CN116666703B - 一种燃料电池的温度、湿度动态平衡控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池的温度、湿度动态平衡控制系统，涉及燃料电池技术领域。该控制系统包括：气体利用率调节器，连接燃料电池上的气体出口和水循环单元中的蓄水箱，使得气体降温至50℃‑60℃，以回收气体中的水分，所述气体利用率调节器调节气体利用率为40％‑60％；气体供给单元，包括气体供给器；水循环单元，所述水循环单元包括水泵和蓄水箱，实现水循环。本申请中通过分析不同环境温度、湿度下的潜热与显热，再结合电池动态实时功率，同时兼顾生成水的回收量，得到最高气体利用率，该气体利用率条件下既能满足燃料电池散热需求，又能得到最低系统内耗功率，进而最大程度的提高质子交换膜的寿命。

Description

一种燃料电池的温度、湿度动态平衡控制系统

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池的温度、湿度动态平衡控制系统。

背景技术

燃料电池是将氢气与空气中的氧气结合转化为电能和热能的电化学反应装置，其中氢气的能量大约60%转化为电能，剩余40%以热能形式存在。而燃料电池的关键材料——质子交换膜，受限于反应温度，具体为如果温度过热则会产生不可逆转的衰减，该问题制约了燃料电池质子交换膜的使用寿命。因此，为保证燃料电池的正常工作，必须控制燃料电池内部的温度。

因此，针对上述质子交换膜的物理衰减需要在燃料电池运行过程中采用相应的散热方法，稳定电池内部动态温度、湿度与压力，提升质子交换膜的耐久性。目前冷却方式主要分为三种：液体冷却、相变冷却、空气冷却。

相变冷却，即相变蒸发散热的冷却方法，相对于液体冷却的优势是冷却效率高，常见于空调机组、制冷装置中，相变蒸发散热应用于燃料电池，是一种区别于一般通过循环水温差散热的显热散热方式，它通过水的相变吸热，即将水从液态蒸发为气态，扩散到流动的空气中来带走热量，这种方法所需的水量大大减少，相对应的所需散热辅助设施更少，这有利于提高燃料电池的体积功率密度和质量功率密度。但受限于环境温度、湿度、压力及空气流速等条件限制，相变冷却无法满足大功率低压、常压燃料电池的散热要求，因此，相变冷却目前仅在小功率燃料电池中得到应用。

综上所述，目前亟需一种用于低压、常压大功率燃料电池的高效散热系统。

发明内容

目前，相变冷却无法应用于大功率低压、常压大功率燃料电池的主要难点在于：蒸发散热需要消耗大量的液态水，同时又要保持燃料电池散热系统的水平衡，即蒸发到流动空气中排出电堆的水量需要等于燃料电池电化学产生的水量，而实现此过程受限于以下四个方面因素：

1. 空气环境温度、湿度：

在高温、高湿的夏季，供给燃料电池的空气本身温度、湿度偏高，经过空气压缩机压缩后供给燃料电池工作，压缩空气的相对湿度较高，蒸发散热能力下降，不利于电池内部的散热，因此在该种情况下需要强化温差散热，才能维持热平衡，即无论空气环境如何变化，电池散热需求必须等于水蒸发散热与温差散热之和；

2. 电池内部温度、湿度及动态输出功率：

燃料电池的电功率输出是随机的过程，其值大小在不断地随机变化，与此同时，电池的散热需求也在不断地变化，因此，对散热的要求也在不断的变化，散热系统也变得复杂，更难以控制；

3. 维持系统水量的平衡：

蒸发散热需要消耗液态水，如果消耗量大于燃料电池的生成水量，则需要不断补水，来维持水量平衡，即蒸发散热的消耗水量需要小于、等于电池生成水量，这也增加了散热系统的复杂性；

4. 空气的供给量的动态调整：

蒸发散热需要通过空气作载体，而过量的空气需要空气压缩机提供，所以会增加空气压缩机的功率，即系统内耗，所以需要不断调整空气压缩机转速，以提供适量的空气和控制系统内耗。

综上所述，由于中国地域广阔和四季轮回明显，造成了环境的温度、湿度随地域和节令的变化，而针对不同的环境条件，低压燃料电池运行时，需要保持电池内部的温度、湿度与压力的动态平衡，因此，不能以单一的气体利用率调节相变散热，而需要综合考虑环境温度、湿度、电堆产热量、电堆的生成水量、电堆自身对空气消耗量来确定最高空气量，所以实际需要控制的气体利用率即要满足燃料电池维持内部合理工作温度的散热要求，又要供给最少的空气量，以降低供给空气所消耗的系统功率。

本发明首次将相变冷却应用于低压、常压大功率（≥10 kw）燃料电池中，通过动态调节空气流量，即调节气体利用率，进而达到稳定电池内部温度、湿度的动态平衡的目的，保证了燃料电池稳定运行，提高了质子交换膜的使用寿命，降低了散热系统的内耗功率，进而实现了大功率低压、常压大型燃料电池的高效、稳定散热。

一方面，本申请提供了一种燃料电池的温度、湿度动态平衡控制系统，所述控制系统包括：

气体利用率调节器，所述气体利用率调节器连接燃料电池上的气体出口和水循环单元中的蓄水箱，所述气体利用率调节器使得气体降温至50℃-60℃，以回收气体中的水分，所述气体利用率调节器调节气体利用率为40％-60％；

气体供给单元，所述气体供给单元包括气体供给器，所述气体供给器产生气体，所述气体自燃料电池上的气体进口进入燃料电池内部，参加燃料电池内部反应后，剩余气体自燃料电池上的气体出口排出；

水循环单元，所述水循环单元包括水泵和蓄水箱，所述蓄水箱中盛装有水，在水泵的作用下水自蓄水箱流经燃料电池上的循环水进口进入燃料电池内部，再经燃料电池上的循环水出口回到蓄水箱，实现水循环。

优选的，所述气体利用率调节器包括尾气进口、尾气出口和冷凝水出口，所述尾气进口与燃料电池上的气体出口连通，所述冷凝水出口与蓄水箱连通，所述气体自燃料电池上的气体出口排出，自尾气进口进入气体利用率调节器中，降温回收气体水分后，干燥尾气自尾气出口及时排出，尾气中回收的水则自冷凝水出口流出，进入蓄水箱中。

在一种优选的实施方式中，所述冷凝器、蓄水箱和燃料电池之间由管道连通。

在一种优选的实施方式中，所述气体利用率调节器可为冷凝器，所述冷凝器连通燃料电池上的气体出口和水循环单元中的蓄水箱，以回收气体出口排出的参与反应后及蒸发散热产生的气体中的水分。一方面，气体利用率调节器完成了气体中水分的回收，实现了水循环，解决了蒸发散热需要单独补水的问题，避免了单独补水带来的系统内耗，也实现了蒸发散热的消耗水量小于、等于电池生成水量的要求，降低了散热系统的复杂性，使该系统更易控制和更易于推广应用；另一方面，燃料电池中反应后的高湿度气体随气体流动排出燃料电池内部，降低了燃料电池内部的湿度，避免了燃料电池内部相对湿度过高导致的蒸发散热能力下降。

所述冷凝器使得气体降温至50℃-60℃，能够在最小能耗下快速回收气体中的水分，实现控制燃料电池温度、湿度动态平衡的目的。

所述冷凝器调节气体利用率为40％-60％；更优选的，所述冷凝器调节气体利用率为60％。具体调节气体利用率的过程为冷凝器配合气体供给器，在特定的冷凝器气体降温温度为50℃- 60℃时，通过控制气体供给器供给的气体流量，进一步控制控制气体利用率为40％-60％，进而使该燃料电池的温度、湿度控制在理想的动态平衡条件下。

优选的，所述气体供给单元还包括第一管道，所述第一管道依次连通气体供给器、燃料电池和气体利用率调节器，使气体自气体供给器产生，在管道内运输至燃料电池内部，参加燃料电池内部反应后，剩余气体自燃料电池上的气体出口排出沿管道通过尾气进口进入气体利用率调节器。

更优选的，所述第一管道还包括第一进气管道和第一出气管道，第一进气管道连通气体供给器和燃料电池上的气体进口，第一出气管道连通燃料电池上的气体出口和气体利用率调节器的尾气进口。

在一种优选的实施方式中，气体供给器可为空气压缩机，所述空气压缩机可通过购买获得，只要能够实现供给气体的功能即可，此处不进行过多限制。

优选的，所述水循环单元还包括第二管道，所述第二管道依次连通蓄水箱、水泵和燃料电池，并最终连通蓄水箱实现水循环，使循环水在水泵的作用下自蓄水箱沿第二管道经燃料电池上的循环水进口进入燃料电池内部，一部分通过多孔双极板渗透到空气流道内，另一部分对燃料电池进行降温后经燃料电池上的循环水出口继续沿第二管道回到蓄水箱，实现水循环。

更优选的，第二管道还包括第二进水管道和第二出水管道，第二进水管道连通蓄水箱和燃料电池上的循环水进口，第二出水管道连通燃料电池上的循环水出口和蓄水箱。

动态平衡条件为在常压和低压环境下，燃料电池内部温度为65℃-85℃，湿度范围为40-100 % RH，即实现了燃料电池内部的湿度和温度的动态平衡，避免了质子交换膜的缺水干燥、超温等物理性损耗，提高了质子交换膜的寿命，进而延长的燃料电池的使用寿命，也提高了燃料电池的功率，实现了相变冷却在大功率燃料电池中的应用。

另外，本申请中首次实现了温差散热（水循环散热）和相变冷却散热的联合使用，避免单独使用相变冷却（蒸发散热）存在的需要不断补水维持水量平衡，散热系统复杂难以控制的问题，也避免了单独使用温差散热需水量过多导致的内耗增加冷却效率低的问题。本申请中通过气体利用率调节器（可为冷凝器）将蒸发散热中产生的水分回收至水循环温差散热系统中的蓄水箱中，实现了相变散热和温差散热的结合以及二者呈现出了协同效果，具体为该操作既降低了相变冷却散热的温度、湿度容易升高的问题，也同时降低了温差散热系统内耗功率，进而协同实现了该系统在大功率燃料电池中的成功应用。

进一步的，所述水循环单元还包括散热器，所述散热器位于蓄水箱与燃料电池的循环水进口之间。

所述散热器位于蓄水箱与燃料电池的循环水进口之间，以使得蓄水箱中的水经降温后再进入燃料电池内部，能够有效实现水循环散热。并且，在通入气体的相对湿度较高时，降温后的循环水能够有效避免蒸发散热能力的下降，进行燃料电池的内部散热，维持热平衡。

散热器降温后的水温在50℃-60℃范围内。

在一种优选的实施方式中，所述散热器为外循环水散热管路，可通过购买获得，本领域技术人员可以根据实际情况选择散热器，此处不做过多限制。

进一步的，所述控制系统还包括控制单元，所述控制单元包括控制器和与控制器电性连接的一个或多个采集器；所述采集器采集温度数据与湿度数据，所述温度数据数据包括环境温度、燃料电池气体进口温度、燃料电池气体出口温度、燃料电池循环水进口温度和/或燃料电池循环水出口温度，所述湿度数据包括环境湿度、燃料电池气体进口湿度和/或燃料电池气体出口湿度。

优选的，所述温度数据数据包括环境温度、燃料电池气体进口温度、燃料电池气体出口温度、燃料电池循环水进口温度和燃料电池循环水出口温度，所述湿度数据包括环境湿度、燃料电池气体进口湿度和燃料电池气体出口湿度。

优选的，所述采集器包括环境温度传感器12、气体进口温度传感器、气体出口温度传感器、循环水进口温度传感器、循环水出口温度传感器、气体进口湿度传感器和气体出口湿度传感器。

优选的，所述控制器为已知的电子控制单元（ECU，Electronic Control Unit）。

在一种优选的实施方式中，所述控制器具体型号为RapidECU-F2，购自华海（北京）科技股份有限公司。

进一步的，所述气体供给单元还包括气体流量计，所述气体流量计位于气体供给器和燃料电池中间，所述气体供给器和气体流量计与所述控制器电性连接。

在一种优选的实施方式中，所述气体流量的范围为50 L/kW-90 L/kW。本申请中通过检测和控制气体流量进而控制气体利用率。

进一步的，所述燃料电池水循环流速为0.5-1.5米/秒。

优选的，所述燃料电池水循环流速为1.2米/秒。

在一种优选的实施方式中，燃料电池的水循环流速为固定值，具体为1.2米/秒。

优选的，所述水循环单元还包括水循环流量计，所述水循环流量计实时监测水循环流速。

更优选的，所述水循环流量计与所述控制器电性连接。

进一步的，所述燃料电池内部温度为65℃-85℃。

现有技术表明，质子交换膜的使用寿命受限于燃料电池内部的反应温度，具体为如果温度过热则会产生不可逆转的衰减，该问题制约了燃料电池质子交换膜的使用寿命，进而也制约了燃料电池本身的使用寿命。经验证，燃料电池内部温度为65℃-85℃时，质子交换膜的使用寿命最长，而高于85℃时质子交换膜的使用寿命明显衰减。

进一步的，所述燃料电池为常压燃料电池和/或低压燃料电池。

本领域技术人员可知，所述常压是指1个标准大气压，即0.1013MPa。因此，低压即指＜0.1013MPa。

如果燃料电池工作在常压或低压（通常指≤0.1013MPa左右）时，压力对于空气湿度的影响不大，可以忽略压力对于湿度的影响。而鉴于本申请方案计算过程中忽略了压力对于湿度的影响，因此本专利并不适用于中、高压（通常指＞20 kPa）燃料电池系统。

进一步的，所述燃料电池的功率≥100 kw。

优选的，所述燃料电池的功率为5 kw-100 kw；更优选的10 kw-100 kw。

综上所述，本发明的技术原理为：在常压、低压大功率燃料电池电堆运行过程中，本申请燃料电池的温度、湿度动态平衡控制系统中的控制器（可为ECU）利用采集器实时采集环境温度、燃料电池气体进口温度、燃料电池气体出口温度、燃料电池循环水进口温度和、燃料电池循环水出口温度、环境湿度、燃料电池气体进口湿度、燃料电池气体出口湿度并收集气体流量、水循环流速等运行参数，通过数据计算出在控制电池内部在常压和低压环境下，燃料电池内部温度为65℃-85℃，湿度范围为40-100 % RH，功率为5 kw-100 kw的情况下，满足此时电堆正常运转，且温度湿度动态平衡时，计算出液态水蒸发相变冷却所需的最小空气流量，以此控制气体供给器（可为空气压缩机）的转速，达到计算所得的气体利用率，进而稳定燃料电池电堆内部工作温度，实现燃料电池电堆内部的正常运转和温度湿度动态平衡，实现对燃料电池电堆的温度湿度动态控制和反馈调节。

另一方面，本申请还提供了一种包含如上述控制系统的燃料电池温度、湿度动态平衡控制装置。

另一方面，本申请还提供了一种燃料电池的温度、湿度动态平衡控制方法，所述方法包括利用如上述控制系统或如上述装置进行燃料电池的温度、湿度动态平衡控制。

本发明具有如下有益效果：

1、本申请中首次在低压大功率燃料电池中采用相变冷却，现有技术中仅靠水温差散热会增大水的供给量，同时造成系统内耗功率增大，而本申请中通过水的相变散热可以大大降低水流量，进而降低系统内耗；

2、本申请中通过相变散热与温差散热两种散热形式的叠加，使燃料电池内部能够保持温度和湿度的动态平衡，既能有效避免质子交换膜的超温物理损耗，提高质子交换膜的寿命，又能进一步降低辅助系统的内耗功率；

3、本申请中通过调节气体利用率控制温差显热散热和水相变散热所需的空气流量，具体为将温度和湿度作为影响因素，分析不同环境温度、湿度下的潜热与显热，再结合电池动态实时功率，同时兼顾生成水的回收量，得到最小空气流量（即最高气体利用率），该气体利用率条件下既能满足燃料电池散热需求，又能得到最低系统内耗功率，进而最大程度的降低质子交换膜的缺水干燥、超温等物理性损耗，提高质子交换膜的寿命。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本发明的工艺流程图；

图2是本发明的控制流程图。

图中：1、冷凝器，2、蓄水箱，3、气体出口温度传感器，4、气体出口湿度传感器，5、气体出口，6、控制器，7、循环水出口温度传感器，8、循环水出口，9、低压燃料电池，10、氢气进口，11、氢气出口，12、环境温度传感器，13、环境湿度传感器，14、空气压缩机，15、气体流量计，16、气体进口，17、循环水进口，18、循环水进口温度传感器，19、导流罩，20、水泵，21、散热器，22、散热器进水口，23、散热器出水口，24、气体进口温度传感器，25、气体进口湿度传感器，26、尾气进口，27、尾气出口，28、冷凝水出口。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面结合说明书附图以实施例的方式进行详细说明。

另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；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或两个元件的相互作用关系。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申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。如未特殊说明，在以下实施方式中，所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

本实施例的提供了一种燃料电池的温度、湿度动态平衡控制系统，

如图1所示，该控制系统包括：

气体利用率调节器，气体利用率调节器连接燃料电池上的气体出口5和水循环单元中的蓄水箱2，气体利用率调节器使得气体降温至50℃- 60℃，以回收气体中的水分，气体利用率调节器调节气体利用率为40％-60％。

优选的，所述气体利用率调节器包括尾气进口26、尾气出口27和冷凝水出口28，所述尾气进口26与燃料电池上的气体出口5连通，所述冷凝水出口28与蓄水箱2连通，所述气体自燃料电池上的气体出口5排出，自尾气进口26进入气体利用率调节器中，降温回收气体水分后，干燥尾气自尾气出口27及时排出，尾气中回收的水则自冷凝水出口28流出，进入蓄水箱2中。

在一种优选的实施方式中，气体利用率调节器可为冷凝器1，冷凝器1连通燃料电池上的气体出口5和水循环单元中的蓄水箱2，以回收气体出口5排出的参与反应后及蒸发散热产生的气体中的水分。一方面，气体利用率调节器完成了气体中水分的回收，实现了水循环，解决了蒸发散热需要单独补水的问题，避免了单独补水带来的系统内耗，也实现了蒸发散热的消耗水量小于、等于电池生成水量的要求，降低了散热系统的复杂性，使该系统更易控制和更易于推广应用；另一方面，燃料电池中反应后的高湿度气体随气体流动排出燃料电池内部，降低了燃料电池内部的湿度，避免了燃料电池内部相对湿度过高导致的蒸发散热能力下降。

冷凝器1使得气体降温至50℃- 60℃，能够在最小能耗下快速回收气体中的水分，实现控制燃料电池温度、湿度动态平衡的目的。

冷凝器1调节气体利用率为40％-60％；更优选的，冷凝器1调节气体利用率为60％。具体调节气体利用率的过程为冷凝器1配合气体供给器，在特定的冷凝器1气体降温温度为50℃-60℃时，通过控制气体供给器供给的气体流量，进一步控制控制气体利用率为40％-60％，进而使该燃料电池的温度、湿度控制在理想的动态平衡条件下。

烦请参阅图1，气体供给单元，气体供给单元包括气体供给器，气体供给器产生气体，使得气体自燃料电池上的气体进口16进入燃料电池内部，参加燃料电池内部反应后，剩余气体自燃料电池上的气体出口5排出。

优选的，气体供给单元还包括第一管道，第一管道依次连通气体供给器、燃料电池和气体利用率调节器，使气体自气体供给器产生，在管道内运输至燃料电池内部，参加燃料电池内部反应后，剩余气体自燃料电池上的气体出口5排出沿管道通过尾气进口26进入气体利用率调节器。

更优选的，第一管道还包括第一进气管道和第一出气管道，第一进气管道连通气体供给器和燃料电池上的气体进口16，第一出气管道连通燃料电池上的气体出口5和气体利用率调节器的尾气进口26。

在一种优选的实施方式中，气体供给器可为空气压缩机14。

进一步的，气体供给单元还包括气体流量计15，气体流量计15位于气体供给器和燃料电池中间，气体供给器和气体流量计15与控制器6电性连接。

在一种优选的实施方式中，气体流量的范围为50 L/kW-90 L/kW。本实施例中通过检测和控制气体流量进而控制气体利用率。

继续参阅图1，水循环单元，水循环单元包括水泵20和蓄水箱2，蓄水箱2中盛装有水，在水泵20的作用下水自蓄水箱2流经燃料电池上的循环水进口17进入燃料电池内部，再经燃料电池上的循环水出口8回到蓄水箱2，实现水循环。

优选的，水循环单元还包括第二管道，第二管道依次连通蓄水箱2、水泵20和燃料电池，并最终连通蓄水箱2实现水循环，使循环水在水泵20的作用下自蓄水箱2沿第二管道经燃料电池上的循环水进口17进入燃料电池内部，一部分通过多孔双极板渗透到空气流道内，另一部分对燃料电池进行降温后经燃料电池上的循环水出口8继续沿第二管道回到蓄水箱2，实现水循环。

更优选的，第二管道还包括第二进水管道和第二出水管道，第二进水管道连通蓄水箱2和燃料电池上的循环水进口17，第二出水管道连通燃料电池上的循环水出口8和蓄水箱2。

进一步的，水循环单元还包括散热器21，散热器21位于蓄水箱2与燃料电池的循环水进口17之间。

散热器21位于蓄水箱2与燃料电池的循环水进口17之间，以使得蓄水箱2中的水经降温后再进入燃料电池内部，能够有效实现水循环散热。并且，在通入气体的相对湿度较高时，降温后的循环水能够有效避免蒸发散热能力的下降，进行燃料电池的内部散热，维持热平衡。

散热器21降温后的水温在50℃-60℃范围内。

在一种优选的实施方式中，散热器21为外循环水散热管路。

进一步的，燃料电池水循环流速为0.5-1.5米/秒。

优选的，燃料电池水循环流速为1.2米/秒。

在一种优选的实施方式中，燃料电池的水循环流速为固定值，具体为1.2米/秒。

优选的，水循环单元还包括水循环流量计，水循环流量计实时监测水循环流速。

更优选的，水循环流量计与控制器6电性连接。

进一步的，控制系统还包括控制单元，控制单元包括控制器6和与控制器6电性连接的一个或多个采集器；采集器采集温度数据与湿度数据，温度数据数据包括环境温度、燃料电池气体进口16温度、燃料电池气体出口5温度、燃料电池循环水进口17温度和/或燃料电池循环水出口8温度，湿度数据包括环境湿度、燃料电池气体进口16湿度和/或燃料电池气体出口5湿度。

优选的，温度数据数据包括环境温度、燃料电池气体进口16温度、燃料电池气体出口5温度、燃料电池循环水进口17温度和燃料电池循环水出口8温度，湿度数据包括环境湿度、燃料电池气体进口16湿度和燃料电池气体出口5湿度。

优选的，所述采集器包括环境温度传感器、气体进口温度传感器24、气体出口温度传感器3、循环水进口温度传感器18、循环水出口温度传感器7、气体进口湿度传感器25和气体出口湿度传感器4。

优选的，控制器6为已知的电子控制单元（ECU，Electronic Control Unit）。

在一种优选的实施方式中，所述控制器6具体型号为RapidECU-F2，购自华海（北京）科技股份有限公司。

在一种优选的实施方式中，控制器6为华海科技的控制器，具体型号为RapidECU-F2。

进一步的，燃料电池内部温度为65℃-85℃。

优选的，燃料电池内部温度为65℃。

现有技术表明，质子交换膜的使用寿命受限于燃料电池内部的反应温度，具体为如果温度过热则会产生不可逆转的衰减，该问题制约了燃料电池质子交换膜的使用寿命，进而也制约了燃料电池本身的使用寿命。经验证，燃料电池内部温度为65℃-85℃时，质子交换膜的使用寿命最长，而高于85℃时质子交换膜的使用寿命明显衰减。

进一步的，燃料电池为常压燃料电池和/或低压燃料电池9。

本领域技术人员可知，常压是指1个标准大气压，即0.1013MPa。因此，低压即指＜0.1013MPa。

如果燃料电池工作在常压或低压（通常指≤0.1013MPa左右）时，压力对于空气湿度的影响不大，可以忽略压力对于湿度的影响。而鉴于本实施例方案计算过程中忽略了压力对于湿度的影响，因此本专利并不适用于中、高压（通常指＞20 kPa）燃料电池系统。

进一步的，燃料电池的功率≥100 kw。

优选的，燃料电池的功率为5 kw-100 kw；更优选的10 kw-100 kw。

在一种优选的实施方式中，动态平衡条件为在常压和低压环境下，燃料电池内部温度为65℃-85℃，湿度范围为40-100% RH，即实现了燃料电池内部的湿度和温度的动态平衡，避免了质子交换膜的缺水干燥、超温等物理性损耗，提高了质子交换膜的寿命，进而延长的燃料电池的使用寿命，也提高了燃料电池的功率，实现了相变冷却在大功率燃料电池中的应用。

如图1所示，

空气路：空气压缩机14从大气环境吸取空气，通过环境温度传感器12、环境湿度传感器13采集大气环境的温度、湿度参数。空气经过压缩后通过气体流量计15和低压燃料电池9的气体进口16进入低压燃料电池9内部，一部分空气参加电化学反应，反应后的剩余氮气与另一部分未参加反应的过量的空气，构成蒸发散热的空气经过气体出口5排出低压燃料电池9后，再进入冷凝器1冷凝、回收气体中的水分，干燥气体自冷凝器1上的尾气出口27排出，冷凝得到的水自冷凝水出口28流出，进入蓄水箱2以补充由蒸发而消耗的水量，从而建立消耗水量与回收水量的平衡。通过气体出口温度传感器3、气体出口湿度传感器4、气体进口温度传感器24、气体进口湿度传感器25检测气体通过气体出口5和气体进口16的温度、湿度参数并输送给控制器6进行处理，以对空气压缩机14的转速进行实时调控，进而实现对进入低压燃料电池9的气体流量的反馈调节。

循环水路：水泵20从蓄水箱2中抽水，水经过散热器21降温后，进入低压燃料电池9，再通过低压燃料电池9的多孔双极板渗透到空气流道内，供给燃料电池内部增湿和蒸发散热，多余的水经过循环水出口8回到蓄水箱2中，完成一次水循环，维持水平衡。其中在循环水进口17和循环水出口8分别设置循环水进口温度传感器18和循环水出口温度传感器7，采集温度信号输送给控制器6进行处理。

氢气路：经过减压、稳压后的氢气通过氢气进口10进入低压燃料电池9参加电化学反应，反应后残余气体流经氢气出口11排出低压燃料电池9。

外循环水散热管路：散热器21设置有四个接口，其中的外部冷却水通过散热器进水口22进入散热器21，进行热交换后自散热器出水口23流出，另外两个接口分别连接蓄水箱2和水泵20。

控制系统：根据环境温度传感器12、气体进口温度传感器24、气体出口温度传感器3、循环水进口温度传感器18、循环水出口温度传感器7、环境湿度传感器13、气体进口湿度传感器25、气体出口湿度传感器4实时监测环境的温度、湿度，气体出口5的湿度、温度和气体进口16的温度和湿度，循环水进口和出口的温度，燃料电池的动态实时输出电功率（电压和电流）等实时采集的运行参数，经过控制器6（MCU）进行计算，得出指令参数，驱动空气压缩机14和水泵20的转速，以实现系统最小内耗功率下的水平衡、热平衡。

如图1和图2所示，在使用时，

控制器6（MCU）采集环境温度传感器12、气体进口温度传感器24、气体出口温度传感器3、循环水进口温度传感器18、循环水出口温度传感器7、环境湿度传感器13、气体进口湿度传感器25、气体出口湿度传感器4监测获得的参数，经公式计算，得出结果，发出指令控制空气压缩机14的转速，以控制空气的最低流量，同时满足电池的电化学反应用气量和蒸发散热用气量。

其中，环境温度传感器12、气体进口温度传感器24、气体出口温度传感器3、循环水进口温度传感器18、循环水出口温度传感器7、环境湿度传感器13、气体进口湿度传感器25、气体出口湿度传感器4与空气压缩机14、气体流量计15及控制器6构成具有反馈回路的控制系统，其中上述传感器作为采集器，与空气压缩机14作为执行机构，控制器6是具有数据处理、运算及存储的控制单元，处理后的指令信号通过控制空压机的转速调节实现空气流量的控制，处理后的指令信号通过气体流量计15进行反馈，以实现多种流量、温度及压力参数的选择，以最小的空气压缩机14能耗，实现高速的、动态的控制温度湿度的功能，为电池工作提供水平衡、热平衡，进而提高电池的有效使用寿命。

实施例2典型工况计算

试验例1

假设100 kw的燃料电池，环境温度为10℃、环境空气湿度为50%，以理论数据燃料电池每kw/min所需标方28 L空气为计算前提，控制电池内部温度在85℃。

因为循环水路以恒定流量运转，水路外部散热器的散热能力，加上理论数据所需的空气流量基础上的水相变散热能力，两部分的散热能力之和完全可以满足燃料电池在中低功率运行下产生的热量，因此仅分析燃料电池在额定功率运行下的散热，其他中高功率可以此类推。

由于低、常压燃料电池的空气供给压力在10 kpa之下，空气出口压力在3-4 kpa，可忽略压力对于潜热的影响，仅以空气流量为参考计算依据。也可以忽略压力对湿度的影响，默认为空气进口湿度与环境湿度相同。

根据燃料电池的能量转换效率在50%左右，设定电池产生100 kw/h热量。

根据水路循环进出口温度、流量与散热器功率能够散掉20 kw/h热量。

根据理论数据燃料电池工作在100 kw/h额定功率下需要2800 L/min空气流量，换算成流速，对应空气压缩机流速与温度表，经查《化工手册》中的“温湿度（相对湿度）对照表”得知，空气压缩机在此流速及以上的工作条件下，空气压缩机出口（空气进口）平均温度为65℃。

电池产生100 kw/h的热量，除去水路循环带走20 kw/h热量，有80 kw/h热量需要水的相变散热。

理论数据所需空气流量是2800 L/min，在理论数据空气流量对应的氮气流量（80%）下，根据进空气进出口温度与湿度，查表代入计算得知水的相变散热潜热能带走110.14 kj/s热量，显热能带走8.269 kj/s热量。

剩余热量

如果仅靠显热散热，查表代入计算得知需要增加27120 L/min空气流量；

如果仅靠潜热散热，查表代入计算得知需要增加2040 L/min空气流量；

综合考虑显热与潜热共同散热，查表代入计算得知仅需要增加1860 L/min空气流量。

所以得出空气供给量：2800 L/min＋1860 L/min＝4660 L/min，即最少需要供给4660 L/min的空气才能满足100 kW燃料电池的正常工作状态，以此计算得出气体利用率：2800/4660＝60%，即在100 kw的燃料电池，当环境温度为10℃、环境空气湿度为50%，以按燃料电池每千瓦所需28 L/min空气，控制电池内部温度在85℃最少需要供给4660 L/min，即空气最大利用率为60%。

试验例2

本试验例与试验例1的区别仅在于：控制电池内部温度在65℃。

试验例3

本试验例与试验例1的区别仅在于：控制电池内部温度在95℃。

试验例4

本试验例与试验例1的区别仅在于：控制电池内部温度在55℃。

对比例

市售大功率燃料电池。

记录试验例1-4质子交换膜的厚度并计算其连续使用一月后的厚度损耗率，观测质子交换膜上是否存在撕裂穿孔情况，以此表征质子交换膜和燃料电池的寿命情况，具体结果如表1所示。

表1

由表1数据可见，采用本申请所述系统可以有效减缓质子交换膜损耗，提高质子交换膜寿命。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.一种燃料电池的温度、湿度动态平衡控制方法，其特征在于，所述方法包括利用控制系统进行燃料电池的温度、湿度动态平衡控制；

具体为，控制器利用采集器实时采集环境温度、燃料电池气体进口温度、燃料电池气体出口温度、燃料电池循环水进口温度、燃料电池循环水出口温度、环境湿度、燃料电池气体进口湿度、燃料电池气体出口湿度并收集气体流量、水循环流速的运行参数，通过典型工况计算，得出电池内部在常压和低压环境下，燃料电池内部温度为65℃-85℃，湿度范围为40-100 % RH，功率为5 kw-100 kw的情况下，满足此时电堆正常运转，且温度湿度动态平衡时，液态水蒸发相变冷却所需的最小空气流量，控制器以此控制气体供给器的转速，达到计算所得的最小空气流量，进而稳定燃料电池电堆内部工作温度，实现燃料电池电堆内部的正常运转和温度湿度动态平衡，实现对燃料电池电堆的温度湿度动态控制和反馈调节；

所述控制系统包括：

气体利用率调节器，所述气体利用率调节器连接燃料电池上的气体出口和水循环单元中的蓄水箱，所述气体利用率调节器使得气体降温至50℃-60℃，以回收气体中的水分，所述气体利用率调节器调节气体利用率为40％-60％；

气体供给单元，所述气体供给单元包括气体供给器，所述气体供给器产生气体，所述气体自燃料电池上的气体进口进入燃料电池内部，参加燃料电池内部反应后，剩余气体自燃料电池上的气体出口排出；所述气体供给单元还包括气体流量计，所述气体流量计位于气体供给器和燃料电池中间，所述气体供给器和气体流量计与所述控制器电性连接；

水循环单元，所述水循环单元包括水泵和蓄水箱，所述蓄水箱中盛装有水，在水泵的作用下水自蓄水箱流经燃料电池上的循环水进口进入燃料电池内部，再经燃料电池上的循环水出口回到蓄水箱，实现水循环；所述燃料电池水循环流速为0.5-1.5米/秒；

所述控制系统还包括控制单元，所述控制单元包括控制器和与控制器电性连接的一个或多个采集器；所述采集器采集温度数据与湿度数据，所述温度数据包括环境温度、燃料电池气体进口温度、燃料电池气体出口温度、燃料电池循环水进口温度和/或燃料电池循环水出口温度，所述湿度数据包括环境湿度、燃料电池气体进口湿度和/或燃料电池气体出口湿度。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述水循环单元还包括散热器，所述散热器位于蓄水箱与燃料电池的循环水进口之间。

3.一种利用如权利要求1或2所述控制方法实现燃料电池温度、湿度动态平衡的控制装置。