CN114361525A - 燃料电池增湿系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池增湿系统及控制方法，能够缓解“膜干”的问题，提高燃料电池系统瞬变工况应对能力，提高了电堆性能和寿命。该系统包括：燃料电池电堆，设置有电堆阴极进口和电堆阴极出口；膜增湿器，包括湿度传感器、电控涡轮风扇、液态水喷射机构、干侧流道和湿侧流道；干侧流道与湿侧流道之间设置有加湿膜；湿度传感器设置于干空气出口处；液态水喷射机构设置于湿侧流道上；电控涡轮风扇设置于湿侧流道内；空压机，用于将干空气吹入干侧流道；增湿控制器，与湿度传感器、液态水喷射机构以及电控涡轮风扇均电连接，用于接收检测到的干空气出口的空气湿度，并发送控制信号。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池发动机增湿器技术领域，尤其涉及一种燃料电池增湿系统及控制方法。
背景技术
在质子交换膜燃料电池中，保持电解质膜合适的膜水含量，有助于维持较高的质子传导率，提高电池发电效率，延长膜的使用寿命。合适的膜水含量一般通过增湿器对进入电堆的干空气进行增湿来保持。从增湿方式角度增湿器可以分为内部增湿和外部增湿。相关技术中，主要采用外增湿器对电堆阴极进口的空气进行增湿。平板膜式增湿器是常见的一种外增湿器，其利用电堆阴极反应生成的湿热气体对进入电堆阴极的干燥气体进行增湿。然而，在燃料电池处于低电流密度，特别是启动阶段，或者急加速个瞬变工况下，增湿系统加湿效果差，极易发生“膜干”状况，降低燃料电池性能及寿命。
发明内容
为了解决上述技术问题的至少之一，本发明提出一种燃料电池增湿系统及控制方法，能够有效缓解“膜干”的问题，实现干侧流道内空气湿度的快速响应，提高燃料电池系统瞬变工况应对能力，从而提高了电堆性能和寿命。
第一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池增湿系统，包括：
燃料电池电堆，所述燃料电池电堆设置有电堆阴极进口和电堆阴极出口；
膜增湿器，所述膜增湿器包括湿度传感器、电控涡轮风扇、液态水喷射机构、干侧流道以及湿侧流道，所述干侧流道设置有干空气出口和干空气入口，所述湿侧流道设置有湿空气入口和湿空气出口，所述电堆阴极进口与所述干空气出口连接，所述电堆阴极出口与所述湿空气入口连接，所述湿空气出口用于排出所述湿侧流道内的尾气；所述干侧流道与所述湿侧流道内的空气对流，且所述干侧流道与所述湿侧流道之间设置有加湿膜；所述湿度传感器设置于所述干空气出口处，所述湿度传感器用于采集进入所述燃料电池电堆的空气湿度；所述液态水喷射机构设置于所述湿侧流道上，所述液态水喷射机构用于根据控制信号为所述湿侧流道内的空气提供水分；所述电控涡轮风扇设置于所述湿侧流道内，所述电控涡轮风扇用于将所述液态水喷射机构的液态水液滴破碎并吹入所述湿侧流道；
空压机，所述空压机用于将干空气吹入所述干侧流道；
增湿控制器，所述增湿控制器与所述湿度传感器、所述液态水喷射机构以及所述电控涡轮风扇均电连接，所述增湿控制器用于接收所述湿度传感器检测到的所述干空气出口的空气湿度，以及发送控制信号。
根据本发明的一种燃料电池增湿系统，至少具有如下有益效果：本发明提供的燃料电池增湿系统包括燃料电池电堆、膜增湿器、空压机以及增湿控制器。其中，燃料电池电堆设置有电堆阴极进口和电堆阴极出口。膜增湿器包括湿度传感器、电控涡轮风扇以及液态水喷射机构。同时，膜增湿器设置有干侧流道和湿侧流道。空压机与干侧流道的干空气入口连接，将干空气吹入干侧流道。干侧流道与湿侧流道之间设置有加湿膜，湿侧流道内的湿空气能够通过加湿膜，通过空气对流将水分传输给干侧流道内的干空气，实现干侧流道内空气的加湿。干侧流道的干空气出口与电堆阴极进口连接，将经过加湿的干侧流道内的空气传输到燃料电池阴极进行反应。经过反应后的湿尾气通过电堆阴极出口排出燃料电池外，电堆阴极出口与湿侧流道的湿空气入口连接，将湿尾气排出到湿侧流道。湿侧流道内的湿尾气通过加湿膜，在空气对流的作用下，为干侧流道内部的干空气进行加湿，然后湿侧流道内的湿尾气通过湿侧流道上的湿空气出口排出，从而实现了对干侧流道内干空气的加湿。进一步地，增湿控制器与湿度传感器、液态水喷射机构以及电控涡轮风扇均电连接。湿度传感器设置在干侧流道的干空气出口处，能够实时获取输入燃料电池的空气湿度，并反馈到增湿控制器。增湿控制器通过实时获取的输入燃料电池的空气湿度与期望的燃料电池处的空气湿度需求之间的距离，对液态水喷射机构和电控涡轮风扇发送控制信号，通过控制液态水喷射机构的输出以及电控涡轮风扇的转速，实现对干侧流道内空气湿度的调节。并且，通过湿度传感器、增湿控制器、液态水喷射机构以及电控涡轮风扇之间形成的控制闭环，能够实现干侧流道内空气湿度的快速响应，提高燃料电池系统瞬变工况应对能力，从而有效缓解“膜干”的问题，提高了电堆性能和寿命。
根据本发明的一些实施例，所述膜增湿器还包括：
进气阀，所述进气阀设置于所述湿侧流道的湿空气入口处，所述进气阀用于所述湿侧流道进行排水时提供气流；
排水阀，所述排水阀设置于所述湿侧流道出口处，用于排出所述湿侧流道内的液态水。
根据本发明的一些实施例，所述膜增湿器还包括：
膜增湿器壳体，所述膜增湿器壳体在所述排水阀处局部内凹，用于排出所述湿侧流道内的液态水。
根据本发明的一些实施例，所述液态水喷射机构包括：
集成水箱，所述集成水箱用于储存液态水；
传输导管，所述传输导管与所述集成水箱连接，用于传输所述集成水箱内的液态水；
加热模块，所述加热模块设置于所述传输导管上，用于加热所述传输导管内的液态水；
高压喷嘴，所述高压喷嘴的入水口与所述传输导管连接；所述高压喷嘴的出水口设置于所述湿侧流道内，用于将所述传输导管传输的液态水喷射到所述湿侧流道内。
根据本发明的一些实施例，所述集成水箱包括：
储水箱，所述储水箱用于存储液态水；
高压液轨，所述高压液轨与所述储水箱连接，用于传输高压的液态水；
微型泵，所述微型泵设置于所述高压液轨上，用于产生高压的液态水。
根据本发明的一些实施例，所述进气阀和所述排水阀均与所述增湿控制器电连接，所述增湿控制器通过电磁控制所述进气阀和所述排水阀的开关状态。
第二方面，本发明实施例还提供了一种燃料电池增湿控制方法，所述方法包括：
获取燃料电池电堆的湿度需求曲线；
获取湿度传感器采集到的实时空气湿度曲线，其中，所述湿度传感器设置于干空气出口处；
根据所述湿度需求曲线与所述实时空气湿度曲线之间的误差，控制液态水喷射机构的液态水输出以及电控涡轮风扇转速。
根据本发明的一些实施例，所述根据所述湿度需求曲线与所述实时空气湿度曲线之间的误差，控制液态水喷射机构的液态水输出以及电控涡轮风扇转速，包括：
根据所述湿度需求曲线与所述实时空气湿度曲线，计算得到所述液态水喷射机构的调节量以及电控涡轮风扇旋转速度；
根据所述调节量以及所述电控涡轮风扇旋转速度，控制所述液态水喷射机构调节液态水的输出，并调节所述电控涡轮风扇旋转速度。
根据本发明的一些实施例，所述计算得到所述液态水喷射机构的调节量以及电控涡轮风扇旋转速度，包括：
通过计算得到所述液态水喷射机构应调节的喷水量、水温以及电控涡轮风扇旋转速度。
根据本发明的一些实施例，所述方法还包括：
确定所述燃料电池电堆停机，控制进气阀和排水阀开启；
控制电控涡轮风扇开启，对湿侧流道内部进行吹扫。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的一种燃料电池增湿系统工作原理示意图；
图2是根据本发明实施例提供的一种燃料电池增湿系统框图；
图3是根据本发明实施例提供的一种燃料电池增湿系统中膜增湿器的三维结构图；
图4是图3中提供的膜增湿器三维结构图中AA处的放大剖视图；
图5是根据本发明实施例提供的自适应算法控制框图；
图6是根据本发明实施例提供的一种燃料电池增湿方法流程图；
图7是根据本发明实施例提供的另一种燃料电池增湿方法流程图；
图8是根据本发明实施例提供的另一种燃料电池增湿方法流程图；
图9是根据本发明实施例提供的另一种燃料电池增湿方法流程图。
具体实施方式
本申请实施例所描述的实施例不应视为对本申请的限制，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解,“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。
参照图1和图2，本发明的一个实施例提供了一种燃料电池增湿系统，包括：燃料电池电堆130、膜增湿器120、空压机110以及增湿控制器140。具体地，燃料电池电堆130设置有电堆阴极进口和电堆阴极出口。同时，膜增湿器120包括湿度传感器150、电控涡轮风扇122、液态水喷射机构121、干侧流道160以及湿侧流道170。其中，干侧流道160设置有干空气出口162和干空气入口161，湿侧流道170设置有湿空气入口171和湿空气出口172。燃料电池电堆130的电堆阴极进口与干侧流道160的干空气出口162连接，燃料电池电堆130的电堆阴极出口与湿侧流道170的湿空气入口171连接。相应地，空压机110的输出端与干侧流道160的干空气入口161连接，通过空压机110将干空气吹入膜增湿器120的干侧流道160。干空气在干侧流道160内流动的过程中，通过设置在干侧流道160与湿侧流道170之间的加湿膜180进行空气对流，实现将湿侧流道170内湿空气的水分扩散至干侧流道160内干空气，并且将湿侧流道170内的热量传输给干侧流道160内的干空气。经过加湿后的干侧流道160内的空气通过干侧流道160的干空气出口接入到燃料电池电堆130，然后反应后的湿热空气通过电堆阴极出口排进湿侧流道170内，并通过加湿膜180为干侧流道160内的干空气进行加湿，最后湿侧流道170内的湿空气从湿空气出口172排出。进一步地，在干侧流道160的干空气出口处设置有湿度传感器150，通过湿度传感器150对输出到燃料电池电堆130的空气湿度进行检测，并反馈到增湿控制器140中。增湿控制器140根据湿度传感器150反馈的空气湿度，向设置于湿侧流道170上的液态水喷射机构121发送控制信号，控制液态水喷射机构121喷射的液态水量。同时，增湿控制器140控制设置于湿侧流道170内的电控涡轮风扇122工作，通过控制电控涡轮风扇122的转速，将液态水喷射机构121喷射的液态水液滴破碎并吹入湿侧流道170，从而使得液态水喷射机构121喷射的液滴进一步细化，然后通过蒸发过程提高湿侧流道170内的空气湿度。经过加湿膜180与干侧流道160的空气对流，实现对干侧流道160内空气的加湿。
在上述具体实施例的工作过程中，通过空压机110将空气通过干空气入口161吹入膜增湿器120的干侧流道160内。然后，通过干侧流道160与湿侧流道170之间设置的加湿膜180，实现干侧流道160与湿侧流道170之间的空气对流，从而将湿侧流道170内湿空气的水分及热量传输到干侧流道160，提高干侧流道160内空气的湿度和热量。经过加湿的干侧流道160内空气通过干空气出口162导入燃料电池电堆130。进一步地，在燃料电池电堆130内进行反应后生成的湿热空气通过电堆阴极出口传输到湿侧流道170内。传输到湿侧流道170的湿热空气通过加湿膜180，与干侧流道160内的干空气实现对流，并且由于加湿膜180两侧压力差和浓度差，湿侧流道170内的水分子从湿侧流道170扩散到干侧流道160，同时也将热量传输至干侧流道160内的空气，实现对干侧流道160内空气的加湿。进一步地，通过设置在干空气出口162的湿度传感器150对导入燃料电池电堆130的空气湿度进行检测，并将得到的湿度数据反馈至增湿控制器140。增湿控制器140根据反馈的湿度数据，分别向液态水喷射机构121和电控涡轮风扇122发送控制信号。具体地，增湿控制器140首先根据湿度数据控制液态水喷射机构121调整液态水喷射机构121的液态水喷射量。同时，根据湿度数据以及液态水喷射量，调节电控涡轮风扇122的转速，使得电控涡轮风扇122能够将液态水喷射机构121喷射的液态水滴较完全地破碎，提高湿侧流道170内的湿度。并且电控涡轮风扇122形成的涡流相对于之前的层流能够提高湿空气在加湿膜180法向上的速度，经过加湿膜180水蒸气扩散，实现对干侧流道160内空气的加湿。通过湿度传感器150、增湿控制器140、液态水喷射机构121以及电控涡轮风扇122之间形成的控制闭环，能够实现干侧流道160内空气湿度的快速响应，有效缓解“膜干”的问题，提高燃料电池系统瞬变工况应对能力，从而提高了电堆性能和寿命。
参照图1，在本发明的一些实施例中，膜增湿器120还包括进气阀191和排水阀192。具体地，进气阀191设置于湿侧流道170的湿空气入口171处，排水阀192设置于湿侧流道出口处。相应地，排水阀192用于排出湿侧流道170内的液态水，进气阀191用于为湿侧流道排水时提供气流。由于燃料电池系统在长时间工作后会在电堆内、管道内留存液态水，而膜增湿器120直接与电堆阴极出口连接，导致湿侧流道170内部也会存留液态水。膜增湿器120中液态水主要集中在湿侧流道170内，干侧流道160的水分主要由加湿膜180扩散过来，其含水量相对较少，所以在低于零度以下的严寒地区，湿侧流道170内留存的液态水将结冰覆盖加湿膜180，在启动阶段阻碍水蒸气跨膜传输，降低加湿效果。相应地，在湿侧流道170的湿空气入口处设置进气阀191，在湿侧流道170的湿空气出口172处设置排水阀192。在燃料电池增湿系统正常工作的过程中，进气阀191和排水阀192关闭，无气体从进气阀191流入，也无液体从排水阀192排出。当燃料电池电堆130停机后，打开进气阀191和排水阀192，然后控制电控涡轮风扇工作，对湿侧流道170内部进行吹扫。通过电控涡轮风扇122将湿侧流道170内存留的液态水从排水阀192排出，缓解了低温冷启动的工况下，湿侧流道170内存留的液态水结冰覆盖于加湿膜，阻碍水蒸气跨膜传输导致加湿效果降低的问题。
需要说明的是，进气阀191设置在湿侧流道170的湿空气入口171与电控涡轮风扇122之间，且为过滤环境空气中的有害粒子，进气管路上还布置有小型化学过滤器。排水阀192设置于靠近湿侧流道170的湿空气出口处。当燃料电池电堆130停机后，进气阀191和排水阀192打开，电控涡轮风扇122开启，并以最大转速对湿侧流道170内部进行周期性吹扫，从而实现将湿侧流道170内存留的液态水从排水阀192排出。
参照图3，在本发明的一些实施例中，膜增湿器120还包括膜增湿器壳体340。具体地，膜增湿器壳体340在排水阀192处局部内凹，便于湿侧流道170内的液态水排出。当燃料电池电堆130停机后，进气阀191和排水阀192打开，然后控制电控涡轮风扇122工作，将湿侧流道170内存留的液态水吹向排水阀。由于膜增湿器壳体340在排水阀192处局部内凹，吹向排水阀192的液态水能够顺着膜增湿器壳体340内凹处流到排水阀192，并排出膜增湿器120。通过膜增湿器壳体340在排水阀192处局部内凹的设置，能够便于湿侧流道170内的液态水排出。
根据本发明的一些实施例，进气阀191和排水阀192均与增湿控制器140电连接，增湿控制器140通过电磁控制进气阀191和排水阀192的开关状态。具体地，进气阀191和排水阀192均为电磁阀，且进气阀191和排水阀192均与增湿控制器140电连接，从而增湿控制器140能够分别对进气阀191和排水阀192发送控制信号，控制进气阀191和排水阀192的开关状态。当燃料电池电堆130停机后，增湿控制器140控制进气阀191和排水阀192打开。进一步地，控制电控涡轮风扇122工作，对湿侧流道170内部进行吹扫，从而实现将湿侧流道170内留存的液态水排出湿侧流道170，缓解了低温冷启动时，存留的液态水结冰覆盖在加湿膜180上，使得加湿效果降低的问题。
参照图3和图4，在本发明的一些实施例中，液态水喷射机构121包括：集成水箱330、传输导管310、加热模块320以及高压喷嘴420。具体地，集成水箱330用于存储液态水。传输导管310用于将集成水箱330与高压喷嘴420连接，传输导管310一端与集成水箱330连接，另一端与高压喷嘴420的入水口连接，能够将集成水箱330内储存的液态水传输到高压喷嘴420，并通过高压喷嘴420喷射至湿侧流道170内部。其中，高压喷嘴420的出水口设置于湿侧流道170内，能够将传输导管310传输的液态水喷射到湿侧流道170内。同时，加热模块320设置在传输导管310上，用于加热传输导管310内传输的液态水。在上述具体实施例工作过程中，通过湿度传感器150采集干空气出口162处的空气湿度，并将采集到的空气湿度数据发送到增湿控制器140进行相应处理。增湿控制器140根据接收到的空气湿度数据进行相应的计算后，分别向液态水喷射机构121和电控涡轮风扇122发送控制信号。液态水喷射机构121内集成水箱330储存的去离子水被抽出，经过加热模块320加热，并且通过控制加热模块320功率使水温达到预设值。进一步地，加热后的去离子水经过传输导管310传输，由高压喷嘴420的出水口喷入湿侧流道170的湿空气入口处。同时，控制电控涡轮风扇122以预设的转速工作，将高压喷嘴420喷射的小液滴进一步破碎并形成涡流，提高湿侧流道170的空气湿度，经过加湿膜180扩散，水分子从湿侧流道170传输到干侧流道160，实现对干侧流道160内空气的加湿。
根据本发明的一些实施例，集成水箱330包括：储水箱、高压液轨以及微型泵。具体地，储水箱用于存储液态水。其中，存储的液态水采用去离子水，满足燃料电池对进入燃料电池电堆130气体纯净度的要求。高压液轨与储水箱连接，用于传输高压的液态水。相应地，微型泵设置于高压液轨上，通过微型泵将储水箱内的液态水泵入高压液轨中，产生高压的液态水，进一步地，传输到传输导管310内。在接收到增湿控制器140发送的控制信号后，集成水箱330内部的微型泵开始工作，将储水箱内储存的去离子液态水泵入高压液轨内，形成高压的去离子液态水。然后高压液轨内的去离子液态水被泵入传输导管310上，经过加热模块320进行加热后，传输到高压喷嘴420，最终从高压喷嘴420的出水口处喷出。高压喷嘴420喷射出的液滴直径可小至数十微米。进一步地，控制电控涡轮风扇122工作，对喷射出的小液滴进一步破碎，使得喷射到湿侧流道170内的液滴更容易蒸发，从而提高湿侧流道170内的空气湿度。燃料电池增湿系统在平稳工作状态时，无需主动控制，燃料电池增湿通过燃料电池电堆130排放的湿热尾气对干侧流道160内的空气加湿，即可满足燃料电池电堆130对空气的湿度需求，进气阀191和排水阀192关闭，液态水喷射机构121不工作，燃料电池增湿系统以常规增湿系统方式工作。
在燃料电池电堆130启动阶段，干空气出口162处湿度传感器150采集湿度数据，与燃料电池电堆130的湿度需求进行对比，经过增湿控制器140内的自适应算法计算后，输出控制信号，集成水箱330内的微型泵启动工作，通过控制微型泵的占空比实现去离子水泵出，经由加热模块320加热，通过控制加热模块320的功率实现水温达到预期水温，再经由传输导管310传输，由高压喷嘴420喷射入膜增湿器120的湿侧流道170的湿空气入口171处，电控涡轮风扇122工作，将微小液滴进一步破碎并形成涡流，提高湿侧流道170的空气湿度，经过加湿膜180扩散，水分子传输到干侧流道160，实现对干侧流道160内干空气的加湿，整个过程中，进气阀191和排水阀192保持关闭。
在瞬变工况下，其实施方法与启动工况类似，由燃料电池电堆130处获取燃料电池电堆130的湿度需求曲线，由湿度传感器150采集实时空气湿度曲线，经增湿控制器140计算后，实时输出控制信号，液态水喷射机构121持续工作，并随湿度需求曲线趋势实时调节喷射量和水温，并且电控涡轮风扇122转速也将实时控制变化，实现干侧流道160内空气湿度的即时准确控制。
在停机工况下，干空气入口161及湿空气入口171将无气体进入膜增湿器120，同时干空气出口162及湿空气出口172将无气体流出。此时，通常有液态水存留在湿侧流道170内，进气阀191和排水阀192开启，电控涡轮风扇122将以最高转速工作，且将按照预置的吹扫周期，间隙性吹扫，达到预置吹扫总时长后停止，电控涡轮风扇122停止工作，进气阀191和排水阀192关闭。实现将湿侧流道170内留存的液态水排出。
本发明的一个实施例提供了一种燃料电池增湿控制方法，能够有效缓解“膜干”的问题，实现干侧流道内空气湿度的快速响应，提高燃料电池系统瞬变工况应对能力，从而提高了电堆性能和寿命。参照图6，本发明实施例的方法包括但不限于步骤S610、步骤S620和步骤S630。
具体地，本实施例应用于如图1所示的燃料电池增湿系统的过程包括以下步骤：
S610：获取燃料电池电堆的湿度需求曲线。
S620：获取湿度传感器采集到的实时空气湿度曲线，其中，湿度传感器设置于干空气出口处。
S630：根据湿度需求曲线与实时空气湿度曲线之间的误差，控制液态水喷射机构的液态水输出以及电控涡轮风扇转速。
在上述具体实施例的工作过程中，首先，获取燃料电池电堆130的湿度需求曲线。然后，通过设置于干空气出口162处的湿度传感器150采集进入燃料电池电堆130的空气湿度，并反馈至增湿控制器140。根据湿度需求曲线和实时空气湿度曲线之间的误差，对液态水喷射机构121的液态水喷射量进行调整，并对电控涡轮风扇122的转速进行相应的调节，实现对进入燃料电池电堆130的空气湿度的自主调节。具体地，燃料电池电堆130的湿度需求曲线指的是燃料电池电堆130对进入电堆空气的湿度需求曲线。根据电流密度、极化曲线等特征信息并结合电化学阻抗谱法得到不同工况下的燃料电池电堆130的湿度需求曲线。同时，获取湿度传感器150实时采集到的进入燃料电池电堆130的空气湿度，得到实时空气湿度曲线。进一步地，根据得到的湿度需求曲线和实时空气湿度曲线比较，通过湿度需求曲线与实时空气湿度曲线之间的误差，控制液态水喷射机构121进行相应的液态水输出量。液态水喷射机构121将液态水喷射到湿侧流道170后，通过电控涡轮风扇122将喷射到湿侧流道170内的小液滴进行进一步破碎，并生成涡流。湿侧流道170内的湿空气水分经过加湿膜180传输到干侧流道160内，实现对干侧流道160内空气的加湿。并且通过增湿控制器140、湿度传感器150、以及液态水喷射机构121之间形成的控制闭环，能够实现主动对干侧流道160内空气的加湿，并且能够实现干侧空气湿度的快速响应，提高燃料电池系统瞬变工况应对能力，从而提高了电堆性能和寿命。
参照图7，在本发明的一些实施例中，根据湿度需求曲线与实时空气湿度曲线之间的误差，控制液态水喷射机构的液态水输出以及电控涡轮风扇转速，包括但不限于以下步骤：
S710：根据湿度需求曲线与实时空气湿度曲线，计算得到液态水喷射机构的调节量以及电控涡轮风扇旋转速度。
S720：根据调节量以及电控涡轮风扇旋转速度，控制液态水喷射机构调节液态水的输出，并调节电控涡轮风扇旋转速度。
在上述具体实施例工作过程中，根据湿度需求曲线与实时空气湿度曲线，对液态水喷射机构121的调节量进行相应的计算，得到对液态水喷射机构121喷射的液态水的调节量。相应地，对电控涡轮风扇122旋转速度进行计算，得到电控涡轮风扇122相应的旋转速度。然后根据得到的调节量对液态水喷射机构121进行相应的控制，调节液态水喷射机构121的液态水喷射量，并根据计算得到的电控涡轮风扇122的旋转速度对电控涡轮风扇122进行控制，将喷射到湿侧流道170内的小液滴进一步破碎，使得干侧流道160的干空气出口162处的空气湿度保持在理想湿度。具体地，通过湿度需求曲线与实时空气湿度曲线之间的距离，进行相应计算，得到液态水喷射机构121的调节量以及电控涡轮风扇122的旋转速度。其中，液态水喷射机构121的调节量为液态水喷射机构121应当调节的喷射液态水量，电控涡轮风扇122的旋转速度为与液态水喷射机构121喷射的液态水量相对应的电控涡轮风扇122的旋转速度，在该旋转速度下，电控涡轮风扇122能够较好地将液态水喷射机构121喷射到湿侧流道170内的小水滴进行破碎。进一步地，根据计算得到的调节量以及电控涡轮风扇旋转速度，对液态水喷射机构121和电控涡轮风扇122进行控制。其中，根据液态水喷射机构121的调节量，调节液态水喷射机构121喷射到湿侧流道170内液态水量，同时，控制电控涡轮风扇122以计算得到的电控涡轮风扇旋转速度进行工作，将喷射进湿侧流道170内的小水滴进一步破碎细化，使得细化后的小水滴更加容易蒸发，并通过加湿膜180传输至干侧流道160内，实现对干侧流道160内空气的加湿。
参照图8，在本发明的一些实施例中，计算得到液态水喷射机构的调节量以及电控涡轮风扇旋转速度，包括但不限于以下步骤：
5810：通过计算得到液态水喷射机构应调节的喷水量、水温以及电控涡轮风扇旋转速度。
在上述具体实施例工作过程中，计算得到液态水喷射机构121的调节量以及电控涡轮风扇旋转速度包括通过计算得到液态水喷射机构应调节的喷水量、水温以及电控涡轮风扇旋转速度。具体地，燃料电池增湿系统根据电流密度、极化曲线等特征信息并结合电化学阻抗谱法可获得不同工况下的燃料电池电堆130的进堆空气湿度需求，经湿度传感器150获取实时的进堆空气湿度现状，并通过自适应控制算法，原理图如图5所示，以干空气出口162处的需求湿度与当前湿度之差e(n)最小化为控制目标，以液态水喷射机构121的喷水量x1、水温x2以及电控涡轮风扇122的旋转速度x3为控制变量，调节滤波器权系数矢量W(n)实现自适应调节控制，快速实现湿度调节。算法迭代公式如下式(1)和(2)：
式中，
代表喷水量x1、水温x2以及电控涡轮风扇旋转速度x3，前面三者为控制变量，μ为迭代步长，d(n)为目标湿度，即干空气出口162处的目标空气湿度，y(n)为自适应模型计算湿度，通过迭代滤波器因子，改变控制变量
实现输出湿度快速达到目标湿度，最后以湿度传感器150实时检测到的湿度p(n)与目标湿度d(n)之差误差信号e(n)小于要求精度结束本次自适应调节。
通过例子对上述过程进行示意，当干空气当前湿度小于需求湿度时，将首先以喷射量x1，水温x2，电控涡轮风扇旋转速度x3进行水分补偿，若湿度仍小于需求，将提高水温为x1′，喷射量为x2′，涡轮风扇转速为x3′，其值将根据下式(3)进行自适应调节，再次对湿度进行测量判断，直到误差e达到精度要求，从而实现对干侧流道160内的干空气进行加湿，并且快速达到预期湿度要求，实现燃料电池电堆130进堆空气湿度的调节。
参照图9，在本发明的一些实施例中，燃料电池增湿控制方法还包括但不限于以下步骤：
S910：确定燃料电池电堆停机，控制进气阀和排水阀开启。
S920：控制电控涡轮风扇开启，对湿侧流道内部进行吹扫。
在上述具体实施例工作过程中，确定燃料电池电堆130停机后，控制进气阀191和排水阀192开启，并控制电控涡轮风扇122开启，对湿侧流道170内部进行吹扫，将湿侧流道170内部的液态水排出，从而缓解湿侧流道170内存留的液态水在低温缓解下结冰覆盖至加湿膜180，导致加湿效果变差的问题。具体地，在燃料电池增湿系统正常工作时，进气阀191和排水阀192均处于关闭状态。当确定燃料电池电堆130停机后，增湿控制器140控制进气阀191和排水阀192打开。通过进气阀191使得湿侧流道170内部与外部的气压保持一致，从而使得湿侧流道170内部的液态水能够从排水阀192流出。进一步地，通过增湿控制器140控制电控涡轮风扇122开启，对湿侧流道170内部进行吹扫，将湿侧流道170内存留的液态水往排水阀的方向吹，从而将湿侧流道170内的液态水较完全地排出。
需要说明的是，在一些实施例中，对湿侧流道170内部进行吹扫的过程中，电控涡轮风扇122处于最大转速，并且对湿侧流道170内部进行周期性吹扫，从而实现将湿侧流道170内存留的液态水快速且较为完全地排出膜增湿器120。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种燃料电池增湿系统，其特征在于，包括：
燃料电池电堆，所述燃料电池电堆设置有电堆阴极进口和电堆阴极出口；
膜增湿器，所述膜增湿器包括湿度传感器、电控涡轮风扇、液态水喷射机构、干侧流道以及湿侧流道，所述干侧流道设置有干空气出口和干空气入口，所述湿侧流道设置有湿空气入口和湿空气出口，所述电堆阴极进口与所述干空气出口连接，所述电堆阴极出口与所述湿空气入口连接，所述湿空气出口用于排出所述湿侧流道内的尾气；所述干侧流道与所述湿侧流道内的空气对流，且所述干侧流道与所述湿侧流道之间设置有加湿膜；所述湿度传感器设置于所述干空气出口处，所述湿度传感器用于采集进入所述燃料电池电堆的空气湿度；所述液态水喷射机构设置于所述湿侧流道上，所述液态水喷射机构用于根据控制信号为所述湿侧流道内的空气提供水分；所述电控涡轮风扇设置于所述湿侧流道内，所述电控涡轮风扇用于将所述液态水喷射机构的液态水液滴破碎并吹入所述湿侧流道；
空压机，所述空压机用于将干空气吹入所述干侧流道；
增湿控制器，所述增湿控制器与所述湿度传感器、所述液态水喷射机构以及所述电控涡轮风扇均电连接，所述增湿控制器用于接收所述湿度传感器检测到的所述干空气出口的空气湿度，以及发送控制信号。
2.根据权利要求1所述的燃料电池增湿系统，其特征在于，所述膜增湿器还包括：
进气阀，所述进气阀设置于所述湿侧流道的湿空气入口处，所述进气阀用于所述湿侧流道进行排水时提供气流；
排水阀，所述排水阀设置于所述湿侧流道出口处，用于排出所述湿侧流道内的液态水。
3.根据权利要求2所述的燃料电池增湿系统，其特征在于，所述膜增湿器还包括：
膜增湿器壳体，所述膜增湿器壳体在所述排水阀处局部内凹，用于排出所述湿侧流道内的液态水。
4.根据权利要求1所述的燃料电池增湿系统，其特征在于，所述液态水喷射机构包括：
集成水箱，所述集成水箱用于储存液态水；
传输导管，所述传输导管与所述集成水箱连接，用于传输所述集成水箱内的液态水；
加热模块，所述加热模块设置于所述传输导管上，用于加热所述传输导管内的液态水；
高压喷嘴，所述高压喷嘴的入水口与所述传输导管连接；所述高压喷嘴的出水口设置于所述湿侧流道内，用于将所述传输导管传输的液态水喷射到所述湿侧流道内。
5.根据权利要求4所述的燃料电池增湿系统，其特征在于，所述集成水箱包括：
储水箱，所述储水箱用于存储液态水；
高压液轨，所述高压液轨与所述储水箱连接，用于传输高压的液态水；
微型泵，所述微型泵设置于所述高压液轨上，用于产生高压的液态水。
6.根据权利要求2所述的燃料电池增湿系统，其特征在于，所述进气阀和所述排水阀均与所述增湿控制器电连接，所述增湿控制器通过电磁控制所述进气阀和所述排水阀的开关状态。
7.一种燃料电池增湿控制方法，其特征在于，所述方法包括：
获取燃料电池电堆的湿度需求曲线；
获取湿度传感器采集到的实时空气湿度曲线，其中，所述湿度传感器设置于干空气出口处；
根据所述湿度需求曲线与所述实时空气湿度曲线之间的误差，控制液态水喷射机构的液态水输出以及电控涡轮风扇转速。
8.根据权利要求7所述的燃料电池增湿控制方法，其特征在于，所述根据所述湿度需求曲线与所述实时空气湿度曲线之间的误差，控制液态水喷射机构的液态水输出以及电控涡轮风扇转速，包括：
根据所述湿度需求曲线与所述实时空气湿度曲线，计算得到所述液态水喷射机构的调节量以及电控涡轮风扇旋转速度；
根据所述调节量以及所述电控涡轮风扇旋转速度，控制所述液态水喷射机构调节液态水的输出，并调节所述电控涡轮风扇旋转速度。
9.根据权利要求8所述的燃料电池增湿控制方法，其特征在于，所述计算得到所述液态水喷射机构的调节量以及电控涡轮风扇旋转速度，包括：
通过计算得到所述液态水喷射机构应调节的喷水量、水温以及电控涡轮风扇旋转速度。
10.根据权利要求7所述的燃料电池增湿控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
确定所述燃料电池电堆停机，控制进气阀和排水阀开启；
控制电控涡轮风扇开启，对湿侧流道内部进行吹扫。
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| GR01 | Patent grant | ||
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