启动速度，提高能量利用率，防止膜电极过干，提升启动可靠性的技术效果，进而解决了现有的燃料电池在低温环境下启动，启动过程中能量效率低的技术问题。
可选地，在本发明上述实施例中，步骤S404，利用燃料电池堆输出的空气对输入至燃料电池堆的燃料气体进行预热和加湿包括：
步骤S4042，通过加湿换热装置利用燃料电池堆输出的空气对输入至燃料电池堆的燃料气体进行预热和加湿。
具体地，加湿换热装置可以采用较高导热系数和只允许水分子浓差扩散的高分子材料作为热交换和水传输的中介，将出堆热空气含有的热量和水分传递给入堆氢气，阻止氢气和空气互相穿透，回收尾气的热量和水分，防止热空气吹扫导致膜电极过干，同时提高了系统的能量高效性。
可选地，在本发明上述实施例中，步骤S404，对输入至燃料电池堆的空气进行加热包括：
步骤S4044，获取燃料电池堆的温度数据。
步骤S4046，根据温度数据，通过加热装置对输入至燃料电池堆的空气进行加热。
具体地，可以通过温度传感器实时采集燃料电池堆的温度数据，并通过控制器接收温度传感器采集到的温度数据，根据该温度数据控制加热装置的启停和功率大小。从而避免加热装置一直按照恒定功率开启，节约能源。
可选地，在本发明上述实施例中，步骤S4046，根据温度数据，控制加热装置对输入至燃料电池堆的空气进行加热包括：
步骤S40462，将温度数据与预设温度进行比较。
步骤S40464，当温度数据小于等于预设温度时，控制加热装置开启，并通过加热装置对输入至燃料电池堆的空气进行加热。
具体地，上述的预设温度可以是需要开启加热装置的环境温度，可以根据实际需要进行设定，例如，上述预设温度可以是0℃。控制器可以将接收到的温度数据与预设温度进行比较，如果温度数据小于等于预设温度，则确定环境温度较低，需要开启加热装置，从而控制器可以控制加热装置启动，如果温度数据大于预设温度，则确定环境温度正常，无需开启加热装置，则可以控制器可以控制加热装置关闭。
可选地，在本发明上述实施例中，在步骤S40464，通过加热装置对输入至燃料电池堆的空气进行加热的过程中，该方法还包括：
步骤S40466，获取温度数据对应的工作参数。
步骤S40468，根据温度数据对应的工作参数，控制加热装置的工作参数，并通过加热装置对输入至燃料电池堆的空气进行加热。
具体地，可以预先在控制器中存储温度区间与加热功率的对应关系，控制器在控制加热装置开启之后，可以根据接收到的温度数据，从预先存储的对应关系中查询到该温度数据所属的温度区间，进一步查询到对应的加热功率，并控制加热装置按照相应的加热功率进行加热。
实施例3
根据本发明实施例，提供了一种存储介质的实施例，存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制存储介质所在设备执行上述实施例2中的燃料电池系统的控制方法。
实施例4
根据本发明实施例，提供了一种处理器的实施例，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述实施例2中的燃料电池系统的控制方法。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
加热装置，连接在空气泵与燃料电池堆的第一进气口之间，用于对输入至所述燃料电池堆的空气进行加热；
加湿换热装置，所述加湿换热装置的第一进气口与燃料储气装置连接，所述加湿换热装置的第二进气口与所述燃料电池堆的第一出气口连接，所述加湿换热装置的第一出气口与所述燃料电池堆的第二进气口连接，用于利用所述燃料电池堆输出的空气对输入至所述燃料电池堆的燃料气体进行预热和加湿。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加湿换热装置包括：高分子材料制成的半透膜，所述半透膜允许水分子进行渗透，所述燃料电池堆输出的空气和输入至所述燃料电池堆的燃料气体分别在所述半透膜的两侧传输。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述高分子材料的导热系数大于10W/m·K。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
温度传感器，用于采集所述燃料电池堆的温度数据；
控制器，与所述温度传感器和所述加热装置连接，用于根据所述温度数据，控制所述加热装置的启停和工作参数。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
供电装置，与所述加热装置连接，用于为所述加热装置供电。
6.一种燃料电池系统的控制方法，其特征在于，包括：
获取输入至燃料电池堆的空气，所述燃料电池堆输出的空气以及输入至所述燃料电池堆的燃料气体；
对输入至所述燃料电池堆的空气进行加热，并利用所述燃料电池堆输出的空气对输入至所述燃料电池堆的燃料气体进行预热和加湿。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，利用所述燃料电池堆输出的空气对输入至所述燃料电池堆的燃料气体进行预热和加湿包括：
通过加湿换热装置利用所述燃料电池堆输出的空气对输入至所述燃料电池堆的燃料气体进行预热和加湿。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，对输入至所述燃料电池堆的空气进行加热包括：
获取所述燃料电池堆的温度数据；
根据所述温度数据，通过加热装置对输入至所述燃料电池堆的空气进行加热。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，根据所述温度数据，控制加热装置对输入至所述燃料电池堆的空气进行加热包括：
将所述温度数据与预设温度进行比较；
当所述温度数据小于等于所述预设温度时，控制所述加热装置开启，并通过所述加热装置对输入至所述燃料电池堆的空气进行加热。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在通过所述加热装置对输入至所述燃料电池堆的空气进行加热的过程中，所述方法还包括：
获取所述温度数据对应的工作参数；
根据所述温度数据对应的工作参数，控制所述加热装置的工作参数，并通过所述加热装置对输入至所述燃料电池堆的空气进行加热。
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