CN114243064B - 一种燃料电池阳极氢气控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池阳极氢气控制方法及装置，所述装置包括氢气供应装置、燃料电池控制器FCCU以及电子负载装置。当燃料电池工作电流值变为I‑cell时，燃料电池控制器FCCU对燃料电池工作电流进行采集，根据预先拟合设定的氢气计量比与燃料电池工作电流之间的对应关系曲线，得出工作电流值I‑cell对应的氢气计量比，再将氢气计量比转换成氢气流量反馈到氢气供应装置，氢气供应装置对燃料电池进行氢气供应。与现有技术相比，本发明的装置简单，控制方法操作方便，可以有效缓解燃料电池工程应用中的阳极水淹问题，提高燃料电池性能和系统运行的稳定性。
Description
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阳极氢气控制方法及装置。
背景技术
燃料电池是一种可以直接将燃料中的化学能转变成电能的装置，在能量转化过程中不受卡诺循环的限制，拥有较高的能量转化效率，同时在整个过程中污染物排放少，对环境友好。其中的质子交换膜燃料电池(PEMFC)除了具有燃料电池通用的优点外，还具有发电过程中不会对环境产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修方便，运行时噪音低等优势。使得PEMFC的研究与发展备受各国政府、企业与研究者的重视。近年来尤其是在新能源汽车动力方面被广泛认为是替代内燃机的理想候选者。
然而，燃料电池汽车在实现大规模商业化之前，仍然存在一些亟待解决的技术难题，燃料电池阳极水淹问题便是其中之一。为提升功率密度和降低成本，目前车用燃料电池堆质子交换膜往超薄化方向发展。超薄质子膜的确在提升质子传导率、降低电阻方面效果明显，但增加了阴极侧到阳极侧反扩散水的通量。从阴极扩散到阳极的液态水越来越多，导致燃料电池堆运行过程中阳极侧也容易发生水淹，阳极发生水淹会造成的阳极出现欠气现象，容易导致局部发生“燃料饥饿”，影响燃料电池性能和稳定性，甚至造成催化剂碳载体发生腐蚀，严重影响燃料电池的使用寿命。
为了解决燃料电池阳极水淹问题，现有技术多集中在优化电池材料和关键组件结构设计方面。Jung等人的“Improvement of water management in air-breathing andair-blowing PEMFC at low temperature using hydrophilic silica nano-particles”中公开了一种添加了亲水SiO2阳极催化剂粒子，用于提高电池内的水管理和增强电池性能。Nguyen等人的“A Gas Distributor Design for Proton Exchange Membrane FuelCells”中公开了一种交指型流场，在交指型流场中由于每个流道出口或者进口均是闭口条件，因此气体进入流道后，在压力作用下反应气体被强制通过GDL后到达流场出口，尾气将电池内生成的水带走，从而防止电池内水淹的发生。武汉格罗夫氢能汽车有限公司(申请号：202110625234.5)公开了一种燃料电池系统及防止电堆阳极水淹的方法，通过在空气增湿器的湿气入口和湿气出口并联旁通阀，并利用燃料电池控制器选择性地控制进入电堆的空气的湿度，避免电堆阴极侧积累较多的水，从而在一定程度上减少电堆阳极侧的积水。上述方法，虽然在一定程度上缓解了燃料电池水淹的问题，但是改变了电池关键部件和材料，以及增大了系统结构设计难度，在实际工程应用过程中存在很大的困难。因此开发操作方便，适用于工程化应用和燃料电池全工况运行并可以有效改善燃料电池阳极水管理问题的氢气控制方法及装置对于燃料电池的商业化应用更具实际意义。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种燃料电池阳极氢气控制方法及装置，用于改善燃料电池阳极水管理问题，提高电池性能和使用寿命。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明一方面提供了一种燃料电池阳极氢气控制方法，
所述方法为：阳极氢气计量比根据燃料电池工作电流的变化而变化。
所述方法包括以下步骤：
(1)设置初始氢气计量比，向燃料电池的阳极进气口供应氢气；
(2)当燃料电池工作电流值变为I-cell时，根据预先拟合设定的氢气计量比与燃料电池工作电流之间的对应关系曲线，得出燃料电池工作电流值I-cell对应的氢气计量比；
(3)利于氢气计量比与氢气流量的流量关系式，将工作电流I-cell对应的氢气计量比转换成氢气流量；
(4)按照计算出的燃料电池工作电流值I-cell时对应的氢气流量向阳极供应氢气。
所述阳极氢气计量比为燃料电池工作电流恒定时阳极进口通入氢气物质的量与反应消耗氢气物质的量的比值。
基于上述方案，优选地，所述步骤(1)中，根据实际燃料电池工况确定初始氢气计量比，为防止燃料电池加载过程中出现燃料短缺现象，设置初始氢气计量比≥1。
基于上述方案，优选地，所述步骤(2)中，氢气计量比与燃料电池工作电流之间的对应关系曲线拟合方法为：
(1)在燃料电池工作电流范围内自定义间隔分成多个标定点；
(2)在燃料电池氢气计量比范围内自定义分成多个测试点；
(3)在每个标定点上记录燃料电池在不同氢气计量比测试点下的电压值，在每个工作电流标定点选取最大电压值对应的氢气计量比作为选定点；
(4)将所有工作电流标定点和氢气计量比选定点的对应数据拟合成曲线后得到燃料电池实际工作电流与氢气计量比对应关系曲线。
基于上述方案，优选地，所述步骤(3)中，氢气计量比与氢气流量的流量关系式为：氢气流量＝氢气计量比×[燃料电池工作电流为I-cell×单位时间/(2×法拉第常数)]×氢气的摩尔体积。
基于上述方案，优选地，所述方法用于燃料电池阳极氢气直接排放模式或燃料电池阳极氢气循环模式。
另一方面，本发明提供了一种燃料电池阳极氢气控制装置，所述燃料电池阳极氢气控制装置包括：氢气供应装置、燃料电池控制器FCCU和电子负载装置；所述氢气供应装置与燃料电池氢气进口相连，用于向燃料电池的阳极进气口通入氢气；所述电子负载装置与燃料电池负载端相连，用于调节电池的输出电压和输出功率；所述燃料电池控制器FCCU的输入端与电子负载装置相连，输出端与氢气供应装置相连，依据预设的燃料电池实际工作电流与氢气计量比对应关系曲线，得到对应燃料电池工作电流为I-cell时的阳极氢气计量比，利于氢气计量比与氢气流量的流量关系式，将工作电流I-cell对应的氢气计量比转换成氢气流量，并将对应的氢气流量指令发送至所述氢气供应装置。
基于上述方案，优选地，所述氢气供应装置为氢气循环泵或喷射回流器，用于进行氢气供应。
基于上述方案，优选地，所述装置还包括质量流量计，所述质量流量计位于燃料电池的氢气进口，用于控制供应氢气的流量。
基于上述方案，优选地，所述装置还包括排氢阀，所述排氢阀位于燃料电池的阳极出口，通过排氢阀排出燃料电池的阳极内部累积的杂质气体。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过计算氢气计量比随燃料电池工作电流的变化关系曲线，控制氢气计量比随着燃料电池工作电流的增加而增大，相比于传统的固定氢气计量比，在氢气供应时，可以有效避免低负载电流下的电池干燥和高负载电流下的电池水淹等现象的出现，改善燃料电池水管理过程。
(2)本发明适用于燃料电池运行全工况，可以显著缓解燃料电池阳极水淹问题对燃料电池的影响，因此该方法能提高燃料电池的性能和延长电池使用寿命。
(3)本发明无需改变燃料电池系统结构，只需要在处理器中预先设置氢气计量比与燃料电池工作电流的对应关系，不改变阳极气体管路，系统简单，操作方便。
(4)本发明通过优化燃料电池运行过程参数既可以改善电池内阳极水管理过程，不涉及电池内部关键材料的改变，更适用于燃料电池的工程化应用。
附图说明
图1为本发明燃料电池阳极氢气控制装置概要示意图；
图2为实施例1中燃料电池性能测试装置图；
图3为实施例1中燃料电池阳极排水速率和氢气计量比图；
图4为实施例1中燃料电池电压和氢气计量比图；
图5为实施例1中燃料电池氢气计量比和负载电流密度图；
图6为实施例1中燃料电池性能图。
图中标记说明：
1、氢气储罐，2、阳极进口稳压阀，3、阳极入口三通阀，4、压力传感器，5、质子交换膜燃料电池单池，6、阳极出口分水器，7、阳极循环流量调节阀，8、阳极出口排氢阀，9、氢气循环泵，10、氢气质量流量计，11、空气储罐，12、空气进口阀，13、空气质量流量计，14、空气增湿水罐，15、增湿水罐温度传感器，16、恒温水浴温度传感器，17、恒温水浴锅，18、循环水阀，19、循环水泵，20、电池温度传感器，21、阴极出口压力传感器，22、空气出口分水罐，23、空气出口背压阀，24、电子负载，25、燃料电池控制器FCCU。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例。
实施例1
本实施例采用有效面积为50cm2的单节质子交换膜燃料电池作为研究对象，采用石墨板流场、涂有微孔层的碳纸构成的气体扩散层、阴阳极采用铂碳催化剂，其中铂催化剂担量分别为0.4mg/cm2和0.2mg/cm2的催化层，质子交换膜采用全氟磺酸质子交换膜(厚度约18um)，电池工作温度60℃，阴极化学计量比3.0，阴极增湿度80％RH，阳极氢气使用干气。
图1为本发明燃料电池阳极氢气控制装置概要示意图。包括氢气供应装置、燃料电池控制器FCCU和电子负载装置；氢气供应装置与燃料电池氢气进口相连，用于向燃料电池的阳极进气口通入氢气；电子负载装置与燃料电池相连，用于调节电池的输出电压和输出功率；燃料电池控制器FCCU的输入端与电子负载装置相连，输出端与氢气供应装置相连，依据预设的燃料电池实际工作电流与氢气计量比对应关系曲线，得到对应燃料电池工作电流为I-cell时的阳极氢气计量比，利于氢气计量比与氢气流量的流量关系式，将工作电流I-cell对应的氢气计量比转换成氢气流量，并将对应的氢气流量指令发送至所述氢气供应装置。
实施例1中应用燃料电池阳极氢气控制方法的燃料电池测试装置图，如图2所示。包括：氢气储罐1、阳极进口稳压阀2、阳极入口三通阀3、压力传感器4、质子交换膜燃料电池单池5、阳极出口分水器6、阳极循环流量调节阀7、阳极出口排氢阀8、氢气循环泵9、氢气质量流量计10、空气储罐11、空气进口阀12、空气质量流量计13、空气增湿水罐14、增湿水罐温度传感器15、恒温水浴温度传感器16、恒温水浴锅17、循环水阀18、循环水泵19、电池温度传感器20、阴极出口压力传感器21、空气出口分水罐22、空气出口背压阀23、电子负载24、燃料电池控制器FCCU25。
氢气储罐1、阳极进口稳压阀2、阳极入口三通阀3、压力传感器4、阳极循环流量调节阀7、氢气循环泵9、氢气质量流量计10组成氢气供应装置，用于向质子交换膜燃料电池的阳极进气口通入氢气；其中，氢气储罐1与阳极进口稳压阀2进口端连接，阳极进口稳压阀2出口端与阳极入口三通阀3的第一接口连接，阳极入口三通阀3的第二接口与氢气质量流量计10进口端连接，氢气质量流量计10出口端与质子交换膜燃料电池单池5的氢气入口连接；氢气质量流量计10与质子交换膜燃料电池单池5的连接管路上设置有压力传感器4，用于测量氢气入口压力；质子交换膜燃料电池单池5阳极出口与阳极出口分水器6进口端连接，用于排出质子交换膜燃料电池单池5阳极侧积累的液态水，防止液态水在循环管路和阳极流道中积累，阳极出口分水器6的出口端与阳极循环流量调节阀7进口端连接，阳极循环流量调节阀7出口端与氢气循环泵9的入口连接、氢气循环泵9出口与阳极入口三通阀3的第三接口连接，用于将未反应的氢气进行循环；阳极出口分水器6与阳极循环流量调节阀7之间设置有阳极出口排氢阀8，阳极出口排氢阀8开启时，能够排出所述质子交换膜燃料电池单池5中阳极内部累积的杂质气体。
电子负载24作为电子负载装置，用于调节燃料电池的工作电流，电子负载24与质子交换膜燃料电池单池5负载端连接。
燃料电池控制器FCCU25的输入端与电子负载24连接，输出端分别与氢气循环泵9和氢气质量流量计10连接，当改变电子负载24的负载电流后，依据预设的燃料电池实际工作电流与氢气计量比对应关系曲线，得到对应燃料电池工作电流为I-cell时的阳极氢气计量比，利于氢气计量比与氢气流量的流量关系式，将工作电流I-cell对应的氢气计量比转换成氢气流量，并将对应的氢气流量指令发送至所述氢气供应装置中的氢气循环泵9和氢气质量流量计10。
空气储罐11与空气进口阀12入口端连接，空气进口阀12出口直接与空气质量流量计13入口端连接，空气质量流量计13出口端与空气增湿水罐14进口连接，空气增湿水罐14中设置有增湿水罐温度传感器15用于监测增湿温度，空气增湿水罐14出口端与质子交换膜燃料电池单池5的空气进口相连，质子交换膜燃料电池单池5的空气出口与空气出口分水罐22进口连接，空气出口分水罐22出口与空气出口背压阀23连接，空气出口分水罐22与空气出口背压阀23连接管路上设有阴极出口压力传感器21，用于检测空气侧的压力，通过以上部件的联合使用可以向质子交换膜燃料电池阴极提供空气并调控空气侧的操作参数。
恒温水浴锅17与循环水阀18连接，循环水阀18与循环水泵19入口连接，循环水泵19出口与质子交换膜燃料电池5连接，用于控制燃料电池工作温度，恒温水浴锅17中设置有恒温水浴温度传感器16用于控制恒温水浴锅17工作温度。
电池温度传感器20插在质子交换膜燃料电池单池5中，用于监测质子交换膜燃料电池单池5的工作温度。
实施例1的装置的工作方法如下：
(1)分别测量质子交换膜燃料电池单池5在氢气计量比测试点为1.5、2.0、2.5时，电流密度标定点为200mA/cm2、500mA/cm2、800mA/cm2的电压变化，选择对应电流密度标定点下的最高电压时对应的氢气计量比为选定点；
(2)将所有工作电流标定点和氢气计量比选定点的对应数据拟合成曲线，确定质子交换膜燃料电池单池5在运行工况下的氢气计量比与负载电流密度的对应关系曲线；
(3)将确定好的氢气计量比与燃料电池工作电流的对应关系存储在燃料电池控制器FCCU25中；
(4)再次运行质子交换膜燃料电池单池5，设置初始氢气计量比为1，向质子交换膜燃料电池的阳极进气口供应氢气；
(5)改变燃料电池工作电流值，燃料电池控制器FCCU25对电子负载24输出的工作电流值进行采集，根据预先设定的氢气计量比与燃料电池工作电流之间的对应关系，计算出对应燃料电池工作电流值下的氢气计量比；
(6)燃料电池控制器FCCU25利于氢气计量比与氢气流量的流量关系式，将所需的氢气计量比换算成氢气流量，并将指令发送至所述氢气供应装置中的氢气循环泵9和氢气质量流量计10；
(7)通过调节氢气循环泵9的转速和氢气质量流量计10的流量控制，将氢气进气流量调整到燃料电池控制器FCCU25发送出的对应氢气流量，向质子交换膜燃料电池阳极进口通入氢气；
(8)定期打开阳极出口排氢阀8，排出所述质子交换膜燃料电池单池5的阳极内部累积的杂质气体。
图3为实施例1的燃料电池阳极排水速率和氢气计量比图，由图3可知，随着氢气计量比的增加阳极排水速率增加，说明增加氢气计量比可以增强电池的排水能力，缓解燃料电池的阳极水淹问题。
图4为实施例1的燃料电池电压和氢气计量比图，由图4可知在电流密度为200mA/cm2时，氢气计量比为1.5时电池电压最高；电流密度为500mA/cm2时，氢气计量比为2.0时电池电压最高；电流密度为800mA/cm2时，氢气计量比为2.5时电池电压最高，说明随着燃料电池工作电流密度的上升，最优的氢气计量比也在上升，这是由于在低电流密度时燃料电池内的生成水量较少，水淹对电池的影响较小，此时增加氢气计量比会使得电池内出现干燥现象，电池性能反而下降；随着电流密度的上升，燃料电池内的生成水量逐渐增加，水淹对电池的影响也在逐渐增加，此时需要增大氢气计量比，才能将更多的水带出电池。
图5实施例1的燃料电池氢气计量比和负载电流密度图(燃料电池工作电流密度mA/cm2＝燃料电池工作电流mA/燃料电池有效面积cm2)，由图5可以确定，在本实施例条件下的氢气计量比与燃料电池工作电流之间的关系为：氢气计量比＝(燃料电池工作电流密度+700)÷600，k＝1/600mA-1·cm2。
图6为实施例1的应用燃料电池阳极氢气控制方法的燃料电池性能图，曲线1为固定氢气计量比为2.0时测得的燃料电池性能变化；曲线2为应用图5计算得出的氢气计量比与燃料电池工作电流之间关系，控制氢气计量比随负载电流的增加而增加，测量出的燃料电池性能变化，通过对比曲线1和曲线2，可以明显地发现使用本发明的燃料电池阳极氢气控制方法可以提高燃料电池的性能。
以上，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明创造披露的技术范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种燃料电池阳极氢气控制方法，其特征在于，所述方法为：阳极氢气计量比根据燃料电池工作电流的变化而变化；
所述方法包括以下步骤：
（1）设置初始氢气计量比，向燃料电池的阳极进气口供应氢气；
（2）当燃料电池工作电流值变为I-cell时，根据预先拟合设定的氢气计量比与燃料电池工作电流之间的对应关系曲线，得出燃料电池工作电流值I-cell对应的氢气计量比；
（3）利于氢气计量比与氢气流量的流量关系式，将工作电流I-cell对应的氢气计量比转换成氢气流量；
（4）按照计算出的燃料电池工作电流值I-cell时对应的氢气流量向阳极供应氢气；
所述步骤（2）中，氢气计量比与燃料电池工作电流之间的对应关系曲线拟合方法为：
1）在燃料电池工作电流范围内自定义间隔分成多个标定点；
2）在燃料电池可供应氢气计量比范围内自定义分成多个测试点；
3）在每个标定点上记录燃料电池在不同氢气计量比测试点下的电压值，在每个工作电流标定点选取最大电压值对应的氢气计量比作为选定点；
4）将所有工作电流标定点和氢气计量比选定点的对应数据拟合成曲线后得到燃料电池实际工作电流与氢气计量比对应关系曲线；
所述步骤（3）中，氢气计量比与氢气流量的流量关系式为：氢气流量=氢气计量比×[燃料电池工作电流为I-cell×单位时间/(2×法拉第常数)]×氢气的摩尔体积。
2.根据权利要求1所述的阳极氢气控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，初始氢气计量比≥1。
3.根据权利要求1所述的阳极氢气控制方法，其特征在于，所述方法用于燃料电池阳极氢气直接排放模式或燃料电池阳极氢气循环模式。
4.根据权利要求1所述的阳极氢气控制方法，其特征在于，所述方法利用以下装置进行实现，所述装置包括：氢气供应装置、燃料电池控制器FCCU和电子负载装置；所述氢气供应装置与燃料电池氢气进口相连；所述电子负载装置与燃料电池负载端相连；所述燃料电池控制器FCCU的输入端与电子负载装置相连，输出端与氢气供应装置相连。
5.根据权利要求4所述的阳极氢气控制方法，其特征在于，所述氢气供应装置为氢气循环泵或喷射回流器。
6.根据权利要求4所述的阳极氢气控制方法，其特征在于，所述装置还包括质量流量计，所述质量流量计位于燃料电池的氢气进口。
7.根据权利要求4所述的阳极氢气控制方法，其特征在于，所述装置还包括排氢阀，所述排氢阀位于燃料电池的阳极出口。
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