CN112820912A - 一种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，包括电堆模块和燃料电池系统控制器，氢气路系统包括截止阀、第一比例阀、引射器、湿度传感器和第二比例阀，外部高压氢气经过截止阀、第一比例阀和引射器进入电堆模块的氢气入口，湿度传感器检测进入电堆模块氢气入口的氢气湿度并将信号送到燃料电池系统控制器；电堆模块氢气出口通过第一支路连接到引射器的回氢引射口，第一支路安装第二比例阀，第一比例阀、第二比例阀受燃料电池系统控制器控制，燃料电池系统控制器根据湿度传感器发送过来的信号来控制第一比例阀和第二比例阀，达到控制进入电堆模块氢气入口的氢气湿度结构和控制简单，提高整个系统的效率和可靠性，节约能源，降低成本。

Description

一种燃料电池系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统及其控制方法。
背景技术：
氢燃料电池系统是一种能量转换装置，是将氢气和氧气的化学能通过催化剂的作用下转化为电能，供给用电设备使用。氢燃料电池系统是一种高效率、高能量密度、低噪音、对环境无污染的新型能源，是一种非常具有发展前景的新能源发电动力装置。
氢气循环系统是燃料电池系统中的一个十分重要的子系统，氢气循环系统负责将电堆氢气出口排出的未反应的氢气及水汽送回电堆氢气入口，经过与燃料电池堆入口处的纯氢气混合后再一并送入到燃料电池堆内部，保证燃料电池电堆中的电化学反应的正常进行，并且氢气循环系统通过对大量氢气及水汽的循环利用，保证了燃料电池内的湿度平衡，相应的也提高了氢气的利用率及整个燃料电池系统的经济性。
送入电堆中的氢气湿度是一个重要技术指标。在燃料电池工作过程中，质子交换膜必须保持一定的湿度才能保持质子的高传导性和良好的运行特性。进入电堆的氢气湿度过低会导致膜过干，使质子交换膜失去传导质子的能力，严重时导致膜脱水、皱缩甚至破裂；如果进入电堆的氢气湿度过高，则会导致膜中含水量过高会造成水淹和低温状态下结冰的现象，堵塞气体流道，导致电池性能大幅下降。因此，如何有效实现氢气循环并精准的调节进入电堆的氢气湿度，是保持燃料电池内部稳定，提高燃料电池性能及寿命的一个关键问题。
在专利CN202010457857.1中公开了一种燃料电池氢气循环系统及其控制方法，是通过控制氢气循环系统中的氢气循环泵转速，来实现燃料电池电堆入口氢气湿度的协调控制。但是氢气循环泵体积大占用空间，并且需要电力驱动，增加燃料电池系统的额外功耗，浪费能源；另外，此方法对氢气湿度控制不够精确，燃料电池系统在高功率运行时，电堆模块排出的未反应氢气和水的量是很大的，氢气循环泵必定要增大转速才能未反应氢气泵入电堆模块氢气入口，达到氢气循环的平衡，此时有可能将过多过的水泵入了电堆模块，带来燃料电池系统风险。
发明内容：
本发明的目的是提供一种燃料电池系统，解决现有技术中氢气循环泵实现氢气循环，不仅占用空间增加额外功耗，并且不能有效的、精确的控制送入电堆中的氢气湿度，可能给整体系统带来运行系统风险的技术问题。
本发明的另一个目的是提供一种燃料电池系统的控制方法，它解决燃料电池系统对对氢气湿度控制不够精确和可靠性的技术问题。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
本发明的目的是提供一种燃料电池系统，包括电堆模块、燃料电池系统控制器和氢气路系统，其特征在于：所述的氢气路系统包括截止阀、第一比例阀、引射器、湿度传感器和第二比例阀，其中：
外部高压氢气经过截止阀、第一比例阀和引射器进入电堆模块的氢气入口，湿度传感器检测进入电堆模块的氢气入口的氢气湿度并将信号送到燃料电池系统控制器；电堆模块的氢气出口通过第一支路连接到引射器的回氢引射口，第一支路安装第二比例阀，第一比例阀、第二比例阀受燃料电池系统控制器控制，燃料电池系统控制器根据湿度传感器发送过来的信号来控制第一比例阀和第二比例阀，达到控制进入电堆模块的氢气入口的氢气湿度。
上述所述的电堆模块的氢气出口还通过第二支路连接到引射器的回氢引射口，第二支路上安装水气分离器，水气分离器分离出来的氢气输送到引射器的回氢引射口，水气分离器分离出来的水通过排水阀组件排泄出气，排水阀组件受燃料电池系统控制器控制。
上述所述的电堆模块的氢气出口处安装第二压力传感器，第二压力传感器将压力信号输送到燃料电池系统控制器控制。
上述所述的第一比例阀与引射器之间设置第一压力传感器检测氢气压力，第一压力传感器将压力信号输送到燃料电池系统控制器，当压力过高时，燃料电池系统控制器控制泄压阀将氢气排放出去。
上述所述的电堆模块处于低功率运行时，电堆模块的氢气入口的氢气湿度小于第一设定值H1，燃料电池系统控制器将第二比例阀开启至最大开度。
上述所述的电堆模块处于高功率运行时，电堆模块的氢气入口的氢气湿度大于第二设定值H2，燃料电池系统控制器关闭第二比例阀。
上述所述的当电堆模块的氢气入口的湿度大于第一设定值H1而小于第二设定值H2时，燃料电池系统控制器根据燃料电池预先标定的运行功率与所需氢气湿度之间的对应函数值，来实时控制第二比例阀的开启开度。
上述所述的排水阀组件由排水阀、加热片和温度传感器构成，加热片和温度传感器分别安装在排水阀上，加热片对排水阀进行加热，温度传感器实时检测排水阀的温度，将检测的温度信号传递到燃料电池系统控制器。
上述所述的在低温状态下，燃料电池系统控制器根据温度传感器的温度反馈，来控制加热片的开启和停止。
上述所述的泄压阀的输出端与排水阀组件的排水口连接，氢气压力过高时，氢气直接泄放到排水口中排出。
一种燃料电池系统的控制方法，包括燃料电池系统，其特征在于：燃料电池系统是上述所述的燃料电池系统，所述氢气循环系统的控制方法包括如下步骤：
步骤一：开机启动自检，湿度传感器检测电堆进氢入口氢气湿度是否小于第一设定值H1，如果是，则进入步骤二，如果否，则跳过步骤二直接进入步骤三；
步骤二：燃料电池系统控制器开启第二比例阀，增大第一支路进气量；
步骤三：湿度传感器检测电堆模块的进氢入口的湿度是否大于第二设定值H2，如果是，则进入步骤四，如果否，则跳过步骤四直接进入步骤五；
步骤四：燃料电池系统控制器调节第二比例阀，减小第一支路的进气量，增大第二支路的进气量；
步骤五：湿度传感器检测电堆模块的进氢入口的湿度是否大于第一设定值H1,小于第二设定值H2，如果是，则进入步骤六，如果否，则返回步骤三；
步骤六：燃料电池系统控制器根据燃料电池系统功耗变化，实时调节第二比例阀的开度，保证湿度使电堆模块的进氢入口的湿度在H1和H2之间，其中H1＜H2；
步骤七：燃料电池系统进入正常工作模式。
本发明与现有技术相比，具有如下效果：
1)一种燃料电池系统，包括电堆模块、燃料电池系统控制器和氢气路系统，其特征在于：所述的氢气路系统包括截止阀、第一比例阀、引射器、湿度传感器和第二比例阀，其中：外部高压氢气经过截止阀、第一比例阀和引射器进入电堆模块的氢气入口，湿度传感器检测进入电堆模块的氢气入口的氢气湿度并将信号送到燃料电池系统控制器；电堆模块的氢气出口通过第一支路连接到引射器的回氢引射口，第一支路安装第二比例阀，第一比例阀、第二比例阀受燃料电池系统控制器控制，燃料电池系统控制器根据湿度传感器发送过来的信号来控制第一比例阀和第二比例阀，达到控制进入电堆模块的氢气入口的氢气湿度，结构和控制简单，减少零部件的数量，提高整个系统的效率和可靠性，节约能源，降低成本。
2)本发明的燃料电池系统的控制方法，控制简单，容易实现，实现成本低，保证燃料电池系统在最佳的氢气湿度范围内正常运行，节省能源；
3)本发明的其它优点在实施例部分展开详细描述。
附图说明：
图1是本发明实施例一的原理图；
图2是本发明实施例一的另一原理示意图；
图3是本发明实施例一的结构示意图；
图4是本发明实施例一的结构分解示意图；
图5是本发明实施例二的原理图。
具体实施方式：
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
如图1至图4所示，本实施例提供的是一种燃料电池系统，包括电堆模块201、燃料电池系统控制器202和氢气路系统203，其特征在于：所述的氢气路系统203包括截止阀1、第一比例阀2、引射器4、湿度传感器5和第二比例阀7，其中：
外部高压氢气经过截止阀1、第一比例阀2和引射器4进入电堆模块201的氢气入口，湿度传感器5检测进入电堆模块201的氢气入口的氢气湿度并将信号送到燃料电池系统控制器202；电堆模块201的氢气出口通过第一支路连接到引射器4的回氢引射口41，第一支路安装第二比例阀7，第一比例阀2、第二比例阀7受燃料电池系统控制器202控制，燃料电池系统控制器202根据湿度传感器5发送过来的信号来控制第一比例阀2和第二比例阀7，达到控制进入电堆模块201的氢气入口的氢气湿度，结构和控制简单，减少零部件的数量，提高整个系统的效率和可靠性，节约能源，降低成本。
电堆模块201的氢气出口还通过第二支路连接到引射器4的回氢引射口41，第二支路上安装水气分离器9，水气分离器9分离出来的氢气输送到引射器4的回氢引射口41，水气分离器9分离出来的水通过排水阀组件10排泄出气，排水阀组件10受燃料电池系统控制器202控制，结构布置合理。
电堆模块201的氢气出口处安装第二压力传感器8，第二压力传感器8将压力信号输送到燃料电池系统控制器202控制，便于燃料电池系统控制器202做出各种控制。
第一比例阀2与引射器4之间设置第一压力传感器3检测氢气压力，第一压力传感器3将压力信号输送到燃料电池系统控制器202，当压力过高时，燃料电池系统控制器202控制泄压阀6将氢气排放出去，保证整个系统的效率和可靠性。
电堆模块201处于低功率运行时电堆模块201的氢气入口的氢气湿度小于第一设定值H1，燃料电池系统控制器202将第二比例阀7开启至最大开度，所述的低功率是指电堆模块201的运行功率小于额定功率30％，保证整个系统的效率和可靠性。
电堆模块201处于高功率运行时，电堆模块201的氢气入口的氢气湿度大于第二设定值H2，燃料电池系统控制器202关闭第二比例阀7，所述的高功率是指电堆模块201的运行功率大于额定功率75％，保证整个系统的效率和可靠性。
当电堆模块201的氢气入口的湿度大于第一设定值H1而小于第二设定值H2时，燃料电池系统控制器202根据燃料电池预先标定的运行功率与所需氢气湿度之间的对应函数值，来实时控制第二比例阀7的开启开度，保证整个系统的效率和可靠性。
所述的排水阀组件10由排水阀101、加热片102和温度传感器103构成，加热片102和温度传感器103分别安装在排水阀101上，加热片102对排水阀101进行加热，温度传感器103实时检测排水阀101的温度，将检测的温度信号传递到燃料电池系统控制器202，结构简单、紧奏。
在低温状态下，燃料电池系统控制器202根据温度传感器103的温度反馈，来控制加热片102的开启和停止，防止排水阀在低温状态下出现水凝固问题，而导致不能分离的水排出，影响燃料电池的工作效率。
泄压阀6的输出端与排水阀组件10的排水口连接，氢气压力过高时，氢气直接泄放到排水口中排出，结构简单，布置合理。
该结构使用在燃料电池系统中的工作原理：
当燃料电池运行时，湿度传感器5监测到电堆模块201进氢入口氢气湿度小于第一设定值H1,燃料电池系统控制器202将第二比例阀7开启至最大开度。电堆模块201排出的氢气和水大部分经过第一支路，经第二比例阀7直接进入引射器4的回氢引射口41，与径第一比例阀2进入到引射器4的的氢气混合后一并进入电堆模块201中参加反应。因水气分离器9内部有一定的阻力，有小部分氢气和水经过第二支路，进入水气分离器9进行水气分离，分离后氢气与第一支路汇合后一并进入引射器4的回氢引射口41。水气分离器9分离的水则经过排水阀组件10排出。
当湿度传感器5监测到电堆进氢入口氢气湿度大于第二设定值H2,则说明回氢水分过多，燃料电池系统控制器202关闭第二比例阀7。电堆模块201排出的氢气和水全部经过第二支路进入水气分离器9,经过水气分离后的氢气直接进入引射器4的回氢引射口41，分离的水则经过排水阀组件10排出。
当湿度传感器5监测到电堆进氢入口氢气湿度大于第一设定值H1小于第二设定值H2时，燃料电池系统控制器202根据燃料电池预先标定的运行功率与所需氢气湿度之间的对应函数值，来实时控制第二比例阀7的开启开度。电堆模块201排出的一部分氢气和水进入第一支路，经第二比例阀7，进入引射器4的回氢引射口41。电堆模块201排出的另一部分氢气和水则进入第二支路，水气分离器9进行水气分离，分离后氢气与第一支路汇合后一并进入引射器4的回氢引射口41。
如此精准的控制第二比例阀7的开度，即可控制氢气的循环和进入电堆模块201中的氢气湿度，结构简单，成本低。
实施例二：
如图5所示，一种燃料电池系统的控制方法，包括燃料电池系统，其特征在于：燃料电池系统是上述实施一所述的燃料电池系统，所述氢气循环系统的控制方法包括如下步骤：
步骤一：开机启动自检，湿度传感器检测电堆进氢入口氢气湿度是否小于第一设定值H1，如果是，则进入步骤二，如果否，则跳过步骤二直接进入步骤三；
步骤二：燃料电池系统控制器开启第二比例阀，增大第一支路进气量；
步骤三：湿度传感器检测电堆模块的进氢入口的湿度是否大于第二设定值H2，如果是，则进入步骤四，如果否，则跳过步骤四直接进入步骤五；
步骤四：燃料电池系统控制器调节第二比例阀，减小第一支路的进气量，增大第二支路的进气量；
步骤五：湿度传感器检测电堆模块的进氢入口的湿度是否大于第一设定值H1,小于第二设定值H2，如果是，则进入步骤六，如果否，则返回步骤三；
步骤六：燃料电池系统控制器根据燃料电池系统功耗变化，实时调节第二比例阀的开度，保证湿度使电堆模块的进氢入口的湿度在H1和H2之间,其中H1＜H2；
步骤七：燃料电池系统进入正常工作模式。
以上实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不限于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种燃料电池系统，包括电堆模块(201)、燃料电池系统控制器(202)和氢气路系统(203)，其特征在于：所述的氢气路系统(203)包括截止阀(1)、第一比例阀(2)、引射器(4)、湿度传感器(5)和第二比例阀(7)，其中：
外部高压氢气经过截止阀(1)、第一比例阀(2)和引射器(4)进入电堆模块(201)的氢气入口，湿度传感器(5)检测进入电堆模块(201)的氢气入口的氢气湿度并将信号送到燃料电池系统控制器(202)；电堆模块(201)的氢气出口通过第一支路连接到引射器(4)的回氢引射口(41)，第一支路安装第二比例阀(7)，第一比例阀(2)、第二比例阀(7)受燃料电池系统控制器(202)控制，燃料电池系统控制器(202)根据湿度传感器(5)发送过来的信号来控制第一比例阀(2)和第二比例阀(7)，达到控制进入电堆模块(201)的氢气入口的氢气湿度。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统，其特征在于：电堆模块(201)的氢气出口还通过第二支路连接到引射器(4)的回氢引射口(41)，第二支路上安装水气分离器(9)，水气分离器(9)分离出来的氢气输送到引射器(4)的回氢引射口(41)，水气分离器(9)分离出来的水通过排水阀组件(10)排泄出气，排水阀组件(10)受燃料电池系统控制器(202)控制。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池系统，其特征在于：电堆模块(201)的氢气出口处安装第二压力传感器(8)，第二压力传感器(8)将压力信号输送到燃料电池系统控制器(202)控制。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统，其特征在于：第一比例阀(2)与引射器(4)之间设置第一压力传感器(3)检测氢气压力，第一压力传感器(3)将压力信号输送到燃料电池系统控制器(202)，当压力过高时，燃料电池系统控制器(202)控制泄压阀(6)将氢气排放出去。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种燃料电池系统，其特征在于：电堆模块(201)处于低功率运行时，电堆模块(201)的氢气入口的氢气湿度小于第一设定值H1，燃料电池系统控制器(202)将第二比例阀(7)开启至最大开度。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种燃料电池系统，其特征在于：电堆模块(201)处于高功率运行时，电堆模块(201)的氢气入口的氢气湿度大于第二设定值H2，燃料电池系统控制器(202)关闭第二比例阀(7)。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的一种燃料电池系统，其特征在于：当电堆模块(201)的氢气入口的湿度大于第一设定值H1而小于第二设定值H2时，燃料电池系统控制器(202)根据燃料电池预先标定的运行功率与所需氢气湿度之间的对应函数值，来实时控制第二比例阀(7)的开启开度。
8.根据权利要求2所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述的排水阀组件(10)由排水阀(101)、加热片(102)和温度传感器(103)构成，加热片(102)和温度传感器(103)分别安装在排水阀(101)上，加热片(102)对排水阀(101)进行加热，温度传感器(103)实时检测排水阀(101)的温度，将检测的温度信号传递到燃料电池系统控制器(202)。
9.根据权利要求8所述的一种燃料电池系统，其特征在于：在低温状态下，燃料电池系统控制器(202)根据温度传感器(103)的温度反馈，来控制加热片(102)的开启和停止。
10.根据权利要求4所述的一种燃料电池系统，其特征在于：泄压阀(6)的输出端与排水阀组件(10)的排水口连接，氢气压力过高时，氢气直接泄放到排水口中排出。
11.一种燃料电池系统的控制方法，包括燃料电池系统，其特征在于：燃料电池系统是上述权利要求2至权利要求10所述任意一项燃料电池系统，所述氢气循环系统的控制方法包括如下步骤：
步骤一：开机启动自检，湿度传感器检测电堆进氢入口氢气湿度是否小于第一设定值H1，如果是，则进入步骤二，如果否，则跳过步骤二直接进入步骤三；
步骤二：燃料电池系统控制器开启第二比例阀，增大第一支路进气量；
步骤三：湿度传感器检测电堆模块的进氢入口的湿度是否大于第二设定值H2，如果是，则进入步骤四，如果否，则跳过步骤四直接进入步骤五；
步骤四：燃料电池系统控制器调节第二比例阀，减小第一支路的进气量，增大第二支路的进气量；
步骤五：湿度传感器检测电堆模块的进氢入口的湿度是否大于第一设定值H1,小于第二设定值H2，如果是，则进入步骤六，如果否，则返回步骤三；
步骤六：燃料电池系统控制器根据燃料电池系统功耗变化，实时调节第二比例阀的开度，保证湿度使电堆模块的进氢入口的湿度在H1和H2之间,其中H1＜H2；
步骤七：燃料电池系统进入正常工作模式。
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