CN114597451A - 燃料电池电堆阴极湿度控制系统及其控制方法 - Google Patents

燃料电池电堆阴极湿度控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池电堆阴极湿度控制系统及其控制方法，燃料电池电堆阴极湿度控制系统包括空气源、电堆和控制器，所述空气源与电堆阴极入口之间沿空气流向依次设有空压机、第一散热器和增湿器，所述第一散热器空气出口与所述电堆阴极入口之间设有供气旁通阀，所述电堆阴极出口与所述增湿器湿侧入口之间设有相并联的第二散热器和排气旁通阀，所述增湿器湿侧出口接外界大气，所述控制器用于分析电堆阴极入口处空气温度，所述控制器输出端与供气旁通阀、排气旁通阀和第二散热器连接。本发明通过调整增湿器湿侧入口处的气体温度，以调整电堆阴极入口处的空气温度和湿度，进而满足电堆的湿度要求。

Description

燃料电池电堆阴极湿度控制系统及其控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池湿度控制技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆阴极湿度控制系统及其控制方法。
背景技术
燃料电池的燃料是氢气，助燃气是氧气，生成物是清洁的水，燃料电池本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳，也没有硫和微粒排出，因此氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染的车。
湿度对燃料电池至关重要，控制不当会严重影响燃料电池的性能及寿命，进气湿度过低容易导致膜电极变干，进而燃料电池的导电率下降；进气湿度过高容易造成水淹，气体传递受阻，目前的燃料电池空气侧基本都是通过外部增湿器增湿来提高空气湿度。
随着燃料电池系统操作温度的提高，尤其是大功率运行时，增湿器干侧入口温度(与电堆冷却水入口温度相当)和增湿器湿侧入口温度(与电堆冷却水出口温度相当)变高，相对湿度降低，导致增湿器效率降低，增湿器干测出口相对湿度降低，无法满足燃料电池系统的湿度要求。
发明内容
为了解决现有技术存在的缺陷，本发明提供一种燃料电池电堆阴极湿度控制系统及其控制方法，通过调整增湿器湿侧入口处的气体温度，以调整电堆阴极入口处的空气温度和湿度，进而满足电堆的湿度要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种燃料电池电堆阴极湿度控制系统，包括空气源、电堆和控制器，所述空气源与电堆阴极入口之间沿空气流向依次设有空压机、第一散热器和增湿器，所述第一散热器空气出口与所述电堆阴极入口之间设有供气旁通阀，所述电堆阴极出口与所述增湿器湿侧入口之间设有相并联的第二散热器和排气旁通阀，所述增湿器湿侧出口接外界大气，所述控制器用于分析电堆阴极入口处空气温度，所述控制器输出端与供气旁通阀、排气旁通阀和第二散热器连接。
进一步地，所述第一散热器空气出口与所述增湿器干侧入口连接，所述增湿器干侧出口与所述电堆阴极入口连接。
进一步地，所述增湿器干侧出口与所述电堆阴极入口之间设有第一温度传感器，所述第一温度传感器处于所述供气旁通阀下游处，所述第一温度传感器与所述控制器输入端连接。
进一步地，所述排气旁通阀排气口与所述增湿器湿侧入口之间设有第二温度传感器，所述第二温度传感器处于所述第二散热器下游处，所述第二温度传感器与所述控制器输入端连接。
进一步地，所述第一散热器为第一中冷器，所述第一中冷器通过第一水泵与燃料电池系统的散热水回路连接。
进一步地，所述第二散热器为第二中冷器，所述第二中冷器通过第二水泵与燃料电池汽车辅助散热水回路连接。
进一步地，所述控制器为FCU控制器，所述供气旁通阀和排气旁通阀均为电磁阀。
一种燃料电池电堆阴极湿度控制系统的控制方法，包括以下步骤：
S1、所述控制器实时分析所述电堆阴极入口处空气温度Tin，当Tin小于设定阈值T1时，所述控制器逐渐增大所述供气旁通阀的开度，使部分空气不经过所述增湿器直接从所述电堆阴极入口进入，降低总体进入所述电堆阴极空气的相对湿度，使Tin逐渐大于T1，且所述控制器将实时的Tin与设定阈值T2进行比较；
S2、当Tin大于T2时，所述控制器先减小所述供气旁通阀的开度，若所述供气旁通阀已全关而Tin仍大于T2，所述控制器再减小所述排气旁通阀的开度，若所述排气旁通阀也全关而Tin仍大于T2，则所述控制器再增大所述第二散热器的散热力度，以降低所述增湿器湿侧入口处的气体温度，进而降低Tin，使Tin控制在T1和T2之间，从而将所述电堆阴极入口处空气湿度控制在湿度要求范围内。
进一步地，步骤S1之前包括以下步骤：燃料电池系统正常开机时，所述供气旁通阀全关，所述空气源的空气经所述空压机增压并经所述第一散热器散热后，全部经所述增湿器增湿后进入所述电堆阴极，所述排气旁通阀全开，从所述电堆阴极出口排出的大部分气体通过所述排气旁通阀进入所述增湿器，以降低气体流阻。
进一步地，
步骤S1中：
所述控制器实时分析所述电堆阴极入口处空气温度Tin，具体是第一温度传感器实时采集所述电堆阴极入口处空气温度Tin，且将采集的Tin反馈给所述控制器，所述控制器将Tin与设定阈值T1进行比较；
所述设定阈值T1为50±2℃，所述设定阈值T2为70±2℃；
步骤S2中：所述排气旁通阀也全关而Tin仍大于T2，则所述控制器再增大所述第二散热器的散热力度，以降低Tin值，具体是：所述排气旁通阀也全关而Tin仍大于T2，则所述控制器增大第二水泵的转速以降低所述增湿器湿侧入口处的气体温度，进而降低进入所述电堆阴极的空气温度和湿度。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明的燃料电池电堆阴极湿度控制系统，包括空气源、电堆和控制器，空气源与电堆阴极入口之间沿空气流向依次设有空压机、第一散热器和增湿器，第一散热器空气出口与电堆阴极入口之间设有供气旁通阀，电堆阴极出口与增湿器湿侧入口之间设有相并联的第二散热器和排气旁通阀，增湿器湿侧出口接外界大气，控制器用于分析电堆阴极入口处空气温度，控制器输出端与供气旁通阀、排气旁通阀和第二散热器连接；这样控制器实时分析电堆阴极入口处空气温度Tin，当Tin小于设定阈值T1时，控制器逐渐增大供气旁通阀的开度，使部分空气不经过增湿器直接从电堆阴极入口进入，降低总体进入电堆阴极空气的相对湿度，使Tin逐渐大于T1，且控制器将实时的Tin与设定阈值T2进行比较，当Tin大于T2时，控制器先减小供气旁通阀的开度，使更多空气通过增湿器增湿后再从电堆阴极入口进入，提高总体进入电堆阴极空气的相对湿度，进而降低Tin，若供气旁通阀已全关而Tin仍大于T2，控制器再减小排气旁通阀的开度，使从电堆阴极出口排出的部分气体进入第二散热器以散热，以降低增湿器湿侧入口处的气体温度，进而降低Tin，排气旁通阀也全关而Tin仍大于T2，则控制器再增大第二散热器的散热力度，以进一步降低增湿器湿侧入口处的气体温度，进而降低Tin，使Tin控制在T1和T2之间，从而将电堆阴极入口处空气湿度控制在湿度要求范围内，本发明通过调整增湿器湿侧入口处的气体温度，以调整电堆阴极入口处的空气温度和湿度，从而满足电堆的湿度要求。
本发明中，增湿器干侧出口与电堆阴极入口之间设有第一温度传感器，第一温度传感器处于供气旁通阀下游处，第一温度传感器与控制器输入端连接；这样第一温度传感器可实时采集电堆阴极入口处的空气温度，且第一温度传感器可将采集的实时电堆阴极入口处空气温度反馈给控制器，以便于控制器将实时电堆阴极入口处的空气温度与设定阈值T1和T2比较，进而便于控制器实时控制供气旁通阀和排气旁通阀的开度以及第二散热器的散热力度，从而调整电堆阴极入口处的空气温度和湿度。
本发明中，排气旁通阀排气口与增湿器湿侧入口之间设有第二温度传感器，第二温度传感器处于第二散热器下游处，第二温度传感器与控制器输入端连接；这样第二温度传感器可实时采集增湿器湿侧入口处的气体温度，且第二温度传感器可将采集的实时的增湿器湿侧入口处的气体温度反馈给控制器，以便于控制器分析判断。
本发明能有效解决因燃料电池操作温度提高后引起的电堆阴极湿度不足的问题，并可主动控制燃料电池电堆阴极的湿度，使其维持在最佳湿度要求范围内，确保燃料电池系统的使用寿命不受影响，并对后续的系统功率提升有很大的帮助。
附图说明
图1为本发明的燃料电池电堆阴极湿度控制系统的结构示意图；
图2为本发明的控制逻辑图。
图中附图标记说明：1、空气源，2、电堆，3、控制器，4、空压机，5、增湿器，6、供气旁通阀，7、排气旁通阀，8、第一温度传感器，9、第二温度传感器，10、第一中冷器，11、第一水泵，12、第二中冷器，13、第二水泵。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，一种燃料电池电堆阴极湿度控制系统，包括空气源1、电堆2和控制器3，控制器3为FCU控制器3，空气源1与电堆2阴极入口之间沿空气流向依次设有空压机4、第一散热器和增湿器5，第一散热器空气出口与增湿器5干侧入口连接，增湿器5干侧出口与电堆2阴极入口连接，第一散热器空气出口与电堆2阴极入口之间还设有供气旁通阀6，电堆2阴极出口与增湿器5湿侧入口之间设有相并联的第二散热器和排气旁通阀7，增湿器5湿侧出口接外界大气，控制器3用于分析电堆2阴极入口处空气温度，控制器3输出端与供气旁通阀6、排气旁通阀7和第二散热器电连接，供气旁通阀6和排气旁通阀7均为电磁阀；这样通过控制器3控制供气旁通阀6的开度，以调整电堆2阴极入口处的空气湿度和温度，通过控制器3控制排气旁通阀7的开度和第二散热器的散热力度，以调整增湿器5湿侧入口处的气体温度，进而调整电堆2阴极入口处的空气温度和湿度，从而满足电堆2的湿度要求。
其中，增湿器5干侧出口与电堆2阴极入口之间设有第一温度传感器8，第一温度传感器8处于供气旁通阀6下游处，第一温度传感器8与控制器3输入端电连接；这样第一温度传感器8可实时采集电堆2阴极入口处的空气温度，且第一温度传感器8可将采集的实时电堆2阴极入口处空气温度反馈给控制器3，以便于控制器3将实时电堆2阴极入口处的空气温度与设定阈值T1和T2比较，进而便于控制器3实时控制供气旁通阀6和排气旁通阀7的开度以及第二散热器的散热力度，从而调整电堆2阴极入口处的空气温度和湿度。
其中，排气旁通阀7排气口与增湿器5湿侧入口之间设有第二温度传感器9，第二温度传感器9处于第二散热器下游处，第二温度传感器9与控制器3输入端电连接；这样第二温度传感器9可实时采集增湿器5湿侧入口处的气体温度，且第二温度传感器9可将采集的实时的增湿器5湿侧入口处的气体温度反馈给控制器3，以便于控制器3分析判断。
其中，第一散热器为第一中冷器10，第一中冷器10通过第一水泵11与燃料电池系统的散热水回路连接，第二散热器为第二中冷器12，第二中冷器12通过第二水泵13与燃料电池汽车辅助散热水回路连接，这样控制器3通过控制第二水泵13的转速以调整增湿器5湿侧入口处的气体温度，进而调整进入电堆2阴极的空气温度和湿度。
本发明中，空气源1的新鲜空气通过空压机4增压后升温，升温后的新鲜空气经过第一中冷器10降温到与电堆2冷却水入口温度相当，经过第一中冷器10冷却后的新鲜空气通过增湿器5增湿后进入电堆2阴极，而经过第一中冷器10冷却后的空气也可通过供气旁通阀6直接进入电堆2阴极，经过反应后的气体通过第二中冷器12降温后进入增湿器5，以与经过第一中冷器10冷却后的新鲜空气在增湿器5中进行湿度交换，而经过反应后的部分气体也可通过排气旁通阀7直接进入增湿器5，之后排向外界大气。
如图2所示，上述燃料电池电堆阴极湿度控制系统的控制方法，包括以下步骤：
S1、燃料电池系统正常开机时，供气旁通阀6全关，空气源1的空气经空压机4增压并经第一散热器散热后，全部经增湿器5增湿后进入电堆2阴极，排气旁通阀7全开，从电堆2阴极出口排出的大部分气体通过排气旁通阀7进入增湿器5，以降低气体流阻；
S2、第一温度传感器8实时采集电堆2阴极入口处空气温度Tin，且将采集的Tin反馈给控制器3，控制器3将Tin与设定阈值T1进行比较，当Tin小于设定阈值T1时，表示电堆2阴极过湿，需要提高Tin，则控制器3逐渐增大供气旁通阀6的开度，使部分空气不经过增湿器5直接从电堆2阴极入口进入，降低总体进入电堆2阴极空气的相对湿度，使Tin逐渐大于T1，且控制器3将实时的Tin与设定阈值T2进行比较；
S3、当Tin大于T2时，表示电堆2阴极过干，需要降低Tin，确保Tin始终控制在T1和T2之间，具体是控制器3先减小供气旁通阀6的开度，使更多空气通过增湿器5增湿后再从电堆2阴极入口进入，提高总体进入电堆2阴极空气的相对湿度，进而降低Tin，若供气旁通阀6已全关而Tin仍大于T2，控制器3再减小排气旁通阀7的开度，使从电堆2阴极出口排出的部分气体进入第二散热器以散热，以降低增湿器5湿侧入口处的气体温度，进而降低Tin，排气旁通阀7也全关而Tin仍大于T2，则控制器3增大第二水泵13的转速以进一步降低增湿器5湿侧入口处的气体温度，进而降低Tin，使Tin控制在T1和T2之间，从而将电堆2阴极入口处的空气湿度控制在湿度要求范围内。
其中，设定阈值T1和设定阈值T2根据燃料电池的操作温度进行调整，在其中一种实施方式中，设定阈值T1为50±2℃，设定阈值T2为70±2℃。
本发明中，经空压机4压缩后的空气在运行中，温度越高湿度越低。
综上，本发明能有效解决因燃料电池操作温度提高后引起的电堆阴极湿度不足的问题，并可主动控制燃料电池电堆阴极的湿度，使其维持在最佳湿度要求范围内，确保燃料电池系统的使用寿命不受影响，并对后续的系统功率提升有很大的帮助。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池电堆阴极湿度控制系统，包括空气源(1)、电堆(2)和控制器(3)，所述空气源(1)与电堆(2)阴极入口之间沿空气流向依次设有空压机(4)和增湿器(5)，其特征在于：所述空压机(4)空气出口与所述电堆(2)阴极入口之间设有供气旁通阀(6)，所述增湿器(5)干侧出口与所述电堆(2)阴极入口之间设有第一温度传感器(8)，所述第一温度传感器(8)处于所述供气旁通阀(6)下游处，所述电堆(2)阴极出口与所述增湿器(5)湿侧入口之间设有相并联的第二散热器和排气旁通阀(7)，所述增湿器(5)湿侧出口接外界大气，所述第一温度传感器(8)与所述控制器(3)输入端连接，所述控制器(3)输出端与供气旁通阀(6)、排气旁通阀(7)和第二散热器连接。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆阴极湿度控制系统，其特征在于：所述空压机(4)空气出口与所述增湿器(5)干侧入口之间设有第一散热器。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池电堆阴极湿度控制系统，其特征在于：所述排气旁通阀(7)排气口与所述增湿器(5)湿侧入口之间设有第二温度传感器(9)，所述第二温度传感器(9)处于所述第二散热器下游处，所述第二温度传感器(9)与所述控制器(3)输入端连接。
4.根据权利要求2所述的一种燃料电池电堆阴极湿度控制系统，其特征在于：所述第一散热器为第一中冷器(10)，所述第一中冷器(10)通过第一水泵(11)与燃料电池系统的散热水回路连接。
5.根据权利要求2所述的一种燃料电池电堆阴极湿度控制系统，其特征在于：所述第二散热器为第二中冷器(12)，所述第二中冷器(12)通过第二水泵(13)与燃料电池汽车辅助散热水回路连接。
6.根据权利要求2所述的一种燃料电池电堆阴极湿度控制系统，其特征在于：所述控制器(3)为FCU控制器(3)，所述供气旁通阀(6)和排气旁通阀(7)均为电磁阀。
7.一种如权利要求2-6任一项所述的燃料电池电堆阴极湿度控制系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、所述控制器(3)实时分析所述电堆(2)阴极入口处空气温度Tin，当Tin小于设定阈值T1时，所述控制器(3)逐渐增大所述供气旁通阀(6)的开度，使部分空气不经过所述增湿器(5)直接从所述电堆(2)阴极入口进入，降低总体进入所述电堆(2)阴极空气的相对湿度，使Tin逐渐大于T1，且所述控制器(3)将实时的Tin与设定阈值T2进行比较；
S2、当Tin大于T2时，所述控制器(3)先减小所述供气旁通阀(6)的开度，若所述供气旁通阀(6)已全关而Tin仍大于T2，所述控制器(3)再减小所述排气旁通阀(7)的开度，若所述排气旁通阀(7)也全关而Tin仍大于T2，则所述控制器(3)再增大所述第二散热器的散热力度，以降低所述增湿器(5)湿侧入口处的气体温度，进而降低Tin，使Tin控制在T1和T2之间，从而将所述电堆(2)阴极入口处空气湿度控制在湿度要求范围内。
8.根据权利要求7所述的燃料电池电堆阴极湿度控制系统的控制方法，其特征在于步骤S1之前包括以下步骤：燃料电池系统正常开机时，所述供气旁通阀(6)全关，所述空气源(1)的空气经所述空压机(4)增压并经所述第一散热器散热后，全部经所述增湿器(5)增湿后进入所述电堆(2)阴极，所述排气旁通阀(7)全开，从所述电堆(2)阴极出口排出的大部分气体通过所述排气旁通阀(7)进入所述增湿器(5)，以降低气体流阻。
9.根据权利要求8所述的燃料电池电堆阴极湿度控制系统的控制方法，其特征在于：步骤S1中：所述控制器(3)实时分析所述电堆(2)阴极入口处空气温度Tin，具体是第一温度传感器(8)实时采集所述电堆(2)阴极入口处空气温度Tin，且将采集的Tin反馈给所述控制器(3)，所述控制器(3)将Tin与设定阈值T1进行比较；其中，所述设定阈值T1为50±2℃，所述设定阈值T2为70±2℃。
10.根据权利要求9所述的燃料电池电堆阴极湿度控制系统的控制方法，其特征在于：步骤S2中：所述排气旁通阀(7)也全关而Tin仍大于T2，则所述控制器(3)再增大所述第二散热器的散热力度，以降低Tin值，具体是：所述排气旁通阀(7)也全关而Tin仍大于T2，则所述控制器(3)增大第二水泵(13)的转速以降低所述增湿器(5)湿侧入口处的气体温度，进而降低进入所述电堆(2)阴极的空气温度和湿度。
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CN115799568A (zh) * 2023-01-19 2023-03-14 国家电投集团氢能科技发展有限公司 一种燃料电池阴极系统及其控制方法
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