CN111092247B - 一种燃料电池电堆的水管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池电堆的水管理方法，该方法在搭载燃料电池发动机系统的车辆内安装陀螺仪，所述的陀螺仪连接燃料电池发动机系统的燃料电池电堆，所述的陀螺仪感知车辆运行的平稳状况，若检测到车辆发生转弯、爬坡或下坡，则陀螺仪控制燃料电池电堆的电流密度提高至1500mAcm‑2以上。与现有技术相比，本发明具有操作简单，控制成本低，控制快速且方便燃料电池排水等优点。

Description

一种燃料电池电堆的水管理方法
技术领域
本发明涉及燃料电池堆技术领域，尤其是涉及一种燃料电池电堆的水管理方法。
背景技术
虽然燃料电池系统零部件的产业化已经小有规模，但水管理仍然是非常关键的问题，且至今也未能完全解决。优质的水管理应该做到膜内含水量、阳极质子电拖曳(EOD，electro-osmotic drag)带水与阴极反渗水的平衡，且至少应保证反应气向反应界面传输的过程中不因液态水的阻碍造成性能的大幅波动，同时还应该保证质子传导过程中不因缺水等造成性能的明显下降。然而在实际操作中，很难同时实现以上两点，因此在燃料电池电堆内会出现水淹或缺水的问题。燃料电池电堆中的催化层(catalyst layer，CL)、气体扩散层(gas diffusion layer，GDL)、气体流道(gas channel，GC)内都可能发生水淹。短时间内轻微的水淹会造成输出功率的轻微下降，但是一旦在气体扩散层或气体流道内发生较为严重的水淹，则会造成电压的间歇性大幅波动，甚至导致故障停机。这不仅会导致输出功率不稳定，还会因局部缺气导致催化剂的降解、扩散层的腐蚀，影响燃料电池电堆的使用寿命。
此外，随着商用燃料电池汽车运行工况的复杂度增加，燃料电池汽车需要面临爬坡、下坡、转弯、加速、减速等情况，在这些情况下，如当车辆遇到爬坡、下坡情况时，燃料电池电堆与水平面呈一定倾斜角度，当车辆遇到转弯时，燃料电池电堆也会受到向心力的影响，相当于和水平面呈一定倾斜角度。在上述状态下，燃料电池电堆的水管理更加复杂，更加容易发生水淹问题。如图1、图2所示，燃料电池发动机系统的燃料电池电堆包括单电池和设于燃料电池电堆两端的第一端板和第二端板。第一端板或第二端板上可以设置氢气进口、空气进口和冷却水进口、氢气出口、氢气出口、空气出口。以第二端板设置在车头方向，第一端板为阳极端板，氢气进口、空气进口和冷却水进口设置在第一端板上为例，当车辆发生下坡情况，则燃料电池电堆的第一端板(阳极端板)抬高，电堆里的最低单电池电压(电压最低的单片位于图2和图4中靠近第二端板的位置)随着时间累积急剧下降，最终导致电堆故障停机。
为解决水淹问题，现有技术通常采用的解决方案为增设排水通道，排水通道平行于设置于氢气通道和空气通道下方，当燃料电堆倾斜时，生成水不会在端部聚集，而是进入排水通道再排出电堆，从而缓解氢气和空气通道中的水淹问题，然而增设排水通道对电堆结构的改动较大，操作复杂且成本较高，且无法同时解决电堆因发生转弯、爬坡或下坡导致的单电池电压快速下降的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池电堆的水管理方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池电堆的水管理方法，该方法在搭载燃料电池发动机系统的车辆内安装陀螺仪，所述的陀螺仪连接燃料电池发动机系统的燃料电池电堆，所述的陀螺仪感知车辆运行的平稳状况，若检测到车辆发生转弯、爬坡或下坡，则陀螺仪控制燃料电池电堆的电流密度提高至1300mAcm-2以上。
进一步地，所述的陀螺仪固定在搭载燃料电池发动机系统的车辆内的任意位置。
进一步地，所述的陀螺仪控制燃料电池电堆的电流密度的具体步骤包括：
S1、陀螺仪对搭载燃料电池电堆的车辆的当前状态进行检测，若检测到搭载燃料电池电堆的车辆处于平稳运行时，保持燃料电池电堆的电流密度不变，且燃料电池电堆的电流密度不高于额定电流密度，所述的额定电流密度为300、500、800、1000或1300mAcm-2。否则，执行下一步。
S2、若陀螺仪检测到车辆发生爬坡、下坡或转弯，则迅速提高燃料电池电堆的电流密度至1300mAcm-2以上；优选地，若陀螺仪检测到车辆发生爬坡、下坡或转弯时，迅速提高燃料电池电堆的电流密度至1500mAcm-2。
S3、当陀螺仪检测到车辆停止爬坡、下坡或转弯，开始处于平稳运行时，则降低电流密度至额定电流密度。
进一步地，所述的陀螺仪采用压电陀螺仪、微机械陀螺仪、光纤陀螺仪或激光陀螺仪。
进一步地，所述的燃料电池发动机系统设于车辆的靠近车头位置、车尾处或车上盖处。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明利用陀螺仪感知车辆运行的状况，如是否转弯、爬坡、下坡等，若检测出车辆爬坡、下坡或转弯时，通过立即提高电堆运行的电流密度到1300mAcm-2以上来增强电堆的排水能力，防止燃料电池电堆发生水淹，优化水管理，同时，提高电堆运行的电流密度可解决电堆转弯、爬坡、下坡时的单电池电压快速下降的问题，进而缓解了单电池电压快速下降导致故障停机的问题；
2)本发明无需额外增设排水通道或对电堆结构进行改动即可避免电堆发生水淹，操作便捷，控制成本且控制快速；
3)本发明对于大量单电池片数的车用燃料电池，如对于大于50片的燃料电池电堆优化了电堆的水管理，无需增设外部设备，应用性更强。
附图说明
图1为现有技术中燃料电池发动机系统的俯视结构示意图；
图2为现有技术中燃料电池电堆的结构示意图；
图3为现有技术中燃料电池电堆的进气、出气示意图；
图4为当车辆爬坡、下坡或转弯时，燃料电池电堆的氢气分配状态图；
图5为当车辆爬坡、下坡或转弯时，最低单片电压随时间的变化情况；
图6为搭载燃料电池发动机系统和陀螺仪的车辆正视示意图；
图7为搭载燃料电池发动机系统和陀螺仪的车辆俯视示意图；
图8为本发明实施例中燃料电池电堆的水管理方法的工作流程图；
图9为采用本发明方法下的最低单片电压平稳状态示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
当搭载燃料电池电堆的车辆遇到爬坡、下坡情况时，如图4所示，燃料电池电堆与水平面呈一定倾斜角度，当车辆遇到转弯时，燃料电池电堆也会受到向心力的影响，相当于与水平面呈一定倾斜角度。在上述状态下，燃料电池电堆的水管理更加复杂，更加容易发生水淹问题，从而导致单电池电压低的问题。以第二端板设置在车头方向，第一端板为阳极端板，氢气进口、空气进口和冷却水进口设置在第一端板上为例，如图5所示，当燃料电池电堆在1000mAcm-2运行时，车辆下坡时，燃料电池电堆的阳极端板抬高，燃料电池电堆里的最低单电池电压(电压最低的单片位于图2和图4中靠近第二端板的位置)随着时间累积急剧下降，最终导致电堆故障停机。
本发明涉及一种燃料电池电堆的水管理方法，该方法首先在搭载燃料电池发动机系统的车辆内安装陀螺仪，如图6、图7所示，陀螺仪的作用为感知车辆运行的状况，如是否转弯、爬坡、下坡等，陀螺仪可以是压电陀螺仪、微机械陀螺仪、光纤陀螺仪和激光陀螺仪。燃料电池发动机系统可以放置在车辆的靠近车头、车尾或车上盖等。陀螺仪可以固定放置车内的任何位置。
本发明方法的工作流程图如图8所示，陀螺仪对搭载燃料电池电堆的车辆的平稳状态进行检测。当搭载燃料电池电堆的车辆在平稳运行时，电流密度一般在额定电流密度处，或者低于额定电流密度，如300、500、800、1000或1300mAcm-2，如图5中所示，此时保持燃料电池电推运行的电流密度不变。当陀螺仪检测到车辆爬坡、下坡或转弯时，迅速提高电流密度至1300mAcm-2以上，电流密度增大，燃料电池阳极、阴极的气体流量增大，产生的热量增多，电堆温度提高，更加方便排出阴极、阳极的液态水，即增强了电堆的排水能力，从而避免电堆发生水淹，优化水管理。同时如图8所示，当提高电堆运行的电流密度至1500mAcm-2时，最低单片电压达到平稳，不再持续下降。当陀螺仪检测到车辆停止爬坡、下坡或转弯，开始平稳运行时，降低电流密度至300、500、800、1000或1300mAcm-2，随后保持电推运行的电流密度不变。
本发明利用陀螺仪感知车辆运行的状况，如是否转弯、爬坡、下坡等，若检测出车辆爬坡、下坡或转弯时，通过提高电堆运行的电流密度，可以解决电堆遇到爬坡、下坡或转弯情况时的单电池电压快速下降的问题，进而解决单电池电压快速下降导致故障停机的问题，无需额外增设排水通道或对电堆结构进行改动，操作便捷，且控制成本低。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种燃料电池电堆的水管理方法，其特征在于，在搭载燃料电池发动机系统的车辆内安装陀螺仪，所述的陀螺仪连接燃料电池发动机系统的燃料电池电堆，所述的陀螺仪感知车辆运行的平稳状况，若检测到车辆发生转弯、爬坡或下坡，则控制燃料电池电堆的电流密度提高至1300mAcm-2以上。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆的水管理方法，其特征在于，所述的陀螺仪固定在搭载燃料电池发动机系统的车辆内的任意位置。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆的水管理方法，其特征在于，所述的陀螺仪控制燃料电池电堆的电流密度的具体步骤包括：
1)陀螺仪对搭载燃料电池电堆的车辆的当前状态进行检测，若检测到搭载燃料电池电堆的车辆处于平稳运行时，保持燃料电池电堆的电流密度不变，否则，执行下一步；
2)若陀螺仪检测到车辆发生爬坡、下坡或转弯，则迅速提高燃料电池电堆的电流密度至1300mAcm-2以上；
3)当陀螺仪检测到车辆停止爬坡、下坡或转弯，开始处于平稳运行时，则降低电流密度至额定电流密度。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池电堆的水管理方法，其特征在于，步骤2)中，若陀螺仪检测到车辆发生爬坡、下坡或转弯时，迅速提高燃料电池电堆的电流密度至1500mAcm-2。
5.根据权利要求3所述的一种燃料电池电堆的水管理方法，其特征在于，搭载燃料电池电堆的车辆处于平稳运行时，燃料电池电堆的电流密度不高于额定电流密度。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池电堆的水管理方法，其特征在于，所述的额定电流密度为300、500、800或1000mAcm-2。
7.根据权利要求2所述的一种燃料电池电堆的水管理方法，其特征在于，所述的陀螺仪采用压电陀螺仪、微机械陀螺仪、光纤陀螺仪或激光陀螺仪。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆的水管理方法，其特征在于，所述的燃料电池发动机系统设于车辆的靠近车头位置、车尾处或车上盖处。
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