CN116646556B - 一种风冷型阴极开放式质子交换膜燃料电池的进排气系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种风冷型阴极开放式质子交换膜燃料电池的进排气系统及控制方法，本发明针对传统单侧进排气方式下因质子膜含水量不均匀电堆输出功率低，以及阳极吹扫频繁引发的氢气浪费量多等问题设计了一种双侧进排气的技术方案。本发明在阳极流道两侧端口均布置可控的进气与排气管路，通过优选双侧进气策略，促使反应产生的水依据电堆需求在阳极流道内可控流动，提高膜内水分布的均匀性；同时依据氮气与液态水的累积特点优选排气端口，提高杂质气体与液态水的排出效率。实验证明，此方案能够有效改善风冷型阴极开放式质子交换膜燃料电池的水热特性，有效提高电堆的输出功率，延长排气周期，减少氢气消耗，提高电堆效率。
Description
技术领域
本发明涉及风冷型阴极开放式质子交换膜燃料电池进排气技术领域，具体涉及一种风冷型阴极开放式质子交换膜燃料电池的进排气系统及控制方法。
背景技术
风冷型阴极开放式质子交换膜燃料电池是直接将燃料的化学能转化为电能的装置，其排放物是水，具有零污染、能量转换效率高、运行温度低，噪声低，隐蔽性好等优点，常常用做无人机装备或者其他便携式装备的动力；燃料电池作为一种清洁能源越来越受欢迎。
风冷型阴极开放式质子交换膜燃料电池以往的优化方法主要通过改变内部流道结构尺寸、调整各种操作参数，如：压力，温度，湿度等来进行水热管理。传统的进气方式主要是单侧进气单侧排气；这种进气方式使得燃料电池在运行过程中阳极流道产生的水总是会在氢气流动方向和吹扫阀定期开启的共同作用下被引入流道出口累积形成水淹，造成入口和出口的湿度差异极大，同时水淹的部分反应气体传输受阻，造成局部缺气，反应面积变小，碳载体遭受腐蚀，使燃料电池性能下降；此种进气模式下，质子交换膜并没有得到均匀的湿润，反应物在流道内也分布不均匀。
对于质子交换膜燃料电池来说，保持质子交换膜处于均匀湿润的状态是提高性能的前提，当质子穿过质子交换膜时，需要以水分子作为载体，质子交换膜处于干枯脱水或者直接水淹都不行，干枯脱水使质子传导性严重下降；水淹会导致缺气。
在传统单侧进气单侧排气模式下，为了恢复燃料电池性能，排气阀不得不频繁的开启来对流道进行吹扫排水，这使得氢气造成浪费，氢气利用率下降。目前在风冷型阳极开放式质子交换膜燃料电池进气和排气方式研究中，都是基于单侧进气单侧排气模式下改变进气方式，如间歇性进气、利用同频率共振、声波除水等方式，但这种进气方式依然会使质子交换膜得不到更加均匀的湿润，对燃料电池性能的提升并不是很明显，而且结构复杂，成本更高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风冷型阴极开放式质子交换膜燃料电池的进排气系统，解决燃料电池在运行过程中质子交换膜湿润不均匀、传统阳极出口端水淹，反应物在流道内分布不均匀、以及频繁排气使氢气浪费的问题。
为实现以上目的，本发明的技术方案是：设计了一种风冷型阴极开放式质子交换膜燃料电池双侧进气双侧排气系统，该系统在阳极流道两侧端口均布置可控的进气与排气管路，实现了阳极流道两侧的端口都可进气和排气，进排气管路由氢气罐，氮气罐、减压阀、两个进气阀门和两个排气阀以及电磁阀控制器组成；管路中的两个进气阀门和两个排气阀门用来切换进气和排气，但这四个电磁阀也可用两个换向电磁阀替代；同时在管路各个支路中可选择性的加装各种传感器来监测燃料电池运行状态；针对燃料电池运行阶段和阳极流道中水的不同分布状态。
具体的，本发明所述进排气系统包括进气阀门Ⅰ5、排气阀门Ⅰ6、排气阀门Ⅱ10、进气阀门Ⅱ11，所述阳极流道两侧分别设有进排气口Ⅰ4和进排气口Ⅱ9，进排气口Ⅰ4和进排气口Ⅱ9均与进气管道和排气管道连通；与进排气口Ⅰ4连接的进气管道上设有进气阀门Ⅰ5，与进排气口Ⅰ4连接的排气管道上设有排气阀门Ⅰ6；与进排气口Ⅱ9连接的进气管道上设有进气阀门Ⅱ11，与进排气口Ⅱ9连接的排气管道上设有排气阀门Ⅱ10；两个进气管道汇合后与氮气瓶1、氢气瓶2连通。
优选的，本发明所述进气阀门Ⅰ5、排气阀门Ⅰ6、排气阀门Ⅱ10、进气阀门Ⅱ11为电磁阀。
优选的，本发明所述进气阀门Ⅰ5、排气阀门Ⅰ6、排气阀门Ⅱ10、进气阀门Ⅱ11均与电磁阀控制器8连接。
优选的，本发明所述氮气瓶1、氢气瓶2与进气管道连接的管道上设有减压阀Ⅱ12和减压阀Ⅰ3。
本发明的另一目的在于提供所述排气系统的控制方法，具体包括以下步骤：
(1)在燃料电池准备启动阶段，设计了吹扫模式：首先调节氮气瓶1上的减压阀Ⅱ12到合适的出口压力值，然后控制进气阀门Ⅰ5和排气阀门Ⅱ10同时开启，进气阀门Ⅱ11与排气阀门Ⅰ6关闭；其目的是除去流道内其他杂质气体及残留的水，使流道保持通畅，为燃料电池正式启动做好准备。
(2)在燃料电池运行过程中：首先可采用双侧同时进气双侧排气的模式，运行一段时间后在采用双侧交替进气，即：无重叠式双侧进气模式或者有重叠双侧进气模式；然后采用双侧同时进气双侧排气模式；两种模式交替循环。
(3)燃料电池运行结束之后，使用吹扫模式对燃料电池进行吹扫，所述吹扫模式为：调节氮气瓶1上的减压阀Ⅱ12到合适的出口压力值，然后控制进气阀门Ⅰ5和排气阀门Ⅱ10同时开启，进气阀门Ⅱ11与排气阀门Ⅰ6关闭。
本发明所述无重叠式双侧进气双侧排气模式控制策略为：在燃料电池运行过程中：当阳极流道的水累积在端口的一侧时，为进气阀门Ⅰ5和进气阀门Ⅱ11一个开一个关，开和关同时切换，多次循环进气之后，排气阀门Ⅰ6或排气阀门Ⅱ10开启，进行吹扫，不断重复此过程；此模式下流道内的强制对流最强，流道内的水可从最近的出口被迅速排出，大大缩短了排气吹扫的时间，减少了氢气浪费，燃料电池也能很快恢复性能。
作为本发明的进一步优选，无重叠式双侧进气模式中进气阀门Ⅰ5和进气阀门Ⅱ11开和关的切换周期为2～10s，开和关的循环次数为3～15次。
本发明所述有重叠双侧进气模式控制策略为：在进气阀门Ⅰ5或者进气阀门Ⅱ11即将关闭之前，对应的进气阀门Ⅱ11或进气阀门Ⅰ5预先开启；多次循环进气之后，排气阀门Ⅰ6或排气阀门Ⅱ10开启，吹扫进行吹扫，不断重复此过程；此模式是无重叠式双侧进气双侧排气的替代模式，针对的是管路布置中进气阀门可能由于条件受限而离电堆有一定距离的情况；此情况下采用有重叠式双侧进气双侧排气模式能最大限度的减少进气迟滞导致的电压波动。
作为本发明的进一步优选，有重叠双侧进气模式中，在进气阀门Ⅰ或者进气阀门Ⅱ即将关闭之前，对应的进气阀门Ⅱ或进气阀门Ⅰ提前0.5s开启，开和关的切换周期为2～10s，开和关的循环次数为3～15次。
在电磁阀控制器控制电磁阀的过程中，两种模式的进气阀门Ⅰ5与排气阀门Ⅰ6开启时机不能有交集；进气阀门Ⅱ11与排气阀门Ⅱ10开启时机不能有交集；否则氢气将不经过燃料电池内部而直接排出，造成氢气浪费。
经过双侧交替进气之后的流道内水的分布已经相对均匀，此时本发明设计了双侧同时进气模式：进气阀门Ⅰ5和进气阀门Ⅱ11同时开启，同时给燃料电池供气，经过特定时间进气之后，当排气阀门Ⅰ6开启吹扫期间，进气阀门Ⅰ5关闭，吹扫完毕的同时进气阀门Ⅰ5开启；当排气阀门Ⅱ10开启吹扫期间，进气阀门Ⅱ11关闭，吹扫完毕的同时进气阀门Ⅱ11开启；此模式能使流道内的反应气体分布更加均匀，从而使产热和产水也更加均匀，提高了燃料电池的性能。
和现有技术相比，本发明的有益效果有：
(1)控制系统主要控制的对象是电磁阀的开闭，具有易操作，好控制的特点；进排气管路组成结构简单，成本低。
(2)进排气系统可通过切换多种进排气模式或者组合多种进排气模式，以及任意改变进气和排气的时长来适应燃料电池不同的运行状态，可结合特定的环境条件做多种进气参数的标定，从而最大化发挥燃料电池的性能，可操作性比较强。
(3)采用双侧进气双侧排气时，水可以从最近的出口迅速排出，大大提高了排水效率，缩短了排气时长，减少了氢气的浪费；在流道内产生强制对流，使反应产生的水均匀地湿润质子交换膜，减少了质子传输阻力。
(4)双侧进气双侧排气可使氢气在流道内参与反应是分布更加均匀，减小了压力降对燃料电池性能的影响；虽然目前双侧进气和双侧排气的策略是针对空冷型质子交换膜燃料电池，但本策略也可在重新设计过的水冷型质子交换膜燃料电池管路上使用。
附图说明
图1为传统的风冷型阴极开放式质子交换膜燃料电池的结构示意图；
图2为本发明的风冷型阴极开放式质子交换膜燃料电池的结构示意图；
图3为本发明所述燃料电池吹扫模式控制策略示意图；
图4为本发明所述燃料电池无重叠式双侧进气双侧排气控制策略示意图；
图5为本发明所述燃料电池有重叠式双侧进气双侧排气控制策略示意图；
图6为本发明所述燃料电池双侧同时进气双侧排气控制策略示意图；
图7为各个模式下电池输出的平均电压对比图；
图8各个负载电流下电压随时间变化图。
图2中1-氮气瓶；2-氢气瓶；3-减压阀Ⅰ；4-进排气口Ⅰ；5-进气阀门Ⅰ；6-排气阀门Ⅰ；7-风冷型阴极开放式质子交换膜燃料电池；8-电磁阀控制器；9-进排气口Ⅱ；10-排气阀门Ⅱ；11-进气阀门Ⅱ；12-减压阀Ⅱ；13-风扇。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种风冷型阴极开放式质子交换膜燃料电池的进排气系统，如图2所述，所述进排气系统包括进气阀门Ⅰ5、排气阀门Ⅰ6、排气阀门Ⅱ10、进气阀门Ⅱ11，所述阳极流道两侧分别设有进排气口Ⅰ4和进排气口Ⅱ9，进排气口Ⅰ4和进排气口Ⅱ9均与进气管道和排气管道连通；与进排气口Ⅰ4连接的进气管道上设有进气阀门Ⅰ5，与进排气口Ⅰ4连接的排气管道上设有排气阀门Ⅰ6；与进排气口Ⅱ9连接的进气管道上设有进气阀门Ⅱ11，与进排气口Ⅱ9连接的排气管道上设有排气阀门Ⅱ10；两个进气管道汇合后与氮气瓶1、氢气瓶2连通。
本实施例中所述进气阀门Ⅰ5、排气阀门Ⅰ6、排气阀门Ⅱ10、进气阀门Ⅱ11为电磁阀；进气阀门Ⅰ5、排气阀门Ⅰ6、排气阀门Ⅱ10、进气阀门Ⅱ11均与电磁阀控制器8连接，通过电磁阀控制器8进行控制；所述氮气瓶1、氢气瓶2与进气管道连接的管道上设有减压阀Ⅱ12和减压阀Ⅰ3。
实施例2
一种风冷型阴极开放式质子交换膜燃料电池的进排气系统的控制方法，具体包括以下步骤：
(1)在燃料电池准备启动阶段，设计了吹扫模式，如图3所示：首先调节氮气瓶1上的减压阀Ⅱ12到合适的出口压力值，然后控制进气阀门Ⅰ5和排气阀门Ⅱ10同时开启，进气阀门Ⅱ11与排气阀门Ⅰ6关闭；其目的是除去流道内其他杂质气体及残留的水，使流道保持通畅，为燃料电池正式启动做好准备。
(2)在燃料电池运行过程中：首先可采用双侧同时进气双侧排气的模式，运行一段时间后在采用双侧交替进气，即：无重叠式双侧进气模式，然后采用双侧同时进气双侧排气模式；两种模式交替循环；如图4所示，无重叠式双侧进气模式控制策略为：在燃料电池运行过程中：当阳极流道的水累积在端口的一侧时，为进气阀门Ⅰ5和进气阀门Ⅱ11一个开一个关，开和关同时切换，多次循环进气之后，排气阀门Ⅰ6或排气阀门Ⅱ10开启，进行吹扫，不断重复此过程；此模式下流道内的强制对流最强，流道内的水可从最近出口被迅速排出，燃料电池能很快恢复性能，本实施例中开和关的切换周期为2s，开和关的循环次数为15次。
在电磁阀控制器控制电磁阀的过程中，两种模式的进气阀门Ⅰ5与排气阀门Ⅰ6开启时机不能有交集；进气阀门Ⅱ11与排气阀门Ⅱ10开启时机不能有交集；否则氢气将不经过燃料电池内部而直接排出，造成氢气浪费。
(3)经过双侧交替进气之后的流道内水的分布已经相对均匀，如图6所示，此时本发明设计了双侧同时进气模式：进气阀门Ⅰ5和进气阀门Ⅱ11同时开启，同时给燃料电池供气，经过特定时间进气之后，当排气阀门Ⅰ6开启吹扫期间，进气阀门Ⅰ5关闭，吹扫完毕的同时进气阀门Ⅰ5开启；当排气阀门Ⅱ10开启吹扫期间，进气阀门Ⅱ11关闭，吹扫完毕的同时进气阀门Ⅱ11开启；此模式能使流道内的反应气体分布更加均匀，从而使产热和产水也更加均匀，提高了燃料电池的性能。
(4)燃料电池运行结束之后，使用吹扫模式对燃料电池进行吹扫，所述吹扫模式为：调节氮气瓶1上的减压阀Ⅱ12到合适的出口压力值，然后控制进气阀门Ⅰ5和排气阀门Ⅱ10同时开启，进气阀门Ⅱ11与排气阀门Ⅰ6关闭。
实施例3
一种风冷型阴极开放式质子交换膜燃料电池的进排气系统的控制方法，具体包括以下步骤：
(1)在燃料电池准备启动阶段，设计了吹扫模式，如图3所示：首先调节氮气瓶1上的减压阀Ⅱ12到合适的出口压力值，然后控制进气阀门Ⅰ5和排气阀门Ⅱ10同时开启，进气阀门Ⅱ11与排气阀门Ⅰ6关闭；其目的是除去流道内其他杂质气体及残留的水，使流道保持通畅，为燃料电池正式启动做好准备。
(2)在燃料电池运行过程中：首先可采用双侧同时进气双侧排气的模式，运行一段时间后在采用双侧交替进气，即：有重叠双侧进气模式，然后采用双侧同时进气双侧排气模式；两种模式交替循环；采用有重叠双侧进气模式，如图5所示；有重叠双侧进气模式控制策略为：在进气阀门Ⅰ5或者进气阀门Ⅱ11即将关闭之前，对应的进气阀门Ⅱ11或进气阀门Ⅰ5预先开启；多次循环进气之后，排气阀门Ⅰ6或排气阀门Ⅱ10开启，吹扫进行吹扫，不断重复此过程；此模式能最大限度的减少进气迟滞导致的电压急剧波动的问题；在进气阀门Ⅰ5或者进气阀门Ⅱ11即将关闭之前，对应的进气阀门Ⅱ11或进气阀门Ⅰ5提前0.5s开启，开和关的切换周期为2s，开和关的循环次数为15次。
在电磁阀控制器控制电磁阀的过程中，两种模式的进气阀门Ⅰ5与排气阀门Ⅰ6开启时机不能有交集；进气阀门Ⅱ11与排气阀门Ⅱ10开启时机不能有交集；否则氢气将不经过燃料电池内部而直接排出，造成氢气浪费。
(3)经过双侧交替进气之后的流道内水的分布已经相对均匀，如图6所示，此时本发明设计了双侧同时进气模式：进气阀门I 5和进气阀门II 11同时开启，同时给燃料电池供气，经过特定时间进气之后，当排气阀门I 6开启吹扫期间，进气阀门I 5关闭，吹扫完毕的同时进气阀门I 5开启；当排气阀门II 10开启吹扫期间，进气阀门II 11关闭，吹扫完毕的同时进气阀门II 11开启；此模式能使流道内的反应气体分布更加均匀，并且在流道内能产生最小的压降，减小了压降对质子交换膜燃料电池的影响。
(4)燃料电池运行结束之后，使用吹扫模式对燃料电池进行吹扫，所述吹扫模式为：调节氮气瓶1上的减压阀II12到合适的出口压力值，然后控制进气阀门I 5和排气阀门II 10同时开启，进气阀门1I11与排气阀门I 6关闭。
效果例
试验设备与试验环境如下表：
电堆双侧进气双侧排气性能测试试验方案如下表：
| 进气模式编号 | 进气模式说明 |
| 进气模式一 | 传统单侧进气单侧排气 |
| 进气模式二 | 无重叠式双侧进气单侧排气 |
| 进气模式三 | 无重叠式双侧进气双侧排气 |
| 进气模式四 | 双侧同时进气双侧排气 |
试验与分析说明：
(1)测试开始时以3A的输出电流运行电堆30分钟以达到充分活化效果。
(2)针对每个进气模式，将0～7A逐渐加载，每次加载1A，每个电流下运行10分钟；所有模式均为60秒排一次气，排气时长为0.5秒。
(3)电子负载以每秒10次的频率测试并记录电堆输出电压与电流。
(4)因切换测试工况后，电堆需要一定时间达到电压平衡，故平均电压数据为每个电流10分钟测试时间内的后5分钟电压数据的平均值。
在本次试验结果中，考虑到有重叠式双侧进气双侧排气和进气模式三效果非常接近，且两种模式互为替代模式，故只展示了进气模式三的效果图；此外，在试验过程中还设置了一种进气模式二进行对比，其控制策略是在进气模式三的基础上控制排气阀门Ⅰ6在电堆运行期间处于一直关闭的状态，目的是对双侧排气效果进一步验证。
试验测得极化曲线，通过对比分析可以得到：
(1)在进气模式三、四下，电堆输出电压均高于进气模式一和进气模式二；进气模式四比进气模式一电压输出最高提高约6.3％，相比进气模式二最高提高约4％；进气模式三比进气模式一电压输出最高提高5.7％，相比进气模式二最高提高3.6％。
(2)双侧排气模式的电堆输出性能优于单侧气模排式；其原因在于，双侧进气模式下，液态水将较为均匀地分布在阳极流道内，单纯依赖单侧排气通道难以在短暂的开启时间内排净内部积水，反应物传质依然受阻；这种情况下只能通过延长排气时长改善内部水分布特性，但是延长排气时长会造成氢气的严重浪费，降低了氢气利用率，而且长时间的排气对电堆电压输出也会有影响；而本发明提供的双侧排气策略使得流道内累积的水可以从两侧排气口迅速排出，减少了排水时间，既提高了电堆输出性能，也节约了氢气的消耗。
(3)在各个负载电流下，电堆输出电压在10分钟内没有明显下降，表明双侧进气模式下，排气周期还能进一步延长，从而进一步减少氢气排气浪费量，提高电堆效率。
(4)由此可见，本发明提供的双侧进排气技术方案及其控制策略能有效提高电堆的输出功率，延长排气周期，减少氢气消耗，提高电堆效率。
Claims (4)
1.一种风冷型阴极开放式质子交换膜燃料电池的进排气系统的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）在燃料电池准备启动阶段：首先调节氮气瓶（1）上的减压阀Ⅱ（12）到合适的出口压力值，然后控制进气阀门Ⅰ（5）和排气阀门Ⅱ（10）同时开启，进气阀门Ⅱ（11）与排气阀门Ⅰ（6）关闭；
（2）在燃料电池运行过程中：当阳极流道的水累积在端口的一侧时，采用双侧交替进气，即：无重叠式双侧进气双侧排气模式或者有重叠双侧进气双侧排气模式；当流道内水的分布相对均匀时，采用双侧同时进气双侧排气模式，当阳极流道的水累积在端口的一侧时再次采用双侧交替进气，两种模式交替循环；
（3）燃料电池运行结束之后，使用吹扫模式对燃料电池进行吹扫；
所述无重叠式双侧进气双侧排气模式具体为：进气阀门Ⅰ（5）和进气阀门Ⅱ（11）一个开一个关，开和关同时切换，多次循环进气之后，排气阀门Ⅰ（6）或排气阀门Ⅱ（10）开启，进行吹扫，不断重复此过程；
无重叠式双侧进气双侧排气模式中进气阀门Ⅰ（5）和进气阀门Ⅱ（11）开和关的切换周期为2~10s，开和关的循环次数为3~15次；
有重叠式双侧进气双侧排气模式具体为：在进气阀门Ⅰ或者进气阀门Ⅱ即将关闭之前，对应的进气阀门Ⅱ或进气阀门Ⅰ预先开启；多次循环进气之后，排气阀门Ⅰ或排气阀门Ⅱ开启，吹扫进行吹扫，不断重复此过程；
有重叠式双侧进气双侧排气模式中，在进气阀门Ⅰ或者进气阀门Ⅱ即将关闭之前，对应的进气阀门Ⅱ或进气阀门Ⅰ提前0.5s开启，开和关的切换周期为2~10s，开和关的循环次数为3~15次；
所述双侧同时进气双侧排气模式为：进气阀门Ⅰ（5）和进气阀门Ⅱ（11）同时开启，同时给燃料电池供气，经过特定时间进气之后，当排气阀门Ⅰ（6）开启吹扫期间，进气阀门Ⅰ（5）关闭，吹扫完毕的同时进气阀门Ⅰ（5）开启；当排气阀门Ⅱ（10）开启吹扫期间，进气阀门Ⅱ（11）关闭，吹扫完毕的同时进气阀门Ⅱ（11）开启；
所述进排气系统包括进气阀门Ⅰ（5）、排气阀门Ⅰ（6）、排气阀门Ⅱ（10）、进气阀门Ⅱ（11），所述阳极流道两侧分别设有进排气口Ⅰ（4）和进排气口Ⅱ（9），进排气口Ⅰ（4）和进排气口Ⅱ（9）均与进气管道和排气管道连通；与进排气口Ⅰ（4）连接的进气管道上设有进气阀门Ⅰ（5），与进排气口Ⅰ（4）连接的排气管道上设有排气阀门Ⅰ（6）；与进排气口Ⅱ（9）连接的进气管道上设有进气阀门Ⅱ（11），与进排气口Ⅱ（9）连接的排气管道上设有排气阀门Ⅱ（10）；两个进气管道汇合后与氮气瓶（1）、氢气瓶（2）连通。
2.根据权利要求1所述进排气系统的控制方法，其特征在于：进气阀门Ⅰ（5）、排气阀门Ⅰ（6）、排气阀门Ⅱ（10）、进气阀门Ⅱ（11）为电磁阀。
3.根据权利要求1所述进排气系统的控制方法，其特征在于：进气阀门Ⅰ（5）、排气阀门Ⅰ（6）、排气阀门Ⅱ（10）、进气阀门Ⅱ（11）均与电磁阀控制器（8）连接。
4.根据权利要求1所述进排气系统的控制方法，其特征在于：氮气瓶（1）与进气管道连接的管道上设有减压阀Ⅱ（12）、氢气瓶（2）与进气管道连接的管道上设有减压阀Ⅰ（3）。
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