CN113224350B - 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，属于燃料电池领域。该燃料电池系统包括电堆、空气流路、氢气流路和稀释腔体，空气流路与电堆的氧气反应电极接触，氢气流路与电堆的氢气反应电极接触，氢气流路包括排水阀，当排水阀关闭时，氢气流路形成氢气循环流动；当排水阀打开时，氢气流路的氢气混合气被排出并与空气流路排出的氧气混合气在稀释腔体内混合，且稀释腔体具有与大气连通的排出口，降低了氢气浓度。本发明的控制方法根据燃料电池系统停机时间长短，获取燃料电池系统再次开机时氢气容腔的氢气浓度。根据氢气浓度，调整燃料电池系统开机过程中排水阀动作，提高了氢气利用率及系统综合能量利用率。

Description

一种燃料电池系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池系统及其控制方法。
背景技术
燃料电池是一种电化学反应装置，由氢气和氧气分别在两个半电极内发生反应生成水，将化学能转化为电能，同时伴随着效率损失而转化为热能。燃料电池系统是由燃料电池堆、空气供给系统、氢气供给系统、冷却系统和控制系统等组成，各系统协同工作确保燃料电池处于预期工作状态。
燃料电池系统停机之后，燃料电池堆氢气腔体内氢气压力和氢气浓度不断降低，直到氢气压力和氢气浓度降低为零。燃料电池系统再次开机时，必须要提高燃料电池堆氢气容腔内氢气压力和氢气浓度，其措施就是打开排水阀将氢气容腔内的杂质气体（非氢气）排出。伴随杂质气体排出，一部分新鲜氢气也随之排出，造成氢气浪费。在杂质气体排出过程中，为了降低排放到环境中的、燃料电池系统空气和氢气混合气体中的氢气浓度，必须要保证空气流路足够的空气流量，那么空气系统的空压机和节气门必须持续动作，杂质气体排出时间越长，空气系统中空压机和节气门的功率消耗越大，进一步造成系统能量损失。
因此在燃料电池系统停机之后，如果需要再次启动燃料电池系统，必须要优化燃料电池系统开机过程中的燃料电池堆氢气容腔的杂质气体排出过程，提高氢气利用率、提高燃料电池系统综合能量利用率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池系统及其控制方法，能够提高氢气利用率及系统综合能量利用率。
为实现上述目的，提供以下技术方案：
本发明提供了一种燃料电池系统，包括电堆、空气流路、氢气流路和稀释腔体，所述空气流路与所述电堆的氧气反应电极接触，所述氢气流路与所述电堆的氢气反应电极接触，所述氢气流路包括排水阀，当所述排水阀关闭时，所述氢气流路形成氢气循环流动；当所述排水阀打开时，所述氢气流路的氢气混合气被排出并与所述空气流路排出的氧气混合气在所述稀释腔体内混合，且所述稀释腔体具有与大气连通的排出口。
进一步地，所述空气流路包括依次连通的空压机、中冷器、进气节气门、空入压力传感器、电堆空气腔体、空出压力传感器、空出温度传感器和排气节气门，所述空压机的进气口与大气连通，所述排气节气门的出口与所述稀释腔体连通。
进一步地，所述氢气流路还包括依次连通的高压氢气源、氢喷阀、氢气压力传感器、电堆氢气腔体、气液分离器和氢气循环泵，所述高压氢气与储氢装置连通，所述氢气循环泵的出口与所述氢喷阀的出口连接，所述气液分离器的第二出口通过所述排水阀连接到所述稀释腔体。
进一步地，所述电堆包括多片电池单片，多片所述电池单片按照负极-正极-负极-正极重复的方式进行串联。
进一步地，相邻两片所述电池单片之间用双极板进行隔离。
进一步地，在所述双极板中间形成有冷却液供给通道。
本发明还提供了一种如上述任一项技术方案所述的燃料电池系统的控制方法，所述控制方法包括如下步骤：
S1：判断是否燃料电池系统已经完成停机过程，如果是，则进入步骤S2；如果否，则结束；
S2：每隔一段时间读取并记录不同时刻氢气压力传感器的数据和空出温度传感器的数据；
S3：判断是否燃料电池系统需要执行开机指令，如果是，则进入步骤S4；如果否，则进入步骤S2；
S4：调整开机过程中排水阀动作指令。
进一步地，S4的调整开机过程中排水阀动作指令具体的操作为：确认并根据当前电堆氢气腔体内的氢气浓度，调整开机过程中排水阀动作指令。
进一步地，确认当前电堆氢气腔体内的氢气浓度的具体步骤包括：
S41：读取前述存储的不同时刻的氢气压力传感器的数据和空出温度传感器的数据，记为第N组数据且N>1；
S42：读取控制器内预先试验获取和存储的不同时刻的氢气压力传感器的数据和空出温度传感器的数据，记为第1组数据：
S43：根据第1组数据和第N组数据对比，确认当前电堆氢气腔体内的氢气浓度。
进一步地，S43中的确认当前电堆氢气腔体内的氢气浓度的具体方法为：用空出温度传感器的数据修正氢腔气体压力，使得与预先试验的氢气出口温度相同，修正公式为理想气体状态方程。
与现有技术相比，本发明提供的燃料电池系统，氢气流路中当排水阀没有打开时，氢气流路形成氢气循环流动；当排水阀打开时，氢气流路中氢气、氮气、水蒸气和液态水从氢气流路中被排出，然后进入稀释腔体。在稀释腔体内，排气节气门后端未利用空气与排水阀后端氢气、氮气、水蒸气和液态水混合形成混合气体，从而降低氢气浓度，最后在压力差作用下，混合气体排入环境中。本发明的控制方法根据燃料电池系统停机时间长短，获取燃料电池系统再次开机时氢气容腔的氢气浓度。根据氢气浓度，调整燃料电池系统开机过程中排水阀动作，提高了氢气利用率及系统综合能量利用率。
附图说明
图1为本实施例的燃料电池热管理系统的结构示意图；
图2为本实施例的燃料电池热管理系统的标定方法的流程图。
附图标记：
1-电堆；11-电堆氢气腔体；12-电堆空气腔体；
2-氢气流路；21-氢喷阀；22-氢气压力传感器；23-气液分离器；24-氢气循环泵；25-排水阀；
3-空气回路；31-空压机；32-中冷器；33-进气节气门；34-空入压力传感器；35-空出压力传感器；36-空出温度传感器；37-排气节气门；
4-稀释腔体。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步地详细描述，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。
如图1所示，本实施例提供了一种燃料电池系统，包括电堆1、空气流路3、氢气流路2和稀释腔体4，空气流路3与电堆1的氧气反应电极接触，氢气流路2与电堆1的氢气反应电极接触，氢气流路2包括排水阀25，当排水阀25关闭时，氢气流路2形成氢气循环流动；当排水阀25打开时，氢气流路2的氢气混合气被排出并与空气流路3排出的氧气混合气在稀释腔体4内混合，且稀释腔体4具有与大气连通的排出口。
本实施例的燃料电池系统，氢气流路2中当排水阀25没有打开时，氢气流路2形成氢气循环流动；当排水阀25打开时，氢气流路2中氢气、氮气、水蒸气和液态水从氢气流路2中被排出，然后进入稀释腔体4。在稀释腔体4内，排气节气门37后端未利用空气与排水阀25后端氢气、氮气、水蒸气和液态水混合形成混合气体，从而降低氢气浓度，最后在压力差作用下，混合气体排入环境中。
具体地，空气流路3包括依次连通的空压机31、中冷器32、进气节气门33、空入压力传感器34、电堆空气腔体12、空出压力传感器35、空出温度传感器36和排气节气门37，空压机31的进气口与大气连通，排气节气门37的出口与稀释腔体4连通。
进一步地，氢气流路2还包括依次连通的高压氢气源、氢喷阀21、氢气压力传感器22、电堆氢气腔体11、气液分离器23和氢气循环泵24，高压氢气与储氢装置连通，氢气循环泵24的出口与氢喷阀21的出口连接，气液分离器23的第二出口通过排水阀25连接到稀释腔体4。
可选地，电堆1包括多片电池单片，多片电池单片按照负极-正极-负极-正极重复的方式进行串联。相邻两片电池单片之间用双极板进行隔离，具体地，在双极板一侧表面形成有氢气供给流道且与氢气反应电极接触，在双极板另一侧表面形成有氧气（空气）供给流道且与氧气反应电极接触。优选地，本实施例的燃料电池系统还包括冷却系统，在双极板中间形成有冷却液供给通道，且不同介质流道间，用密封材料进行密封。
本实施例还提供了一种上述燃料电池系统的控制方法，如图2所示，该标定方法包括如下步骤：
S1：开始；
S2：判断是否燃料电池系统已经完成停机过程，如果是，则进入步骤S3；如果否，则进入S6；
S3：每隔一段时间读取并记录不同时刻氢气压力传感器22的数据和空出温度传感器36的数据；
S4：判断是否燃料电池系统需要执行开机指令，如果是，则进入步骤S51；如果否，则进入步骤S3；
S51：读取前述存储的不同时刻的氢气压力传感器22的数据和空出温度传感器36的数据，记为第N组数据且N>1；
S52：读取控制器内预先试验获取和存储的不同时刻的氢气压力传感器22的数据和空出温度传感器36的数据，记为第1组数据；
S53：根据第1组数据和第N组数据对比，确认当前电堆氢气腔体11内的氢气浓度（Chydrogen）。公知的是，距离燃料电池停机结束时间越长，氢气浓度越低，对应的氢气压力传感器22反馈压力越低。用空出温度传感器36数据修正电堆氢气腔体11的气体压力，使得与预先试验的氢气出口温度相同，修正公式为理想气体状态方程；
S54：根据氢气浓度，调整开机过程中排水阀25动作指令。氢气浓度越高，排水阀25开启持续时间越短；
S6：结束。
本实施例提供的控制方法根据燃料电池系统停机时间长短，获取燃料电池系统再次开机时氢气容腔的氢气浓度。根据氢气浓度，调整燃料电池系统开机过程中排水阀25动作，提高了氢气利用率及系统综合能量利用率。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统包括：电堆（1）、空气流路（3）、氢气流路（2）和稀释腔体（4），所述空气流路（3）与所述电堆（1）的氧气反应电极接触，所述氢气流路（2）与所述电堆（1）的氢气反应电极接触，所述氢气流路（2）包括排水阀（25），当所述排水阀（25）关闭时，所述氢气流路（2）形成氢气循环流动；当所述排水阀（25）打开时，所述氢气流路（2）的氢气混合气被排出并与所述空气流路（3）排出的氧气混合气在所述稀释腔体（4）内混合，且所述稀释腔体（4）具有与大气连通的排出口，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
S1：判断是否燃料电池系统已经完成停机过程，如果是，则进入步骤S2；如果否，则结束；
S2：每隔一段时间读取并记录不同时刻氢气压力传感器（22）的数据和空出温度传感器（36）的数据；
S3：判断是否燃料电池系统需要执行开机指令，如果是，则进入步骤S4；如果否，则进入步骤S2；
S4：调整开机过程中排水阀（25）动作指令；
其中，S4的调整开机过程中排水阀（25）动作指令具体的操作为：确认并根据当前电堆氢气腔体（11）内的氢气浓度，调整开机过程中排水阀（25）动作指令；
其中，确认当前电堆氢气腔体（11）内的氢气浓度的具体步骤包括：
S41：读取前述不同时刻氢气压力传感器（22）的数据和空出温度传感器（36）的数据，记为第N组数据且N>1；
S42：读取控制器内预先试验获取和存储的不同时刻的氢气压力传感器（22）的数据和空出温度传感器（36）的数据，记为第1组数据：
S43：根据第1组数据和第N组数据对比，确认当前电堆氢气腔体（11）内的氢气浓度；
S43中的确认当前电堆氢气腔体（11）内的氢气浓度的具体方法为：用空出温度传感器（36）的数据修正氢腔气体压力，使得与预先试验的氢气出口温度相同，修正公式为理想气体状态方程。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，所述空气流路（3）包括依次连通的空压机（31）、中冷器（32）、进气节气门（33）、空入压力传感器（34）、电堆空气腔体（12）、空出压力传感器（35）、空出温度传感器（36）和排气节气门（37），所述空压机（31）的进气口与大气连通，所述排气节气门（37）的出口与所述稀释腔体（4）连通。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，所述氢气流路（2）还包括依次连通的高压氢气源、氢喷阀（21）、氢气压力传感器（22）、电堆氢气腔体（11）、气液分离器（23）和氢气循环泵（24），所述高压氢气源与储氢装置连通，所述氢气循环泵（24）的出口与所述氢喷阀（21）的出口连接，所述气液分离器（23）的第二出口通过所述排水阀（25）连接到所述稀释腔体（4）。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，所述电堆（1）包括多片电池单片，多片所述电池单片按照负极-正极-负极-正极重复的方式进行串联。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，相邻两片所述电池单片之间用双极板进行隔离。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，在所述双极板中间形成有冷却液供给通道。
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