CN112768727A - 一种空冷氢燃料电池温湿度控制的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空冷氢燃料电池温湿度控制的方法及装置，包括空冷型氢燃料电池、回流热气湿度控制装置、氢气存储系统、三通阀1、三通阀2、冷热空气混合室、空气过滤器、空气入口风扇、温湿度传感器1、温湿度传感器2、温湿度传感器3和电子控制单元(ECU)，通过本方案的热气回流，在不显著增加寄生功耗和额外重量的前提下，提高了阴极开放式空冷型氢燃料电池的环境适应能力，空冷型燃料电池正常高效工作时所需的温度与湿度分开控制，更加具有变量针对性，对营造适宜于燃料电池反应的场景更有利，系统的监测与控制集成在电子控制单元上，具备自主控制能力，其控制形式流程简单，执行效率高，安全可靠。

Description

一种空冷氢燃料电池温湿度控制的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种氢燃料电池温湿度控制装置及方法，具体是一种空冷氢燃料电池温湿度控制的方法及装置。

背景技术

在国家燃料电池相关政策的大力扶持下，质子交换膜氢燃料电池技术得到了快速的发展。目前国际上在航空领域应用的有水冷氢燃料电池和空冷氢燃料电池，国内广泛应用的为空冷型氢燃料电池，相比于水冷型氢燃料电池，其具有系统单位质量功率较高，寄生重量低及寄生功耗低的优点，但在环境适应能力上有所不及，空冷型质子交换膜燃料电池普遍存在低温冷启动困难及低温环境下堆芯温度维持困难的问题，由于空冷型质子交换膜燃料电池的阴极侧在反应中会由空气中的氧气及透过膜内迁移的氢质子生成水，质子交换膜作为燃料电池的关键部件若要保持正常工作，同样需要保有一定的液态水，即为浸湿状态，低温(0℃以下)环境下，这些水极易结冰，堵塞气体流道，影响膜电极的特征尺寸，甚至导致膜破裂，发生反极现象，对氢燃料电池的正常安全使用极为不利。目前在提高空冷型氢燃料电池低温环境适应能力方面主要有以下几种办法：1、采用加热入口空气的办法，2、利用空冷燃料电池产生的废热与入口空气进行热交换的办法，3、提前在阴极侧通入适量氢气使其化学能完全转变为热能从而提高堆芯温度的办法，这些方法可以在一定程度上解决空冷型燃料电池的低温使用问题，但存在着寄生功耗大，热交换效率较低及一定程度的危险性问题，无法长时间维持堆芯温度。

本发明提供一种氢燃料电池温湿度控制装置及方法，以尽可能小的重量代价和功耗代价大幅度提高空冷型燃料电池的低温环境适应能力，质子交换膜氢燃料电池在发出电功率的同时，基本上也会产生同等数量的热功率，充分地有效地利用这部分热量对于拓宽空冷燃料电池的应用场景具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空冷氢燃料电池温湿度控制的方法及装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种空冷氢燃料电池温湿度控制的方法，具体步骤如下：

1)、首先开启电子控制单元(ECU)的电源，它将采集各路传感器的信号以判断是否启动燃料电池；

2)、若氢气存储系统内气压低于设定的最小启动气压，则不执行开启电磁阀的指令；

3)、若高于设定的最小启动气压，结合采集的空气的温湿度和堆芯温度数据，判断此时燃料电池的工作环境；

4)、开启电磁阀，控制空气入口风扇起转，刚开始启动时，若燃料电池入口空气温度较低，湿度合适，则减小三通阀2的热气排出量，增大热气循环量，同时减小空气入口风扇及燃料电池风扇的转速，以此提高冷热空气混合室混合后输出给燃料电池入口端的空气温度，减小被气流带走的燃料电池电堆的热量，待堆芯温度升高至适宜于燃料电池正常工作(一般不低于50℃)后通过联合控制三通阀2的热气回流比例、空气入口风扇转速及燃料电池风扇转速来维持燃料电池的堆芯温度；

5)、若燃料电池入口空气温度较高，则不启动内循环，将燃料电池产生的湿热空气通过湿热空气泄放阀排出；

6)、若检测到混合气入口端气体湿度较大，则需要通过湿度可控除水装置对排出的湿热空气进行部分地分离去水，增大进入气体干燥室的气流流量比例，减小进入湿度保持室的气流流量比例；

7)、若检测到混合气入口端气体湿度较小，则反之。

一种空冷氢燃料电池温湿度控制的装置，包括空冷型氢燃料电池、回流热气湿度控制装置、氢气存储系统、三通阀1、三通阀2、冷热空气混合室、空气过滤器、空气入口风扇、温湿度传感器1、温湿度传感器2、温湿度传感器3和电子控制单元(ECU)，所述空冷型氢燃料电池的阳极侧通过电磁阀和减压阀接入氢气存储系统，其阴极进气侧端面接口与冷热空气混合室的输出端接口连接，空冷型氢燃料电池湿热空气出风接口与带流量控制功能的三通阀1的输入口连接，三通阀1设有两路气流输出，上路气流输出经过气体干燥室，可采用水汽吸附材料或高分子吸水树脂亦或是分子筛以实现水气与热空气的完全分离，下路气流输出经过流量控制阀门后进入湿度保持室，两路热气气流汇集在热气混合室内，经混合后的热气通过带流量控制功能的三通阀2，后输出到所述冷热空气混合室，所述冷热空气混合室另外一端经由空气过滤器及空气入口风扇输入外界冷空气。

作为本发明进一步的方案：所述三通阀2结构设计与三通阀1结构设计相同，三通阀2用于控制回流热气的流量。

作为本发明再进一步的方案：所述电子控制单元通过温湿度传感器1采集冷热空气混合室输出到燃料电池进气端面的气流的温度及湿度。

作为本发明再进一步的方案：所述空冷型燃料电池内部设有堆芯温度传感器采集燃料电池堆芯温度。

作为本发明再进一步的方案：设置在所述空冷型氢燃料电池风扇出口处的温湿度传感器2采集风扇出口湿热空气的温湿度。

作为本发明再进一步的方案：设置在所述外界空气入口的温湿度传感器3采集外界空气的温湿度。

作为本发明再进一步的方案：设置在所述氢气存储系统瓶口的压力传感器采集气瓶内氢气压力，判断氢气存储系统内的剩余气量。

作为本发明再进一步的方案：所述输出信号包括空气入口风扇转速控制信号、燃料电池氢气入口电磁阀开闭信号、燃料电池风扇转速控制信号、带流量控制功能的三通阀1的上下路流量比例控制信号和带流量控制功能的三通阀2的热气泄放比例控制信号和湿热空气泄放阀开闭信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过本方案的热气回流，在不显著增加寄生功耗和额外重量的前提下，提高了阴极开放式空冷型氢燃料电池的环境适应能力。

2、空冷型燃料电池正常高效工作时所需的温度与湿度分开控制，更加具有变量针对性，对营造适宜于燃料电池反应的场景更有利。

3、系统的监测与控制集成在电子控制单元上，具备自主控制能力，其控制形式流程简单，执行效率高，安全可靠。

附图说明

图1为一种空冷氢燃料电池温湿度控制的方法及装置的结构示意图。

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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例中，一种空冷氢燃料电池温湿度控制的装置，阴极开放式空冷型氢燃料电池在使用前应注意保持其堆芯温度在0℃以上，防止膜内水结冰，其阳极侧通过电磁阀和减压阀接入氢气存储系统，阴极进气侧端面接口与冷热空气混合室的输出端接口连接，燃料电池湿热空气出风接口与带流量控制功能的三通阀1的输入口连接，该三通阀1有两路气流输出，这两路气流输出的流量比例可经由其内部的流量控制阀门控制，上路完全经过气体干燥室，可采用水汽吸附材料或高分子吸水树脂亦或是分子筛等以实现水气与热空气的完全分离，下路经过流量控制阀门后进入湿度保持室，之后两路热气气流汇集在热气混合室内，经混合后的热气通过带流量控制功能的三通阀2，后输出到所述冷热空气混合室，同样是一路输入，两路输出，三通阀2主要用于控制回流热气的流量，以达到控制冷热空气混合后温度的目的，冷热空气混合室另外一端经由空气过滤器及空气入口风扇输入外界冷空气，空气过滤器用以过滤吸入空气中的灰尘、一氧化碳、含硫氧化物等，避免杂质气体对膜电极性能产生不利影响；

电子控制单元通过温湿度传感器1采集冷热空气混合室输出到燃料电池进气端面的气流的温度及湿度，通过设置在燃料电池内部的堆芯温度传感器采集燃料电池堆芯温度，通过设置在燃料电池风扇出口处的温湿度传感器2采集风扇出口湿热空气的温湿度，通过设置在外界空气入口的温湿度传感器3采集外界空气的温湿度，通过设置在氢气存储系统瓶口的压力传感器采集气瓶内氢气压力，借以判断氢气存储系统内的剩余气量。输出信号包括空气入口风扇转速控制信号，燃料电池氢气入口电磁阀开闭信号，燃料电池风扇转速控制信号，带流量控制功能的三通阀1的上下路流量比例控制信号，带流量控制功能的三通阀2的热气泄放比例控制信号和湿热空气泄放阀开闭信号。

一种空冷氢燃料电池温湿度控制的方法，具体步骤如下：

1)、首先开启电子控制单元(ECU)的电源，它将采集各路传感器的信号以判断是否启动燃料电池；

2)、若氢气存储系统内气压低于设定的最小启动气压，则不执行开启电磁阀的指令；

3)、若高于设定的最小启动气压，结合采集的空气的温湿度和堆芯温度数据，判断此时燃料电池的工作环境；

4)、开启电磁阀，控制空气入口风扇起转，刚开始启动时，若燃料电池入口空气温度较低，湿度合适，则减小三通阀2的热气排出量，增大热气循环量，同时减小空气入口风扇及燃料电池风扇的转速，以此提高冷热空气混合室混合后输出给燃料电池入口端的空气温度，减小被气流带走的燃料电池电堆的热量，待堆芯温度升高至适宜于燃料电池正常工作(一般不低于50℃)后通过联合控制三通阀2的热气回流比例、空气入口风扇转速及燃料电池风扇转速来维持燃料电池的堆芯温度；

5)、若燃料电池入口空气温度较高，则不启动内循环，将燃料电池产生的湿热空气通过湿热空气泄放阀排出；

6)、若检测到混合气入口端气体湿度较大，则需要通过湿度可控除水装置对排出的湿热空气进行部分地分离去水，增大进入气体干燥室的气流流量比例，减小进入湿度保持室的气流流量比例；

7)、若检测到混合气入口端气体湿度较小，则反之。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种空冷氢燃料电池温湿度控制的方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)、首先开启电子控制单元(ECU)的电源，它将采集各路传感器的信号以判断是否启动燃料电池；

2)、若氢气存储系统内气压低于设定的最小启动气压，则不执行开启电磁阀的指令；

3)、若高于设定的最小启动气压，结合采集的空气的温湿度和堆芯温度数据，判断此时燃料电池的工作环境；

4)、开启电磁阀，控制空气入口风扇起转，刚开始启动时，若燃料电池入口空气温度较低，湿度合适，则减小三通阀2的热气排出量，增大热气循环量，同时减小空气入口风扇及燃料电池风扇的转速，以此提高冷热空气混合室混合后输出给燃料电池入口端的空气温度，减小被气流带走的燃料电池电堆的热量，待堆芯温度升高至适宜于燃料电池正常工作(一般不低于50℃)后通过联合控制三通阀2的热气回流比例、空气入口风扇转速及燃料电池风扇转速来维持燃料电池的堆芯温度；

5)、若燃料电池入口空气温度较高，则不启动内循环，将燃料电池产生的湿热空气通过湿热空气泄放阀排出；

6)、若检测到混合气入口端气体湿度较大，则需要通过湿度可控除水装置对排出的湿热空气进行部分地分离去水，增大进入气体干燥室的气流流量比例，减小进入湿度保持室的气流流量比例；

7)、若检测到混合气入口端气体湿度较小，则反之。

2.根据权利要求1所述的一种空冷氢燃料电池温湿度控制的装置，包括空冷型氢燃料电池、回流热气湿度控制装置、氢气存储系统、三通阀1、三通阀2、冷热空气混合室、空气过滤器、空气入口风扇、温湿度传感器1、温湿度传感器2、温湿度传感器3和电子控制单元(ECU)，其特征在于，所述空冷型氢燃料电池的阳极侧通过电磁阀和减压阀接入氢气存储系统，其阴极进气侧端面接口与冷热空气混合室的输出端接口连接，空冷型氢燃料电池湿热空气出风接口与带流量控制功能的三通阀1的输入口连接，三通阀1设有两路气流输出，上路气流输出经过气体干燥室，可采用水汽吸附材料或高分子吸水树脂亦或是分子筛以实现水气与热空气的完全分离，下路气流输出经过流量控制阀门后进入湿度保持室，两路热气气流汇集在热气混合室内，经混合后的热气通过带流量控制功能的三通阀2，后输出到所述冷热空气混合室，所述冷热空气混合室另外一端经由空气过滤器及空气入口风扇输入外界冷空气。

3.根据权利要求1所述的一种空冷氢燃料电池温湿度控制的装置，其特征在于，所述三通阀2结构设计与三通阀1结构设计相同，三通阀2用于控制回流热气的流量。

4.根据权利要求1所述的一种空冷氢燃料电池温湿度控制的装置，其特征在于，所述电子控制单元通过温湿度传感器1采集冷热空气混合室输出到燃料电池进气端面的气流的温度及湿度。

5.根据权利要求1所述的一种空冷氢燃料电池温湿度控制的装置，其特征在于，所述空冷型燃料电池内部设有堆芯温度传感器采集燃料电池堆芯温度。

6.根据权利要求1所述的一种空冷氢燃料电池温湿度控制的装置，其特征在于，设置在所述空冷型氢燃料电池风扇出口处的温湿度传感器2采集风扇出口湿热空气的温湿度。

7.根据权利要求1所述的一种空冷氢燃料电池温湿度控制的装置，其特征在于，设置在所述外界空气入口的温湿度传感器3采集外界空气的温湿度。

8.根据权利要求1所述的一种空冷氢燃料电池温湿度控制的装置，其特征在于，设置在所述氢气存储系统瓶口的压力传感器采集气瓶内氢气压力，判断氢气存储系统内的剩余气量。

9.根据权利要求1所述的一种空冷氢燃料电池温湿度控制的装置，其特征在于，所述输出信号包括空气入口风扇转速控制信号、燃料电池氢气入口电磁阀开闭信号、燃料电池风扇转速控制信号、带流量控制功能的三通阀1的上下路流量比例控制信号和带流量控制功能的三通阀2的热气泄放比例控制信号和湿热空气泄放阀开闭信号。

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