CN114744246B - 一种燃料电池系统及其空气湿度调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统及其空气湿度调节方法，其系统包括主干管道、控制器及其连接着的空气处理子系统和电堆运行子系统，电堆运行子系统包括若干个电堆单元，每一个电堆单元包括入口阀、引射器、电堆和出口阀，空气处理子系统通过入口阀与引射器的一次流入口连接，引射器的出口与电堆的进气口连接，电堆的排气口与主干管道的输入端连接，主干管道的输出端通过出口阀与引射器的二次流入口连接，引射器将空气处理子系统提供的干空气和主干管道提供的湿空气进行充分混合以调节进入电堆的空气湿度。本发明采用引射器替代传统的膜式增湿器，降低生产成本；通过多个电堆单元之间的相互调节，提高系统内部多个电堆的使用寿命以降低经济损失。

Description

一种燃料电池系统及其空气湿度调节方法
技术领域
本发明涉及燃料电池应用技术领域，具体是涉及一种燃料电池系统及其空气湿度调节方法。
背景技术
当燃料电池系统在工作时，进入系统内部电堆的空气需要有一定的湿度要求。现有的燃料电池系统主要通过在电堆入口设置膜式增湿器来提高进入电堆的空气湿度，但是膜式增湿器具有体积大、价格高等缺点；此外，现有的燃料电池系统往往设置单个电堆，当该电堆内部出现空气湿度不足的情况时，若通过强行提高该电堆的运行功率来促使该电堆内部的含水量增加，可以提高电堆内部的空气湿度，但是可能会导致该电堆损坏而产生不可逆的经济损失；若无法对电堆内部的空气湿度进行合理调节，容易使得该电堆内部出现膜干或者水淹现象，从而影响该电堆的正常使用。
发明内容
本发明提供一种燃料电池系统及其空气湿度调节方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
本发明实施例提供一种燃料电池系统，包括控制器、空气处理子系统、电堆运行子系统和主干管道，所述空气处理子系统与所述控制器连接，所述电堆运行子系统与所述控制器连接；所述电堆运行子系统包括第i电堆单元，所述第i电堆单元的第一输入端与所述空气处理子系统的输出端连接，所述第i电堆单元的输出端与所述主干管道的输入端连接，所述主干管道的输出端与所述第i电堆单元的第二输入端连接；
所述第i电堆单元包括第i入口阀、第i引射器、第i电堆和第i出口阀，所述空气处理子系统通过所述第i入口阀与所述第i引射器的一次流入口连接，所述第i引射器的出口与所述第i电堆的进气口连接，所述第i电堆的排气口与所述主干管道的输入端连接，所述主干管道的输出端通过所述第i出口阀与所述第i引射器的二次流入口连接；
所述空气处理子系统用于将外界空气进行压缩与去除杂质处理后得到干空气，所述主干管道用于收集所述电堆运行子系统排出的湿空气，所述第i引射器用于将所述空气处理子系统提供的干空气和所述主干管道提供的湿空气进行充分混合以调节进入所述第i电堆的空气的湿度，所述第i入口阀用于调节进入所述第i引射器的干空气的流量，所述第i出口阀用于调节进入所述第i引射器的湿空气的流量；
其中，i＝1，2，...，N；N为正整数，N≥2；N表示所述电堆运行子系统中包含的电堆单元个数。
进一步地，所述空气处理子系统包括空滤器、空压机和中冷器；
所述空滤器的输出端与所述空压机的输入端连接，所述空压机的输出端与所述中冷器的输入端连接，所述中冷器的输出端与所述第i电堆单元的第一输入端连接；外界空气依次经过所述空滤器、所述空压机和所述中冷器的处理后得到干空气。
进一步地，所述空气处理子系统还包括温度传感器和湿度传感器；
所述温度传感器用于检测所述中冷器输出的干空气的温度并将其反馈至所述控制器，所述湿度传感器用于检测所述中冷器输出的干空气的湿度并将其反馈至所述控制器。
进一步地，所述第i电堆单元还包括第i压力传感器、第i入口侧湿度传感器和第i出口侧湿度传感器；
所述第i压力传感器用于检测进入所述第i电堆的空气的压力并将其反馈至所述控制器，所述第i入口侧湿度传感器用于检测进入所述第i电堆的空气的湿度并将其反馈至所述控制器，所述第i出口侧湿度传感器用于检测所述第i电堆排出的湿空气的湿度并将其反馈至所述控制器。
进一步地，所述第i电堆单元还包括第i背压阀，所述第i背压阀设置在所述第i电堆的排气口处，用于将所述第i电堆排出的多余湿空气释放到大气环境中。
另外，本发明实施例提供了一种燃料电池系统的空气湿度调节方法，采用如上述任意一项所述的燃料电池系统，所述空气湿度调节方法包括：
控制燃料电池系统启动；
在所述燃料电池系统进入稳定状态后，检测电堆运行子系统中的N个电堆单元所对应的电堆内部湿度；
当所述N个电堆单元中存在M1个电堆单元所对应的电堆内部湿度低于预设湿度范围的下限值时，将所述M1个电堆单元所对应的M1个出口阀的开度增加到100％，其中M1为正整数，1≤M1＜N；
控制所述燃料电池系统在预设时间段内继续运行；
当所述M1个电堆单元中仍存在一个或者多个电堆单元所对应的电堆内部湿度低于所述预设湿度范围的下限值时，从剩下的N-M1个电堆单元中选择一个或者多个电堆单元并提高其电堆运行功率。
进一步地，所述空气湿度调节方法还包括：
当所述N个电堆单元中存在M2个电堆单元所对应的电堆内部湿度高于所述预设湿度范围的上限值时，增大所述M2个电堆单元所对应的M2个入口阀的开度，同时减小所述M2个电堆单元所对应的M2个出口阀的开度，其中M2为正整数，1≤M2＜N；
控制所述燃料电池系统在所述预设时间段内继续运行；
当所述M2个电堆单元中仍存在一个或者多个电堆单元所对应的电堆内部湿度高于所述预设湿度范围的上限值时，从剩下的N-M2个电堆单元中选择一个或者多个电堆单元并降低其电堆运行功率。
进一步地，所述电堆运行子系统中的第i电堆单元所对应的电堆内部湿度的计算过程为：
利用交流阻抗测试方法获取所述第i电堆单元中的第i电堆的膜电极电阻，根据所述膜电极电阻获取到对应的膜电极含水量，再利用所述膜电极含水量计算出所述第i电堆单元所对应的电堆内部湿度。
本发明至少具有以下有益效果：采用引射器代替原先燃料电池系统中所采用的膜式增湿器，可以减小燃料电池系统的体积，同时降低生产成本。通过在燃料电池系统中设置多个电堆单元并实现各个电堆单元之间的主动相互调节，可以确保各个电堆单元的稳定运行，同时解决原先燃料电池系统中采用单个电堆所带来的其内部空气湿度无法得到有效调节的问题，以避免发生电堆膜干或者电堆水淹现象，由此提高燃料电池系统的使用寿命，降低不必要的经济损失。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1是本发明实施例中的一种燃料电池系统的结构组成示意图；
图2是本发明实施例中的一种燃料电池系统的具体结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，虽然在系统示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于系统中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
请参考图1至图2，本发明实施例提供了一种燃料电池系统，包括控制器100、空气处理子系统200、电堆运行子系统300和主干管道400，所述空气处理子系统200与所述控制器100连接，所述电堆运行子系统300与所述控制器100连接；所述电堆运行子系统300包括第i电堆单元，所述第i电堆单元的第一输入端与所述空气处理子系统200的输出端连接，所述第i电堆单元的输出端与所述主干管道400的输入端连接，所述主干管道400的输出端与所述第i电堆单元的第二输入端连接；其中，i＝1，2，...，N；N为正整数，N≥2，N表示所述电堆运行子系统中包含的电堆单元个数。
在实施过程中，所述空气处理子系统200用于将外界空气进行压缩与去除杂质处理后得到干空气，再将该干空气提供给所述电堆运行子系统300使用；所述主干管道400用于收集所述电堆运行子系统300排出的湿空气，再将该湿空气分配给所述电堆运行子系统300中的各个电堆单元进行回收利用。
本发明设置所述主干管道400的好处在于：当所述电堆运行子系统300中出现部分电堆单元的内部空气湿度需要进行调节时，若通过直接改变所述空气处理子系统200的运行状态来调整其输出干空气的湿度，可能会影响到所述电堆运行子系统300中处于正常工作状态下的其他电堆单元的内部空气湿度从而破坏其运行平衡稳定性；在考虑到所述电堆运行子系统300中的各个电堆单元运行时均会产生湿空气排出，利用所述主干管道400具备的湿空气回收功能有助于实现对所述部分电堆单元的内部空气湿度进行调节，且无需改变所述空气处理子系统200的运行状态，具有良好的实用性。
具体的，所述空气处理子系统200包括空滤器210、空压机220、中冷器230、温度传感器240和湿度传感器250，所述空滤器2210的输出端与所述空压机220的输入端连接，所述空压机220的输出端与所述中冷器230的输入端连接，所述中冷器230的输出端与所述第i电堆单元的第一输入端连接。
在实施过程中，外界空气依次经过所述空滤器210、所述空压机220和所述中冷器230的处理后得到干空气，其中，所述空滤器210用于对进入的外界空气进行杂质去除得到一次空气，所述空压机220用于对进入的一次空气进行压缩处理得到高温的二次空气，所述中冷器230用于按照既定的输出温度区间对进入的二次空气进行冷却处理得到干空气；此外，所述温度传感器240用于检测所述中冷器230输出的干空气的温度并将其反馈至所述控制器100，所述湿度传感器250用于检测所述中冷器230输出的干空气的湿度并将其反馈至所述控制器100，使得操作人员可以实时监测到所述空气处理子系统200的工作稳定性。
具体的，所述第i电堆单元包括第i入口阀、第i引射器、第i电堆、第i出口阀和第i背压阀，所述空气处理子系统200通过所述第i入口阀与所述第i引射器的一次流入口连接，所述第i引射器的出口与所述第i电堆的进气口连接，所述第i电堆的排气口与所述主干管道400的输入端连接，所述主干管道400的输出端通过所述第i出口阀与所述第i引射器的二次流入口连接，所述第i背压阀设置在所述第i电堆的排气口处。
在实施过程中，所述第i引射器用于将所述空气处理子系统200提供的干空气和所述主干管道400提供的湿空气进行充分混合以调节进入所述第i电堆的空气的湿度，所述第i入口阀用于调节进入所述第i引射器的干空气的流量，且所述第i入口阀的开度大小与所述第i电堆的运行功率呈正相关性，即当需要提高所述第i电堆的运行功率时，则适当地增大所述第i阀门的开度，所述第i出口阀用于调节进入所述第i引射器的湿空气的流量以进一步影响进入所述第i电堆的空气的湿度，所述第i背压阀于将所述第i电堆排出的多余湿空气释放到大气环境中以避免所述主干管道400的空气承载压力过大。
进一步地，所述第i电堆单元还包括第i压力传感器、第i入口侧湿度传感器和第i出口侧湿度传感器；其中，所述第i压力传感器用于检测进入所述第i电堆的空气的压力并将其反馈至所述控制器100，所述第i入口侧湿度传感器用于检测进入所述第i电堆的空气的湿度并将其反馈至所述控制器100，所述第i出口侧湿度传感器用于检测所述第i电堆排出的湿空气的湿度并将其反馈至所述控制器100，使得操作人员可以实时监测到第i电堆单元在运行过程中的输入输出状态。
在本发明实施例中，以所述电堆运行子系统300包括第1电堆单元、第2电堆单元和第3电堆单元为例进行说明，其中，所述第1电堆单元包括第1入口阀311、第1引射器312、第1电堆313、第1出口阀314、第1背压阀315、第1压力传感器316、第1入口侧湿度传感器317和第1出口侧湿度传感器318，所述第2电堆单元包括第2入口阀321、第2引射器322、第2电堆323、第2出口阀324、第2背压阀325、第2压力传感器326、第2入口侧湿度传感器327和第2出口侧湿度传感器328，所述第3电堆单元包括第3入口阀331、第3引射器332、第3电堆333、第3出口阀334、第3背压阀335、第3压力传感器336、第3入口侧湿度传感器337和第3出口侧湿度传感器338。
在实施过程中，所述控制器100会对所述第1入口阀311、所述第1出口阀314、所述第2入口阀321、所述第2出口阀324、所述第3入口阀331和所述第3出口阀334进行独立控制，操作人员将根据所述第1电堆313、所述第2电堆323和所述第3电堆333的运行功率需求，通过所述控制器100来调整上述各个阀门的开度大小，此时进入所述第1引射器312、所述第2引射器322和所述第3引射器332的干空气流量以及湿空气流量可以是互不相同的，从而使得进入所述第1电堆313、所述第2电堆323和所述第3电堆333的空气湿度可以是互不相同的。
另外，本发明实施例还提供一种燃料电池系统的空气湿度调节方法，其采用上述实施例所提供的燃料电池系统，所述空气湿度调节方法包括如下：
步骤1：控制燃料电池系统启动，且在所述燃料电池系统进入稳定状态后，检测电堆运行子系统300中的N个电堆单元所对应的电堆内部湿度。
步骤2：判断所述N个电堆单元中是否存在至少一个电堆单元所对应的电堆内部湿度落在技术人员提前制定的预设湿度范围内，其判断结果为：当所述N个电堆单元中存在M1个电堆单元所对应的电堆内部湿度低于预设湿度范围的下限值时，执行步骤3；或者，当所述N个电堆单元中存在M2个电堆单元所对应的电堆内部湿度高于所述预设湿度范围的上限值时，跳转执行步骤4；或者，当所述N个电堆单元所对应的电堆内部湿度均落在所述预设湿度范围内时，跳转执行步骤5。
步骤3：将所述M1个电堆单元所对应的M1个出口阀的开度增加到100％，其中M1为正整数，1≤M1＜N；控制所述燃料电池系统在预设时间段内继续运行之后，若所述M1个电堆单元中仍存在一个或者多个电堆单元所对应的电堆内部湿度低于所述预设湿度范围的下限值时，从剩下的N-M1个电堆单元中选择一个或者多个电堆单元并提高其电堆运行功率，其中所述预设时间段是由技术人员提前设置的。
步骤4：增大所述M2个电堆单元所对应的M2个入口阀的开度，同时减小所述M2个电堆单元所对应的M2个出口阀的开度，其中M2为正整数，1≤M2＜N；控制所述燃料电池系统在所述预设时间段内继续运行之后，若所述M2个电堆单元中仍存在一个或者多个电堆单元所对应的电堆内部湿度高于所述预设湿度范围的上限值时，从剩下的N-M2个电堆单元中选择一个或者多个电堆单元并降低其电堆运行功率。
步骤5：保持所述N个电堆单元中的每一个电堆单元内部的入口阀和出口阀的开度不变，此时使得每一个电堆单元内部的电堆处于正常运行状态。
在上述步骤1中，针对所述电堆运行子系统300中的第i电堆单元所对应的电堆内部湿度的计算过程包括：首先利用现有的交流阻抗测试方法获取所述第i电堆单元中的第i电堆的膜电极电阻；其次，基于技术人员已预先根据多次实验制定出反映膜电极电阻与膜电极含水量之间的映射关系表格，通过查表方式根据所述第i电堆的膜电极电阻获取到与其对应的第i电堆的膜电极含水量；最后，利用所述第i电堆的膜电极含水量计算出所述第i电堆单元所对应的电堆内部湿度。
在上述步骤3中，以所述电堆运行子系统300包括第1电堆单元、第2电堆单元和第3电堆单元为例进行说明：当仅有所述第1电堆单元所对应的电堆内部湿度低于预设湿度范围的下限值时，将所述第1出口阀314的开度增加到100％，即通过增加湿空气的流量可提高由所述第1引射器312输出至所述第1电堆313的空气湿度；控制所述燃料电池系统在所述预设时间段内继续运行之后，若所述第1电堆单元所对应的电堆内部湿度仍然低于所述预设湿度范围的下限值时，操作人员在查看到所述第2电堆323的运行功率小于额定功率但是所述第3电堆333的运行功率接近于额定功率时，仅通过给所述第2电堆323加入适量的氢气和空气以使得其运行功率得到提高，即所述第2电堆323内部通过化学反应产生更多水分以增加排出的空气湿度，使得进入所述第1引射器312的空气湿度随之增加，从而使得进入所述第1电堆313的空气湿度增加，由此解决所述第1电堆313内部的缺水问题。
在上述步骤4中，以所述电堆运行子系统300包括第1电堆单元、第2电堆单元和第3电堆单元为例进行说明：当仅有所述第1电堆单元所对应的电堆内部湿度高于所述预设湿度范围的上限值时，增大所述第1入口阀311的开度且同时减小所述第1出口阀314的开度，即通过增加干空气的流量以及减小湿空气的流量来快速降低由所述第1引射器312输出至所述第1电堆313的空气湿度；控制所述燃料电池系统在所述预设时间段内继续运行之后，若所述第1电堆单元所对应的电堆内部湿度仍然高于所述预设湿度范围的上限值时，操作人员在查看到所述第2电堆323和所述第3电堆333的运行功率均接近于额定功率时，通过适量减少输入至所述第2电堆323和所述第3电堆333的氢气和空气以使得所述第2电堆323和所述第3电堆333的运行功率得到降低，即所述第2电堆323和所述第3电堆333内部通过化学反应后排出的空气湿度降低，使得进入所述第1引射器312的空气湿度随之降低，从而使得进入所述第1电堆313的空气湿度降低，由此解决所述第1电堆313内部的水淹问题。
其中，所述第2电堆323的运行功率的降低程度可以小于或者等于或者大于所述第3电堆333的运行功率的降低程度，具体由操作人员根据所述第2电堆323和所述第3电堆333的当前实际运行状态进行合理调节。
尽管本申请的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求，考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本申请的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本申请进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本申请的非实质性改动仍可代表本申请的等效改动。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统的空气湿度调节方法，其特征在于，所述燃料电池系统包括控制器、空气处理子系统、电堆运行子系统和主干管道，所述空气处理子系统与所述控制器连接，所述电堆运行子系统与所述控制器连接；所述电堆运行子系统包括第i电堆单元，所述第i电堆单元的第一输入端与所述空气处理子系统的输出端连接，所述第i电堆单元的输出端与所述主干管道的输入端连接，所述主干管道的输出端与所述第i电堆单元的第二输入端连接；
所述第i电堆单元包括第i入口阀、第i引射器、第i电堆和第i出口阀，所述空气处理子系统通过所述第i入口阀与所述第i引射器的一次流入口连接，所述第i引射器的出口与所述第i电堆的进气口连接，所述第i电堆的排气口与所述主干管道的输入端连接，所述主干管道的输出端通过所述第i出口阀与所述第i引射器的二次流入口连接；
所述空气处理子系统用于将外界空气进行压缩与去除杂质处理后得到干空气，所述主干管道用于收集所述电堆运行子系统排出的湿空气，所述第i引射器用于将所述空气处理子系统提供的干空气和所述主干管道提供的湿空气进行充分混合以调节进入所述第i电堆的空气的湿度，所述第i入口阀用于调节进入所述第i引射器的干空气的流量，所述第i出口阀用于调节进入所述第i引射器的湿空气的流量；
其中，i＝1，2，...，N；N为正整数，N≥2；N表示所述电堆运行子系统中包含的电堆单元个数；
所述空气湿度调节方法包括：
控制燃料电池系统启动；
在所述燃料电池系统进入稳定状态后，检测电堆运行子系统中的N个电堆单元所对应的电堆内部湿度；
当所述N个电堆单元中存在M1个电堆单元所对应的电堆内部湿度低于预设湿度范围的下限值时，将所述M1个电堆单元所对应的M1个出口阀的开度增加到100％，其中M1为正整数，1≤M1＜N；
控制所述燃料电池系统在预设时间段内继续运行；
当所述M1个电堆单元中仍存在一个或者多个电堆单元所对应的电堆内部湿度低于所述预设湿度范围的下限值时，从剩下的N-M1个电堆单元中选择一个或者多个电堆单元并提高其电堆运行功率；
当所述N个电堆单元中存在M2个电堆单元所对应的电堆内部湿度高于所述预设湿度范围的上限值时，增大所述M2个电堆单元所对应的M2个入口阀的开度，同时减小所述M2个电堆单元所对应的M2个出口阀的开度，其中M2为正整数，1≤M2＜N；
控制所述燃料电池系统在所述预设时间段内继续运行；
当所述M2个电堆单元中仍存在一个或者多个电堆单元所对应的电堆内部湿度高于所述预设湿度范围的上限值时，从剩下的N-M2个电堆单元中选择一个或者多个电堆单元并降低其电堆运行功率。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统的空气湿度调节方法，其特征在于，所述电堆运行子系统中的第i电堆单元所对应的电堆内部湿度的计算过程为：
利用交流阻抗测试方法获取所述第i电堆单元中的第i电堆的膜电极电阻，根据所述膜电极电阻获取到对应的膜电极含水量，再利用所述膜电极含水量计算出所述第i电堆单元所对应的电堆内部湿度。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统的空气湿度调节方法，其特征在于，所述空气处理子系统包括空滤器、空压机和中冷器；
所述空滤器的输出端与所述空压机的输入端连接，所述空压机的输出端与所述中冷器的输入端连接，所述中冷器的输出端与所述第i电堆单元的第一输入端连接；外界空气依次经过所述空滤器、所述空压机和所述中冷器的处理后得到干空气。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统的空气湿度调节方法，其特征在于，所述空气处理子系统还包括温度传感器和湿度传感器；
所述温度传感器用于检测所述中冷器输出的干空气的温度并将其反馈至所述控制器，所述湿度传感器用于检测所述中冷器输出的干空气的湿度并将其反馈至所述控制器。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统的空气湿度调节方法，其特征在于，所述第i电堆单元还包括第i压力传感器、第i入口侧湿度传感器和第i出口侧湿度传感器；
所述第i压力传感器用于检测进入所述第i电堆的空气的压力并将其反馈至所述控制器，所述第i入口侧湿度传感器用于检测进入所述第i电堆的空气的湿度并将其反馈至所述控制器，所述第i出口侧湿度传感器用于检测所述第i电堆排出的湿空气的湿度并将其反馈至所述控制器。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统的空气湿度调节方法，其特征在于，所述第i电堆单元还包括第i背压阀，所述第i背压阀设置在所述第i电堆的排气口处，用于将所述第i电堆排出的多余湿空气释放到大气环境中。
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