CN114430054A - 一种燃料电池阳极水管理系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池阳极水管理系统及其控制方法。水管理系统中的氢气循环系统，串设有分水器、氢气循环装置和分水支路，分水支路联通电堆出口和分水器入口，氢气循环系统中还包括不分水支路，所述不分水联通电堆出口和分水器气体出口；本发明利用采集的信息，控制三通阀的开度，调节经过分水器和不经过分水器的比例，控制回流至电堆的氢气的湿度，进而电堆内部的水含量，使其维持在合适的湿度区间，保证电堆的正常运行。系统结构简单，控制相对更加容易实现。

Description

一种燃料电池阳极水管理系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池阳极水管理系统，以及该水管理系统的控制方法。
背景技术
燃料电池系统运行过程中，根据其反应特性，会不断地在阴极生成水，然后通过浓差扩散、压力驱动等方式渗透至阳极。当阳极水含量过高时会产生水淹故障，此时气体扩散层和流道的水淹使得气体反应物到达反应位点的传输受阻，催化剂的活性面积因水的覆盖而降低，PEMFC的浓差损耗显著增加。而水含量不足则会导致膜干故障，膜干故障会引起电阻上升，使得PEMFC在运行过程中产热增加，进一步导致能量转化效率降低及更为严重的膜干故障，甚至造成局部热点，产生永久性损坏，严重影响输出性能和剩余寿命。
现有技术中多采用一个气水分离器和氢气循环装置构成阳极的再循环方式，将燃料电池阳极出口夹带液态水的剩余氢气经气水分离器分离出液态水，然后由循环装置送入电堆阳极入口。这种方式如果采用气水分离效果较好的装置，会使回流的水分不足，造成膜干；如果分离效果较差的装置，会使得由循环装置循环回电堆的氢气几乎处于饱和状态并仍夹带少量液态水滴，当与压力调节阀出口的低温干氢气混合时，高温高湿回流氢气将析出液态水，液态水进入电堆阳极而造成水淹，影响燃料电池的性能和使用寿命。
例如CN110010932A、CN111063916B等专利文献，在膜干和水淹时采用不同的循环管路，在膜干时采用分离出的液体水或者保存的液态水对氢气进行加湿。这些方案采用的设备较多，系统较为复杂。
发明内容
本申请的目的在于提供一种燃料电池阳极水管理系统及其控制方法，用以解决现有技术结构复杂的问题。
为实现上述目的，本发明提出了一种燃料电池阳极水管理系统，包括：电堆，氢气循环系统，电堆膜湿度测量装置和控制器；
氢气循环系统中串设有分水器、氢气循环装置和分水支路，分水支路联通电堆出口和分水器入口，氢气循环系统中还包括不分水支路，所述不分水支路联通电堆出口和分水器气体出口；氢气循环系统中还包括调节阀，用于调节分水支路与不分水支路的流量；
所述控制器采集电堆膜湿度测量装置，控制连接所述调节阀。
进一步的，所述调节阀为一个开度可调的电控三通阀或者两个开度可调的电控阀。
进一步的，所述控制器为燃料电池控制器。
进一步的，所述电堆膜湿度测量装置为电堆含水量采集装置或者电堆入口湿度采集装置。
本发明还提供了一种燃料电池阳极水管理系统的控制方法，步骤如下：
实时测量电堆膜湿度，若电堆膜湿度高于需求值，则控制增加对应分水支路的开度，减少对应不分水支路的开度；若电堆膜湿度低于需求值，则控制减少对应分水支路的开度，增加对应不分水支路的开度。
通过采集电堆含水量或者电堆入口湿度来测量所述电堆膜湿度。
本发明利用采集的信息，控制三通阀的开度，调节经过分水器和不经过分水器的比例，控制回流至电堆的氢气的湿度，进而电堆内部的水含量，使其维持在合适的湿度区间，保证电堆的正常运行。系统结构简单，控制相对更加容易实现。
附图说明
图1是本发明燃料电池阳极水管理系统结构图；
图2是本发明燃料电池阳极水管理系统的控制流程图；
图3为本发明实施例的控制方法原理框图；
图4为本发明其他实施例的控制方法原理框图。
附图标记：
1为氢气入堆电磁阀；2为调压器；3为传感器；4为电堆，41为电堆入口，42为电堆出口；5为电控三通阀，51为分水支路，52为不分水支路；6为气水分离器，即分水器；7为氢气循环装置；8为尾排电磁阀；9为燃料电池控制器；10为电堆水含量采集装置。
具体实施方式
如图1所示的燃料电池阳极水管理系统，包括电堆4，氢气循环系统，电堆含水量采集装置10和燃料电池控制器9。
电堆4在阳极提供氢气、阴极提供空气的情况下，能够进行电化学反应，生成电能。
氢气循环系统包括：氢气通过氢气入堆电磁阀1、调压器2(用于将高压的车载氢气根据运行工况调节成可以直接供给电堆的合适压力，可以为比例阀，也可以为氢气喷射器)进入电堆入口41，电堆出口41连接一个电控三通阀5的入口，电控三通阀5的出口分别连接两条支路：分水支路51与不分水支路52；分水支路51连接分水器6入口，而不分水支路直接连接分水器6的气体出口；分水器6出口连接氢气循环装置(氢气循环泵或氢气引射装置，实现电堆出口处的流体回流至入口，再次参与反应)，氢气循环装置连接电堆入口41。其中，电控三通阀5的开度可调，即可以调节分水支路51和不分水支路52的流量。如图1所示，氢气循环系统的拓扑为：电堆出口42、分水支路51、分水器6、氢气循环装置7、电堆入口41串联，不分水支路52与分水器6并联，形成了一个旁路。
电堆入口设有传感器(可以是采集单一信号的传感器或者一体式传感器)，传感器采集电堆的入堆压力、温度和湿度。本实施例中压力和温度用于参与电堆内部含水量的计算。电堆含水量采集装置10(按照图3的控制方法，实际上用不到该装置)根据流动气体在进出口的压力差值估计内部含水量，作为其他实施方式，也可以其他间接测量方式进行测量，例如测量膜的内阻以估算内部含水量。另外，尾排电磁阀8打开时，分水器腔体内的流体可以在压差的作用下排出，闭合时截至。
燃料电池控制器属于控制核心，用于采集各种信息，根据控制算法生成控制指令，将控制指令下发给响应执行器的装置。本实施例中，燃料电池控制器采集的信息包括电堆入口41处氢气入堆压力、氢气入堆温度和氢气入堆湿度，从电堆水含量采集装置中获取电堆内部水含量信息；控制算法如图2所示。
本发明的关键在于，在氢气循环系统中，增加一个可调开度的三通阀5和一个不经过气水分离器直接进入氢气循环装置的不分水支路52，根据传感器3采集到的湿度信号，结合电堆水含量采集系统，根据当前电堆运行的工况点，判断电堆入堆前的湿度是否满足运行湿度需求。
当电堆需要增湿时，三通阀通往不分水支路的方向全开，往分水方向全关，回流水不经分离直接回流至电堆内，对电堆进行增湿；当电堆内部水含量过高或进气湿度过高时，不需要进行增湿，三通阀通往不分水支路的方向全关，往分水支路的方向全开，氢气经过分水后回流至电堆。需要适度增湿时，三通阀通往不分水支路52的开度增加，往分水支路51的开度减小；反之，三通阀通往不分水支路52的开度减少，往分水支路51的开度增加。利用采集到的入堆湿度信号，控制三通阀的开度，调节经过分水器和不经过分水器的比例，控制回流至电堆的氢气的湿度，进而电堆内部的水含量，使其维持在合适的湿度区间，保证电堆的正常运行。
如图2所示，控制方法包括：
S1：燃料电池开始运行后，根据内部需求含水量计算出当前需求入堆湿度H，例如，H可以通过查找提前标定好的参数表获取，如通过台架标定，当内部需求含水量为x1、x2……xn时，对应的需求入堆湿度应该为H1、H2……Hn，电控三通阀5的当前开度为P；
S2：传感器3将采集到的电堆入口处的实时气体湿度Ht信号传递给燃料电池控制系统；
S3：如果H＝Ht，将电控三通阀的开度Pt1＝P；
S4：如果实时入堆湿度Ht＞需求入堆湿度H，需降低增湿度，同时增加将回流量，以便将电堆内部的水带出；此时设定电控三通阀的开度Pt1＝P+ΔP，即增加通往分水器的气体流量，降低经过不分水支路的气体流量，尽可能多的将回流气体的水分离出来，降低入堆气体的湿度；ΔP作为控制步长，可以预先设定；
S5：如果实时入堆湿度Ht<需求入堆湿度H，增湿不足，此时设定电控三通阀的开度Pt1＝P-ΔP，减少通往气水分离器的气体流量，增加经过不分水支路的气体流量，从电堆内出来的湿气体大量回流，增加入堆气体的湿度。
以上控制方法为以需求入堆湿度为目标的闭环控制，如图3所示，本控制方法实际上并不需要实时测量电堆水含量。如图4给出了另一种控制方法，其以需求内部含水量为控制目标进行闭环控制，该控制方法并不需要测量电堆入口湿度。总结来说，不论是利用入堆湿度，还是利用内部含水量，实际上都是电堆中膜的湿度的不同表征方式。
本实施例中采用了开度可调的三通阀，作为其他实施方式，也可以采用两个分别设于分水支路51和不分水支路52中的电控阀替代。
本实施例中的电控阀，既包括电磁阀，也包括电控气动/液动类型的阀。
本实施例中采用燃料电池控制器作为控制核心，作为其他实施方式，也可以采用单独的一个控制器来实现本发明的相关功能。

Claims (6)

1.一种燃料电池阳极水管理系统，其特征在于，包括：电堆，氢气循环系统，电堆膜湿度测量装置和控制器；氢气循环系统中串设有分水器、氢气循环装置和分水支路，分水支路联通电堆出口和分水器入口，氢气循环系统中还包括不分水支路，所述不分水支路联通电堆出口和分水器气体出口；氢气循环系统中还包括调节阀，用于调节分水支路与不分水支路的流量；所述控制器采集电堆膜湿度测量装置，控制连接所述调节阀。
2.根据权利要求1所述的燃料电池阳极水管理系统，其特征在于，所述调节阀为一个开度可调的电控三通阀或者两个开度可调的电控阀。
3.根据权利要求1所述的燃料电池阳极水管理系统，其特征在于，所述控制器为燃料电池控制器。
4.根据权利要求1-3任一项所述的燃料电池阳极水管理系统，其特征在于，所述电堆膜湿度测量装置为电堆含水量采集装置或者电堆入口湿度采集装置。
5.一种燃料电池阳极水管理系统的控制方法，其特征在于，步骤如下：
实时测量电堆膜湿度，若电堆膜湿度高于需求值，则控制增加对应分水支路的开度，减少对应不分水支路的开度；若电堆膜湿度低于需求值，则控制减少对应分水支路的开度，增加对应不分水支路的开度。
6.根据权利要求5所述的燃料电池阳极水管理系统的控制方法，其特征在于，通过采集电堆含水量或者电堆入口湿度来测量所述电堆膜湿度。
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