CN115842142A - 一种燃料电池电堆阳极排水控制方法及装置 - Google Patents

一种燃料电池电堆阳极排水控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池电堆阳极排水控制方法及装置，所述控制方法包括：(Ⅰ)设定排水阈值；(Ⅱ)保持燃料电池电堆以恒定电流运行，调节阳极供气流量，获取在不同阳极供气流量工况下的实时输出功率信息，以获得功率变化值；(Ⅲ)根据所述功率变化值与排水阈值，判断燃料电池电堆阳极的含水量。本发明能够对燃料电池电堆的性能下降进行测试，实际测试液态水含量对电堆性能的影响程度，并据此进行排水操作。

Description

一种燃料电池电堆阳极排水控制方法及装置
技术领域
本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，涉及电堆阳极排水，尤其涉及一种燃料电池电堆阳极排水控制方法及装置。
背景技术
质子交换膜燃料电池需要维持在合适的操作湿度下才能使燃料电池保持较高的效能，当湿度太低时，由于质子膜含水量不足而导致电导性降低，催化剂层中的质子通道受阻，造成燃料电池性能下降，当湿度太高时，气体传输通道被液态水堵塞，反应气体传输受阻，因而难以进入催化剂层达到催化剂表面，同样会导致燃料电池性能下降。
目前，通常采用在燃料电池系统阳极气体循环回路中增加分水器，辅之排水阀、排氮阀、液位传感器与压力传感器等部件，不间断的控制排水阀的开关，进行排水。其中，排水的管控主要采用两种方法，(1)基于位置传感器，当储水罐中的水位达到高位阈值时排水阀开启，下降到低位阈值时关闭，能够有效避免氢气排出，但储水罐在运行中始终存有积水，在极寒天气条件下有冻结风险；(2)基于周期性的管控，即排水阀根据不同工况进入不同占空比的开关周期，然而，当占空比过小，不能及时彻底的排除积存的水分，容易导致阳极发生水淹，当占空比过大，会导致氢气排出，使整体经济性下降。
由于阳极气体循环利用，燃料电池反应生成水在阳极不断累积，形成液态水，如无法及时排水处理，则堵塞气体扩散通道，降低燃料电池运行性能，因此，提供一种合理的排水控制方法是非常重要的。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种燃料电池电堆阳极排水控制方法及装置，能够对燃料电池电堆的性能下降进行测试，实际测试液态水含量对电堆性能的影响程度，并据此进行排水操作，避免水含量过高或过低对电堆性能的影响，同时避免氢气的浪费。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种燃料电池电堆阳极排水控制方法，所述控制方法包括：
(Ⅰ)设定排水阈值；
(Ⅱ)保持燃料电池电堆以恒定电流运行，调节阳极供气流量，获取在不同阳极供气流量工况下的实时输出功率信息，以获得功率变化值；
(Ⅲ)根据所述功率变化值与排水阈值，判断燃料电池电堆阳极的含水量。
本发明在恒定电流的运行工况下，通过改变阳极的供气流量来测试燃料电池电堆的输出功率，以确定液态水含量，能够对电池电堆的性能进行测试，若性能下降，则电堆较干，若性能上升，则电堆较湿，基于电池电堆的性能，能针对性优化处理，以减少氢气的浪费，并据此进行排水操作，避免水含量过高或过低对电堆性能的影响。
作为本发明一个优选技术方案，步骤(Ⅰ)中，所述排水阈值包括电压阈值。
需要说明的是，本发明中的燃料电池电堆在恒定电流的工况下运行，改变电堆阳极的供气流量，则会引起电堆输出电压的变化，通过获取在不同阳极供气流量工况下的实时输出电压信息，将电压变化量与电压阈值相比较，以确定液态水含量。
作为本发明一个优选技术方案，步骤(Ⅰ)中，所述电压阈值≤0.1V。
作为本发明一个优选技术方案，步骤(Ⅱ)中，在调节阳极供气流量的过程中，保持燃料电池电堆的阴极的供气流量与供气压力为恒定状态。
本发明在恒定电流、恒定阴极供气流量以及恒定阴极供气压力的测试模式下，改变电堆阳极的供气流量，获取在不同阳极供气流量工况下的实时功率电压信息，以确定液态水含量。
作为本发明一个优选技术方案，步骤(Ⅱ)中，所述获得功率变化值的方法具体包括如下步骤：
S1调节燃料电池电堆的阳极的供气流量，使其具有第一阳极流量，获取燃料电池电堆在所述第一阳极流量的工况下运行时的第一电压；
S2将阳极的供气流量增加至第二阳极流量，获取燃料电池电堆在所述第二阳极流量的工况下运行时的第二电压；
S3计算所述第一电压与第二电压的差值，得到所述功率变化值。
作为本发明一个优选技术方案，所述排水阈值为所述第一电压的8～15％，例如可以是8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％和15％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为10％。
作为本发明一个优选技术方案，所述第一电压为燃料电池电堆在正常额定工况下运行时的额定电压。
作为本发明一个优选技术方案，所述第二阳极流量较所述第一阳极流量的增加量高于或等于30％，优选为30～80％，例如可以是30％、35％、40％、45％、50％、60％、70％、75％或80％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一个优选技术方案，步骤(Ⅲ)中，所述判断的方法具体包括：
将所述功率变化值与排水阈值进行比较，当所述功率变化值高于或等于所述排水阈值时，判断阳极含水量为水淹状态，则进行排水操作；当所述功率变化值低于所述排水阈值时，判断阳极含水量为正常状态，则保持原有运行状态。
第二方面，本发明提供了一种燃料电池电堆阳极排水控制装置，所述控制装置用于第一方面所述的燃料电池电堆阳极排水控制方法中，所述控制装置包括供气模块、主控模块、执行模块与信息采集模块；
所述供气模块连接燃料电池电堆，用于向燃料电池电堆提供气体；
所述主控模块分别电性连接所述执行模块与信息采集模块，所述信息采集模块用于实时监测燃料电池电堆的输出功率信息，并传输至所述主控模块，所述主控模块对所述输出功率信息进行分析，并基于分析结果反馈控制所述执行模块，所述执行模块用于执行燃料电池电堆的排水操作。
本发明对于供气模块、主控模块、执行模块与信息采集模块的结构不作具体限定或特殊要求。为了帮助本领域技术人员更好地了解本发明的整体技术方案及工作过程，本发明示例性地提供了如下燃料电池电堆阳极排水控制装置的各操作模块的结构：
(1)供气模块用于向燃料电池电堆提供氢气，具体包括依次连接的氢气罐、调压阀、喷射器与引射器，引射器与燃料电池电堆相连接，并采用氢气循环泵实现氢气循环。氢气罐提供氢气，调压阀用于将管路压力调至所需压力值，氢气进入喷射器，经喷射器出来的氢气直接进入引射器后分配至燃料电池电堆。
(2)主控模块包括分析器与计算器，计算器接收在不同阳极流量工况下的燃料电池电堆的实时输出功率信息数据，并对数据进行计算得到功率变化值，并将功率变化值传输至分析器。分析器内预先设定排水阈值，基于功率变化值与排水阈值的关系进行分析，并发出执行指令。
(3)信息采集模块包括传感器，对当前燃料电池电堆的电压进行检测，并传输至主控模块。
(4)执行模块包括排水装置，包括在供气氢循环管路中加入离心式分水器或重力分水器，辅之排水阀，以将循环氢气中的液体水分离出来，去除燃料电池堆阳极中的液态水，分离出的液态水通过引射器进入燃料电池电堆，为燃料电池电堆阳极加湿。当功率变化值高于或等于排水阈值时，主控模块判断阳极含水量为水淹状态，并提高排水阀的开度进行排水操作，当功率变化值低于排水阈值时，主控模块判断阳极含水量为正常状态，则排水阀的开度保持原有运行状态。
需要说明的是，以上对各操作模块的具体结构及工作形式所做出的描述不构成对本发明保护范围的进一步限定，也即，现有技术中已公开或新技术中未公开的操作模块均可用于本发明中，不限于具有以上结构，只要能实现相同或相似功能的操作模块，可以任意替换，替换后得到的技术方案同样落入本发明的保护范围和公开范围内。
本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的一种燃料电池电堆阳极排水控制方法及装置，在恒定电流、恒定阴极供气流量以及恒定阴极供气压力的运行工况下，通过改变阳极的供气流量来测试燃料电池电堆的输出功率，以确定液态水含量，能够对燃料电池电堆的性能下降进行测试，实际测试液态水含量对电堆性能的影响程度，并据此进行排水操作，避免水含量过高或过低对电堆性能的影响，同时可以避免氢气的浪费。
附图说明
图1为本发明一个具体实施方式提供的获得功率变化值的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在一个具体实施方式中，本发明提供了一种燃料电池电堆阳极排水控制方法，所述控制方法包括：
(1)设定排水阈值；
(2)保持燃料电池电堆以恒定电流运行，调节阳极供气流量，获取在不同阳极供气流量工况下的实时输出功率信息，以获得功率变化值；
(3)根据所述功率变化值与排水阈值，判断燃料电池电堆阳极的含水量。
在一些实施方式中，步骤(1)中，所述排水阈值包括电压阈值。本发明中的燃料电池电堆在恒定电流的工况下运行，改变电堆阳极的供气流量，则会引起电堆输出电压的变化，通过获取在不同阳极供气流量工况下的实时输出电压信息，将电压变化量与电压阈值相比较，以确定液态水含量。
在一些实施方式中，步骤(1)中，所述电压阈值ΔU≤0.1V。
在一些实施方式中，步骤(2)中，在调节阳极供气流量的过程中，保持燃料电池电堆的阴极的供气流量与供气压力为恒定状态。本发明在恒定电流、恒定阴极供气流量以及恒定阴极供气压力的测试模式下，改变电堆阳极的供气流量，获取在不同阳极供气流量工况下的实时功率电压信息，以确定液态水含量。
在一些实施方式中，步骤(3)中，如图1所示，所述获得功率变化值的方法具体包括如下步骤：
S1调节燃料电池电堆的阳极的供气流量，使其具有第一阳极流量，获取燃料电池电堆在所述第一阳极流量的工况下运行时的第一电压U0；
S2将阳极的供气流量增加至第二阳极流量，获取燃料电池电堆在所述第二阳极流量的工况下运行时的第二电压U1；
S3计算所述第一电压U0与第二电压U1的差值，得到所述功率变化值U1-U0。
在一些实施方式中，所述排水阈值为所述第一电压的8～15％，优选为10％。
在一些实施方式中，所述第一电压为燃料电池电堆在正常额定工况下运行时的额定电压。
在一些实施方式中，所述第二阳极流量较所述第一阳极流量的增加量高于或等于30％，优选为30～80％。
在一些实施方式中，步骤(3)中，所述判断的方法具体包括：
将所述功率变化值与排水阈值进行比较，当所述功率变化值高于或等于所述排水阈值时，判断阳极含水量为水淹状态，则进行排水操作；当所述功率变化值低于所述排水阈值时，判断阳极含水量为正常状态，则保持原有运行状态。
在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种燃料电池电堆阳极排水控制装置，所述控制装置用于一个具体实施方式所述的燃料电池电堆阳极排水控制方法中，所述控制装置包括供气模块、主控模块、执行模块与信息采集模块；
所述供气模块连接燃料电池电堆，用于向燃料电池电堆提供气体；
所述主控模块分别电性连接所述执行模块与信息采集模块，所述信息采集模块用于实时监测燃料电池电堆的输出功率信息，并传输至所述主控模块，所述主控模块对所述输出功率信息进行分析，并基于分析结果反馈控制所述执行模块，所述执行模块用于执行燃料电池电堆的排水操作。
为了帮助本领域技术人员更好地了解本发明的整体技术方案及工作过程，本发明示例性地提供了如下燃料电池电堆阳极排水控制装置的各操作模块的结构：
(1)供气模块用于向燃料电池电堆提供氢气，具体包括依次连接的氢气罐、调压阀、喷射器与引射器，引射器与燃料电池电堆相连接，并采用氢气循环泵实现氢气循环。氢气罐提供氢气，调压阀用于将管路压力调至所需压力值，氢气进入喷射器，经喷射器出来的氢气直接进入引射器后分配至燃料电池电堆。
(2)主控模块包括分析器与计算器，计算器接收在不同阳极流量工况下的燃料电池电堆的实时输出功率信息数据，并对数据进行计算得到功率变化值，并将功率变化值传输至分析器。分析器内预先设定排水阈值，基于功率变化值与排水阈值的关系进行分析，并发出执行指令。
(3)信息采集模块包括传感器，对当前燃料电池电堆的电压进行检测，并传输至主控模块。
(4)执行模块包括排水装置，包括在供气氢循环管路中加入离心式分水器或重力分水器，辅之排水阀，以将循环氢气中的液体水分离出来，去除燃料电池堆阳极中的液态水，分离出的液态水通过引射器进入燃料电池电堆，为燃料电池电堆阳极加湿。当功率变化值高于或等于排水阈值时，主控模块判断阳极含水量为水淹状态，并提高排水阀的开度进行排水操作，当功率变化值低于排水阈值时，主控模块判断阳极含水量为正常状态，则排水阀的开度保持原有运行状态。
实施例1
本实施例提供了一种燃料电池电堆阳极排水控制方法，具体包括如下步骤：
(1)设定排水阈值ΔU＝0.1V；
(2)保持燃料电池电堆以恒定电流、恒定阴极的供气流量以及恒定阴极的供气压力的工况下运行，调节燃料电池电堆的阳极的供气流量，使其具有第一阳极流量为2000nlpm，获取燃料电池电堆在该工况下运行时的第一电压；
(3)将阳极的供气流量增加至第二阳极流量为3000nlpm，获取燃料电池电堆在第二阳极流量的工况下运行时的第二电压U1；
(4)计算第一电压U0与第二电压U1的差值，得到功率变化值U1-U0；
(5)将功率变化值与排水阈值进行比较，当功率变化值高于或等于排水阈值时，判断阳极含水量为水淹状态，则进行排水操作；当功率变化值低于排水阈值时，判断阳极含水量为正常状态，则保持原有运行状态。
实施例2
本实施例提供了一种燃料电池电堆阳极排水控制方法，具体包括如下步骤：
(1)设定排水阈值ΔU＝0.08V；
(2)保持燃料电池电堆以恒定电流、恒定阴极的供气流量以及恒定阴极的供气压力的工况下运行，调节燃料电池电堆的阳极的供气流量，使其具有第一阳极流量为2400nlpm，获取燃料电池电堆在该工况下运行时的第一电压U0；
(3)将阳极的供气流量增加至第二阳极流量为3600nlpm，获取燃料电池电堆在第二阳极流量的工况下运行时的第二电压U1；
(4)计算第一电压U0与第二电压U1的差值，得到功率变化值U1-U0；
(5)将功率变化值与排水阈值进行比较，当功率变化值高于或等于排水阈值时，判断阳极含水量为水淹状态，则进行排水操作；当功率变化值低于排水阈值时，判断阳极含水量为正常状态，则保持原有运行状态。
实施例3
本实施例提供了一种燃料电池电堆阳极排水控制方法，具体包括如下步骤：
(1)设定排水阈值ΔU＝0.05V；
(2)保持燃料电池电堆以恒定电流、恒定阴极的供气流量以及恒定阴极的供气压力的工况下运行，调节燃料电池电堆的阳极的供气流量，使其具有第一阳极流量为1800nlpm，获取燃料电池电堆在该工况下运行时的第一电压U0；
(3)将阳极的供气流量增加至第二阳极流量为2400nlpm，获取燃料电池电堆在第二阳极流量的工况下运行时的第二电压U1；
(4)计算第一电压U0与第二电压U1的差值，得到功率变化值U1-U0；
(5)将功率变化值与排水阈值进行比较，当功率变化值高于或等于排水阈值时，判断阳极含水量为水淹状态，则进行排水操作；当功率变化值低于排水阈值时，判断阳极含水量为正常状态，则保持原有运行状态。
实施例4
本实施例提供了一种燃料电池电堆阳极排水控制装置，用于实施例1提供的排水控制方法中，具体包括供气模块、主控模块、执行模块与信息采集模块。供气模块用于向燃料电池电堆提供气体，主控模块分别电性连接执行模块与信息采集模块。信息采集模块用于实时监测燃料电池电堆的电压信息，并传输至主控模块。控制模块内预设有电压阈值，主控模块将接收到的电压信息与电压阈值进行对比分析，并基于分析结果反馈控制执行模块。
供气模块用于向燃料电池电堆提供氢气，具体包括依次连接的氢气罐、调压阀、喷射器与引射器，引射器与燃料电池电堆相连接，并采用氢气循环泵实现氢气循环。氢气罐提供氢气，调压阀用于将管路压力调至所需压力值，氢气进入喷射器，经喷射器出来的氢气直接进入引射器后分配进入到燃料电池电堆。
主控模块包括分析器与计算器，计算器接收并计算在不同阳极流量工况下的燃料电池电堆的实时输出功率信息数据，并对数据进行计算得到功率变化值，并将功率变化值传输至分析器。分析器内预先设定排水阈值，基于功率变化值与排水阈值的关系进行分析，并发出执行指令。信息采集模块包括传感器，对当前燃料电池电堆的电压进行检测，并传输至主控模块。
执行模块包括排水装置，包括在供气氢循环管路中加入离心式分水器或重力分水器，辅之排水阀，以将循环氢气中的液体水分离出来，去除燃料电池堆阳极中的液态水，分离出的液态水通过引射器进入燃料电池电堆，为燃料电池电堆阳极加湿。当功率变化值高于或等于排水阈值时，主控模块判断阳极含水量为水淹状态，并提高排水阀的开度进行排水操作，当功率变化值低于排水阈值时，主控模块判断阳极含水量为正常状态，则排水阀的开度保持原有运行状态。
本发明提供的燃料电池电堆阳极排水控制方法，在恒定电流、恒定阴极供气流量以及恒定阴极供气压力的运行工况下，通过改变阳极的供气流量来测试燃料电池电堆的输出功率，以确定液态水含量，能够对燃料电池电堆的性能下降进行测试，实际测试液态水含量对电堆性能的影响程度，并据此进行排水操作，避免水含量过高或过低对电堆性能的影响，同时避免氢气的浪费。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池电堆阳极排水控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
(Ⅰ)设定排水阈值；
(Ⅱ)保持燃料电池电堆以恒定电流运行，调节阳极供气流量，获取在不同阳极供气流量工况下的实时输出功率信息，以获得功率变化值；
(Ⅲ)根据所述功率变化值与排水阈值，判断燃料电池电堆阳极的含水量。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆阳极排水控制方法，其特征在于，步骤(Ⅰ)中，所述排水阈值包括电压阈值。
3.根据权利要求2所述的燃料电池电堆阳极排水控制方法，其特征在于，步骤(Ⅰ)中，所述电压阈值≤0.1V。
4.根据权利要求1-3任一项所述的燃料电池电堆阳极排水控制方法，其特征在于，步骤(Ⅱ)中，在调节阳极供气流量的过程中，保持燃料电池电堆的阴极的供气流量与供气压力为恒定状态。
5.根据权利要求1-4任一项所述的燃料电池电堆阳极排水控制方法，其特征在于，步骤(Ⅱ)中，所述获得功率变化值的方法具体包括如下步骤：
S1调节燃料电池电堆的阳极的供气流量，使其具有第一阳极流量，获取燃料电池电堆在所述第一阳极流量的工况下运行时的第一电压；
S2将阳极的供气流量增加至第二阳极流量，获取燃料电池电堆在所述第二阳极流量的工况下运行时的第二电压；
S3计算所述第一电压与第二电压的差值，得到所述功率变化值。
6.根据权利要求5所述的燃料电池电堆阳极排水控制方法，其特征在于，所述排水阈值为所述第一电压的8～15％，优选为10％。
7.根据权利要求5或6所述的燃料电池电堆阳极排水控制方法，其特征在于，所述第一电压为燃料电池电堆在正常额定工况下运行时的额定电压。
8.根据权利要求5-7任一项所述的燃料电池电堆阳极排水控制方法，其特征在于，所述第二阳极流量较所述第一阳极流量的增加量高于或等于30％，优选为30～80％。
9.根据权利要求1-8任一项所述的燃料电池电堆阳极排水控制方法，其特征在于，步骤(Ⅲ)中，所述判断的方法具体包括：
将所述功率变化值与排水阈值进行比较，当所述功率变化值高于或等于所述排水阈值时，判断阳极含水量为水淹状态，则进行排水操作；当所述功率变化值低于所述排水阈值时，判断阳极含水量为正常状态，则保持原有运行状态。
10.一种燃料电池电堆阳极排水控制装置，其特征在于，所述控制装置用于权利要求1-9任一项所述的燃料电池电堆阳极排水控制方法中，所述控制装置包括供气模块、主控模块、执行模块与信息采集模块；
所述供气模块连接燃料电池电堆，用于向燃料电池电堆提供气体；
所述主控模块分别电性连接所述执行模块与信息采集模块，所述信息采集模块用于实时监测燃料电池电堆的输出功率信息，并传输至所述主控模块，所述主控模块对所述输出功率信息进行分析，并基于分析结果反馈控制所述执行模块，所述执行模块用于执行燃料电池电堆的排水操作。
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