CN117638139B - 提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路，液氢气化器将液氢加热气化后通过引射器输出氢气给电堆；用于冷却电堆的水从电堆输出后流入冷却水箱，然后经循环水泵分为堆冷却支路和液氢加热支路，电堆冷却支路用于冷却电堆，液氢加热支路用于加热液氢气化器，加热完液氢气化器的水再冷却电堆；气液分离器将电堆产出的水蒸气进行气液分离，分离出的高温空气用于液氢气化器加热，分离出的水输出给集水器，通过第一喷雾器喷洒散热器冷却；集水器的水通过第二喷雾器喷洒空压机冷却。本发明充分利用了电堆生成的水，用于电堆冷却、液氢气化器加热以及散热器和空压机的冷却，既节约水资源，又减小设备损耗，提高设备寿命。

Description

提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路及方法

技术领域

本发明属于燃料电池系统技术领域，具体涉及一种提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路及方法。

背景技术

燃料电池系统是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。随着燃料电池电堆功率的不断增大，电堆产出水量不断增多，燃料电池系统上的零部件所消耗的功率也不断增加。

现有技术对电堆产出水的利用率不高，当电堆功率增加时，产出水增多，大部分被排出了燃料电池系统，造成了水资源的浪费。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路及方法，能够减小燃料电池系统上零部件消耗的功率，同时节约水资源。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路，包括：

液氢支路，包括液氢气化器和引射器；其中，液氢气化器将液氢加热气化后通过引射器输出氢气给电堆；

电堆冷却水回路，包括冷却水箱和循环水泵；用于冷却电堆的水从电堆输出后流入冷却水箱，然后经循环水泵分为堆冷却支路和液氢加热支路，其中电堆冷却支路输出给电堆用于冷却电堆，液氢加热支路输出给所述液氢气化器用于加热液氢气化器，加热完液氢气化器的水再回到所述电堆用于冷却电堆；所述的冷却水箱通过散热器对水冷却；

水利用回路，包括气液分离器和集水器；其中，气液分离器与电堆的阴极尾排流道连接，将电堆产出的水蒸气进行气液分离，气液分离器的第一输出端将分离出的高温空气输出给所述液氢气化器用于液氢气化器加热，气液分离器的第二输出端将分离出的水输出给集水器；

设备养护回路，包括空压机、第一喷雾器和第二喷雾器；其中，空压机对电堆提供入堆空气，还与所述集水器连接提供高压气体；集水器中的水通过第一喷雾器喷洒散热器冷却；集水器的水通过第二喷雾器喷洒空压机冷却；

控制单元，用于根据所述输出氢气的流量控制所述液氢加热支路的流速、根据散热器和空压机的温度分别控制第一喷雾器和第二喷雾器的喷雾流速、控制所述高压气体的流量在一定范围内。

按上述方案，所述气液分离器的第二输出端将分离出的水分为两路，一路通过第一电磁阀输出给液氢气化器加热，另一路输出给集水器；所述第一电磁阀的开度由所述控制单元根据所述输出氢气的流量控制。

按上述方案，所述的冷却水箱通过比例阀与所述集水器连接，所述控制单元根据冷却水箱和集水器内的水位利用比例阀控制冷却水箱给集水器供水的流量。

按上述方案，所述集水器、第一喷雾器和第二喷雾器通过三通阀连接。

按上述方案，所述散热器上还设有与所述集水器连接的过滤器，用于将喷洒散热器冷却的水回收到集水器。

按上述方案，所述输出氢气的流量通过流量传感器得到；所述液氢加热支路的流速由控制单元利用第二电磁阀控制；所述散热器和空压机的温度分别利用温度传感器得到；所述高压气体的流量通过流量传感器得到，并由控制单元利用第三电磁阀控制。

一种所述的提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路的控制方法，本方法包括：

判断输出氢气的流量是否满足电堆需求，若输出氢气的流量大于预设范围，则减小液氢加热支路的流速；若输出氢气的流量小于预设范围，则增大液氢加热支路的流速；

当空压机电机温度小于预设电机温度，则关闭第二喷雾器；当空压机电机温度大于或等于预设电机温度，则开启第二喷雾器；

当散热器温度小于预设散热温度，则控制第一喷雾器按预设的小喷雾流速喷雾；当散热器温度大于或等于预设散热温度，则增大第一喷雾器的喷雾流速；

当所述高压气体的流量无法满足所述第一喷雾器和第二喷雾器的喷雾流速，则提高所述高压气体的流量。

按上述方法，所述的冷却水箱通过比例阀与所述集水器连接；本方法还包括：

当集水器内水位高于预设最高安全高度，或者冷却水箱水含量小于预设含量时，则关闭所述比例阀；当集水器内水位低于预设最低安全高度，且冷却水箱水含量大于预设含量，则调整比例阀的开度，使得集水器内水位在预设最高安全高度和最低安全高度之间。

按上述方法，所述的冷却水箱水含量通过冷却水箱流向循环水泵的水流量确定。

按上述方法，电堆工作电流与入堆氢气质量流量的关系如下：

式中，为氢气质量流量，kg/s；/>为氢气摩尔质量,kg/mol；/>为阳极过量比；F为法拉第常数，C/mol；n为电堆中单电池片数；I为电堆工作电流，A。

根据实际电堆工作电流的需求，通过上述公式计算输出氢气的流量的预设范围。

本发明的有益效果为：

1、采用液氢气化器为电堆提供氢气，利用电堆冷却水的温度对液氢气化器进行加热，减少液氢气化器自身的加热功率；利用气液分离器将电堆的阴极尾排流道产出的水进行充分利用，热量用于进一步加热液氢气化器；设置与内循环水连通的集水器，并利用喷雾器对散热器和空压机进行冷却，降低了散热器和空压机消耗的功率；通过采用液氢支路、电堆冷却水回路、水利用回路和设备养护回路的组合，将电堆产出的水完全用于燃料电池系统中，避免了水资源的浪费，同时降低燃料电池系统中设备的消耗功率。

2、本发明通过控制单元对各个部分进行协调控制，降低了系统的反应延迟时间。

附图说明

图1为本发明一实施例的方法流程图。

图2位本发明一实施例的集成水控制回路结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，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 隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本发明提供一种提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路，包括液氢支路、电堆冷却水回路、水利用回路、设备养护回路和控制单元，如图2所示。

液氢支路，包括液氢气化器和引射器；其中，液氢气化器连接有液氢罐，液氢气化器将液氢加热气化后通过引射器输出氢气给电堆，引射器与电堆之间的氢气管路中设有氢气流量传感器。

电堆冷却水回路，包括冷却水箱和循环水泵；用于冷却电堆的水（大概70-80℃，稳态运行后，水在进入电堆前的温度为60℃左右，从电堆输出后为70-78℃）从电堆输出后流入冷却水箱，散热器对冷却水箱中的水进行散热冷却至60度左右，然后经循环水泵分为堆冷却支路和液氢加热支路，其中电堆冷却支路输出给电堆用于冷却电堆，再从电堆输出到冷却水箱继续冷却，如此循环。液氢加热支路输出给所述液氢气化器用于加热液氢气化器，加热完液氢气化器的水再回到所述电堆用于冷却电堆，同样也从电堆输出到冷却水箱继续冷却。60℃左右的水相对电堆的温度是低的，可以用于冷却电堆，同时相对于液氢气化器中液氢的零下温度（液氢气化器本身的温度大概为30-40℃），是足够热的，完全可以用于加热液氢气化器，降低了液氢气化器自身的功率消耗，同时与加热液氢气化器交换热量之后的水温度更低，更有利于冷却电堆。液氢加热支路上设置第二电磁阀，为了控制氢气的供给速率，第二电磁阀的开度是可控的。

水利用回路，包括气液分离器和集水器；其中，气液分离器与电堆的阴极尾排流道连接，将电堆产出的水蒸气进行气液分离，气液分离器的第一输出端将分离出的高温空气输出给所述液氢气化器用于液氢气化器加热，进一步提高液氢气化器的气化效果，气液分离器的第二输出端将分离出的水（也是高温的）输出给集水器，节约水资源。进一步的，气液分离器的第二输出端将分离出的水可以分为两路，一路给集水器，另一路通过第一电磁阀输出给液氢气化器进行加热，进一步提高液氢气化器的气化效果。为了控制氢气的供给速率，第一电磁阀的开度是可控的。

设备养护回路，包括空压机、第一喷雾器和第二喷雾器；其中，空压机除了对电堆提供入堆空气，还与所述集水器连接提供高压气体；集水器中的水通过第一喷雾器喷洒散热器冷却；集水器的水通过第二喷雾器喷洒空压机冷却。为了便于管道的连接，集水器、第一喷雾器和第二喷雾器通过三通阀连接。

控制单元，用于根据所述输出氢气的流量，通过第二电磁阀的开度控制所述液氢加热支路的流速，通过第一电磁阀的开度控制气液分离器分离的水用于加热液氢气化器的部分；控制单元还会根据散热器和空压机的温度分别控制第一喷雾器和第二喷雾器的喷雾流速，以及控制所述高压气体的流量在一定范围内。

所述输出氢气的流量通过流量传感器得到；所述液氢加热支路的流速由控制单元利用第二电磁阀控制；所述散热器和空压机的温度分别利用温度传感器得到；所述高压气体的流量通过流量传感器得到，并由控制单元利用第三电磁阀控制。此外，如图2中的传感器标识，上述液氢支路、电堆冷却水回路、水利用回路、设备养护回路中的任意位置，可根据需要设置温度传感器、水位传感器或流量传感器，采集各处温度、水位或流量，供控制单元判断所用。

进一步的，当电堆功率较大，所需要的氢气越多，电堆产生的水也会越多，液氢气化器所需要的热量越多，此时第一电磁阀的开度很大，大部分电堆产生的水将用于液氢气化器的加热，再用于电堆的冷却。如此一来，冷却水箱的水将会增多，而集水器中的水可能不足以完成喷洒工作。为避免集水器中的水不够，所述的冷却水箱通过比例阀与所述集水器连接。所述控制单元根据冷却水箱和集水器内的水位利用比例阀控制冷却水箱给集水器供水的流量。

为了进一步利用水资源，所述散热器上还设有与所述集水器连接的过滤器，用于将喷洒散热器冷却的水回收到集水器。

本发明还提供一种所述提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路的控制方法，如图1所示，本方法包括：

判断输出氢气的流量是否满足电堆需求，若输出氢气的流量大于预设范围，则减小液氢加热支路的流速；若输出氢气的流量小于预设范围，则增大液氢加热支路的流速。由于电堆工作电流与入堆氢气质量流量的关系如下：

（1）

式中，为氢气质量流量，单位为kg/s；/>为氢气摩尔质量，单位为kg/mol；为阳极过量比；F为法拉第常数，数值为96485C/mol；n为电堆中单电池片数；I为电堆工作电流，单位为A。

因此，可根据实际电堆工作电流的需求，通过上述公式计算输出氢气的流量的预设范围。

设为电堆实际需求氢气质量流量，当氢气供给质量流量过大/>，即超过电堆的实际需求氢气量时，控制器控制第二电磁阀，减小第二电磁阀的阀门开度，减小氢气供应量；当氢气供给质量流量过小/>，不满足电堆的实际需求氢气量时，控制器控制第一电磁阀和第二电磁阀，增大两者的阀门开度，进而增大流向液氢气化器的高温冷却水的流量与来自电堆尾排的高温水的流量，增大液氢气化器所接受的热能，增大气化速率，提高流向电堆的氢气质量流量。控制过程如下：

稳定运行状态，电堆工作电流为I时，实际入堆氢气质量流量为，电堆实际需求氢气质量流量为/>，/>受液氢的实际气化速率决定，液氢气化速率受液氢气化器与高温水提供的热能决定，相关公式如下：

（2）

式中，为的实际入堆氢气质量流量，单位为kg/s；/>为液氢气化实际所接受的热能，单位为kJ/s；/>为液氢比热容，单位为kJ/(kg·K）；/>为液氢气化后温度，/>为液氢气化前温度，单位为K。

为解决氢气实际需求质量流量与实际入堆氢气质量流量/>之间的控制响应滞后问题，采用调节/>的大小的方法，使/>与/>之间的偏差减小，受液氢气化器的加热功率、通过第二电磁阀的高温水流量、通过第一电磁阀的高温水流量决定。

（3）

式中Q₁(t)为流经第一电磁阀的高温水所提供热能, kJ/s；Q₂(t)为流经第二电磁阀的高温水所提供热能，kJ/s；Q_vap为液氢气化器所提供热能，kJ/s。

依据公式(3)可知，受多因素影响，计算误差难以保证，为减小/>与之间的偏差，首先对/>进行一阶微分与加权求和运算：

（4）

式中为依据第一电磁阀开度和第二电磁阀开度和液氢气化器加热功率所计算的热能, kJ/s；a为加权系数。

将（4）带入公式（2）中，计算可得出，并与氢气实际需求质量流量/>进行偏差运算如下：

(5)

式中，为氢气实际所需求入堆质量流量与实际入堆氢气的偏差，kg/s；/>为偏差变化率，Kg/s²。

当=0与/>=0时，即实际入堆氢气与实际需求入堆氢气流速一致时，控制器不对液氢控制回路中的各零部件进行调整。

因为电磁阀的开度受电磁阀的工作电压决定，液氢气化器的加热功率也受其工作电压的决定，当电磁阀电压、液氢气化器电压变化时，将改变电磁阀开度与气化器的加热功率，进而可以改变液氢在气化时所接受的热能。

当与/>不为0时，进行模糊计算，调整第一电磁阀、第二电磁阀、液氢气化器的电压，改变液氢所能接受的热能。调整第一电磁阀电压、第二电磁阀电压、液氢气化器电压的输出规则计算公式均为：

(6)

为第一电磁阀电压、第二电磁阀电压、液氢气化器电压，β为第一电磁阀电压、第二电磁阀电压、液氢气化器电压的k(t)模糊数的权重，i=1特指第一电磁阀、i=2特指第二电磁阀、i=3特指液氢气化器。

当空压机电机温度小于预设电机温度（本实施例中预设为90摄氏度），则关闭第二喷雾器，优先满足散热器的喷雾；当空压机电机温度大于或等于预设电机温度，则开启第二喷雾器，此时可设置第四电磁阀，将第四电磁阀开度开到最大。

当散热器温度小于预设散热温度（本实施例中预设为60摄氏度），则控制第一喷雾器按预设的小喷雾流速喷雾；当散热器温度大于或等于预设散热温度，则增大第一喷雾器的喷雾流速。

当所述高压气体的流量无法满足所述第一喷雾器和第二喷雾器的喷雾流速，则提高所述高压气体的流量。具体来说，当空气流量小于最低工作流量界限时，增大第三电磁阀的阀门开度，提高集水器内部压力；当空气流量大于最大工作流量界限时，减小第三电磁阀的开度，减小集水器内部压力；当空气流量大小在正常工作范围内（即最低工作流量界限与最大工作流量界限之间）时，对第三电磁阀的开度不做调整。

当集水器内水位高于预设最高安全高度，或者冷却水箱水含量小于预设含量（本实施例中预设为冷却水箱整体容量的20%）时，则关闭所述比例阀；当集水器内水位低于预设最低安全高度，且冷却水箱水含量大于预设含量，则调整比例阀的开度，使得集水器内水位在预设最高安全高度和最低安全高度之间。其中，所述的冷却水箱水含量可以通过冷却水箱流向循环水泵的水流量确定。

以上各部分控制并行，无先后顺序。

在本发明中，对液氢气化器的加热控制来自三条支路，即：第二电磁阀调节的液氢加热支路、气液分离器的第一输出端、第一电磁阀调节的企业分离器的第二输出端的一条支路；并且三条支路中有2条是可调的。此外，氢气需求量越大，电堆产生的水也会越多，给液氢气化器加热用的水也会越多。因此，本发明对液氢气化器能够实现精确控制，保证的氢气供给的稳定，保证了系统的稳定运行。

本发明充分利用了电堆生成的水，提高了能源利用率，避免了水资源浪费；同时，又降低了散热器和空压机的温度，减小了系统中部件的消耗功率，提高了设备的使用寿命。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路，其特征在于：包括：

液氢支路，包括液氢气化器和引射器；其中，液氢气化器将液氢加热气化后通过引射器输出氢气给电堆；

电堆冷却水回路，包括冷却水箱和循环水泵；用于冷却电堆的水从电堆输出后流入冷却水箱，然后经循环水泵分为堆冷却支路和液氢加热支路，其中电堆冷却支路输出给电堆用于冷却电堆，液氢加热支路输出给所述液氢气化器用于加热液氢气化器，加热完液氢气化器的水再回到所述电堆用于冷却电堆；所述的冷却水箱通过散热器对水冷却；

水利用回路，包括气液分离器和集水器；其中，气液分离器与电堆的阴极尾排流道连接，将电堆产出的水蒸气进行气液分离，气液分离器的第一输出端将分离出的高温空气输出给所述液氢气化器用于液氢气化器加热，气液分离器的第二输出端将分离出的水输出给集水器；

设备养护回路，包括空压机、第一喷雾器和第二喷雾器；其中，空压机对电堆提供入堆空气，还与所述集水器连接提供高压气体；集水器中的水通过第一喷雾器喷洒散热器冷却；集水器的水通过第二喷雾器喷洒空压机冷却；

控制单元，用于根据所述输出氢气的流量控制所述液氢加热支路的流速、根据散热器和空压机的温度分别控制第一喷雾器和第二喷雾器的喷雾流速、控制所述高压气体的流量在一定范围内。

2.根据权利要求1所述的提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路，其特征在于：所述气液分离器的第二输出端将分离出的水分为两路，一路通过第一电磁阀输出给液氢气化器加热，另一路输出给集水器；所述第一电磁阀的开度由所述控制单元根据所述输出氢气的流量控制。

3.根据权利要求1所述的提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路，其特征在于：所述的冷却水箱通过比例阀与所述集水器连接，所述控制单元根据冷却水箱和集水器内的水位利用比例阀控制冷却水箱给集水器供水的流量。

4.根据权利要求1所述的提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路，其特征在于：所述集水器、第一喷雾器和第二喷雾器通过三通阀连接。

5.根据权利要求1所述的提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路，其特征在于：所述散热器上还设有与所述集水器连接的过滤器，用于将喷洒散热器冷却的水回收到集水器。

6.根据权利要求1所述的提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路，其特征在于：所述输出氢气的流量通过流量传感器得到；所述液氢加热支路的流速由控制单元利用第二电磁阀控制；所述散热器和空压机的温度分别利用温度传感器得到；所述高压气体的流量通过流量传感器得到，并由控制单元利用第三电磁阀控制。

7.一种权利要求1所述的提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路的控制方法，其特征在于：本方法包括：

判断输出氢气的流量是否满足电堆需求，若输出氢气的流量大于预设范围，则减小液氢加热支路的流速；若输出氢气的流量小于预设范围，则增大液氢加热支路的流速；

当空压机电机温度小于预设电机温度，则关闭第二喷雾器；当空压机电机温度大于或等于预设电机温度，则开启第二喷雾器；

当散热器温度小于预设散热温度，则控制第一喷雾器按预设的小喷雾流速喷雾；当散热器温度大于或等于预设散热温度，则增大第一喷雾器的喷雾流速；

当所述高压气体的流量无法满足所述第一喷雾器和第二喷雾器的喷雾流速，则提高所述高压气体的流量。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：所述的冷却水箱通过比例阀与所述集水器连接；本方法还包括：

当集水器内水位高于预设最高安全高度，或者冷却水箱水含量小于预设含量时，则关闭所述比例阀；当集水器内水位低于预设最低安全高度，且冷却水箱水含量大于预设含量，则调整比例阀的开度，使得集水器内水位在预设最高安全高度和最低安全高度之间。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于：所述的冷却水箱水含量通过冷却水箱流向循环水泵的水流量确定。

10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：

电堆工作电流与入堆氢气质量流量的关系如下：

式中，为氢气质量流量，kg/s；/>为氢气摩尔质量，kg/mol；/>为阳极过量比；F为法拉第常数，C/mol；n为电堆中单电池片数；I为电堆工作电流，A；

根据实际电堆工作电流的需求，通过上述公式计算输出氢气的流量的预设范围。