CN114361517B - 一种燃料电池电堆阳极水管理控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池电堆阳极水管理控制系统及控制方法，所述燃料电池电堆包括设置在阳极的第一氢气流通口、第二氢气流通口，以及设置在阴极的空气进口和空气出口，所述控制系统包括设置在第一氢气流通口处的第一电磁阀、设置在第二氢气流通口处且并联设置的第二电磁阀和第三电磁阀，其中，所述第二电磁阀与氢气源连接，所述第一电磁阀和第三电磁阀同时打开或关闭，所述第二电磁阀和第三电磁阀最多只有一个是打开的。本发明使得燃料电池阳极流道内的水分布趋于平衡，从而增加燃料电池的可靠性和寿命。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆阳极水管理控制系统及控制方法。
背景技术
燃料电池堆是一种直接将燃料的化学能转化为电能的发电装置，具有功率密度高，无污染，噪声低等优点，具有广阔的应用前景。燃料电池可以分为质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融盐燃料电池、微生物燃料电池等。
燃料电池堆工作时，其内部发生了电化学反应。以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为例。以氢气作为燃料，PEMFC的电极反应如下所示：
阳极： H2→2H++2e-
阴极：0.5O2+2H++2e-→H2O
从电极反应可以看出，在PEMFC中阳极反应气体氢气通入阳极流道。反应气体通入电池后，在催化剂的作用下解离为质子和电子，质子通过质子交换膜到达电池的阴极，电子则经过集流板收集，对外电路做功；氧气通过气体扩散层到达阴极催化侧表面，在催化剂的作用下，氧气与通过质子交换膜的质子、外电路电子，结合生成水，放出大量热。
在此过程中为了保持电池堆的性能、可靠性以及寿命，电堆内部尤其是膜电极需要有一定的含水量，以保证膜良好的质子传导性，否则膜易脱水，皱缩严重，影响质子传导；同时水也不能太多，膜的含水量过多，水就会淹没电极，造成电极水淹。同时，燃料电池工作时其内部环境的水分布的不均匀性导致了燃料电池靠近入口部分电极容易失水干燥，导致局部内阻升高，靠近出口部分电极容易水淹，使得燃料电池电堆的性能、可靠性、寿命都受到影响。
为了解决上述问题，现有技术常采用在系统结构上采用增加氢气循环泵或引射器的方式。但采用氢气循环泵的方式有体积重量大、功耗大、成本高的缺点，采用引射器会限制电堆只能在固定工况下才能正常工作，并且两种方式都只能单向循环，并未从根本上解决燃料电池电堆内部水分布不均的问题，对稳定性以及可靠性有较大影响。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种成本低且能有效避免水淹现象的电堆阳极水管理控制系统。
本申请之目的还在于提供一种燃料电池电堆阳极水管理控制方法。
为了实现本发明之目的，本申请提供以下技术方案。
在第一方面中，本申请提供一种燃料电池电堆阳极水管理控制系统，所述燃料电池电堆包括设置在阳极的第一氢气流通口、第二氢气流通口，以及设置在阴极的空气进口和空气出口，所述控制系统包括设置在第一氢气流通口处的第一电磁阀、设置在第二氢气流通口处且并联设置的第二电磁阀和第三电磁阀，其中，所述第二电磁阀与氢气源连接，正常工作时，所述第一电磁阀和第三电磁阀同时打开，调整时，第三电磁阀关闭，同时第二电磁阀打开，经过0.3~1s后，第一电磁阀关闭。本申请的控制系统在调整时（即当燃料电池电堆出现水淹现象时），第一电磁阀和第二电磁阀在转换过程中，应同时打开0.3~1s，避免因电磁阀响应速度问题导致电堆欠气，优选为0.5s。
在第一方面的一种实施方式中，所述燃料电池电堆设有内阻测试单元及输出电压测试单元。本申请的内阻测试单元选用交流阻抗仪，电压测试单元选用电压表，之所以要安装这两种测试仪器，是因为电堆发生水淹有两种情况，第一种为电堆流道内发生水淹，该现象出现时，电堆流道会被流动的冷却液堵塞，其电压会随着冷却液的流动不断发生波动。第二种情况为电堆的催化层内发生水淹，交流阻抗仪测试出的电堆内阻一般认为只能测试欧姆内阻，或者说只能测试质子交换膜的干湿程度，当电堆发生水淹时，质子交换膜的内阻不免会因为其干湿程度的变化发生降低。
在第一方面的一种实施方式中，所述控制系统包括控制器，所述控制器与所述内阻测试单元以及电压测试单元连接，所述控制器与第一电磁阀、第二电磁阀及第三电磁阀连接，且所述控制器基于所述内阻测试单元的信号控制第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀的开闭。通过控制器、内阻测试单元以及电压测试单元，可以及时监控燃料电池电堆内部水的多少，并及时自动化的进行电磁阀的切换，消除水淹现象的出现。
在第一方面的一种实施方式中，所述控制器为PLC控制器或单片机。
在第一方面的一种实施方式中，所述氢气源进入燃料电池电堆的压力比燃料电池电堆内部压力高，一般不超过150KPa。
在第二方面，本申请还提供一种利用如上所述控制系统进行的燃料电池电堆阳极水管理控制方法，所述控制方法包括如下过程：
（1）燃料电池电堆正常运行时，打开第一电磁阀和第三电磁阀，关闭第二电磁阀，氢气经过第一电磁阀后从第一氢气流通口进入燃料电池电堆，未完全反应的氢气从第二氢气流通口离开燃料电池电堆，并经第三电磁阀排出；在该状态下，氢气从第一氢气流通口进入电堆内部，空气从空气进口进入电堆内部，氢气和氧气接触后释放电能，并产生水。由于阳极并未增湿，因此，氢气入口处的湿度较低，形成干区，氢气出口处的湿度较高，形成干区。由于电堆内干湿分布不均匀，导致燃料电池靠近入口部分容易失水干燥，导致局部内阻升高；靠近出口部分电极容易水淹。
（2）当燃料电池电堆出现水淹预警时，关闭第三电磁阀，同时打开第二电磁阀，氢气源输送氢气，经第二电磁阀后从第二氢气流通口进入燃料电池电堆；在该状态下，通过反向输入氢气源，使得燃料电池电堆内部的干湿区互换，从而使得电堆内部的水分分布更加均匀。这与传统的循环泵或者引射器只能单向循环相比，电堆内部的水分布能够更为均匀。
（3）0.3~1s之后，关闭第一电磁阀，氢气源继续输送氢气，持续一段时间；该操作避免因电磁阀响应速度问题导致电堆欠气，优选为0.5s。
（4）关闭第二电磁阀，然后打开第一电磁阀和第三电磁阀，燃料电池电堆恢复过程（1）的状态。
在第二方面的一种实施方式中，所述水淹预警为所述燃料电池电堆的输出电压出现波动；或者所述燃料电池电堆的内阻出现下降。在本申请中，电压出现波动是指电压在一定范围内（单片0.1~0.3V）来回波动；内阻出现下降是指在5s内内阻持续下降，或者内阻下降为正常值的80%以下。
在第二方面的一种实施方式中，过程（2）持续的时间为1~10s，具体时间按照电堆电压变化以及电堆内阻值与正常运行下的内阻值变化来确定。
在第二方面的一种实施方式中，所述氢气源输送的氢气量为燃料电池电堆在持续时间内消耗的氢气量的1.5~2.5倍。即计算如下：若燃料电池电堆在正常运行时，1s内氢气的消耗量为L，所谓的氢气消耗量是指与氧气反应生成水的氢气量，则氢气源的输送流量为1.5L~2.5L/s。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
（1）系统功耗小；
（2）成本低，只需要更换电磁阀；
（3）控制策略简单；
（4）减少体积，节省空间，提高了燃料电池堆系统功率密度；
（5）电堆内部阳极流道内的水双向循环，使得水分布更为均匀，解决了燃料电池靠近入口部分电极容易失水干燥，靠近出口部分电极容易水淹的问题。
附图说明
图1为现有的燃料电池电堆结构示意图。
图2为本申请的燃料电池电堆结构示意图。
图3为实施例1和对比例1中燃料电池性能测试对比图。
在附图中，1为燃料电池电堆，2为阳极，3为阴极，4为第一氢气流通口，5为第二氢气流通口，6为第一电磁阀，7为第三电磁阀，8为空气进口，9为空气出口，10为第四电磁阀，11为氢气源，12为第二电磁阀。
具体实施方式
除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。
以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明的实施方式进行修改和替换，所得实施方式也在本发明的保护范围之内。
传统的燃料电池电堆如图1所示，包括阴极3和阳极2，在阳极2设置第一氢气流通口4和第二氢气流通口5，其中，第一氢气流通口4作为氢气入口，第二氢气流通口5作为氢气出口，并分别设置第一电磁阀6和第三电磁阀7。在阴极3设置空气进口8和空气出口9，并在空气进口8处设置第四电磁阀10。燃料电池电堆1正常运行时，氢气从第一氢气流通口4进入电堆内部，空气从空气进口8进入电堆内部，氢气和氧气接触后释放电能，并产生水。由于阳极2并未增湿，因此，氢气入口处的湿度较低，形成干区，氢气出口处的湿度较高，形成干区。由于电堆内干湿分布不均匀，导致燃料电池靠近入口部分容易失水干燥，导致局部内阻升高；靠近出口部分电极容易水淹，使得燃料电池电堆1的性能、可靠性、寿命都降低。
实施例
下面将对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种燃料电池电堆1阳极2水管理控制系统，其结构如图2所示，燃料电池电堆1包括设置在阳极2的第一氢气流通口4、第二氢气流通口5，以及设置在阴极3的空气进口8和空气出口9，在第一氢气流通口4处设置第一电磁阀6，在第二氢气流通口5处并联设置有第二电磁阀12和第三电磁阀7，其中，第二电磁阀12与氢气源11连接，第一电磁阀6和第三电磁阀7同时打开或关闭，第二电磁阀12和第三电磁阀7最多只有一个是打开的。阴极3设置空气进口8和空气出口9，并在空气进口8处设置第四电磁阀10。
在本申请中，燃料电池电堆1内还设有内阻测试装置、电压测试装置和PLC控制器（图上未显示），其中，内阻测试装置用于测试燃料电池电堆1内的内阻，电压测试装置用于检测燃料电池电堆的输出电压，PLC控制器接收内阻测试装置的信号，并控制第一电磁阀6、第二电磁阀12和第三电磁阀7的开闭。燃料电池活性面积为300cm2，节数为20节。具体操作如下：
正常状态下，第四电磁阀10始终处于打开状态，PLC控制器控制第一电磁阀6、第三电磁阀7打开，燃料电池电堆1正常工作。当内阻测试装置检测到燃料电池电堆1的内阻降低，或者电压测试装置检测到燃料电池电堆的输出电压出现波动时，PLC控制器接收信号并控制第三电磁阀7关闭，第二电磁阀12打开，0.5s之后控制第一电磁阀6关闭，1~10秒后（具体根据内阻测试装置及电压测试装置的测试值恢复正常值为准），PLC控制器控制第二电磁阀12关闭，控制第一电磁阀6和第三电磁阀7打开，燃料电池电堆1恢复正常工作状态。
经实际验证，通过本申请所公开的控制系统和控制方法，燃料电池电堆的效率与使用氢气循环泵的状态下相差不大，并且由于其双向进气的原理能够更好的实现燃料电池堆内水分布的均匀性。
对比例1
采用如图1所示燃料电池系统，且燃料电池电堆内部结构与实施例1相同，具有相同的内阻测试装置、电压测试装置和PLC控制器，活性面积为300cm2，节数为20节。正常状态下，第四电磁阀10始终处于打开状态，PLC控制器控制第一电磁阀6、第三电磁阀7打开，氢气从第一氢气流通口4进入，从第二氢气流通5口排出，燃料电池电堆1正常工作。当内阻测试装置检测到燃料电池电堆1的内阻降低，或者电压测试装置检测到燃料电池电堆的输出电压出现波动时，氢气输送方向调换，即氢气从第二氢气流通口5进入，第一氢气流通口4停止通入氢气，也同样起到干湿调换的目的。即通过改变电堆进气方向，变相增加循环量，解决阳极入口湿度低同时出口水淹的问题。与此同时，氢气从原电堆出口侧进气时，氢气的流向是自下而上的，这种流向的情况下阳极无法实现排水，因此堵住了阳极的上排气口，在氢气流入方向是自下而上时，整个装置不排气。
将实施例1与对比例1的电堆性能进行测试，结果如图3所示：
由图3可知，采用对比例1所述调节方式，电堆输出性能电压出现大幅下降并伴随着剧烈波动，即燃料电池内部你可能发生水淹情况。由此可知，在下侧接口的位置进气时间要短，只需使电堆实现水平衡即可，并且不能从上侧排气。
上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都在本申请的范围之内。
Claims (7)
1.一种燃料电池电堆阳极水管理控制系统，所述燃料电池电堆包括设置在阳极的第一氢气流通口、第二氢气流通口，以及设置在阴极的空气进口和空气出口，其特征在于，所述控制系统包括设置在第一氢气流通口处的第一电磁阀、设置在第二氢气流通口处且并联设置的第二电磁阀和第三电磁阀，所述燃料电池电堆设有内阻测试单元、输出电压测试单元以及控制器，所述控制器与所述内阻测试单元及电压测试单元连接，所述控制器与第一电磁阀、第二电磁阀及第三电磁阀连接，且所述控制器基于所述内阻测试单元以及电压测试单元的信号控制第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀的开闭，其中，所述第二电磁阀与氢气源连接，正常工作时，控制器控制所述第一电磁阀和第三电磁阀同时打开，调整时，控制器控制第三电磁阀关闭，同时控制第二电磁阀打开，经过0.3～1s后，控制第一电磁阀关闭。
2.如权利要求1所述的燃料电池电堆阳极水管理控制系统，其特征在于，所述控制器为PLC控制器或单片机。
3.如权利要求1所述的燃料电池电堆阳极水管理控制系统，其特征在于，所述氢气源进入燃料电池电堆的压力比燃料电池电堆内部压力高。
4.一种利用如权利要求1～3任一所述控制系统进行的燃料电池电堆阳极水管理控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下过程：
(1)燃料电池电堆正常运行时，打开第一电磁阀和第三电磁阀，关闭第二电磁阀，氢气经过第一电磁阀后从第一氢气流通口进入燃料电池电堆，未完全反应的氢气从第二氢气流通口离开燃料电池电堆，并经第三电磁阀排出；
(2)当燃料电池电堆出现水淹预警时，关闭第三电磁阀，同时打开第二电磁阀，氢气源输送氢气，经第二电磁阀后从第二氢气流通口进入燃料电池电堆；
(3)0.3～1s之后，关闭第一电磁阀，氢气源继续输送氢气，持续一段时间；
(4)关闭第二电磁阀，然后打开第一电磁阀和第三电磁阀，燃料电池电堆恢复过程(1)的状态。
5.如权利要求4所述的燃料电池电堆阳极水管理控制方法，其特征在于，所述水淹预警为所述燃料电池电堆的输出电压出现波动；或者所述燃料电池电堆的内阻出现下降。
6.如权利要求4所述的燃料电池电堆阳极水管理控制方法，其特征在于，过程(3)持续的时间为1～10s。
7.如权利要求4所述的燃料电池电堆阳极水管理控制方法，其特征在于，所述氢气源输送的氢气量为燃料电池电堆在持续时间内消耗的氢气量的1.5～2.5倍。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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