CN114284523B - 一种可控露点温度的燃料电池阳极循环路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可控露点温度的燃料电池阳极循环路及其控制方法，可控露点温度的燃料电池阳极循环路包括与燃料电池电堆的阳极出口相连的回氢管路、和供氢瓶相连的新氢管路、与燃料电池电堆的阳极入口相连的混氢管路、散热器、分水器、氢气循环泵、露点传感器、温度传感器、以及控制器，回氢管路和新氢管路都与混氢管路相连，散热器、分水器和氢气循环泵先后安装在回氢管路上，露点传感器安装在位于分水器之后的回氢管路上，温度传感器安装在混氢管路上。本申请能通过散热器控制从分水器中流出的回氢的露点温度，使回氢的露点温度始终小于混氢管道中混氢的温度，避免回氢和新氢混合后发生冷凝，提高燃料电池的使用寿命。

Description

一种可控露点温度的燃料电池阳极循环路及其控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种可控露点温度的燃料电池阳极循环路及其控制方法。

背景技术

众所周知，燃料电池通过氧气和氢气反应后在阴极侧生成反应水，这些水部分通过膜电极渗透到阳极、并流到燃料电池电堆的阳极出口，从而进入连接在燃料电池电堆的阳极出口与燃料电池电堆的阳极入口之间的循环路中。燃料电池阳极循环路中通常配置有分水器和氢气循环泵；通过提高分水器的分水效率能够使分水器的出口处没有液态水，也就避免液态水在氢气循环泵的作用下回流到燃料电池电堆的阳极入口。但是，燃料电池阳极循环路中会通入新氢，新氢(常温干太氢气)和回氢(高温高湿氢气)混合后极容易冷凝，由此产生冷凝水，冷凝水会堆积在燃料电池电堆的阳极入口，导致燃料电池被水淹，也就极容易使得燃料电池电堆被损坏。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可控露点温度的燃料电池阳极循环路及其控制方法，能够避免新氢和回氢混合发生冷凝。

为实现上述目的，本发明提供一种可控露点温度的燃料电池阳极循环路，用于连接在燃料电池电堆的阳极出口与阳极入口之间，所述燃料电池阳极循环路包括一端与燃料电池电堆的阳极出口相连的回氢管路、一端用于和供氢瓶相连的新氢管路、一端与燃料电池电堆的阳极入口相连的混氢管路、散热器、分水器、氢气循环泵、露点传感器、温度传感器、以及控制器，所述回氢管路的另一端和新氢管路的另一端都与混氢管路的另一端相连，所述散热器、分水器和氢气循环泵都安装在回氢管路上、且沿回氢管路中的回氢流向依次排布，所述露点传感器安装在位于分水器之后的回氢管路上，所述温度传感器安装在混氢管路上，所述散热器、露点传感器和温度传感器都与控制器通讯连接。

进一步地，所述露点传感器安装在分水器和氢气循环泵之间的这段回氢管路上。

进一步地，所述散热器集成在分水器的入口端处。

进一步地，所述散热器包括容回氢管路穿过的内部通道、设在内部通道外周的扇叶、以及驱动扇叶转动的散热驱动源，所述散热驱动源与控制器通讯连接。

进一步地，所述散热器包括设置在回氢管路外周侧的散热水路、以及安装在散热水路上的循环泵，所述循环泵与控制器通讯连接。

本申请还提供一种上述可控露点温度的燃料电池阳极循环路的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

S1、所述露点传感器测量从分水器出口处流出的回氢的露点温度、并将该回氢的露点温度发送给控制器，所述温度传感器测量流入燃料电池电堆的阳极入口的混氢的温度、并将该混氢的温度发送给控制器，所述混氢由回氢管路中流出的回氢和新氢管路中流出的新氢混合而成；

S2、所述控制器根据露点传感器反馈的回氢的露点温度与温度传感器反馈的混氢的温度的比对值进行下述控制：

S21、当所述控制器判断混氢的温度大于等于回氢的露点温度时，所述控制器使散热器的散热功率不变；

S22、当所述控制器判断混氢的温度小于回氢的露点温度时，所述控制器使散热器的散热功率增加，降低从所述分水器中流出的回氢的露点温度，直至该回氢的露点温度小于混氢的温度。

进一步地，所述步骤S2中，当所述控制器判断混氢的温度小于回氢的露点温度时，所述控制器调节散热器的散热功率，调节燃料电池电堆的阳极入口处混氢的湿度。

进一步地，所述控制器使散热器的散热功率增加时，降低燃料电池电堆的阳极入口处混氢的湿度。

如上所述，本发明涉及的可控露点温度的燃料电池阳极循环路及其控制方法，具有以下有益效果：

本申请能根据露点传感器反馈的回氢的露点温度与温度传感器反馈的混氢的温度来控制散热器的散热功率，进而控制露点传感器所获取的从分水器中流出的回氢的露点温度，由此可靠地保证从回氢管道中流出的回氢的露点温度始终小于混氢管道中混氢的温度，也就可靠地避免回氢和新氢混合后发生冷凝，进而从根源上杜绝冷凝水的形成，也就不会发生冷凝水堆积在燃料电池电堆的阳极入口、水淹燃料电池等现象，提高燃料电池的使用寿命。

附图说明

图1为本申请中可控露点温度的燃料电池阳极循环路的结构示意图。

元件标号说明

10 燃料电池电堆

101 阳极出口

102 阳极入口

20 回氢管路

30 新氢管路

40 混氢管路

50 散热器

60 分水器

70 氢气循环泵

80 减压阀

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书附图所绘的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本申请提供一种可控露点温度的燃料电池阳极循环路，用于连接在燃料电池电堆10的阳极出口101与阳极入口102之间。如图1所示，本申请涉及的燃料电池阳极循环路包括一端与燃料电池电堆10的阳极出口101相连的回氢管路20、一端用于和供氢瓶相连的新氢管路30、一端与燃料电池电堆10的阳极入口102相连的混氢管路40、散热器50、带有排水阀的分水器60、氢气循环泵70、露点传感器、温度传感器、以及控制器，回氢管路20的另一端和新氢管路30的另一端都与混氢管路40的另一端相连，散热器50、分水器60和氢气循环泵70都安装在回氢管路20上、且沿回氢管路20中的回氢流向依次排布，露点传感器安装在位于分水器60之后的回氢管路20上，温度传感器安装在混氢管路40上，散热器50、露点传感器和温度传感器都与控制器通讯连接。

上述可控露点温度的燃料电池阳极循环路中：燃料电池电堆10的阳极出口101处流出回氢，回氢为高温高湿氢气，该回氢流入回氢管路20中，并依次经过散热器50、分水器60和氢气循环泵70后流入混氢管路40中；同时，供氢瓶供给新氢，新氢为常温干太氢气，新氢经新氢管路30流入混氢管路40中。如此，从回氢管路20中流出的回氢与从新氢管路30中流出的新氢在混氢管路40中混合后流入燃料电池电堆10的阳极入口102，即混氢管路40中的氢气为回氢管路20中流出的回氢和新氢管路30中流出的新氢混合后的混氢。

进一步地，从燃料电池电堆10的阳极出口101处流出的高温高湿氢气会依次被散热器50散热降温、被分水器60分水、以及被氢气循环泵70做功，因而回氢管路20中不同管道段中回氢的温度和露点温度具有下述特性。

1、连接在燃料电池电堆10的阳极出口101与散热器50之间的这段回氢管路20中的回氢：将该回氢的温度定义为第一温度T1，将该回氢的露点温度定义为第一露点温度Td1；该处的回氢是从燃料电池电堆10的阳极出口101流出的100％的高温高湿氢气、且含有液态水；因此，该处回氢的T1＝Td1。

2、连接在分水器60与氢气循环泵70之间的这段回氢管路20中的回氢：将该回氢的温度定义为第二温度T2，将该回氢的露点温度定义为第二露点温度Td2；该处的回氢先被散热器50散热降温、再被分水器60分水，回氢的相对湿度仍为100％；因此，该处回氢的T2＝Td2，但在散热器50的作用下使T2＜T1。

3、连接在氢气循环泵70与混氢管路40之间的这段回氢管路20中的回氢：将该回氢的温度定义为第三温度T3，将该回氢的露点温度定义为第三露点温度Td3；该处的回氢被氢气循环泵70做功，故回氢会被加热，但该过程中氢气没有冷凝，故露点温度不变；因此，该处回氢的Td3＝Td2，但在氢气循环泵70的作用下使T3＞T2。

因此，流入混氢管路40中回氢的露点温度为第三露点温度Td3或第二露点温度Td2：Td3＝Td2＝T2，其直接受散热器50的影响：散热器50的散热功率减小，则降温作用变小，第二露点温度Td2和第三露点温度Td3会升高；散热器50的散热功率增加，则降温作用变大，第二露点温度Td2和第三露点温度Td3会降低。因此，通过散热器50给回氢降温，能够控制从分水器60出口处流出的回氢的露点温度，使得流入混氢管道中的回氢的露点温度可控。

4、混氢管路40中的混氢：将该混氢的温度定义为第四温度T4，将该混氢的露点温度定义为第四露点温度Td4。新氢管路30的新氢：将该新氢的温度定义为第五温度T5。

本申请还提供一种上述可控露点温度的燃料电池阳极循环路的控制方法，该控制方法包括以下步骤：

S1、露点传感器测量从分水器60出口处流出的回氢的露点温度、并将该回氢的露点温度发送给控制器，即露点传感器获取上述第二露点温度Td2、或第三露点温度Td3；本实施例中，露点传感器获取上述第二露点温度Td2，则露点传感器安装在分水器60和氢气循环泵70之间的这段回氢管路20上。温度传感器测量流入燃料电池电堆10的阳极入口102的混氢的温度、并将该混氢的温度发送给控制器，即第二露点传感器获取上述第四温度T4。

S2、控制器根据露点传感器反馈的回氢的第二露点温度Td2与温度传感器反馈的混氢的第四温度T4的比对值进行下述控制：

S21、情况一：当控制器判断混氢的第四温度T4大于等于回氢的第二露点温度Td2时，新氢和回氢混合过程中没有产生降温冷凝，也就不会产生冷凝水，第四露点温度Td4≈第二露点温度Td2，则控制器使散热器50的散热功率不变，散热器50保持当前散热功率；

S22、情况二：当控制器判断混氢的第四温度T4小于回氢的第二露点温度Td2时，控制器使散热器50的散热功率增加、变大，提高散热器50对回氢的降温效果，进而降低从分水器60中流出的回氢的第二温度T2；由于第二温度T2＝第二露点温度Td2＝第三露点温度Td3，也就降低回氢的第二露点温度Td2，直至该回氢的第二露点温度Td2小于混氢的第四温度T4，变成步骤S21中的情况一，避免因回氢的第二露点温度Td2大于混氢的第四温度T4而导致新氢和回氢混合过程中因降温冷凝而产生冷凝水的情况。该控制方法也使得燃料电池电堆10的阳极入口102的氢气湿度可调：RH＝f(Td4，T4)，即当控制器判断混氢的温度小于回氢的露点温度时，控制器调节散热器50的散热功率，调节混氢的湿度。特别是，控制器使散热器50的散热功率增加时，降低从分水器60中流出的回氢的第二温度T2，由此降低燃料电池电堆10的阳极入口102处混氢的湿度。

因此，本申请在燃料电池阳极循环路中设有控制回氢温度的散热器50，根据露点传感器反馈的回氢的露点温度与温度传感器反馈的混氢的温度来控制散热器50的散热功率，也即根据混氢的温度来控制从分水器60中流出的回氢的露点温度，可靠地保证从回氢管道中流出的回氢的露点温度始终小于混氢管道中混氢的温度，也就可靠地避免回氢和新氢混合后发生冷凝，进而从根源上杜绝冷凝水的形成，也就不会发生冷凝水堆积在燃料电池电堆10的阳极入口102、水淹燃料电池等现象，提高燃料电池的可靠性和使用寿命。

优选地，散热器50与分水器60可以为两个独立的部件，也可以合并为一个部件；本实施例中，散热器50集成在分水器60的入口端处。散热器50优选有下述两个实施例：一、散热器50为风扇，则散热器50包括容回氢管路20穿过的内部通道、设在内部通道外周的扇叶、以及驱动扇叶转动的散热驱动源，散热驱动源与控制器通讯连接，散热驱动源驱动扇叶转动，由此对回氢管路20中的回氢进行降温散热；二、散热器50包括设置在回氢管路20外周侧的散热水路、以及安装在散热水路上的循环泵，散热水路可以为蛇形，循环泵与控制器通讯连接，散热水路与回氢管路20进行冷热交换，由此对回氢管路20中的回氢进行降温散热。使用风扇或散热水路给回氢降温，简单易实现，成本低。

进一步地，如图1所示，燃料电池阳极循环路还包括减压阀80，减压阀80安装在新氢管路30上，控制新氢的流量，调控混氢的第四温度T4。燃料电池阳极循环路在新氢管路30上设置有压力传感器、氢气组分检测器、以及流量传感器，用于分别测量该处新氢管路30中的新氢压力、新氢组分和新氢流量；燃料电池阳极循环路在氢气循环泵70处设置有压力传感器、氢气组分检测器、以及流量传感器，用于分别测量该处回氢管路20中的回氢压力、回氢组分和回氢流量；通过获取这些数据来辅助计算经分水器60分水后的回氢的第二露点温度Td2。

进一步地，燃料电池阳极循环路还可以包括下述多个露点传感器和温度传感器：在位于燃料电池电堆10的阳极出口101与散热器50之间的这段回氢管路20上设置露点传感器和温度传感器，用于分别获取第一露点温度Td1和第一温度T1；在位于分水器60与氢气循环泵70之间的这段回氢管路20上设置温度传感器，用于获取第二温度T2；在位于氢气循环泵70与混氢管路40之间的这段回氢管路20上设置露点传感器和温度传感器，用于分别获取第三露点温度Td3和第一温度T3；在混氢管路40上设置露点传感器，用于获取第四露点温度Td4；在新氢管路30上设置温度传感器，用于获取第五温度T5。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种可控露点温度的燃料电池阳极循环路的控制方法，所述燃料电池阳极循环路用于连接在燃料电池电堆（10）的阳极出口（101）与阳极入口（102）之间，其特征在于：所述燃料电池阳极循环路包括一端与燃料电池电堆（10）的阳极出口（101）相连的回氢管路（20）、一端用于和供氢瓶相连的新氢管路（30）、一端与燃料电池电堆（10）的阳极入口（102）相连的混氢管路（40）、散热器（50）、分水器（60）、氢气循环泵（70）、露点传感器、温度传感器、以及控制器，所述回氢管路（20）的另一端和新氢管路（30）的另一端都与混氢管路（40）的另一端相连，所述散热器（50）、分水器（60）和氢气循环泵（70）都安装在回氢管路（20）上、且沿回氢管路（20）中的回氢流向依次排布，所述露点传感器安装在位于分水器（60）之后的回氢管路（20）上，所述温度传感器安装在混氢管路（40）上，所述散热器（50）、露点传感器和温度传感器都与控制器通讯连接；

连接在所述阳极出口（101）与散热器（50）之间的这段回氢管路（20）中的回氢：将该回氢的温度定义为第一温度，将该回氢的露点温度定义为第一露点温度，第一温度与第一露点温度相等；

连接在所述分水器（60）与氢气循环泵（70）之间的这段回氢管路（20）中的回氢：将该回氢的温度定义为第二温度，将该回氢的露点温度定义为第二露点温度，第二温度与第二露点温度相等；

连接在所述氢气循环泵（70）与混氢管路（40）之间的这段回氢管路（20）中的回氢：将该回氢的露点温度定义为第三露点温度；

混氢管路（40）中的混氢：将该混氢的温度定义为第四温度；

第二露点温度、第三露点温度、以及流入混氢管路（40）中回氢的露点温度三者相等，且直接受散热器（50）的影响；

所述控制方法包括以下步骤：

S1、所述露点传感器测量从分水器（60）出口处流出的回氢的第二露点温度、并将该回氢的第二露点温度发送给控制器，所述温度传感器测量流入燃料电池电堆（10）的阳极入口（102）的混氢的第四温度、并将该混氢的第四温度发送给控制器，所述混氢由回氢管路（20）中流出的回氢和新氢管路（30）中流出的新氢混合而成；

S2、所述控制器根据露点传感器反馈的回氢的第二露点温度与温度传感器反馈的混氢的第四温度的比对值进行下述控制：

S21、当所述控制器判断混氢的第四温度大于等于回氢的第二露点温度时，所述控制器使散热器（50）的散热功率不变；

S22、当所述控制器判断混氢的第四温度小于回氢的第二露点温度时，所述控制器使散热器（50）的散热功率增加，降低从所述分水器（60）中流出的回氢的第二露点温度，直至该回氢的第二露点温度小于混氢的第四温度。

2.根据权利要求1所述的可控露点温度的燃料电池阳极循环路的控制方法，其特征在于：所述露点传感器安装在分水器（60）和氢气循环泵（70）之间的这段回氢管路（20）上。

3.根据权利要求1所述的可控露点温度的燃料电池阳极循环路的控制方法，其特征在于：所述散热器（50）集成在分水器（60）的入口端处。

4.根据权利要求1或3所述的可控露点温度的燃料电池阳极循环路的控制方法，其特征在于：所述散热器（50）包括容回氢管路（20）穿过的内部通道、设在内部通道外周的扇叶、以及驱动扇叶转动的散热驱动源，所述散热驱动源与控制器通讯连接。

5.根据权利要求1或3所述的可控露点温度的燃料电池阳极循环路的控制方法，其特征在于：所述散热器（50）包括设置在回氢管路（20）外周侧的散热水路、以及安装在散热水路上的循环泵，所述循环泵与控制器通讯连接。