CN111029622A - 一种具有加湿功能的氢燃料电池及加湿控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有加湿功能的氢燃料电池及控制方法，包括电堆、氢气瓶、空压机、设置于电堆与氢气瓶之间的氢气管道、设置于电堆与空压机之间的空气管道以及用于控制氢燃料电池的控制单元，在所述的电堆旁设置加湿器，在所述的电堆内部设置湿度传感器以及温度传感器，所述的湿地传感器、温度传感器以及加湿器均连接于控制单元，所述的温度传感器检测电堆温度、湿度传感器检测电堆湿度并将信号传递至控制单元，控制单元对信号进行处理并输出控制信号至加湿器进行加湿操作；通过湿度与温度相结合的方式，可以实时监测温湿度与温度，在不同的温度下保持湿度处于最佳范围，可以根据温度进行精准控制，使氢燃料电池达到最高效率。

Description

一种具有加湿功能的氢燃料电池及加湿控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池的使用技术领域，尤其是涉及一种具有加湿功能的氢燃料电池及加湿控制方法。
背景技术
氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。氢燃料电池在使用时需要保证电堆相对湿度，将其控制在90-98％之间最佳，若湿度接近或超过100％时，液态水会阻碍催化剂电极并且减少气体扩散层的有效空隙率，并有可能会出水泛滥，从而会导致不可接受的电压降。若湿度过低，可能会发生脱水，导致性能变差，甚至是电池损伤；同时电堆内部的温度越高则使得电堆内部的水分加速流失，因此，需要根据相应的温度进行湿度的精确控制，保障氢燃料电池正常有效运行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种同时根据湿度与温度的反馈进行加湿操作的具有加湿功能的氢燃料电池及加湿控制方法。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种具有加湿功能的氢燃料电池，包括电堆、氢气瓶、空压机、设置于电堆与氢气瓶之间的氢气管道、设置于电堆与空压机之间的空气管道以及用于控制氢燃料电池的控制单元，在所述的电堆旁设置加湿器，在所述的电堆内部设置湿度传感器以及温度传感器，所述的湿度传感器、温度传感器以及加湿器均连接于控制单元，所述的温度传感器检测电堆温度、湿度传感器检测电堆湿度并将信号传递至控制单元，控制单元对信号进行处理并输出控制信号至加湿器进行加湿操作。
进一步具体的，所述的加湿器的喷头采用喷雾头。
进一步具体的，所述的电堆设置在一壳体内，所述的加湿器将水分输入至壳体内，在所述的壳体顶部开设有排气口。
进一步具体的，在所述的壳体底部设置进气口，所述的排气口上设置风机，所述的风机通过控制单元控制。
进一步具体的，在所述的电堆旁设置显示器用于显示电堆内部的温度与湿度。
一种氢燃料电池的加湿控制方法，该控制方法的步骤为，
S1、通过湿度传感器与温度传感器对电堆内部的实时湿度与实时温度进行采集，并将采集到的湿度信号以及温度信号传递至控制单元处；
S2、将采集到的湿度信号与预先设置在控制单元内的第一湿度阈值与第二湿度阈值进行对比；若湿度信号小于第一湿度阈值，则进入步骤S3；若湿度信号位于第一湿度阈值与第二湿度阈值之间，则进入步骤S4；若湿度信号大于第二湿度阈值，则进入步骤S5；
S3、将采集到的温度信号与预先设置在控制单元内的第一温度阈值、第二温度阈值、第三温度阈值以及第四温度阈值进行对比，若温度信号小于第一温度阈值则不动作；若温度信号位于第一温度阈值与第二温度阈值之间，则加湿器开启至第三档位；若温度信号位于第二阈值与第三阈值之间，则加湿器开启至第四档位；若温度信号位于第三阈值与第四阈值之间，则加湿器开启至第五档位；若温度信号大于第四阈值，则停止氢燃料电池工作；
S4、将采集到的温度信号与第一温度阈值、第二温度阈值、第三温度阈值以及第四温度阈值进行对比，若温度信号小于第一温度阈值则不动作；若温度信号位于第一温度阈值与第二温度阈值之间，则加湿器开启至第二档位；若温度信号位于第二阈值与第三阈值之间，则加湿器开启至第三档位；若温度信号位于第三阈值与第四阈值之间，则加湿器开启至第四档位；若温度信号大于第四阈值，则停止氢燃料电池工作；
S5、将采集到的温度信号与第一温度阈值、第二温度阈值、第三温度阈值以及第四温度阈值进行对比，若温度信号小于第一温度阈值则不动作；若温度信号位于第一温度阈值与第二温度阈值之间，则加湿器开启至第一档位；若温度信号位于第二阈值与第三阈值之间，则加湿器开启至第二档位；若温度信号位于第三阈值与第四阈值之间，则加湿器开启至第三档位；若温度信号大于第四阈值，则停止氢燃料电池工作。
进一步具体的，所述的步骤S3、S4、S5中若温度信号大于第四阈值，则停止氢燃料电池工作的同时，控制单元控制风机加速运转进行降温。
进一步具体的，所述的第一湿度阈值为90％，第二湿度阈值为95％。
进一步具体的，所述的第一温度阈值为60℃，第二温度阈值为65℃，第三温度阈值为74℃，第四温度阈值为80℃。
进一步具体的，所述的步骤S3、S4、S5中加湿器(7)中第一档位的喷水或喷雾速度为15～17m3/min，第二档位的喷水或喷雾速度为20～23m3/min，第三档位的喷水或喷雾速度为28～31m3/min，第四档位的喷水或喷雾速度为38～40m3/min，第五档位的喷水或喷雾速度为43～45m3/min。
本发明的有益效果是：通过上述系统及控制方法，可以实时监测温湿度与温度，在不同的温度下保持湿度处于最佳范围，可以根据温度进行精准控制，使氢燃料电池达到最高效率，同时保证氢燃料电池使用的安全性，保护电池不受损伤，延长使用寿命。
附图说明
图1是本发明氢燃料电池的结构示意图；
图2是本发明氢燃料电池加湿控制方法的控制示意图。
图中：1、电堆；2、氢气瓶；3、空压机；4、氢气管道；5、空气管道；6、控制单元；7、加湿器；8、湿度传感器；9、温度传感器；10、排气口；11、进气口；12、风机；13、显示器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示一种具有加湿功能的氢燃料电池，包括电堆1、氢气瓶2、空压机3、设置于电堆1与氢气瓶2之间的氢气管道4、设置于电堆1与空压机3之间的空气管道5以及用于控制氢燃料电池的控制单元6，电堆1为氢燃料电池的核心部件，氢气和氧气通过电堆1进行反应产生电能，氢气瓶2内装有压缩氢气通过氢气管道4向电堆1供应氢气，空压机3将空气通过空气管道5注入至电堆1内，上述控制均由控制单元6进行控制，在所述的电堆1旁设置加湿器7，在所述的电堆1内部设置湿度传感器8以及温度传感器9，所述的湿度传感器8、温度传感器9以及加湿器7均连接于控制单元6，所述的温度传感器9检测电堆1温度、湿度传感器8检测电堆1湿度并将信号传递至控制单元6，控制单元6对信号进行处理并输出控制信号至加湿器7进行加湿操作。
该加湿器7共分为五个档位，每个档位加水的速度不同，这需要根据具体的湿度与温度进行控制，第一档位的喷水或喷雾速度为15～17m3/min，第二档位的喷水或喷雾速度为20～23m3/min，第三档位的喷水或喷雾速度为28～31m3/min，第四档位的喷水或喷雾速度为38～40m3/min，第五档位的喷水或喷雾速度为43～45m3/min。
为了保证加湿器7进入电堆1内的水分能够快速进行分散，故所述的加湿器7的喷头采用喷雾头；而在使用过程中，氢燃料电池的使用会使其内部温度逐渐升高，需要对内部较高的气体进行排出散热，故电堆1设置在一壳体内，所述的加湿器7将水分输入至壳体内，在所述的壳体顶部开设有排气口10，在所述的壳体底部设置进气口11，所述的排气口10上设置风机12，所述的风机12通过控制单元6控制，可以根据具体的温度及湿度调整风机12排风的速度，提高热量的散发。
同时，为了方便及时了解电堆1内的温度与湿度，在所述的电堆1旁设置显示器13用于显示电堆1内部的温度与湿度，该显示器13根据需要可以安装于任何位置，当氢燃料电池用于有轨电车时，显示器13设置于司空台上，司机可以手动调整加湿器7的加湿档位，该加湿器7的加湿档位也可在显示器13上进行显示，方便司机进行及时调整。
基于上述系统，通过温度传感器9以及湿度传感器8的检测到相应的数值并通过控制单元6进行分析处理输出控制信号，能够实现自动控制的目的，如图2所示该控制方法的步骤为：
S1、在电堆1的壳体内设置湿度传感器8以及温度传感器9，通过湿度传感器8与温度传感器9对电堆1内部的实时湿度与实时温度进行采集，转化为电信号并将采集到的湿度信号以及温度信号传递至控制单元6处。
S2、将采集到的湿度信号与预先设置在控制单元6内的第一湿度阈值与第二湿度阈值进行对比，此处的第一湿度阈值为90％，第二湿度阈值为95％；若湿度信号小于90％，则说明氢燃料电池内部的湿度较低，此时进入步骤S3；若湿度信号位于90％与95％之间，则说明氢燃料电池内部的湿度适中，此时进入步骤S4；若湿度信号大于95％，则说明氢燃料电池内部的湿度较高，此时进入步骤S5。
对上述湿度判断完成后，根据三种湿度类别需要对电堆1内部的温度进行判断。
S3、当湿度小于90％时，将采集到的温度信号与预先设置在控制单元6内的第一温度阈值、第二温度阈值、第三温度阈值以及第四温度阈值进行对比，此处的第一温度阈值为60℃，第二温度阈值为65℃，第三温度阈值为74℃，第四温度阈值为80℃，根据四个温度阈值分为5个温度区域，5个温度区域对应加湿器7的不同的工作状态；若温度信号小于60℃则说明氢燃料电池为工作，此时加湿器7不动作；若温度信号位于60℃与65℃之间，则加湿器7开启至第三档位；若温度信号位于65℃与74℃之间，则加湿器7开启至第四档位；若温度信号位于74℃与80℃之间，则加湿器7开启至第五档位；若温度信号大于80℃，则停止氢燃料电池工作，同时加大风机12的排气力度，通过气流的快速流动降低电堆1内部的温度。
S4、当湿度位于90％与95％之间时，将采集到的温度信号与4个温度阈值进行对比，若温度信号小于60℃，则加湿器7不动作；若温度信号位于60℃与65℃之间，则加湿器7开启至第二档位；若温度信号位于65℃与74℃之间，则加湿器7开启至第三档位；若温度信号位于74℃与80℃之间，则加湿器7开启至第四档位；若温度信号大于80℃，则停止氢燃料电池工作，同时加大风机12的排气力度，通过气流的快速流动降低电堆1内部的温度。
S5、当湿度大于95％之间时，将采集到的温度信号与4个温度阈值进行对比，若温度信号小于60℃，则加湿器7不动作；若温度信号位于60℃与65℃之间，则加湿器开启至第一档位；若温度信号位于65℃与74℃之间，则加湿器7开启至第二档位；若温度信号位于74℃与80℃之间，则加湿器7开启至第三档位；若温度信号大于80℃，则停止氢燃料电池工作，同时加大风机12的排气力度，通过气流的快速流动降低电堆1内部的温度。
综上所述，通过对湿度的判断在对温度的判断，能够很好的实现对电堆1内湿度的控制，提高使用效果，可以实时监测温湿度与温度，在不同的温度下保持湿度处于最佳范围，可以根据温度进行精准控制，使氢燃料电池达到最高效率，同时保证氢燃料电池使用的安全性，保护电池不受损伤，延长使用寿命。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种具有加湿功能的氢燃料电池，包括电堆(1)、氢气瓶(2)、空压机(3)、设置于电堆(1)与氢气瓶(2)之间的氢气管道(4)、设置于电堆(1)与空压机(3)之间的空气管道(5)以及用于控制氢燃料电池的控制单元(6)，其特征在于，在所述的电堆(1)旁设置加湿器(7)，在所述的电堆(1)内部设置湿度传感器(8)以及温度传感器(9)，所述的湿度传感器(8)、温度传感器(9)以及加湿器(7)均连接于控制单元(6)，所述的温度传感器(9)检测电堆(1)温度、湿度传感器(8)检测电堆(1)湿度并将信号传递至控制单元(6)，控制单元(6)对信号进行处理并输出控制信号至加湿器(7)进行加湿操作。
2.根据权利要求1所述的具有加湿功能的氢燃料电池，其特征在于，所述的加湿器(7)的喷头采用喷雾头。
3.根据权利要求1所述的具有加湿功能的氢燃料电池，其特征在于，所述的电堆(1)设置在一壳体内，所述的加湿器(7)将水分输入至壳体内，在所述的壳体顶部开设有排气口(10)。
4.根据权利要求1所述的具有加湿功能的氢燃料电池，其特征在于，在所述的壳体底部设置进气口(11)，所述的排气口(10)上设置风机(12)，所述的风机(12)通过控制单元(6)控制。
5.根据权利要求1所述的具有加湿功能的氢燃料电池，其特征在于，在所述的电堆(1)旁设置显示器(13)用于显示电堆(1)内部的温度与湿度。
6.一种氢燃料电池的加湿控制方法，其特征在于，该控制方法的步骤为，
S1、通过湿度传感器(8)与温度传感器(9)对电堆(1)内部的实时湿度与实时温度进行采集，并将采集到的湿度信号以及温度信号传递至控制单元(6)处；
S2、将采集到的湿度信号与预先设置在控制单元(6)内的第一湿度阈值与第二湿度阈值进行对比；若湿度信号小于第一湿度阈值，则进入步骤S3；若湿度信号位于第一湿度阈值与第二湿度阈值之间，则进入步骤S4；若湿度信号大于第二湿度阈值，则进入步骤S5；
S3、将采集到的温度信号与预先设置在控制单元(6)内的第一温度阈值、第二温度阈值、第三温度阈值以及第四温度阈值进行对比，若温度信号小于第一温度阈值则不动作；若温度信号位于第一温度阈值与第二温度阈值之间，则加湿器(7)开启至第三档位；若温度信号位于第二阈值与第三阈值之间，则加湿器(7)开启至第四档位；若温度信号位于第三阈值与第四阈值之间，则加湿器(7)开启至第五档位；若温度信号大于第四阈值，则停止氢燃料电池工作；
S4、将采集到的温度信号与第一温度阈值、第二温度阈值、第三温度阈值以及第四温度阈值进行对比，若温度信号小于第一温度阈值则不动作；若温度信号位于第一温度阈值与第二温度阈值之间，则加湿器(7)开启至第二档位；若温度信号位于第二阈值与第三阈值之间，则加湿器(7)开启至第三档位；若温度信号位于第三阈值与第四阈值之间，则加湿器(7)开启至第四档位；若温度信号大于第四阈值，则停止氢燃料电池工作；
S5、将采集到的温度信号与第一温度阈值、第二温度阈值、第三温度阈值以及第四温度阈值进行对比，若温度信号小于第一温度阈值则不动作；若温度信号位于第一温度阈值与第二温度阈值之间，则加湿器(7)开启至第一档位；若温度信号位于第二阈值与第三阈值之间，则加湿器(7)开启至第二档位；若温度信号位于第三阈值与第四阈值之间，则加湿器(7)开启至第三档位；若温度信号大于第四阈值，则停止氢燃料电池工作。
7.根据权利要求6所述的氢燃料电池的加湿控制方法，其特征在于，所述的步骤S3、S4、S5中若温度信号大于第四阈值，则停止氢燃料电池工作的同时，控制单元(6)控制风机(12)加速运转进行降温。
8.根据权利要求6所述的氢燃料电池的加湿控制方法，其特征在于，所述的第一湿度阈值为90％，第二湿度阈值为95％。
9.根据权利要求6所述的氢燃料电池的加湿控制方法，其特征在于，所述的第一温度阈值为60℃，第二温度阈值为65℃，第三温度阈值为74℃，第四温度阈值为80℃。
10.根据权利要求6所述的氢燃料电池的加湿控制方法，其特征在于，所述的步骤S3、S4、S5中加湿器(7)中第一档位的喷水或喷雾速度为15～17m3/min，第二档位的喷水或喷雾速度为20～23m3/min，第三档位的喷水或喷雾速度为28～31m3/min，第四档位的喷水或喷雾速度为38～40m3/min，第五档位的喷水或喷雾速度为43～45m3/min。
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