CN113964350A - 一种燃料电池的进气湿度调控装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池的进气湿度调控装置，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术湿度调控效果容易受到使用条件或设备衰减影响的问题。该装置包括流量调节阀一、二，中冷器一、二，温控设备，增湿器，以及控制器。其中，电堆的进气口依次经中冷器一、增湿器的干区、中冷器二与进气设备的输出端连接；流量调节阀一的输入端分别与电堆的冷却液出口、中冷器一、二的冷却液出口连接，输出端一经温控设备与流量调节阀二的输入端连接，输出端二与中冷器二的冷却液入口连接；流量调节阀二的输出端一与电堆的冷却液入口连接，输出端二与中冷器一的冷却液入口连接。通过两级中冷器的温度调控调节入堆气体的湿度，有效提高了环境适应性和电堆使用寿命。

Description

一种燃料电池的进气湿度调控装置及方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池的进气湿度调控装置及方法。
背景技术
燃料电池的质子交换膜需要在适当的湿润条件下才能获得良好的工作性能，燃料电池的空气和氢气进气都需要增湿以防止质子交换膜在运行过程中脱水，降低性能及工作寿命。
目前，燃料电池系统为解决空气路增湿问题，通常匹配增湿器，目前降低湿度可通过提高进增湿器的空气总流量，多出的电堆要求的空气由尾排离开发动机。
燃料电池系统的工况点会跟随使用条件或衰减发生偏移，当电堆偏干，影响电堆性能、可靠性及耐久性。需要燃料电池系统具备增加湿度调节的功能。
发明内容
本发明实施例旨在提供一种燃料电池的进气湿度调控装置及方法，用以解决现有的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池的进气湿度调控装置，包括流量调节阀一、 二，中冷器一、二，温控设备，增湿器，以及控制器；其中，
电堆的进气口依次经中冷器一、增湿器的干区、中冷器二与进气设备的输出端连接；流量调节阀一的输入端分别与电堆的冷却液出口、中冷器一、二的冷却液出口连接，输出端一经温控设备与流量调节阀二的输入端连接，输出端二与中冷器二的冷却液入口连接；流量调节阀二的输出端一与电堆的冷却液入口连接，输出端二与中冷器一的冷却液入口连接；
控制器，用于实时监测入堆气体湿度，判断是否在预设范围内；如果在，维持流量调节阀一、 二的开度不变；如果入堆气体湿度低于预设范围的下限阈值，根据入堆气体湿度与预设范围的阈值实时调整流量调节阀一、二的开度，再次判断，直到入堆气体湿度达到预设范围内结束湿度调控。
上述技术方案的有益效果如下：通过两级中冷器调节湿度，中冷器二保证入增湿器的气体温度，中冷器一保证入电堆的气体温度，进行了两次降温，有效提高了对环境的适应性。该装置能够满足各种环境下的电堆增湿要求，保证了电堆的运行稳定性、可靠性及耐久性。
基于上述装置的进一步改进，所述进气设备包括空压机、氢喷装置中的至少一种，分别与对应独立的进气湿度调控装置连接。
上述进一步改进方案的有益效果是：通过独立的进气湿度调控装置可分别对入堆空气和入堆氢气的湿度进行调节，提高环境的适应性。
进一步，该装置还包括进气节气阀、尾气节气阀；其中，
进气节气阀的进口与中冷器一的出口连接，出口与电堆的进气口连接，控制端与控制器的输出端连接；
尾气节气阀的进口与电堆的排气口连接，出口与增湿器的湿区进口连接，控制端与控制器的输出端连接。
上述进一步改进方案的有益效果是：增加了进气节气阀、尾气节气阀后，使得燃料电池关机时，电堆内部能够形成安全的密封环境。
进一步，所述控制器进一步包括依次连接的：
数据采集单元，用于分别实时获取入堆气体温度、入堆气体湿度、入增湿器的气体实际温度，发送至数据处理与控制单元；
数据处理与控制单元，用于实时监测入堆气体湿度，判断是否在预设范围内；如果在，维持流量调节阀一、 二的开度不变；如果入堆气体湿度低于预设范围的下限阈值，获取入堆气体湿度与预设范围内预设值的差值，根据所述差值调整流量调节阀一的开度，调整结束后，再根据当前时刻的入堆气体温度实时调整流量调节阀二的开度，使得入堆气体温度达到预设的额定温度，再次判断，直到入堆气体湿度达到预设范围内结束湿度调控。
上述进一步改进方案的有益效果是：气体经过增湿器后温度可能发生改变，气体的湿度对环境的适应性与温度有关，通过两级温度调控，可以有效保证入堆气体湿度的稳定性，提高燃料电池的使用寿命。
进一步，所述数据采集单元进一步包括：
温度传感器一，设置于进气节气阀的出口管道内壁上，用于实时采集入堆气体温度；
温度传感器二，设置于增湿器的干区进口管道内壁上，用于实时采集入增湿器的气体实际温度；
湿度传感器，设置于进气节气阀的出口管道内壁上，用于实时采集入堆气体湿度。
上述进一步改进方案的有益效果是：通过上述数据采集单元可获得入堆气体温度、入堆气体湿度、入增湿器的气体实际温度，结合相应湿度控制方法，可防止入堆气体过湿或者过干。
进一步，所述数据处理与控制单元执行如下程序：
监测当前时刻的入堆气体湿度，判断入堆气体湿度是否在预设范围内；如果在，维持流量调节阀一、 二的开度不变；如果入堆气体湿度低于预设范围的下限阈值，执行下一步；
获取上述预设范围的上限阈值与下限阈值的均值，作为预设值；
获取入堆气体湿度与预设值的差值ΔR，将所述差值ΔR输入预设的温升模型，得出增湿器的气体理论温升ΔT；
获取入增湿器的气体实际温度，根据所述实际温度和上述气体理论温升ΔT的加和运算，确定增湿器的干区进口处气体理论温度T 1；
调整流量调节阀一的开度，直到入增湿器的气体实际温度达到所述理论温度T 1，结束流量调节阀一的调整；
控制流量调节阀一的开度不变，获取调整结束时刻的入堆气体温度，调整流量调节阀二的开度，直到入堆气体温度达到预设的额定温度，结束流量调节阀二的调整；
再次判断入堆气体湿度是否在预设范围内，直到入堆气体湿度达到预设范围内，结束湿度调控。
上述进一步改进方案的有益效果是：增湿器的前端设置了中冷器二，通过该散热量调节控制入增湿器的气体温度，从而达到调节入堆湿度的要求；在增湿器的后端设置了中冷一器及流量调节阀门（流量调节阀二），可控制通过中冷器后气体的温度。可随电堆当前湿度状态实时调节流量调节阀一、二的开度，以改变入堆湿度，满足增湿要求。
进一步，所述预设范围为电堆满足整车最大功率需求限制且使用寿命在额定寿命以上的入堆气体湿度的范围。
上述进一步改进方案的有益效果是：对调控的湿度范围进行了限制，处于该范围能够保证整车最大功率需求限制且保证电堆寿命在额定寿命以上。
进一步，所述预设范围的下限阈值高于当前温度的露点。
上述进一步改进方案的有益效果是：防止液态水进堆影响电堆性能。
进一步，还包括三通阀和单向控制阀一、二；其中，
三通阀的输入端与电堆的排气口连接，输出端一经单向控制阀一与增湿器的湿区入口连接，输出端二与单向控制阀二的入口连接；单向控制阀一、二的控制端与控制器的输出端连接；
控制器，还用于在入堆气体湿度高于预设范围的上限阈值时，控制单向控制阀一的开度减小、单向控制阀二的开度增大；在入堆气体湿度低于预设范围的下限阈值时，控制单向控制阀一的开度增大、单向控制阀二的开度减小。
上述进一步改进方案的有益效果是：增加了三通阀和单向控制阀一、二后，增加了过湿的调控，使得对入堆气体的湿度控制更加迅速可靠。
另一方面，本发明实施例提供了一种使用上述进气湿度调控装置进行湿度控制的方法，包括如下步骤：
实时监测入堆气体湿度，判断是否在预设范围内；
如果在，维持流量调节阀一、 二的开度不变；
如果入堆气体湿度低于预设范围的下限阈值，根据入堆气体湿度与预设范围的阈值实时调整流量调节阀一、二的开度，再次判断，直到入堆气体湿度达到预设范围内结束湿度调控。
上述技术方案的有益效果是：通过两级中冷器调节湿度，中冷器二保证入增湿器的气体温度，中冷器一保证入电堆的气体温度，进行了两次降温，有效提高了对环境的适应性。该装置能够满足各种环境下的电堆增湿要求，保证了电堆的运行稳定性、可靠性及耐久性。
提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了实施例1进气湿度调控装置组成示意图；
图2示出了实施例1进气湿度调控装置使用示意图；
图3示出了实施例2进气湿度调控装置组成示意图；
图4示出了实施例2进气湿度调控装置的系统架构示意图。
附图标记：
流量调节阀一；2- 流量调节阀二；3- 湿度传感器；4- 中冷器一；5- 温度传感器一；6- 增湿器；7- 温度传感器二；8- 中冷器二；9- 空压机；10- 电堆。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
实施例1
本发明的一个实施例，公开了燃料电池的进气湿度调控装置，其特征在于，包括流量调节阀一、 二，中冷器一、二，温控设备，增湿器，以及控制器；其中，
电堆的进气口（可以是氢气进气口，或者空气进气口）依次经中冷器一、增湿器的干区、中冷器二与进气设备的输出端连接；流量调节阀一的输入端分别与电堆的冷却液出口、中冷器一、二的冷却液出口连接，输出端一经温控设备与流量调节阀二的输入端连接，输出端二与中冷器二的冷却液入口连接；流量调节阀二的输出端一与电堆的冷却液入口连接，输出端二与中冷器一的冷却液入口连接。
控制器，用于实时监测入堆气体湿度，判断是否在预设范围内；如果在，维持流量调节阀一、 二的开度不变；如果入堆气体湿度低于预设范围的下限阈值，根据入堆气体湿度与预设范围的阈值实时调整流量调节阀一、二的开度，再次判断，直到入堆气体湿度达到预设范围内结束湿度调控。
优选地，所述进气设备包括空压机、氢喷装置中的至少一种，分别与对应独立的所述进气湿度调控装置连接后，与电堆的对应空气进气口或氢气进气口连接，如图2所示。
可选地，流量调节阀一、二的开度可采用事先训练好的深度学习网络获得，该深度学习网络的输入为入堆气体湿度、预设范围的上限阈值、预设范围的下限阈值，输出为流量调节阀一、二的开度；或者，可采用实施例2所述方法获得。
实施时，以进气设备为空压机为例，空气经过空压机升温后，由中冷器二控制入增湿器的空气温度，由中冷器一控制入堆的空气温度，通过两级温度变化调节空气的增湿量，保证入堆湿度满足要求。氢喷装置对应的进气湿度调控装置与上述空压机对应的进气湿度调控装置控制方式相同。
与现有技术相比，本实施例提供的装置通过两级中冷器调节湿度，中冷器二保证入增湿器的气体温度，中冷器一保证入电堆的气体温度，进行了两次降温进行湿度调控，有效提高了对环境的适应性。该装置能够满足各种环境下的电堆增湿要求，保证了电堆的运行稳定性、可靠性及耐久性。
实施例2
在实施例1的基础上进行改进，该进气湿度调控装置还包括进气节气阀、尾气节气阀。
其中，进气节气阀的进口与中冷器一的出口连接，出口与电堆的进气口连接，如图3~4所示，控制端与控制器的输出端连接；尾气节气阀的进口与电堆的排气口连接，出口与增湿器的湿区进口连接，控制端与控制器的输出端连接。
进气节气阀、尾气节气阀的使用使得燃料电池关机时，电堆内部能够形成安全的密封环境。
优选地，所述控制器进一步包括依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元。
数据采集单元，用于分别实时获取入堆气体温度、入堆气体湿度、入增湿器的气体实际温度，发送至数据处理与控制单元。
数据处理与控制单元，用于实时监测入堆气体湿度，判断是否在预设范围内；如果在，维持流量调节阀一、 二的开度不变；如果入堆气体湿度低于预设范围的下限阈值，获取入堆气体湿度与预设范围内预设值的差值，根据所述差值调整流量调节阀一的开度，调整结束后，再根据当前时刻的入堆气体温度实时调整流量调节阀二的开度，使得入堆气体温度达到预设的额定温度，再次判断，直到入堆气体湿度达到预设范围内结束湿度调控。
具体地，气体经过增湿器后温度可能发生改变，气体的湿度对环境的适应性与温度有关，通过两级温度调控，可以有效保证入堆气体湿度的稳定性，提高燃料电池的使用寿命。
优选地，所述数据采集单元进一步包括温度传感器一、二，以及湿度传感器，如图4所示。
温度传感器一，设置于进气节气阀的出口管道内壁上，用于实时采集入堆气体温度。
温度传感器二，设置于增湿器的干区进口管道内壁上，用于实时采集入增湿器的气体实际温度。
湿度传感器，设置于进气节气阀的出口管道内壁上，用于实时采集入堆气体湿度。
优选地，所述数据处理与控制单元执行如下程序：
S1. 监测当前时刻的入堆气体湿度，判断入堆气体湿度是否在预设范围内；如果在，维持流量调节阀一、 二的开度不变；如果入堆气体湿度低于预设范围的下限阈值（过干），执行下一步；
S2. 获取上述预设范围的上限阈值与下限阈值的均值，作为预设值；
S3. 获取入堆气体湿度与预设值的差值ΔR，将所述差值ΔR输入预设的温升模型，得出增湿器的气体理论温升ΔT；具体地，该温升模型可通过标定获得，例如采用训练好的向量机或深度学习网络，输入是ΔR，输出是ΔT，本领域技术人员能够理解；
S4. 获取入增湿器的气体实际温度，根据所述实际温度和上述气体理论温升ΔT的加和运算，确定增湿器的干区进口处气体理论温度T 1
T 1=实际温度+ΔT；
S5. 调整流量调节阀一的开度，直到入增湿器的气体实际温度达到所述理论温度T 1，结束流量调节阀一的调整；具体地，ΔT大于0时，控制进入中冷器二的冷却液流量减小，ΔT小于0时，控制进入中冷器二的冷却液流量增大；
S6. 控制流量调节阀一的开度不变，获取调整结束时刻的入堆气体温度，调整流量调节阀二的开度，直到入堆气体温度达到预设的额定温度，结束流量调节阀二的调整；具体地，当入堆气体温度大于预设的额定温度时，控制进入中冷器二的冷却液流量增大，当入堆气体温度小于预设的额定温度时，控制进入中冷器二的冷却液流量减小；
S7. 再次判断入堆气体湿度是否在预设范围内，直到入堆气体湿度达到预设范围内，结束湿度调控。
优选地，所述预设范围为电堆满足整车最大功率需求限制且使用寿命在额定寿命以上的入堆气体湿度的范围。该范围可通过标定获得。
优选地，所述预设范围的下限阈值还应高于当前温度的露点。
优选地，该进气湿度调控装置还包括三通阀和单向控制阀一、二。
其中，三通阀的输入端与电堆的排气口连接，输出端一经单向控制阀一与增湿器的湿区入口连接，输出端二与单向控制阀二的入口连接；单向控制阀一、二的控制端与控制器的输出端连接。
优选地，控制器还用于在入堆气体湿度高于预设范围的上限阈值时，控制单向控制阀一的开度减小、单向控制阀二的开度增大；在入堆气体湿度低于预设范围的下限阈值时，控制单向控制阀一的开度增大、单向控制阀二的开度减小，再执行上述步骤S1~S7。
优选地，在需要提高空气湿度时，可以直接将单向控制阀二关闭，通过单独调整单向控制阀一的开度便可实现空气湿度的提高调节。
与实施例相比，本实施例具有如下有益效果：
1、在增湿器的前端设置了中冷器二，通过该散热量调节控制入增湿器的气体温度，从而达到调节入堆湿度的要求。
2、在增湿器的后端设置了中冷一器及流量调节阀门（流量调节阀二），可控制通过中冷器后气体的温度。
3、可随电堆当前湿度状态实时调节流量调节阀一、二的开度，以改变入堆湿度，满足增湿要求。
实施例3
本发明的另一个实施例，公开了一种使用实施例1或2所述进气湿度调控装置进行湿度控制的方法，包括如下步骤：
SS1. 实时监测入堆气体湿度，判断是否在预设范围内；
SS2. 如果在，维持流量调节阀一、 二的开度不变；
SS3. 如果入堆气体湿度低于预设范围的下限阈值，根据入堆气体湿度与预设范围的阈值实时调整流量调节阀一、二的开度，再次判断，直到入堆气体湿度达到预设范围内结束湿度调控。
与现有技术相比，本实施例提供的装置通过两级中冷器调节湿度，中冷器二保证入增湿器的气体温度，中冷器一保证入电堆的气体温度，进行了两次降温进行湿度调控，有效提高了对环境的适应性。该装置能够满足各种环境下的电堆增湿要求，保证了电堆的运行稳定性、可靠性及耐久性。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种燃料电池的进气湿度调控装置，其特征在于，包括流量调节阀一、 二，中冷器一、二，温控设备，增湿器，以及控制器；其中，
电堆的进气口依次经中冷器一、增湿器的干区、中冷器二与进气设备的输出端连接；流量调节阀一的输入端分别与电堆的冷却液出口、中冷器一、二的冷却液出口连接，输出端一经温控设备与流量调节阀二的输入端连接，输出端二与中冷器二的冷却液入口连接；流量调节阀二的输出端一与电堆的冷却液入口连接，输出端二与中冷器一的冷却液入口连接；
控制器，用于实时监测入堆气体湿度，判断是否在预设范围内；如果在，维持流量调节阀一、 二的开度不变；如果入堆气体湿度低于预设范围的下限阈值，根据入堆气体湿度与预设范围的阈值实时调整流量调节阀一、二的开度，再次判断，直到入堆气体湿度达到预设范围内结束湿度调控。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的进气湿度调控装置，其特征在于，所述进气设备包括空压机、氢喷装置中的至少一种，分别与对应独立的燃料电池的进气湿度调控装置连接。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池的进气湿度调控装置，其特征在于，还包括进气节气阀、尾气节气阀；其中，
进气节气阀的进口与中冷器一的出口连接，出口与电堆的进气口连接，控制端与控制器的输出端连接；
尾气节气阀的进口与电堆的排气口连接，出口与增湿器的湿区进口连接，控制端与控制器的输出端连接。
4.根据权利要求3所述的燃料电池的进气湿度调控装置，其特征在于，所述控制器进一步包括依次连接的：
数据采集单元，用于分别实时获取入堆气体温度、入堆气体湿度、入增湿器的气体实际温度，发送至数据处理与控制单元；
数据处理与控制单元，用于实时监测入堆气体湿度，判断是否在预设范围内；如果在，维持流量调节阀一、 二的开度不变；如果入堆气体湿度低于预设范围的下限阈值，获取入堆气体湿度与预设范围内预设值的差值，根据所述差值调整流量调节阀一的开度，调整结束后，再根据当前时刻的入堆气体温度实时调整流量调节阀二的开度，使得入堆气体温度达到预设的额定温度，再次判断，直到入堆气体湿度达到预设范围内结束湿度调控。
5.根据权利要求4所述的燃料电池的进气湿度调控装置，其特征在于，所述数据采集单元进一步包括：
温度传感器一，设置于进气节气阀的出口管道内壁上，用于实时采集入堆气体温度；
温度传感器二，设置于增湿器的干区进口管道内壁上，用于实时采集入增湿器的气体实际温度；
湿度传感器，设置于进气节气阀的出口管道内壁上，用于实时采集入堆气体湿度。
6.根据权利要求4或5所述的燃料电池的进气湿度调控装置，其特征在于，所述数据处理与控制单元执行如下程序：
监测当前时刻的入堆气体湿度，判断入堆气体湿度是否在预设范围内；如果在，维持流量调节阀一、 二的开度不变；如果入堆气体湿度低于预设范围的下限阈值，执行下一步；
获取上述预设范围的上限阈值与下限阈值的均值，作为预设值；
获取入堆气体湿度与预设值的差值ΔR，将所述差值ΔR输入预设的温升模型，得出增湿器的气体理论温升ΔT；
获取入增湿器的气体实际温度，根据所述实际温度和上述气体理论温升ΔT的加和运算，确定增湿器的干区进口处气体理论温度T 1；
调整流量调节阀一的开度，直到入增湿器的气体实际温度达到所述理论温度T 1，结束流量调节阀一的调整；
控制流量调节阀一的开度不变，获取调整结束时刻的入堆气体温度，调整流量调节阀二的开度，直到入堆气体温度达到预设的额定温度，结束流量调节阀二的调整；
再次判断入堆气体湿度是否在预设范围内，直到入堆气体湿度达到预设范围内，结束湿度调控。
7.根据权利要求1-2、4-5之一所述的燃料电池的进气湿度调控装置，其特征在于，所述预设范围为电堆满足整车最大功率需求限制且使用寿命在额定寿命以上的入堆气体湿度的范围。
8.根据权利要求7所述的燃料电池的进气湿度调控装置，其特征在于，所述预设范围的下限阈值高于当前温度的露点。
9.根据权利要求1-2、4-5、8之一所述的燃料电池的进气湿度调控装置，其特征在于，还包括三通阀和单向控制阀一、二；其中，
三通阀的输入端与电堆的排气口连接，输出端一经单向控制阀一与增湿器的湿区入口连接，输出端二与单向控制阀二的入口连接；单向控制阀一、二的控制端与控制器的输出端连接；
控制器，还用于在入堆气体湿度高于预设范围的上限阈值时，控制单向控制阀一的开度减小、单向控制阀二的开度增大；在入堆气体湿度低于预设范围的下限阈值时，控制单向控制阀一的开度增大、单向控制阀二的开度减小。
10.一种使用权利要求1~9之一所述燃料电池的进气湿度调控装置进行湿度控制的方法，其特征在于，包括如下步骤：
实时监测入堆气体湿度，判断是否在预设范围内；
如果在，维持流量调节阀一、 二的开度不变；
如果入堆气体湿度低于预设范围的下限阈值，根据入堆气体湿度与预设范围的阈值实时调整流量调节阀一、二的开度，再次判断，直到入堆气体湿度达到预设范围内结束湿度调控。
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