CN113258100A - 一种燃料电池系统及其阳极氢气浓度评估方法 - Google Patents

一种燃料电池系统及其阳极氢气浓度评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统及其阳极氢气浓度评估方法，属于燃料电池领域。本发明包括电堆、主氢气控制阀、辅氢气控制阀、氢回流驱动装置、氢气入堆压力传感器、控制器和尾排阀，电堆设置有氢气入堆口和阳极出口，主氢气控制阀的出口连接氢回流驱动装置的入口，主氢气控制阀的入口与辅氢气控制阀的入口连接，主氢气控制阀和辅氢气控制阀的出口连接氢气入堆口，主氢气控制阀与辅氢气控制阀及氢回流驱动装置并联，氢气入堆压力传感器设置在氢气入堆口之前的管路上，尾排阀设置在阳极出口的管路上，主氢气控制阀、辅氢气控制阀、氢气入堆压力传感器、尾排阀均与控制器通信连接。本发明的方法实施简单、受液态水干扰小、不受限于供氢阀开闭状态。

Description

一种燃料电池系统及其阳极氢气浓度评估方法
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阳极氢气浓度评估方法。
背景技术
燃料电池阳极侧常采用回流设计,即燃料电池出堆氢气混合物，经由氢循环泵（或引射器）驱动回流至氢气入堆管路，并与新供给的氢气混合,进入电堆,重新参与燃料电池氢气循环。燃料电池阳极出堆混合物中主要成分为氢气、同时含有氮气和水分，其中的液态水经分水结构后，主要积聚于储液腔，气态水蒸气随主流混合气流动；其中的氮气来自于阴极空气中氮气通过质子交换膜的渗透。
随着燃料电池系统运行，燃料电池阴极渗透至阳极的氮气逐渐累积，造成氮浓度逐渐升高，氢气浓度降低，严重时会致使阳极氢气供给不充分，对膜电极造成不可逆损伤，影响燃料电池系统耐久性能。为此，在燃料电池阳极系统中设有尾排阀（也叫排氮阀），随燃料电池系统运行，尾排阀间断开启，瞬时排出部分混合气，由此氮浓度得以稀释。该种设计中，尾排阀开启排出氮气的同时，会排出较高比例的氢气和水蒸气，尤其是排出的氢气，除了造成燃料浪费影响系统经济性外还会影响燃料电池系统排出气体中的氢气含量，影响系统的氢安全。即尾排阀的开启时刻和开启段时间长度需要以，燃料电池阳极的氢气浓度为根据。
现有燃料电池系统迫切需要满足燃料电池系统应用的氢气浓度的测试或评估方法及实施。
现有技术中，采用氢气浓度传感器可用于监测燃料电池阳极的氢气浓度，但当前氢浓度传感器不能满足燃料电池在低温、高湿度的使用条件。现有燃料电池系统技术中，不具备氢浓度的测试或评估手段。
现有燃料电池系统技术中，专利CN107078319A中提出预测阳极系统内氢浓度的方法。其主要原理为：排气阀，其从阳极系统内排出废气；阳极压力传感器，其测量阳极系统内的压力；氢浓度推定部，其基于在供氢阀闭阀中且排气阀开阀期间的压力下降来推定阳极系统内的氢浓度。
现有专利CN107078319A中提出的预测阳极系统内氢浓度的方法在燃料电池系统具体应用中受到限制，主要体现在：
1. 氢浓度的推定过程受液态水状态的干扰较大，具体体现在其燃料电池系统架构中排气阀，在开启排气同时还存在排除液态水阶段，该阶段排气阀的液态水体积流通能力较气体低得非常多，严重干扰氢浓度的推断。
2. 氢浓度推定部基于在供氢阀闭阀状态，而实际燃料电池系统工作过程中，氢气在不断消耗，如若供氢阀闭阀，补气不能正常进行，可能会造成燃料电池系统压力瞬时明显降低，会影响系统正常运行。
因此，亟需提供一种集成度高的燃料电池系统及其阳极氢气浓度评估方法，以解决现有技术中受液态水干扰大、受限于供氢阀开闭状态的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池系统及其阳极氢气浓度评估方法，其阳极氢气浓度评估方法实施简单，可用于在线监测与反馈。
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、主氢气控制阀、辅氢气控制阀、氢回流驱动装置、氢气入堆压力传感器、控制器和尾排阀，所述电堆设置有氢气入堆口和阳极出口，所述主氢气控制阀的出口连接所述氢回流驱动装置的入口，所述主氢气控制阀的入口与所述辅氢气控制阀的入口连接，所述辅氢气控制阀的出口连接所述氢气入堆口，所述主氢气控制阀与所述辅氢气控制阀及所述氢回流驱动装置并联，所述氢气入堆压力传感器设置在所述氢气入堆口之前的管路上，所述尾排阀设置在所述阳极出口的管路上，所述主氢气控制阀、所述辅氢气控制阀、所述氢气入堆压力传感器、所述尾排阀均与所述控制器通信连接。
进一步地，所述燃料电池系统还包括分水结构，所述分水结构设置在所述阳极出口的管路上。
进一步地，所述尾排阀设置在所述分水结构的上游，所述尾排阀与所述分水结构的第一出口连接。
进一步地，所述燃料电池系统还包括储液腔体，所述储液腔体设置在所述分水结构的下方，且与所述分水结构的第二出口连接。
进一步地，所述燃料电池系统还包括排水阀，所述排水阀设置在所述储液腔体的上游，所述排水阀与所述储液腔体的出口连接，且所述排水阀与所述控制器通信连接。
进一步地，所述燃料电池系统还包括出堆温度传感器和出堆压力传感器，所述出堆温度传感器设置在所述分水结构上，所述出堆压力传感器设置在所述分水结构的第一出口处，且所述氢气出堆温度传感器和所述氢气出堆压力传感器均与所述控制器通信连接。
进一步地，所述燃料电池系统还包括储氢装置、减压阀和安全阀，所述主氢气控制阀的入口与所述辅氢气控制阀的入口均与所述储氢装置连接，所述减压阀和所述安全阀依次连接在所述储氢装置的下游管路上，所述主氢气控制阀的进口和所述辅氢气控制阀的进口均与所述安全阀的出口连接。
进一步地，所述氢回流驱动装置为引射器。
进一步地，所述分水结构为气液分离器。
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阳极氢气浓度评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.建立适应阳极氢气浓度评估方法的燃料电池阳极系统架构及控制原则；
S2.燃料电池阳极混合气气体中的气态水含量的估算方法；
S3.建立阳极混合气成分与辅氢气控制阀占空比变化的关系；
S4.通过监测排气吹扫过程阶段辅氢气控制阀占空比反推燃料电池阳极氢浓度状态。
与现有技术相比，本发明提供的燃料电池系统及其阳极氢气浓度评估方法，本发明的燃料电池系统架构中排气阀与排水阀功能分离，流经排气阀的工质已经过气液分离结构，主要用于排出气态混合物，避免液态水干扰氢浓度的推断。辅氢气控制阀的PWM占空比属燃料电池系统压力控制的相应结果，其信号反馈不限制氢气控制阀的工作状态。本发明中提出的燃料电池阳极氢气浓度评估方法，实施简单，可用于在线监测与反馈。本发明的燃料电池阳极氢气浓度评估方法，受液态水干扰小、不受限于供氢阀开闭状态。
附图说明
图1为本发明实施例的燃料电池系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的燃料电池系统的尾排阀流通特性示图：混合气流量 vs.压差 vs.氮气浓度；
图3为本发明实施例的燃料电池系统的阳极氢气浓度评估示图。
附图标记：
1-储氢装置；2-减压阀；3-安全阀；4-主氢气控制阀；5-辅氢气控制阀；6.电堆；7-分水结构；8-储液腔体；9-氢回流驱动装置；10-排水阀；11-尾排阀；12-控制器；13-氢气入堆压力传感器；14-氢气出堆温度传感器；15-氢气出堆压力传感器。
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6、主氢气控制阀4、辅氢气控制阀5、氢回流驱动装置9、氢气入堆压力传感器13、控制器12和尾排阀11，电堆6设置有氢气入堆口和阳极出口，主氢气控制阀4的出口连接氢回流驱动装置9的入口，主氢气控制阀4的入口与辅氢气控制阀5的入口连接，主氢气控制阀4和辅氢气控制阀5的出口连接氢气入堆口，主氢气控制阀4与辅氢气控制阀5及氢回流驱动装置9并联，氢气入堆压力传感器13设置在氢气入堆口之前的管路上，尾排阀11设置在阳极出口的管路上，主氢气控制阀4、辅氢气控制阀5、氢气入堆压力传感器13、尾排阀11均与控制器12通信连接。
其中，本实施例的氢回流驱动装置9为引射器，分水结构7为气液分离器。
进一步地，燃料电池系统还包括分水结构7，分水结构7设置在阳极出口的管路上。可选地，尾排阀11设置在分水结构7的上游，尾排阀11与分水结构7的第一出口连接。
优选地，燃料电池系统还包括储液腔体8，储液腔体8设置在分水结构7的下方，且与分水结构7的第二出口连接。进一步地，燃料电池系统还包括排水阀10，排水阀10设置在储液腔体8的上游，排水阀10与储液腔体8的出口连接，且排水阀10与控制器12通信连接。
具体地，经气液分离器分离的液态水受重力作用汇聚于底部的储液腔体8,储水液面达到标定高度后，排水阀10开启排水。经气液分离器的混合气连接尾排阀11（又称排氮阀），该阀用于燃料电池系统排气，主要稀释阳极混合气中的氮气浓度。从电堆6的阳极出口出来的混合气经气液分离器分离后的液体水受重力作用汇聚于底部的储液腔体8,储水液面达到标定高度后，排水阀10开启排水。经气液分离器的混合气连接尾排阀11，该尾排阀11用于燃料电池系统排气，主要稀释阳极混合气中的氮气浓度。
可选地，燃料电池系统还包括氢气出堆温度传感器14和氢气出堆压力传感器15，氢气出堆温度传感器14设置在气液分离器上，氢气出堆压力传感器15设置在气液分离器的第一出口处，且氢气出堆温度传感器14和氢气出堆压力传感器15均与控制器12通信连接。
进一步地，为保证储氢装置1出来的氢气压力合适，以确保安全，燃料电池系统还包括储氢装置1、减压阀2和安全阀3，减压阀2和安全阀3依次连接在储氢装置1的下游管路上，主氢气控制阀4的进口和辅氢气控制阀5的进口均与安全阀3的出口连接。
具体地，本实施例的燃料电池系统氢气供给分为主氢气控制阀4和辅氢气控制阀5两路。主氢气控制阀4下游连接引射器的射流入口，主氢气控制阀4下游和辅氢气控制阀5下游直接连通氢气入堆口。燃料电池系统运行过程中，控制器12根据氢气入堆压力传感器13的压力分别控制主氢气控制阀4和辅氢气控制阀5的PWM占空比，调控主氢气控制阀4和辅氢气控制阀5的开度。从功能上，主氢气控制阀4用于维持燃料电池正常运行时的氢气补给；主氢气控制阀4和辅氢气控制阀5用于在尾排阀11开启，系统排气过程中的瞬时氢气补给。
本发明还提供一种如上述燃料电池系统的阳极氢气浓度评估方法，包括如下步骤：
S1.建立适应阳极氢气浓度评估方法的燃料电池阳极系统架构及控制原则；
S2.燃料电池阳极混合气气体中的气态水含量的估算方法；
S3.建立阳极混合气成分与主氢气控制阀4和辅氢气控制阀5占空比变化的关系；
S4.通过监测排气吹扫过程阶段主氢气控制阀4和辅氢气控制阀5占空比反推燃料电池阳极氢浓度状态。
具体地，上述阳极氢气浓度评估方法为：尾排阀11尾排吹扫过程中，随尾排阀11开启，混合气自阳极出口流出电堆6，电堆6的氢腔内部气体压力降低，该压力信号经氢气入堆压力传感器13传递至控制器12，控制器12依据尾排阀11的状态和压力，调整主氢气控制阀4和辅氢气控制阀5的PWM占空比控制氢气入堆压力在目标范围。
燃料电池阳极经混合气气体的主要成分为氢气、同时含有氮气和水蒸气。依据燃料电池特点，在燃料电池阳极水蒸气常处于饱和的状态，根据出堆温度求出水蒸气饱和分压力、由水蒸气饱和分压力和氢侧压力即可求出氢气混合气中水蒸气的含量。
燃料电池混合气中的氮气分子量约28，氢气分子量约2，两者差异较大。混合气成分中氢气和氮气的不同占比对应于不同的尾排阀11流通特性（主要指体积流量和压差）。通过计算分析可获得尾排阀11流通特性示图包含混合气流量vs.压差vs.氮气浓度，如图2所示。由此获取阳极混合气成分与尾排阀11流通特性的对应关系。
燃料电池系统尾排阀11尾排吹扫过程中，随尾排阀11开启，混合气流出燃料电池氢腔，燃料电池氢腔内部气体压力降低，该压力信号经氢气入堆压力传感器13传递至控制器12。控制器12依据尾排阀11的状态和压力，调整主氢气控制阀4和辅氢气控制阀5的PWM占空比（指一个脉冲周期内高电平的整个周期占的比例）控制氢气入堆压力在目标范围。
综合以上过程，建立燃料电池系统氢气浓度与燃料电池排气吹扫过程中主氢气控制阀4和辅氢气控制阀5的PWM的对应关系。具体燃料电池阳极氢气浓度评估分析示图如附图3所示。
综合以上步骤，基于所提出的燃料电池系统架构，燃料电池排气吹扫过程中主氢气控制阀4和辅氢气控制阀5的PWM占空比与燃料电池阳极氢浓度变化的对应关系得以建立。在燃料电池测试过程中，通过监测排气吹扫过程阶段主氢气控制阀4和辅氢气控制阀5的PWM可反推燃料电池阳极氢浓度状态。
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 (10)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括电堆（6）、主氢气控制阀（4）、辅氢气控制阀（5）、氢回流驱动装置（9）、氢气入堆压力传感器（13）、控制器（12）和尾排阀（11），所述电堆（6）设置有氢气入堆口和阳极出口，所述主氢气控制阀（4）的出口连接所述氢回流驱动装置（9）的入口，所述主氢气控制阀（4）的入口与所述辅氢气控制阀（5）的入口连接，所述辅氢气控制阀（5）的出口连接所述氢气入堆口，所述主氢气控制阀（4）与所述辅氢气控制阀（5）及所述氢回流驱动装置（9）并联，所述氢气入堆压力传感器（13）设置在所述氢气入堆口之前的管路上，所述尾排阀（11）设置在所述阳极出口的管路上，所述主氢气控制阀（4）、所述辅氢气控制阀（5）、所述氢气入堆压力传感器（13）、所述尾排阀（11）均与所述控制器（12）通信连接。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括分水结构（7），所述分水结构（7）设置在所述阳极出口的管路上。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述尾排阀（11）设置在所述分水结构（7）的上游，所述尾排阀（11）与所述分水结构（7）的第一出口连接。
4.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括储液腔体（8），所述储液腔体（8）设置在所述分水结构（7）的下方，且与所述分水结构（7）的第二出口连接。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括排水阀（10），所述排水阀（10）设置在所述储液腔体（8）的上游，所述排水阀（10）与所述储液腔体（8）的出口连接，且所述排水阀（10）与所述控制器（12）通信连接。
6.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括氢气出堆温度传感器（14）和氢气出堆压力传感器（15），所述氢气出堆温度传感器（14）设置在所述分水结构（7）上，所述氢气出堆压力传感器（15）设置在所述分水结构（7）的第一出口处，且所述氢气出堆温度传感器（14）和所述氢气出堆压力传感器（15）均与所述控制器（12）通信连接。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括储氢装置（1）、减压阀（2）和安全阀（3），所述主氢气控制阀（4）的入口与所述辅氢气控制阀（5）的入口均与所述储氢装置（1）连接，所述减压阀（2）和所述安全阀（3）依次连接在所述储氢装置（1）的下游管路上，所述主氢气控制阀（4）的进口和所述辅氢气控制阀（5）的进口均与所述安全阀（3）的出口连接。
8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述氢回流驱动装置（9）为引射器。
9.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述分水结构（7）为气液分离器。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的燃料电池系统的阳极氢气浓度评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.建立适应阳极氢气浓度评估方法的燃料电池阳极系统架构及控制原则；
S2.燃料电池阳极混合气气体中的气态水含量的估算方法；
S3.建立阳极混合气成分与辅氢气控制阀（5）占空比变化的关系；
S4.通过监测排气吹扫过程阶段辅氢气控制阀（5）占空比反推燃料电池阳极氢浓度状态。
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