CN117080498B - 一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池技术领域，公开了一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法，包括如下控制步骤：S1：获取燃料电池系统的电堆电流；S2：实时获取低功率运行状态下电堆内所有单电池的电压；S3：若润湿差异程度超出预设范围，调节电堆参数，使电堆内所有单电池的润湿差异程度缩小。本发明针对处于低功率运行状态的燃料电池系统，能够实时获取电堆内所有单电池的电压情况，并根据所有单电池的电压差异程度判断电堆内所有单电池质子交换膜的润湿差异程度通过调节电堆参数及时调节电堆内所有单电池的质子交换膜的润湿程度，确保所有单电池的质子交换膜的润湿程度差异回归预设范围。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法。
背景技术
燃料电池电堆由多片单电池叠加组成，燃料电池系统运行过程中，电堆每片单电池中均有氢气和氧气发生电化学反应，通过质子交换膜传输质子，从而产生电能，为了获得较好的发电性能，必需使质子交换膜保持在合适的水量状态，如果质子交换膜过于干燥，就会引起单电池电压的降低。
当燃料电池系统在低功率下运行时，电堆电流较小导致生成水量较少，同时多个单电池会受到气体分配流量或压力不均的影响，就可能同时出现单电池润湿程度差异过大的状态，出现单电池润湿和干燥共存的状态，因而使得单电池电压一致性变差，导致电堆整体发电性能降低并使得电堆提前老化衰减。
针对单电池的质子交换膜过度干燥的问题（燃料电池系统处于低功率运行状态），目前可采取的有效方法是降低阴极空气流量使得被阴极空气带走的水分含量减少，或增大功率使生成水量增加，从而提高质子交换膜湿润程度并恢复发电性能。但是，当电堆单电池润湿差异程度过大时，一味的提高湿润性可能会导致有单电池出现水淹，导致单电压异常，同样影响正常发电。
发明内容
本发明的旨在解决上述问题而提供一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法，解决现有燃料电池系统在低功率运行状态下电堆内所有单电池的质子交换膜润湿差异程度大，电堆发电性能不高的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法，包括如下控制步骤：
S1：获取燃料电池系统的电堆电流，若电堆电流小于预设电流阈值，则所述燃料电池系统处于低功率运行状态；
S2：实时获取低功率运行状态下电堆内所有单电池的电压，根据所有单电池的电压判断电堆内所有单电池的润湿差异程度；
S3：若润湿差异程度超出预设范围，调节电堆参数，使电堆内所有单电池的润湿差异程度缩小；
S4：电堆内所有单电池的润湿差异程度回归预设范围后，将电堆参数恢复至初始状态。
优选的，步骤S2中根据所有单电池的电压判断电堆内所有单电池的润湿差异程度包括如下步骤：
S21：设置第一电压差阈值；
S22：计算电堆内所有单电池的电压平均值，记为平均单电压；
S23：将所有单电池中电压值最高的记为最大单电压，所有单电池中电压值最低的记为最小单电压；
S24：计算第一电压差值ΔU1和第二电压差值ΔU2，当且仅当第一电压差值ΔU1和第二电压差值ΔU2均大于第一电压差阈值时，判定电堆内所有单电池的润湿差异程度超出预设范围。
优选的，步骤S3中电堆参数包括电堆电流、进入电堆阳极的氢气流量以及进入电堆阴极的空气流量。
优选的，调节电堆参数包括如下步骤：
确定燃料电池系统处于低功率运行状态时的电堆电流I1、进入电堆阳极的氢气流量Q1以及进入电堆阴极的空气流量H1；
调节当前的电堆电流I1至电堆电流I2，电堆电流I2所对应的氢气流量为Q2，空气流量为H2；
调节进入电堆阳极的氢气流量Q1至氢气流量Q3，其中，氢气流量Q3大于氢气流量Q2；
调节进入电堆阴极的空气流量H1至空气流量H3或空气流量H4，且使得空气流量H3与空气流量H4交替变化，其中，空气流量H3小于空气流量H2，空气流量H4大于空气流量H2。
优选的，进入电堆阳极的氢气流量的调节方法包括：提高氢气循环泵转速，增加循环氢气的流量，使得进入电堆阳极的氢气流量Q1提升至氢气流量Q3。
优选的，进入电堆阳极的氢气流量的调节方法还包括：增加比例阀的开度，增加供氢单元的氢气输出量，使得进入电堆阳极的氢气流量Q1提升至氢气流量Q3。
优选的，空气流量H3与空气流量H4交替变化周期范围为10s-20s。
优选的，判断电堆内所有单电池的润湿差异程度回归预设范围包括如下步骤：
S41：设置第二电压差阈值；
S42：当且仅当第一电压差值ΔU1和第二电压差值ΔU2均小于第二电压差阈值时，判定电堆内所有单电池的润湿差异程度回归预设范围。
优选的，电堆参数恢复至初始状态前还包括如下步骤：
当判定电堆内所有单电池的润湿差异程度回归预设范围，调节进入电堆阳极的氢气流量Q3至氢气流量Q2；调节进入电堆阴极的交替变化的空气流量H3与空气流量H4至空气流量H2；
设置持续时段，使得电堆参数于持续时段内维持电堆电流I2、氢气流量Q2和空气流量H2的状态运行。
优选的，持续时段设置为10s-30s，持续时段结束后，电堆参数恢复至初始状态。
本发明的贡献在于：本发明针对处于低功率运行状态的燃料电池系统，能够实时获取电堆内所有单电池的电压情况，并根据所有单电池的电压差异程度判断电堆内所有单电池质子交换膜的润湿差异程度，当润湿差异程度超过预设范围，能够通过调节电堆参数及时调节电堆内所有单电池的质子交换膜的润湿程度，确保所有单电池的质子交换膜的润湿程度差异回归预设范围，从而提高了燃料电池系统处于低功率运行状态时的发电性能，也很好的解决了电堆于低功率运行状态时易加速老化衰减的问题。
附图说明
图1是本发明电堆膜水含量控制方法的示意图；
图2是本发明电堆膜水含量控制方法的完整控制流程图；
图3是本发明电堆电压、电堆电流、空气流量和氢气流量随时间变化的关系示意图；
图4是本发明燃料电池系统的结构示意图；
其中：电堆11、空压机21、背压阀22、空气传感器23、供氢单元31、比例阀32、气水分离器33、氢气循环泵34、排水排气阀35。
具体实施方式
下列实施例是对本发明的进一步解释和补充，对本发明不构成任何限制。
如图1-2所示，一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法，包括如下控制步骤：
S1：获取燃料电池系统的电堆11电流，若电堆11电流小于预设电流阈值，则所述燃料电池系统处于低功率运行状态；
S2：实时获取低功率运行状态下电堆11内所有单电池的电压，根据所有单电池的电压判断电堆11内所有单电池的润湿差异程度；
S3：若润湿差异程度超出预设范围，调节电堆11参数，使电堆11内所有单电池的润湿差异程度缩小；
S4：电堆11内所有单电池的润湿差异程度回归预设范围后，将电堆11参数恢复至初始状态。
燃料电池系统用于为车辆提供动力，为进一步方便理解本发明的电堆11膜水含量控制方法，此处对燃料电池系统进行简要说明，具体的，如图4所示，燃料电池系统包括了电堆11、空压机21、背压阀22、空气流量传感器23、供氢单元31、比例阀32、气水分离器33、氢气循环泵34和排水排气阀35；
其中，电堆11阳极入口依次与比例阀32和供氢单元31连接，所述供氢单元31用于为电堆11阳极提供反应所需的氢气，所述比例阀32用于调节进入电堆11阳极的氢气流量；
所述电堆11阳极出口连接有气水分离器33，所述气水分离器33用于将来自电堆11阳极出口的废气进行气液分离；
所述气水分离器33通过氢气循环泵34与电堆11阳极入口连通，所述氢气循环泵34用于将气水分离器33中分离出来的氢气导入电堆11阳极；
所述电堆11阴极入口依次与空压机21和空气流量传感器23连接，所述空压机21用于对进入电堆11阴极的空气进行压缩，所述空气流量传感器23用于检测进入电堆11阴极的空气流量；
所述电堆11阴极出口连接有背压阀22，所述背压阀22用于控制阴极处的空气压力；
排水排气阀35与所述气水分离器33连接，所述排水排气阀35周期性开启并将气水分离器33中的液态水和废气（多数为氮气，少量的氢气）排至外界环境。
进一步的说明，燃料电池系统中的电堆11由多片单电池叠加组成，燃料电池系统在运行过程中，每片单电池上均会发生氢气与氧气间的电化学反应，通过质子交换膜传输质子，从而产生电能，而质子交换膜需要在润湿状态下方能发挥较好的传输效果，如果质子交换膜没有处于合适的润湿状态，会影响质子的传输，导致单电池的电压降低，影响电堆11的发电性能。
当燃料电池系统处于低功率运行状态时，由于电堆11的电流较小，导致反应生成的水量较少，同时由于单电池会受到气体分配流量的影响，导致电堆11内各个单电池的润湿程度不同，本发明的膜水含量控制方法针对处于低功率运行状态时的燃料电池系统，能够调节电堆11中所有单电池的质子交换膜的润湿程度，从而确保单电池在低功率运行状态时依旧能够保持较好的发电状态，使得电堆11的单电池电压保持一致性，避免电堆11提前老化衰减。
具体的，本实施例中电流阈值设定范围在60A-90A之间（可根据燃料电池系统的实际情况进行设定），当检测到电堆11处的电流小于电流阈值时，说明燃料电池系统处于低功率运行状态，在低功率运行状态下实时监测电堆11内所有单电池的电压，并根据所有单电池的电压判断电堆11内所有单电池的润湿差异程度，将润湿差异程度与预设范围进行比较，若润湿差异程度大于预设范围，则说明此时电堆11内单电池的润湿差异程度过大，需要实施水分均匀化控制，进一步的说明，本发明通过调节电堆11的参数（电堆11电流、氢气流量和空气流量），使得电堆11内所有单电池的质子交换膜的润湿差异程度缩小，直至电堆11内所有单电池的润湿差异程度回归预设范围后，将电堆11参数恢复至初始状态（初始状态为燃料电池系统处于低功率运行时的状态的电堆11参数）。
本发明针对处于低功率运行状态的燃料电池系统，能够实时获取电堆11内所有单电池的电压情况，并根据所有单电池的电压差异程度判断电堆11内所有单电池质子交换膜的润湿差异程度，当润湿差异程度超过预设范围，能够通过调节电堆11参数及时调节电堆11内所有单电池的质子交换膜的润湿程度，确保所有单电池的质子交换膜的润湿程度差异回归预设范围，从而提高了燃料电池系统处于低功率运行状态时的发电性能，也很好的解决了电堆11于低功率运行状态时易加速老化衰减的问题。
步骤S2中根据所有单电池的电压判断电堆11内所有单电池的润湿差异程度包括如下步骤：
S21：设置第一电压差阈值；
S22：计算电堆11中所有单电池的电压平均值，记为平均单电压；
S23：将所有单电池中电压值最高的记为最大单电压，所有单电池中电压值最低的记为最小单电压；
S24：计算第一电压差值ΔU1和第二电压差值ΔU2，当且仅当第一电压差值ΔU1和第二电压差值ΔU2均大于第一电压差阈值时，判定电堆11内所有单电池的润湿差异程度超出预设范围。
进一步的说明，所有单电池的质子交换膜的润湿差异程度是否超出预设范围是通过第一电压差阈值来判断的，具体的，在燃料电池系统处于低功率运行状态时，燃料电池系统内的检测器会实时检测电堆11内所有单电池的电压，并将所检测的电压信号反馈至燃料电池系统的控制处理器中，控制处理器会根据所接收的电压信号计算所有电压的平均值，该值记为电堆11的平均单电压，同时控制处理器会筛选出所有单电池的电压最高值和最底值，分别记为最大单电压和最小单电压，然后计算第一电压差值ΔU1和第二电压差值ΔU2，其中，第一电压差值ΔU1为最大单电压与平均单电压的差值，第二电压差值ΔU2为平均单电压与最小单电压的差值，求算得到第一电压差值ΔU1和第二电压差值ΔU2后，将第一电压差值ΔU1和第二电压差值ΔU2分别与第一电压差阈值进行比较，从而决定所有单电池的质子交换膜的润湿差异程度是否超过预设范围，进一步的说明，当且仅当第一电压差值ΔU1和第二电压差值ΔU2均大于第一电压差阈值时（此时刻记为t1，第一电压差阈值取值范围为0.03V-0.05V），方能判定所有单电池的质子交换膜的润湿差异程度超过预设范围，说明此时电堆11内所有单电池的质子交换膜的润湿差异程度较大，需要及时进行质子交换膜的水量控制。
如图3所示，步骤S3中电堆11参数包括电堆11电流、进入电堆11阳极的氢气流量以及进入电堆11阴极的空气流量。
调节电堆11参数包括如下步骤：
确定燃料电池系统处于低功率运行状态时的电堆11电流I1、进入电堆11阳极的氢气流量Q1以及进入电堆11阴极的空气流量H1；
调节当前的电堆11电流I1至电堆11电流I2，电堆11电流I2所对应的氢气流量为Q2，空气流量为H2；
调节进入电堆11阳极的氢气流量Q1至氢气流量Q3，其中，氢气流量Q3大于氢气流量Q2；
调节进入电堆11阴极的空气流量H1至空气流量H3或空气流量H4，且使得空气流量H3与空气流量H4交替变化，其中，空气流量H3小于空气流量H2，空气流量H4大于空气流量H2。
本实施例中所需调节的参数分别为电堆11电流、进入电堆11阳极的氢气流量和进入电堆11阴极的空气流量，更进一步的说明，电堆11电流分别与氢气流量和空气流量之间存在一定的比例关系，如低功率运行状态时的电堆11电流为I1，那么对应的氢气流量为Q1，空气流量为H1，当在t1时刻检测到第一电压差值ΔU1和第二电压差值ΔU2均大于第一电压差阈值，则需要调节电堆11参数，具体调节方法如下：将电堆11电流I1调节至I2，I2一般设置为I1的两倍数值，即I2范围在120A-180A之间，通过增大电流，增加反应生成的水量，使得润湿程度不高的质子交换膜能够得以增加润湿度（润湿程度不高的质子交换膜对应检测出来的电压也不高，与平均单电压之间的差值会超过第一电压差阈值）。
将电堆11电流从I1提高至I2后，电堆11电流I2所对应的氢气流量为Q2，空气流量为H2，若还是依照氢气流量Q2和空气流量H2持续向电堆11中通入氢气和空气，虽然电堆11产生的水量增加，使得电堆11内的所有单电池的质子交换膜的润湿程度增加，但是水量的增加同样也会带来单电池内积水的问题（也可称为水淹），积水过多也会影响单电池的发电效率，故而本实施例中将氢气流量调节至Q3，Q3大于Q2（优选为Q2的1.2-1.3倍），将氢气流量提高至Q3，相较于氢气流量Q2来说氢气流量Q3风量更大，氢气从电堆11阳极出口流出时能够携带更多的水分，从而抑制单电池阳极积水，避免阳极发生水淹的情况。
调节空气流量至H3或H4，使得空气流量H3与空气流量H4交替变化，优选的，空气流量H3为空气流量H2的0.9倍，空气流量H4为空气流量H2的1.3-1.4倍，进一步的说明，由于电堆11内水分主要在阴极生成，故而阴极处的水含量会增加，质子交换膜更容易润湿，当空气流量为H3时，由于空气流量小于电堆11电流I2对应的空气流量H2，此时电堆11的阴极出口流出的空气所携带的水分会较少，确保阴极处的质子交换膜能够更好的被润湿，当空气流量为H4时，能够对单电池进行快速吹扫，除去阴极生成的过多积水，同样能够避免阴极处发生水淹的情况。
通过调节电堆11电流、氢气流量和空气流量，使得电堆11内所有单电池的质子交换膜的润湿差异程度缩小，并逐渐趋于均匀，从而提高了电堆11于低功率状态下的发电效率。
进入电堆11阳极的氢气流量的调节方法包括：提高氢气循环泵34转速，增加循环氢气的流量，使得进入电堆11阳极的氢气流量Q1提升至氢气流量Q3。
本实施例中，增加进入电堆11阳极的氢气流量的方法是通过提高氢气循环泵34的转速从而改变氢气再循环的流量，从而使得最终进入电堆11阳极的氢气含量增加，具体的，增加了氢气循环泵34的转速，氢气循环泵34能够以更快的频率从气水分离器33中抽取氢气（气水分离器33中氢气含量充足的情况下），从而增加了从氢气循环泵34出来的循环氢气的含量，再配合来自供氢单元31的氢气，使得最终进入电堆11阳极入口的氢气含量从Q1增加至Q3。
进入电堆11阳极的氢气流量的调节方法还包括：增加比例阀32的开度，增加供氢单元31的氢气输出量，使得进入电堆11阳极的氢气流量Q1提升至氢气流量Q3。
本实施例中，当气水分离器33中气体含量不足时（排水排气阀35会周期性打开，将气水分离器33中液态水、氢气和氮气排出，当排水排气阀35打开将气水分离器33中气体和液体都排放完后，气水分离器33中氢气含量不足以支撑将氢气含量从Q1增加至Q3），通过增加比例阀32的开度，从而增加供氢单元31的氢气输出量，使得进入电堆11阳极的氢气流量Q1提升至氢气流量Q3。
空气流量H3与空气流量H4交替变化周期范围为10s-20s。
本实施例中，空气流量H3与空气流量H4交替变化周期范围为10s-20s，空气流量H3与空气流量H4交替变化周期时长根据第一电压差值ΔU1和第二电压差值ΔU2与第一电压差阈值的差值决定，差值越大，说明电堆11内所有单电池的质子交换膜的润湿差异程度越大，则相对应的增加空气流量H3与空气流量H4交替变化周期时长，差值越接近第一电压差阈值，说明电堆11内所有单电池的质子交换膜的润湿差异程度越接近预设范围，此时设定空气流量H3与空气流量H4交替变化周期时间减小。
判断电堆11内所有单电池的润湿差异程度回归预设范围包括如下步骤：
S41：设置第二电压差阈值；
S42：当且仅当第一电压差值ΔU1和第二电压差值ΔU2均小于第二电压差阈值时，判定电堆11内所有单电池的润湿差异程度回归预设范围。
电堆11内所有单电池的润湿差异程度是否回归预设范围是通过第一电压差值ΔU1、第二电压差值ΔU2与第二电压差阈值之间的大小关系决定的，具体的，当第一电压差值ΔU1与第二电压差值ΔU2均小于第二电压差阈值时（此时刻记为t2），说明电堆11内所有单电池的润湿差异程度回归预设范围，电堆11的发电性能得以改善。
电堆11参数恢复至初始状态前还包括如下步骤：
当判定电堆11内所有单电池的润湿差异程度回归预设范围，调节进入电堆11阳极的氢气流量Q3至氢气流量Q2；调节进入电堆11阴极的交替变化的空气流量H3与空气流量H4至空气流量H2；
设置持续时段(即图3中t2-t3时段)，使得电堆11参数于持续时段内维持电堆11电流I2、氢气流量Q2和空气流量H2的状态运行。
当判定电堆11内所有单电池的润湿差异程度回归预设范围，将氢气流量Q3和空气流量H3、H4分别调节至当前电堆11电流I2所对应的氢气流量Q2和空气流量H2，使得电堆11在较高电流状态下保持一段时间运行（即于持续时段内电堆11按照电堆11电流I2、氢气流量Q2和空气流量H2的参数运行），确保电堆11内所有单电池的质子交换膜都能够维持在较好的润湿状态，不会过早进入干燥状态。
持续时段设置为10s-30s，持续时段结束后，电堆11参数恢复至初始状态。
根据所有单电池的质子交换膜润湿差异程度设置持续时段，质子交换膜润湿差异程度大则对应设置持续时段长，本实施例中持续时段设置为10s-30s，持续时段结束后（此时刻记为t3），电堆11参数调节至燃料电池系统低功率运行时的状态。
尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示，但本发明的保护范围并不局限于此，在不偏离本发明构思的条件下，对以上各构件所做的变形、替换等均将落入本发明的权利要求范围内。
Claims (7)
1.一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法，其特征在于，包括如下控制步骤：
S1：获取燃料电池系统的电堆电流，若电堆电流小于预设电流阈值，则所述燃料电池系统处于低功率运行状态；
S2：实时获取低功率运行状态下电堆内所有单电池的电压，根据所有单电池的电压判断电堆内所有单电池的润湿差异程度；
S3：若润湿差异程度超出预设范围，调节电堆参数，使电堆内所有单电池的润湿差异程度缩小；
S4：电堆内所有单电池的润湿差异程度回归预设范围后，将电堆参数恢复至初始状态；
步骤S2中根据所有单电池的电压判断电堆内所有单电池的润湿差异程度包括如下步骤：
S21：设置第一电压差阈值，第一电压差阈值取值范围为0.03V-0.05V；
S22：计算电堆内所有单电池的电压平均值，记为平均单电压；
S23：将所有单电池中电压值最高的记为最大单电压，所有单电池中电压值最低的记为最小单电压；
S24：计算第一电压差值ΔU1和第二电压差值ΔU2，其中，第一电压差值ΔU1为最大单电压与平均单电压的差值，第二电压差值ΔU2为平均单电压与最小单电压的差值，当且仅当第一电压差值ΔU1和第二电压差值ΔU2均大于第一电压差阈值时，判定电堆内所有单电池的润湿差异程度超出预设范围；
步骤S3中电堆参数包括电堆电流、进入电堆阳极的氢气流量以及进入电堆阴极的空气流量；
调节电堆参数包括如下步骤：
确定燃料电池系统处于低功率运行状态时的电堆电流I1、进入电堆阳极的氢气流量Q1以及进入电堆阴极的空气流量H1；
调节当前的电堆电流I1至电堆电流I2，其中电堆电流I2大于电堆电流I1，电堆电流I2所对应的氢气流量为Q2，空气流量为H2；
调节进入电堆阳极的氢气流量Q1至氢气流量Q3，其中，氢气流量Q3大于氢气流量Q2；
调节进入电堆阴极的空气流量H1至空气流量H3或空气流量H4，且使得空气流量H3与空气流量H4交替变化，其中，空气流量H3小于空气流量H2，空气流量H4大于空气流量H2。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法，其特征在于，进入电堆阳极的氢气流量的调节方法包括：提高氢气循环泵转速，增加循环氢气的流量，使得进入电堆阳极的氢气流量Q1提升至氢气流量Q3。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法，其特征在于，进入电堆阳极的氢气流量的调节方法还包括：增加比例阀的开度，增加供氢单元的氢气输出量，使得进入电堆阳极的氢气流量Q1提升至氢气流量Q3。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法，其特征在于：空气流量H3与空气流量H4交替变化周期范围为10s-20s。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法，其特征在于，判断电堆内所有单电池的润湿差异程度回归预设范围包括如下步骤：
S41：设置第二电压差阈值；
S42：当且仅当第一电压差值ΔU1和第二电压差值ΔU2均小于第二电压差阈值时，判定电堆内所有单电池的润湿差异程度回归预设范围。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法，其特征在于，电堆参数恢复至初始状态前还包括如下步骤：
当判定电堆内所有单电池的润湿差异程度回归预设范围，调节进入电堆阳极的氢气流量Q3至氢气流量Q2；调节进入电堆阴极的交替变化的空气流量H3与空气流量H4至空气流量H2；
设置持续时段，使得电堆参数于持续时段内维持电堆电流I2、氢气流量Q2和空气流量H2的状态运行。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法，其特征在于：持续时段设置为10s-30s，持续时段结束后，电堆参数恢复至初始状态。
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