CN111864238B - 一种燃料电池水含量的检测装置及控制方法 - Google Patents

一种燃料电池水含量的检测装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池水含量的检测装置及控制方法，包括边缘透光流场板、燃料电池、平行光源、照度传感器、控制单元、空气罐、电控开关阀、调节阀、自动流量计；通过玻璃与粘合剂使燃料电池的流场板边缘透明，玻璃位置对应燃料电池的流道位置。其中平行光源透过燃料电池边缘透光流场板，发出的光信号由照度传感器接收。控制单元接收照度传感器与自动流量计发出的信号。空气罐与电控开关阀、调节阀、自动流量计、燃料电池相连，其中控制单元依据照度传感器、自动流量计与燃料电池电压信号调节电控开关阀与调节阀对燃料电池进行吹扫。该燃料电池水含量的检测与控制方法可以依据水含量精确地满足汽车行驶过程中电池的吹扫需求。

Description

一种燃料电池水含量的检测装置及控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，特别涉及一种燃料电池水含量的检测及控制方法。
背景技术
随着化石能源的减少与国家对于节能减排的愈发重视，新能源得到了人们更多的关注，其中燃料电池被认为是最有发展前景的方向之一。其中的低温氢氧燃料电池具有对工作环境温度的要求较低、不产生额外的碳排放且由催化剂催化反应不产生明火等优势故应用范围较广。但围绕燃料电池还存在着种种问题，其中膜干与水淹问题尤为重要。燃料电池的催化反应常发生在三相点处，膜干与水淹均降低了反应的速率，且膜干会降低质子交换膜的机械性能，而水淹会减少反应气体透过气体扩散层的摩尔质量。故为了进一步解决燃料电池在载运工具、住宅家具等方面商业化的技术困难，避免燃料电池在运行一段时间后因膜干与水淹所造成的性能下降，进行精确的水管理是十分必要的。因此目前提出了一系列水管理的检测与控制方法。
目前能准确评估燃料电池的液态水分布常采用的是全透明流场板及相关的摄像机等检测设备。但全透明流场板的电导率较一般的石墨或金属流场板低、实时的图像分析较为复杂、检测范围仅限于单片而不是堆体且摄像设备通常不适用于车载使用，故实际应用较少。
燃料电池的停机吹扫是调节燃料电池流道以及多孔介质内部水含量的常见方式之一。吹扫常常分为氮气吹扫与空气吹扫，可以比较有效的去除多余的液态水。但一般的吹扫方式往往容易造成燃料电池内水含量的控制不精确，无法观测到燃料电池流场板流道的前部或是中后部的水淹的严重情况，并由此制定不同的吹扫策略。同时因不适当的吹扫所造成的部分膜干现象与膜疲劳损伤也会降低燃料电池的使用寿命。
发明内容
为克服上述技术的不足，本发明提供了一种燃料电池水含量的检测及控制方法，使燃料电池在长时间运行之后，更加准确的检测燃料电池内部液态水分布并进行相应的停机吹扫动作。同时在吹扫过程中监控水含量变化，对吹扫的气压进行调整，降低质子交换膜的损伤，实现最优的水管理，提升燃料电池的性能与工作寿命。
为实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：
一种燃料电池水含量的检测装置，包括燃料电池12、控制单元13、电控开关阀14、空气罐15、调节阀16、自动流量计17、照度传感器9以及平行光源1；
所述控制单元13分别和照度传感器9、燃料电池12、电控开关阀14、调节阀16、自动流量计17相连接，控制单元13在接收来自照度传感器9的电信号和燃料电池12的电压信号从而控制电控开关阀14的开闭与调节阀16的开度，同时最终调整的结果经由自动流量计17再反馈给控制单元13，以确定调节阀16的开度是否达到控制的需求；所述空气罐15、电控开关阀14、调节阀16、自动流量计17、燃料电池12经由管路依次连接，空气罐15为燃料电池12提供反应所需的氧气与空气吹扫所需要的气体；
所述燃料电池12包括两片边缘透光流场板、密封气体用的密封垫10，上下两层边缘透光流场板与中间层的膜电极通过密封垫10压紧组成一片燃料电池，按照上述结构依次叠加组成燃料电池堆，平行光源1垂直照射于边缘透光流场板处，在各边缘玻璃透明处应保持均匀分布并具有相同的光照强度，使其平行射出边缘透光流场板并由足够贴近流场板的照度传感器9以接受光信号。
进一步，在任一片燃料电池中，上层的边缘透光流场板上包括玻璃3、氧气流道4、冷却流道5、螺栓孔6、螺栓孔垫圈凹槽7、氢气流道8、有机硅橡胶11；利用有机硅橡胶11将玻璃3粘附在燃料电池流场板的流道延伸处，胶合并风干后加工垫圈凹槽，后塞入密封垫10，所述螺栓孔垫圈凹槽7的螺栓孔6将边缘透光流场板和膜电极固定起来形成燃料电池堆体；上层的边缘透光流场板上含有多条肋条通道的氧气流道4，所述冷却流道内含有垂直流场板方向流入的冷却液，各层边缘透光流场板上的冷却流道5相连通，用于调控燃料电池正常工作与进行空气吹扫时的温度；下层的边缘透光流场板上含有多条肋条通道的氢气流道8，和上层的的氧气流道4结构相同，氢气通过上层的氢气流道8入口连通至下层的氢气流道8；所述氧气流道4与氢气流道8为燃料电池供给反应气体，其中氧气流道4兼具进行空气吹扫的作用。
进一步，在边缘透明流场板的外边缘处，刮去多余有机硅橡胶11，防止对光线的干扰。
进一步，边缘透光流场板由石墨流场板作为基体，使用有机硅橡胶将玻璃粘结在边缘处与流道位置对齐，多片所述边缘透光流场板与多片膜电极通过密封垫10压紧组成燃料电池。
进一步，一个照度传感器9对应n个玻璃透光处，n为正整数。
本发明的方法的技术方案为：一种燃料电池水含量的检测装置的控制方法，包括以下步骤：
控制单元13实时监控照度传感器9传来的照度值，随燃料电池12的运行，氧气流道4内气态水将逐步增加将引起光通量的小幅下降，且控制单元13对比燃料电池12的工作电压下降情况，若各传感器的算数平均值较小则不进行吹扫；而产生足够的量的液态水之后，此时总照度阈值低于停机吹扫的要求当产生液态水粘附在边缘透光流场板壁面或气体扩散层表面之后，平行光束将发生不同程度的反射与折射，由于各壁面的吸收率与发射率不同，光通量将明显改变，此时控制单元13实时监测到照度传感器9的照度值低于总照度阈值且燃料电池12电压低于正常工作电压较大，则需进行停机吹扫，此时，由控制单元13分析对应于各流道的照度传感器9发出的照度信息；分为以下两种工作模式：
模式一：当控制单元13读取的中部氧气流道4及靠近入口处氧气流道4的平均照度值低于总照度阈值时，电控开关阀14保持打开状态且使调节阀16的初始开度为50％，进行空气吹扫，在吹扫过程中由控制单元13检测燃料电池12一侧照度传感器9的变化，在照度值上升时减小调节阀16的开度，开度减小后的流量值经自动流量计17检测后传输至控制单元13以保证开度准确，冷却流道5内的冷却液保持在50℃到60℃，在总照度超过总照度阈值30％时完成对燃料电池的吹扫；
模式二：当控制单元13读取的中部氧气流道4及靠近出口处氧气流道4的平均照度值低于总照度阈值时，电控开关阀保持打开状态且使调节阀的初始开度为80％，进行空气吹扫；在吹扫过程中由控制单元13检测燃料电池12一侧照度传感器9的变化，在照度值上升时减小调节阀16的开度，开度减小后的流量值经自动流量计17检测后传输至控制单元13以保证开度准确，冷却流道5内的冷却液保持在50℃到60℃，在总照度超过总照度阈值30％时完成对燃料电池的吹扫。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述燃料电池水含量的检测及控制方法，可以对质子交换膜燃料电池的水含量进行更为精确的检测，除总的燃料电池与单体的水含量之外，可观测到水在流场板的前部、中部、后部乃至各流道的水分布。
2.本发明所述燃料电池水含量的检测及控制方法，可以根据流场板内不同的水含量分布采取不同的吹扫策略，达到节约空气罐内压缩空气的损耗，进一步达到降低吹扫能耗的目的。
3.本发明所述燃料电池水含量的检测及控制方法，通过控制单元实时监控燃料电池吹扫过程中照度的变化值，改变调节阀开度，减少了过度吹扫造成的膜干与质子交换膜的机械损伤。
附图说明
图1为本发明所述边缘透光流场板及水含量检测方式平面图。
图2为本发明所述边缘透光流场板的侧视图。
图3为本发明所述边缘透光流场板燃料电池水含量控制方法的控制原理图。
图4为本发明所述边缘透光流场板燃料电池水含量检测及控制系统的工作流程图。
其中：1-平行光源；2-垫圈凹槽；3-玻璃；4-氧气流道；5-冷却流道；6-螺栓孔；7-螺栓孔垫圈凹槽；8-氢气流道；9-照度传感器；10-密封垫；11-有机硅橡胶；12-燃料电池；13-控制单元；14-电控开关阀；15-空气罐；16-调节阀；17-自动流量计。
具体实施方式
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实施例，而不是全部的实例。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其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1和图2所示，本发明提供的边缘透光流场板及水含量检测方式，包括燃料电池12中的边缘透光流场板与密封气体用的密封垫10、平行光源1、照度传感器9，平行光源1垂直照射于边缘透光流场板处，在各边缘透明处应保持均匀分布并具有相同的光照强度，使其平行射出边缘透光流场板并由足够贴近流场板的照度传感器9以接受光信号。其中一个照度传感器对应一个透光处或n个透光处，n为正整数。边缘透光流场板包括玻璃3、氧气流道4、冷却流道5、螺栓孔6、螺栓孔垫圈凹槽7、氢气流道8、有机硅橡胶11组成；利用有机硅橡胶11将玻璃3粘附在燃料电池流场板的流道延伸处，粘附面为与流场板接触的三个面。在边缘透明流场板的外边缘处，刮去多余有机硅橡胶11，防止对光线的干扰。胶合并风干后加工垫圈凹槽2，后塞入密封垫10以避免反应气体泄露。完成后通过含有螺栓孔垫圈凹槽7的螺栓孔6组装入燃料电池形成堆体的一部分。采用氧气流道4与氢气流道8为燃料电池供给反应气体，其中氧气流道4兼具进行空气吹扫的作用。冷却流道5内含有冷却液，用于调控燃料电池正常工作与进行空气吹扫时的温度，达成最优的吹扫策略。
作为本发明的一个具体实施例，上下两层边缘透光流场板与中间层的膜电极通过密封垫10压紧组成一片燃料电池，按照上述结构依次叠加组成燃料电池堆，在一片燃料电池中，下层的边缘透光流场板将仅预留氧气流道4入口与出口，但不联通，布置多条肋条通道的氢气流道8。下层的边缘透光流场板也可以省去玻璃3，制作成不透明的流场板。
如图3所示，本发明提供的边缘透光流场板燃料电池的控制系统，包括燃料电池12、控制单元13、电控开关阀14、空气罐15、调节阀16、自动流量计17；其中燃料电池12、电控开关阀14、空气罐15、调节阀16、自动流量计17经由管路连接，空气罐15为燃料电池12提供反应所需的氧气与空气吹扫所需要的气体。控制单元13在接收来自照度传感器9的电信号和燃料电池12的电压信号从而控制电控开关阀14的开闭与调节阀16的开度，同时最终调整的结果经由自动流量计17再反馈给控制单元13，以确定调节阀16的开度是否达到控制的需求。
上述方案中，所述燃料电池内的液态水经由调节后的空气罐释放气压进行空气吹扫。
本发明中，照度传感器测得透过边缘透明流场板的光信号并将其传给控制单元，控制单元在接受各个信号后对其进行平均，与照度总阈值进行比较，若低于照度总阈值，则再检测燃料电池平均工作电压，若也较低，执行停机吹扫动作。当测得透过边缘透明流场板的中部氧气流道4及靠近入口处氧气流道4的平均照度值低于总照度阈值时，进行模式一，调节阀开度为50％，随变化后的总照度改变调节阀开度；当测得透过边缘透明流场板的中部氧气流道4及靠近出口处氧气流道4的平均照度值低于总照度阈值时，进行模式二，调节阀开度为80％，随吹扫过程中的照度改变调节阀开度。
如图4所示，本发明所述的边缘透光流场板燃料电池水含量检测及控制方法的控制步骤如下：控制单元13实时监控照度传感器9传来的照度值，随燃料电池12的运行，流道内气态水将逐步增加将引起光通量的小幅下降，且控制单元13对比燃料电池12的工作电压下降情况，若各传感器的算数平均值较小则不进行吹扫。而产生足够的量的液态水之后，此时总照度阈值低于停机吹扫的要求当产生液态水粘附在流场板壁面或气体扩散层表面之后，平行光束将发生不同程度的反射与折射，由于各壁面的吸收率与发射率不同，光通量将明显改变，此时控制单元13实时监测到照度传感器9的照度值低于总照度阈值且燃料电池12电压低于正常工作电压较大，则需进行停机吹扫。此时，由控制单元13分析对应于各流道的照度传感器9发出的照度信息。
模式一：
当控制单元13读取的中部氧气流道4及靠近入口处氧气流道4的平均照度值低于总照度阈值时，电控开关阀保持打开状态且使调节阀的初始开度为50％，进行空气吹扫。在吹扫过程中由控制单元检测燃料电池一侧照度传感器的变化，在照度值上升时减小调节阀的开度，开度减小后的流量值经自动流量计检测后传输至控制单元以保证开度准确。冷却流道内的冷却液保持在50℃到60℃，在总照度超过总照度阈值30％时完成对燃料电池的吹扫。
模式二：
当控制单元13读取的中部氧气流道4及靠近出口处氧气流道4的平均照度值低于总照度阈值时，电控开关阀保持打开状态且使调节阀的初始开度为80％，进行空气吹扫。在吹扫过程中由控制单元检测燃料电池一侧照度传感器的变化，在照度值上升时减小调节阀的开度，开度减小后的流量值经自动流量计检测后传输至控制单元以保证开度准确。冷却流道内的冷却液保持在50℃到60℃，在总照度超过总照度阈值30％时完成对燃料电池的吹扫。
从上述技术方案来看，本发明实施例中的一种燃料电池水含量的检测及控制方法，能有效对燃料电池进行吹扫，进而控制燃料电池内水含量且减少对膜的机械损伤，从而提高燃料电池的性能。
综上，本发明的一种燃料电池水含量的检测及控制方法，包括边缘透光流场板、玻璃、有机硅橡胶、密封垫、燃料电池、平行光源、照度传感器、控制单元、空气罐、电控开关阀、调节阀、自动流量计；通过玻璃与粘合剂使燃料电池的流场板边缘透明，玻璃位置对应燃料电池的流道位置。其中平行光源透过燃料电池边缘透光流场板，发出的光信号由照度传感器接收。控制单元接收照度传感器与自动流量计发出的信号。空气罐与电控开关阀、调节阀、自动流量计、燃料电池相连，其中控制单元依据照度传感器、自动流量计与燃料电池电压信号调节电控开关阀与调节阀对燃料电池进行吹扫。该燃料电池水含量的检测与控制方法可以依据水含量精确地满足汽车行驶过程中电池的吹扫需求。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种燃料电池水含量的检测装置，其特征在于，包括燃料电池(12)、控制单元(13)、电控开关阀(14)、空气罐(15)、调节阀(16)、自动流量计(17)、照度传感器(9)以及平行光源(1)；
所述控制单元(13)分别和照度传感器(9)、燃料电池(12)、电控开关阀(14)、调节阀(16)、自动流量计(17)相连接，控制单元(13)在接收来自照度传感器(9)的电信号和燃料电池(12)的电压信号从而控制电控开关阀(14)的开闭与调节阀(16)的开度，同时最终调整的结果经由自动流量计(17)再反馈给控制单元(13)，以确定调节阀(16)的开度是否达到控制的需求；所述空气罐(15)、电控开关阀(14)、调节阀(16)、自动流量计(17)、燃料电池(12)经由管路依次连接，空气罐(15)为燃料电池(12)提供反应所需的氧气与空气吹扫所需要的气体；
所述燃料电池(12)包括两片边缘透光流场板、密封气体用的密封垫(10)，上下两层边缘透光流场板与中间层的膜电极通过密封垫(10)压紧组成一片燃料电池，按照上述结构依次叠加组成燃料电池堆，平行光源(1)垂直照射于边缘透光流场板处，在各边缘玻璃透明处应保持均匀分布并具有相同的光照强度，使其平行射出边缘透光流场板并由足够贴近流场板的照度传感器(9)以接受光信号。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池水含量的检测装置，其特征在于，在任一片燃料电池中，上层的边缘透光流场板上包括玻璃(3)、氧气流道(4)、冷却流道(5)、螺栓孔(6)、螺栓孔垫圈凹槽(7)、氢气流道(8)、有机硅橡胶(11)；利用有机硅橡胶(11)将玻璃(3)粘附在燃料电池流场板的流道延伸处，胶合并风干后加工垫圈凹槽(2)，后塞入密封垫(10)，所述螺栓孔垫圈凹槽(7)的螺栓孔(6)将边缘透光流场板和膜电极固定起来形成燃料电池堆体；上层的边缘透光流场板上含有多条肋条通道的氧气流道(4)，所述冷却流道(5)内含有垂直流场板方向流入的冷却液，各层边缘透光流场板上的冷却流道(5)相连通，用于调控燃料电池正常工作与进行空气吹扫时的温度；下层的边缘透光流场板上含有多条肋条通道的氢气流道(8)，和上层的氧气流道(4)结构相同，氢气通过上层的氢气流道(8)入口连通至下层的氢气流道(8)；所述氧气流道(4)与氢气流道(8)为燃料电池供给反应气体，其中氧气流道(4)兼具进行空气吹扫的作用。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池水含量的检测装置，其特征在于，在边缘透明流场板的外边缘处，刮去多余有机硅橡胶(11)，防止对光线的干扰。
4.根据权利要求2所述的一种燃料电池水含量的检测装置，其特征在于，边缘透光流场板由石墨流场板作为基体，使用有机硅橡胶将玻璃粘结在边缘处与流道位置对齐。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池水含量的检测装置，其特征在于，一个照度传感器(9)对应n个玻璃透光处，n为正整数。
6.一种燃料电池水含量的检测装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
控制单元(13)实时监控照度传感器(9)传来的照度值，随燃料电池(12)的运行，氧气流道(4)内气态水将逐步增加将引起光通量的小幅下降，且控制单元(13)对比燃料电池(12)的工作电压下降情况，若各传感器的算数平均值较小则不进行吹扫；而产生足够的量的液态水之后，此时总照度阈值低于停机吹扫的要求当产生液态水粘附在边缘透光流场板壁面或气体扩散层表面之后，平行光束将发生不同程度的反射与折射，由于各壁面的吸收率与发射率不同，光通量将明显改变，此时控制单元(13)实时监测到照度传感器(9)的照度值低于总照度阈值且燃料电池(12)电压低于正常工作电压较大，则需进行停机吹扫，此时，由控制单元(13)分析对应于各流道的照度传感器(9)发出的照度信息；分为以下两种工作模式：
模式一：当控制单元(13)读取的中部氧气流道(4)及靠近入口处氧气流道(4)的平均照度值低于总照度阈值时，电控开关阀(14)保持打开状态且使调节阀(16)的初始开度为50％，进行空气吹扫，在吹扫过程中由控制单元(13)检测燃料电池(12)一侧照度传感器(9)的变化，在照度值上升时减小调节阀(16)的开度，开度减小后的流量值经自动流量计(17)检测后传输至控制单元(13)以保证开度准确，冷却流道(5)内的冷却液保持在50℃到60℃，在总照度超过总照度阈值30％时完成对燃料电池的吹扫；
模式二：当控制单元(13)读取的中部氧气流道(4)及靠近出口处氧气流道(4)的平均照度值低于总照度阈值时，电控开关阀保持打开状态且使调节阀的初始开度为80％，进行空气吹扫；在吹扫过程中由控制单元(13)检测燃料电池(12)一侧照度传感器(9)的变化，在照度值上升时减小调节阀(16)的开度，开度减小后的流量值经自动流量计(17)检测后传输至控制单元(13)以保证开度准确，冷却流道(5)内的冷却液保持在50℃到60℃，在总照度超过总照度阈值30％时完成对燃料电池的吹扫。
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