CN115050997B - 一种燃料电池系统自加湿装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统自加湿装置及其控制方法，涉及燃料电池系统加湿技术领域，包括扩散降压管、气水分离器以及分别通过管道连接气水分离器的阀门一、阀门二、阀门三、阀门四，电堆空气尾排管路连接阀门一，电堆进堆空气管路连接阀门二，阀门三通过管道连接于扩散降压管降压区，扩散降压管入口端设有第一压力传感器，扩散降压管降压区设有第二压力传感器，扩散降压管出口端设有水滴雾化网；扩散降压管是先收缩而后逐渐扩大的管道，本发明中的一种燃料电池系统自加湿装置与现有技术相比，可以快速准确地调整增湿效果，可实现快速调节各工况下燃料电池电堆增湿效果，且步骤简单、成本低廉。

Description

一种燃料电池系统自加湿装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池系统加湿技术领域，具体涉及一种燃料电池系统自加湿装置及其控制方法。

背景技术

质子交换膜电池是一种通过与氧或其它氧化剂进行化学反应将燃料的化学能转化为电能的发电系统。在质子交换膜燃料电池工作时，电池中的质子都是要通过质子交换膜传导；具体地说，是以一种水合质子的方式进行质子传递，从而形成电流。因此，为了保证质子交换膜燃料电池能够正常工作，必须要使燃料电池的质子交换膜保持湿润。但是在燃料电池工作过程中，会产生大量的热量，很容易将阴极区域产生的水汽化，由于反应气体的快速流动，会带走这些水分，使得燃料电池的膜电极失水导致燃料电池的内阻迅速增加，从而导致电池的性能急剧下降。因此，在反应气体参与反应前，需要对反应气体进行增湿处理。对质子交换膜增湿是质子交换膜燃料电池的关键技术。

目前，在燃料电池领域中，对反应气体进行增湿的方法主要有内增湿和外增湿两种方法。其中，内增湿方法就是将增湿系统和燃料电池设计成一个整体，无需外加增湿装置，增湿可以认为是在电池的内部进行。这种增湿的方法可以减少质子交换膜电池的重量和体积；但是，这种增湿方法难以对反应气体进行湿度控制，如果增湿过量将会导致电堆被水淹没，从而使得电池的性能下降。外增湿就是在质子交换膜燃料电池外部配置一个增湿系统，在反应气体进入燃料电池之前进行增湿；目前，采用外部增湿的方式有很多种，例如，超声波雾化增湿，中空纤维增湿法、鼓包式增湿法等；但是，这些设备往往结构复杂，成本较高，增湿效率不高且不能及时调节，而且这类增湿方法加湿时消耗能量太大。目前亟需一种对反应气体的湿度进行及时调节的燃料电池增湿系统。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种燃料电池系统自加湿装置及其控制方法，旨在一定程度上解决相关技术中的技术问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种燃料电池系统自加湿装置，包括扩散降压管、气水分离器以及分别通过管道连接气水分离器的阀门一、阀门二、阀门三、阀门四，电堆空气尾排管路连接阀门一，电堆进堆空气管路连接阀门二，阀门三通过管道连接于扩散降压管降压区，扩散降压管入口端设有第一压力传感器，扩散降压管降压区设有第二压力传感器，扩散降压管出口端设有水滴雾化网；扩散降压管是先收缩而后逐渐扩大的管道。

在上述技术方案的基础上，水滴雾化网为微孔雾化片。

在上述技术方案的基础上，气水分离器为离心式、旋流式、重力式、折流式或填充式汽水分离器。

在上述技术方案的基础上，气水分离器设有液位传感器。

在上述技术方案的基础上，扩散降压管为设有减压阀的气体管道。

在上述技术方案的基础上，阀门二和阀门三进行开关联动锁定并同步控制。

在上述技术方案的基础上，第一压力传感器和第二压力传感器为电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器或电容式加速度传感器中的一种或两种组合。

在上述技术方案的基础上，阀门一、阀门二、阀门三、阀门四为闸阀、截止阀、球阀或蝶阀中的一种或任意组合，或阀门一、阀门二、阀门三、阀门四为气动或电动阀门。

在上述技术方案的基础上，一种燃料电池系统自加湿装置的控制方法，包括以下步骤：

S1、燃料电池系统启动，按电堆需求供给进堆空气；

S2、监测尾气湿度，监测尾气湿度，设定加湿级数n=1为加湿正常加湿，n=2为最大加湿，判断电堆状态是否需要加湿以及相应加湿级数；如果检测电堆需要加湿n=1，则进行步骤S3，如果检测电堆需要加湿n=2，则进行步骤S5，如果电堆不需要加湿，则进行步骤S4；

S3、如果加湿级数n=1，则阀门二、阀门三关闭，阀门一、阀门四打开储水，阀门开关频率为对应加湿级数n=1级状态，并进入下一步S7；

S4、阀门一、阀门四关闭，阀门二、阀门三打开喷水，阀门开关频率为对应加湿级数n=1级状态，进入步骤S8；

S5、如果加湿级数n=2，则阀门二、阀门三关闭，阀门一、阀门四打开储水，阀门开关频率为对应加湿级数n=2级状态，并进入下一步S6；

S6、阀门一、阀门四关闭，阀门二、阀门三打开储水，阀门开关频率为对应加湿级数n=2级状态，进入步骤S8；

S7、阀门一、二、三、四关闭不加湿，空气路正常供给空气，进入步骤S8；

S8、判断系统是否关机，如果不是，返回步骤S2，如果是，则进行S9；

S9、停机结束。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明中的一种燃料电池系统自加湿装置与现有技术相比，1、可以快速准确地调整增湿效果和增湿水补充时间，可实现快速调节各工况下燃料电池电堆增湿效果，及时响应燃料电池系统的气体增湿量需求变化并保持合适湿度，稳定燃料电池内部空气湿度的平衡，2、省去了附加增湿部件的功率消耗，具有整体提升燃料电池系统性能的效果，且步骤简单、成本低廉，3、通过阀门开合控制即可实现增湿调湿效果，系统控制简单，结构可靠性、稳定性高。

附图说明

图1为本发明实施例中一种燃料电池系统自加湿装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中的一种燃料电池系统加湿调节原理框图。

图中：1-阀门一，2-阀门二，3-阀门三，4-阀门四，5-气水分离器，6-扩散降压管，7-第一压力传感器，8-第二压力传感器，9-水滴雾化网。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

参见图1所示本发明实施例中一种燃料电池系统自加湿装置的结构示意图，包括扩散降压管6、气水分离器5以及分别通过管道连接气水分离器5的阀门一1、阀门二2、阀门三3、阀门四4，电堆空气尾排管路连接阀门一1，电堆进堆空气管路连接阀门二2，阀门三3通过管道连接于扩散降压管6降压区，扩散降压管6入口端设有第一压力传感器7，扩散降压管6降压区设有第二压力传感器8，扩散降压管6出口端设有水滴雾化网9；扩散降压管6是先收缩而后逐渐扩大的管道。

水滴雾化网9为微孔雾化片，微孔雾化片均布微米级的细小孔洞，主要将水汽雾化并满足电堆进堆空气雾化加湿的要求。

气水分离器5为离心式、旋流式、重力式、折流式或填充式汽水分离器。气水分离器5为本实施的核心部件，既可以起到存储电堆空气端反应生成的水分，又可以把收集的水份供给给进堆空气加湿，通过多个阀门即阀门一1、阀门二2、阀门三3、阀门四4之间通断的联动控制，到达协调储水和加湿操作交替运作，很好解决了电堆进堆空气的加湿需求，并且没有附加功率消耗，自动调节。

气水分离器5设有液位传感器，液位传感器感应气水分离器5的储水情况，当储水过多时发出溢出信号，燃料电池系统控制器控制排水操作，直至气水分离器5储水部件到达合理水位；当储水不足时，燃料电池系统控制器发出系统故障信号，提示补水加湿。

扩散降压管6为设有减压阀的气体管道，扩散降压管6可以是文丘里管的降压管路，目的是为了阀门三3控制的加湿管道空气顺利进入入堆空气管路，而降低该入堆空气管路区段的压力，便于加湿空气进入混合。

阀门二2和阀门三3进行开关联动锁定并同步控制，阀门二2和阀门三3同时打开时为进堆加湿操作，同时关闭阀门二2和阀门三3时储水操作，本实施例中将阀门二2和阀门三3联动锁定可以降低系统故障或操作失误的概率，如果检测到阀门二2和阀门三3联动失效故障等情况，可以及时反馈并使电堆停机，避免出现由于加湿滞后或失效对电堆的损伤。

第一压力传感器7和第二压力传感器8为电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器或电容式加速度传感器中的一种或两种组合。第一压力传感器7压力值为P1、第二压力传感器8压力值为P2，在电堆进行正常加湿操作时P1大于P2，如果系统出现P1不大于P2时，说明加湿系统故障需要停机检修。

阀门一1、阀门二2、阀门三3、阀门四4为闸阀、截止阀、球阀或蝶阀中的一种或任意组合。本实施例中使用电动阀门或气动阀门控制，通过系统控制器控制阀门按指定操作程序通断。

参见图2所示本发明实施例中一种燃料电池系统自加湿装置的加湿调节原理框图，一种燃料电池系统自加湿装置的控制方法，该方法包括以下步骤：

S1、燃料电池系统启动，空压机按电堆需求供给进堆空气，各个辅助设备进入工作状态。

S2、监测尾气湿度，设定加湿级数n=1为加湿正常加湿，n=2为最大加湿，判断电堆状态是否需要加湿以及相应加湿级数；如果检测电堆需要加湿且n=1，则进行步骤S3，如果检测电堆需要加湿n=2，则进行步骤S5，如果电堆不需要加湿，则进行步骤S7；本实施例中分为两级加湿，一级n=1进行正常加湿，阀门开关频率为每分钟480次，二级n=2进行最大加湿调节，最大加湿调节阀门开关频次加大至最大频次上限。

S3、如果加湿级数n=1，则阀门二2、阀门三3关闭，阀门一1、阀门四4打开储水，阀门开关频率n=1级，并进入下一步S4；

S4、阀门一1、阀门四4关闭，阀门二2、阀门三3打开喷水，阀门开关频率n=1级，进入步骤S8。

S5、如果加湿级数n=2，则阀门二2、阀门三3关闭，阀门一1、阀门四4打开储水，阀门开关频率n=2级，并进入下一步S6；n=2时二级加湿调节状态，整个增湿调节系统达到本实施例固有的最大物理增湿上限，以期迅速满足进堆空气增湿需求。

S6、阀门一1、阀门四4关闭，阀门二2、阀门三3打开储水，阀门开关频率n=2级，进入步骤S8。

S7、阀门一1、阀门二2、阀门三3、阀门四4关闭不加湿，空气路正常供给空气，进入步骤S8。此步骤中，如果液位传感器检测到气水分离5中的水位不足，可以打开阀门二2和阀门三3进行储水操作，当储水量充足后关闭阀门二2和阀门三3，当电堆需要提供增湿时直接供应增湿调用。

S8、判断系统是否关机，如果不是，返回步骤S2，如果是，则进行S9；

S9、停机结束。

本发明中的一种燃料电池系统自加湿装置与现有技术相比，可以快速准确地调整增湿效果和增湿时间，可实现快速调节各工况下燃料电池电堆增湿效果，及时响应燃料电池系统的入堆空气增湿量需求变化并保持合适湿度，稳定燃料电池内部空气湿度的平衡，而且省去了附加增湿部件的功率消耗，具有整体提升燃料电池系统性能的效果，且步骤简单、成本低廉。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统自加湿装置，其特征在于：包括扩散降压管、气水分离器以及分别通过管道连接气水分离器的阀门一、阀门二、阀门三、阀门四，电堆空气尾排管路连接阀门一，电堆进堆空气管路连接阀门二，阀门三通过管道连接于扩散降压管降压区，扩散降压管入口端设有第一压力传感器，扩散降压管降压区设有第二压力传感器，扩散降压管出口端设有水滴雾化网；扩散降压管是先收缩而后逐渐扩大的管道，阀门四设置于排气口上。

2.如权利要求1所述的一种燃料电池系统自加湿装置，其特征在于：所述水滴雾化网为微孔雾化片。

3.如权利要求1所述的一种燃料电池系统自加湿装置，其特征在于：所述气水分离器为离心式、旋流式、重力式、折流式或填充式汽水分离器。

4.如权利要求1所述的一种燃料电池系统自加湿装置，其特征在于：所述气水分离器设有液位传感器。

5.如权利要求1所述的一种燃料电池系统自加湿装置，其特征在于：所述扩散降压管为设有减压阀的气体管道。

6.如权利要求1所述的一种燃料电池系统自加湿装置，其特征在于：所述阀门二和阀门三进行开关联动锁定并同步控制。

7.如权利要求1所述的一种燃料电池系统自加湿装置，其特征在于：所述第一压力传感器和第二压力传感器为电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器或电容式加速度传感器中的一种或两种组合。

8.如权利要求1的一种燃料电池系统自加湿装置，其特征在于：所述阀门一、阀门二、阀门三、阀门四为闸阀、截止阀、球阀或蝶阀中的一种或任意组合，或阀门一、阀门二、阀门三、阀门四为气动或电动阀门。

9.如权利要求1-8任意一项所述的一种燃料电池系统自加湿装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、燃料电池系统启动，按电堆需求供给进堆空气；

S2、监测尾气湿度，设定加湿级数n=1为加湿正常加湿，n=2为最大加湿，判断电堆状态是否需要加湿以及相应加湿级数；如果检测电堆需要加湿n=1，则进行步骤S3，如果检测电堆需要加湿n=2，则进行步骤S5，如果电堆不需要加湿，则进行步骤S7；

S3、如果加湿级数n=1，则阀门二、阀门三关闭，阀门一、阀门四打开储水，阀门开关频率为对应加湿级数n=1级状态，并进入下一步S4；

S4、阀门一、阀门四关闭，阀门二、阀门三打开喷水，阀门开关频率为对应加湿级数n=1级状态，进入步骤S8；

S5、如果加湿级数n=2，则阀门二、阀门三关闭，阀门一、阀门四打开储水，阀门开关频率为对应加湿级数n=2级状态，并进入下一步S6；

S6、阀门一、阀门四关闭，阀门二、阀门三打开储水，阀门开关频率为对应加湿级数n=2级状态，进入步骤S8；

S7、阀门一、二、三、四关闭不加湿，空气路正常供给空气，进入步骤S8；

S8、判断系统是否关机，如果不是，返回步骤S2，如果是，则进行S9；

S9、停机结束。

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