自增湿燃料电池水热管理系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开一种自增湿燃料电池水热管理系统及其控制方法，涉及燃料电池技术领域，该系统包括电堆、空气路系统、氢气路系统、氢气循环系统和冷却水路系统。空气路系统包括滤清器、空压机、加湿器和排气阀；氢气路系统包括高压气瓶、减压阀和排气阀；氢气循环系统包括氢气循环泵、气液分离器和电磁阀；冷却水路系统包括水箱、电导率传感器、水泵、去离子器、过滤器和散热器；本发明专利技术还提供了上述系统的控制方法，即通过压力传感器测得燃料电池阴阳极两侧的实际压降值，然后与燃料电池正常工作情况下的理论压降值进行比较来判断燃料电池内部的水含量，进而针对阴极侧或阳极侧执行相应的水热管理操作，控制精确，使得燃料电池内部维持水平衡。水平衡。水平衡。

【技术实现步骤摘要】
自增湿燃料电池水热管理系统及其控制方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，特别是涉及一种自增湿燃料电池水热管理系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池通过氢气和氧气的化学反应释放电能，因其不受卡诺极限限制，是目前最高效的氢能利用方式。质子交换膜燃料电池具有众多突出的优点，如能量转化率高、能量密度高、噪音低以及零排放等。质子交换膜燃料电池水淹和膜干是其在运行过程中最常见的故障，燃料电池内部水含量过高会产生水淹故障，而水含量不足则会导致膜干故障。电堆水淹/膜干主要受电流、温度、气体压力及过量系数等因素影响。热管理和水管理出现失衡时，会出现液态水积聚在电堆流道及气体扩散层内无法排出或者质子交换膜水分太少而影响质子的传导，导致燃料电池进入水淹/膜干状态，影响燃料电池的正常工作，系统的耐久性降低，使用寿命缩短。因此，需要合理的水热管理系统及其控制方法来实现燃料电池的水平衡。
[0003]现有的专利，如公布号为CN109799457A、公开日为2019
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24的中国专利申请，其公开了一种燃料电池水管理监测系统及其工作方法，以在及时发现并调节燃料电池的水平衡问题的同时，还能对燃料电池工作时所产生的带有余热的废水进行回收利用，但该系统所需部件较多，系统较为复杂；又如公布号为CN110034315A、公开日为2019
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19的中国专利申请，其公开了一种燃料电池堆阳极水管理方法，目的在于提供一种能够简单有效地解决燃料电池堆内部由于水不均匀分布所带来的性能下降问题的水管理方法，但其没有考虑电堆阴极的水含量状态；又如公布号为CN111864234A，公开日为2020
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30的中国专利申请，其公开了一种闭环加压的燃料电池水管理系统及控制方法，通过进出口压力变化以及水流量的变化判断燃料电池电堆内部水状态，利用闭环控制的方法，将氧气排气通道封闭，将氧气回路变成封闭回路，让进气回路变成加压回路，从而改善燃料电池电堆水淹问题，但其并没有考虑电堆阳极的水含量问题。
[0004]为了克服上述技术的不足，本专利技术提出一种自增湿燃料电池水热管理系统及其控制方法，以维持燃料电池在正常的水含量状态。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种自增湿燃料电池水热管理系统及其控制方法，以解决上述现有技术存在的问题，该自增湿燃料电池水热管理系统及其控制方法通过判断阴阳极两侧的含水量情况，采取针对阴阳极两侧的水热管理操作以防止水淹或者膜干对燃料电池性能产生影响，进而维持燃料电池内部的水平衡。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]本专利技术提供一种自增湿燃料电池水热管理系统，主要包括：
[0008]空气路系统，所述空气路系统包括滤清器、空压机、加湿器、第一压力传感器、第二
压力传感器、第一温度传感器和第一排气阀；所述滤清器、所述空压机和所述加湿器依次串联后，所述加湿器连接于燃料电池的阴极入口处；所述阴极入口与所述加湿器之间连接所述第一压力传感器和所述第一温度传感器；所述燃料电池的阴极出口设置第二压力传感器，所述第二压力传感器同时与所述第一排气阀和所述加湿器连接；
[0009]氢气路系统，所述氢气路系统包括高压气瓶、第三压力传感器、第四压力传感器、第二温度传感器和第二排气阀；所述高压氢瓶连接于所述燃料电池的阳极入口处，且所述高压氢瓶与所述阳极入口之间连接所述第三压力传感器和所述第二温度传感器；所述第二排气阀连接于所述燃料电池的阳极出口处，且所述第二排气阀与所述阳极出口之间连接所述第四压力传感器；
[0010]氢气循环系统，所述氢气循环系统包括氢气循环泵、气液分离器、第一循环支路和第二循环支路，所述气液分离器安装于所述第一循环支路或所述第二循环支路；所述第一循环支路和所述第二循环支路并联后，与所述氢气循环泵串联；所述氢气循环系统并联于所述阳极出口和所述阳极入口之间；
[0011]冷却水路系统，所述冷却水路系统包括水箱、电导率传感器、水泵、去离子器、过滤器、第五压力传感器、第三温度传感器和/或散热器；所述水箱、所述电导率传感器、所述水泵和所述过滤器依次串联后，所述过滤器连接于所述燃料电池的冷却水入口处、所述水箱连接于所述燃料电池的冷却水出口处，且所述冷却水入口与所述过滤器之间连接所述第五压力传感器和所述第三温度传感器；所述去离子器并联于所述冷却水入口和所述冷却水出口之间；所述散热器并联于所述水箱的两端；
[0012]控制器，所述空气路系统、所述氢气路系统、所述氢气循环系统和/或所述冷却水路系统与所述控制器电性连接。
[0013]可选的，还包括第一流量计和/或第二流量计；所述第一流量计连接于所述空压机和所述加湿器之间；所述第二流量计连接于所述高压氢瓶与所述阳极入口之间。
[0014]可选的，还包括减压阀，所述减压阀连接于所述高压氢瓶与所述阳极入口之间；且所述减压阀沿氢气流动方向至少设置一级。所述减压阀沿氢气流动方向可设置两级，即同时设置一级减压阀和二级减压阀。
[0015]可选的，所述第一循环支路上安装第一电磁阀；所述第二循环支路上安装第二电磁阀和所述气液分离器。
[0016]可选的，所述第一排气阀通过第一三通阀与所述第二压力传感器连接，且所述第一三通阀的一个出口与所述加湿器连接。
[0017]可选的，所述氢气循环系统的一端通过第二三通阀连接于所述高压氢瓶与所述阳极入口之间，另一端通过第三三通阀连接于所述第二排气阀与所述阳极出口之间。
[0018]可选的，所述第二循环支路的一端通过第四三通阀与所述阳极出口连接，且所述第四三通阀的一个出口连接所述第一循环支路的一端；所述第二循环支路的另一端通过第五三通阀与所述氢气循环泵连接，且所述第五三通阀的一个入口连接所述第一循环支路的另一端。
[0019]可选的，所述水箱与所述冷却水入口之间沿水流方向依次连接第六三通阀和第七三通阀，且所述第六三通阀的一个入口与所述散热器的出水口连接，所述第七三通阀的一个出口与所述去离子器的入水口连接；所述冷却水出口与所述水箱之间沿水流方向依次连
接第八三通阀和第九三通阀，且所述第八三通阀的一个入口与所述去离子器的出水口连接，所述第九三通阀的一个出口与所述散热器的入水口连接。
[0020]同时，本专利技术提出一种基于上述自增湿燃料电池水热管理系统的控制方法，具体包括如下步骤：
[0021]步骤一：测量所述阴极入口的空气流量、空气温度和/或空气压力；测量所述阴极出口的空气压力；测量所述阳极入口的氢气流量、氢气温度和/或氢气压力；测量所述阳极出口的氢气压力；测量所述冷却水入口处的温度和/或压力；
[0022]步骤二：由控制器获取步骤一测得的数值后，计算出燃料电池阴、阳极两侧的实际压降值，并由控制器将所述实际压降值与燃料电池正常工作情况下的阴、阳极两侧的理论压降值进行比较，以判断燃料电池内的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自增湿燃料电池水热管理系统，其特征在于，包括：空气路系统，所述空气路系统包括滤清器、空压机、加湿器、第一压力传感器、第二压力传感器、第一温度传感器和第一排气阀；所述滤清器、所述空压机和所述加湿器依次串联后，所述加湿器连接于燃料电池的阴极入口处；所述阴极入口与所述加湿器之间连接所述第一压力传感器和所述第一温度传感器；所述燃料电池的阴极出口设置第二压力传感器，所述第二压力传感器同时与所述第一排气阀和所述加湿器连接；氢气路系统，所述氢气路系统包括高压气瓶、第三压力传感器、第四压力传感器、第二温度传感器和第二排气阀；所述高压氢瓶连接于所述燃料电池的阳极入口处，且所述高压氢瓶与所述阳极入口之间连接所述第三压力传感器和所述第二温度传感器；所述第二排气阀连接于所述燃料电池的阳极出口处，且所述第二排气阀与所述阳极出口之间连接所述第四压力传感器；氢气循环系统，所述氢气循环系统包括氢气循环泵、气液分离器、第一循环支路和第二循环支路，所述气液分离器安装于所述第一循环支路或所述第二循环支路；所述第一循环支路和所述第二循环支路并联后，与所述氢气循环泵串联；所述氢气循环系统并联于所述阳极出口和所述阳极入口之间；冷却水路系统，所述冷却水路系统包括水箱、电导率传感器、水泵、去离子器、过滤器、第五压力传感器、第三温度传感器和/或散热器；所述水箱、所述电导率传感器、所述水泵和所述过滤器依次串联后，所述过滤器连接于所述燃料电池的冷却水入口处、所述水箱连接于所述燃料电池的冷却水出口处，且所述冷却水入口与所述过滤器之间连接所述第五压力传感器和所述第三温度传感器；所述去离子器并联于所述冷却水入口和所述冷却水出口之间；所述散热器并联于所述水箱的两端；控制器，所述空气路系统、所述氢气路系统、所述氢气循环系统和/或所述冷却水路系统与所述控制器电性连接。2.根据权利要求1所述的自增湿燃料电池水热管理系统，其特征在于，还包括第一流量计和/或第二流量计；所述第一流量计连接于所述空压机和所述加湿器之间；所述第二流量计连接于所述高压氢瓶与所述阳极入口之间。3.根据权利要求1所述的自增湿燃料电池水热管理系统，其特征在于，还包括减压阀，所述减压阀连接于所述高压氢瓶与所述阳极入口之间；且所述减压阀沿氢气流动方向至少设置一级。4.根据权利要求1所述的自增湿燃料电池水热管理系统，其特征在于，所述第一循环支路上安装第一电磁阀；所述第二循环支路上安装第二电磁阀和所述气液分离器。5.根据权利要求1所述的自增湿燃料电池水热管理系统，其特征在于，所述第一排气阀通过第一三通阀与所述第二压力传感器连接，且所述第一三通阀的一个出口与所述加湿器连接。6.根据权利要求1所述的自增湿燃料电池水热管理系统，其特征在于，所述氢气循环系统的一端通过第二三通阀连接于所述高压氢瓶与所述阳极入口之间，另一端通过第三三通阀连接于所述第二排气阀与所述阳极出口之间。7.根据权利要求4所述的自增湿燃料电池水热管理系统，其特征在于，所述第二循环支路的一端通过第四三通阀与所述阳极出口连接，且所述第四三通阀的一个出口连接所述第
一循环支路的一端；所述第二循环支路...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙平，朱华美，冯锦程，周玮，李志辉，阮尔博，崔可欣，董伟，于秀敏，于福东，张成，周增辉，杨松，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：