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CN113540506B - 一种燃料电池水管控方法 - Google Patents

一种燃料电池水管控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池水管控方法，具体包括以下步骤：当燃料电池系统运行至某一电流且运行风量达到该电流设定值后，分别读取系统进出口端的温度、压力、湿度的数据；读取燃料电池系统相关运行参数；计算出电堆净含水量及含水量变化值；读取燃料电池系统设定的电堆净含水量与电流点对应值，将计算值与系统设定值比较；分析判断电堆净含水量及变化值是否满足系统设定要求；按一定周期再重新进行以上步骤的参数读取、计算、判断、调整。本发明可以避免因大气环境湿度、大气压力不同，造成系统入口空气不同湿度对电堆净含水量计算的影响，为电堆运行参数进行调整提供准确策略，让系统稳定运行，提高燃料电池性能输出稳定性以及延长电堆使用寿命。

Description

一种燃料电池水管控方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池水管控方法。
背景技术
水管理对燃料电池性能影响至关重要。燃料电池在反应过程中会产生液态水，然而，为了获得较高的电池性能，通常在运行过程中又需要对反应气体进行加湿且采用合理的空气计量比，以保证质子交换膜得到合理的湿润，减少质子传导阻力，降低内阻。若反应气体不加湿，加湿不足或空气计量比过大，会导致尾排空气带走的电堆的水分过多，会引起膜脱水，电池性能变差且性能不稳定；若加湿过高、或空气计量比过小，导致电堆中的水不能及时排出，导致电堆内部液态水积累过多，而产生水淹现象，堵塞流道，影响气体分配；同时堵塞气体扩散层，影响气体传输，覆盖在催化层反应区域，限制了气体与催化层的接触反应，影响电堆的整体性能，严重的话还会对电堆产生不可逆损害，大大减少电堆的寿命。
目前虽有采用监测电堆运行时的交流阻抗、内阻以及电堆出口湿度的方法进行水管理，但是各燃料电池厂商的电堆内阻对含水量的敏感性不一且水在电堆水平方向分布不均匀等都会影响内阻数值；另外不同季节、不同海拔，大气环境湿度差异很大对电堆阴、阳两极出口湿度影响也有很大，仅靠出口湿度对比也不能准确反映出电堆真实含水量，因此上述方法都难以准确反映出电堆的真实含水量变化，从而无法准确进行电堆水操作管理。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种能够提高燃料电池性能输出稳定性，延长电堆使用寿命的燃料电池水管控方法。
本发明采用的技术方案是：一种燃料电池水管控方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1.当燃料电池系统运行至某一电流且运行风量达到该电流设定值后，分别读取系统进出口端的温度、压力、湿度的数据；
S2.读取燃料电池系统相关运行参数；
S3.计算出电堆净含水量及含水量变化值；
S4.读取燃料电池系统设定的电堆净含水量与电流点对应值，将步骤S3的计算值与系统设定值进行比较；
S5.分析判断电堆净含水量及变化量是否满足系统设定要求，若不满足要求，则按照既定控制策略进行系统运行参数的调整，调整后再返回步骤S1重新进行执行；若满足要求，则储存当前电堆净含水量及含水量变化值；
S6.按一定周期再重新进行以上步骤的参数读取、计算、判断、调整。
本发明所述的燃料电池水管控方法，其在所述步骤S1中，读取系统进口端侧空滤器入口处的温度、压力、湿度的数据。
本发明所述的燃料电池水管控方法，其在所述步骤S1中，读取系统出口端侧加湿器出口处的温度、压力、湿度的数据。
本发明所述的燃料电池水管控方法，其在所述步骤S3中，所述电堆净含水量的具体计算方法是：确定整个系统进口端侧的总进水量、电堆内反应生成的水以及系统出口端侧的总出水量，单次周期内燃料电池系统的净含水量Δmi为：系统进口端侧的总进水量+电堆内反应生成的水-系统出口端侧的总出水量，多个周期内，则净含水量为：Δm＝∑Δmi。
本发明所述的燃料电池水管控方法，其所述系统进口端侧的总进水量包括系统进口端侧空气水含量m1以及系统进口端侧氢气水含量m2，所述系统出口端侧的总出水量包括系统出口端侧尾气含水量m4以及电堆阳极出口端侧排水量m5。
本发明所述的燃料电池水管控方法，其所述电堆进口端侧进入的氢气由外部储氢系统提供的干氢气以及电堆内未反应湿氢气在处理后经氢气循环泵循环提供的氢气混合而成。
本发明所述的燃料电池水管控方法，其在所述步骤S5中，通过判断结果对系统运行参数进行调整，具体为增加/减少风量、增加/降低氢气循环泵转速、增加/降低供氢压力以及增加/降低空气压力。
本发明通过检测系统出入口空气湿度及压力，可以避免因大气环境湿度不同以及压力不同(高海拔地区)，造成系统入口空气不同湿度对电堆含水量计算的影响，通过精确计算出电堆净含水量与系统设定值进行对比，判断出电堆真实的含水量变化，从而为电堆运行参数进行调整提供准确策略，通过运行参数的调整，可以让系统稳定运行，提高燃料电池性能输出稳定性以及延长电堆使用寿命。
附图说明
本发明将通过具体实施例并参照附图的方式说明，其中
图1是本发明的管控流程图。
图2是本发明中电堆净含水量计算示意图。
图3是本发明的管控系统示意图。
图中标记：1为进口端温度传感器，2为进口端压力传感器，3为进口端湿度传感器，4为空滤器，5为流量计，6为空压机，7为中冷器，8为进气节气门，9为加湿器，10为电堆，11为背压节气门，12为出口端温度传感器，13为出口端压力传感器，14为出口端湿度传感器，15为供氢模块，16为氢气循环泵，17为气水分离器，18为排气阀，19为冷却泵，20为散热器，21为节温器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
如图1所示，一种燃料电池水管控方法，具体包括以下步骤：
S1.当燃料电池系统运行至某一电流且运行风量达到该电流设定值后，分别读取系统进出口端的温度、压力、湿度的数据。
具体地，读取系统进口端侧空滤器入口处的温度、压力、湿度的数据；读取系统出口端侧加湿器出口处的温度、压力、湿度的数据。
S2.读取燃料电池系统相关运行参数。
S3.计算出电堆净含水量及含水量变化值。
具体地，从整个系统来考虑，物质的输入可以带入水，系统的出口物质流带出水，故电堆净含水量的具体计算方法是：确定整个系统进口端侧的总进水量、电堆内反应生成的水m3以及系统出口端侧的总出水量，单次周期内燃料电池系统的净含水量Δmi为：系统进口端侧的总进水量+电堆内反应生成的水-系统出口端侧的总出水量，多个周期内，则净含水量为：Δm＝∑Δmi，即通过检测系统进、出口空气温度、压力以及湿度、系统运行参数及阳极排水流量进行积分计算出电堆净含水量的变化。
如图2所示，所述系统进口端侧的总进水量包括电堆进口端侧空气水含量m1以及系统进口端侧氢气水含量m2，所述系统出口端侧的总出水量包括系统出口端侧尾气含水量m4以及电堆阳极出口端侧排水量m5，电堆出口端侧排水量根据系统在不同电流下运行时气水分离器的排水流量确定，即单次周期内燃料电池系统的净含水量为：Δmi＝m1+m2+m3-m4-m5；其中，所述电堆进口端侧进入的氢气由外部储氢系统提供的干氢气以及电堆内未反应湿氢气在处理后经氢气循环泵循环提供的氢气混合而成。
S4.读取燃料电池系统设定的电堆净含水量与电流点对应值，将步骤S3的计算值与系统设定值进行比较。
S5.分析判断电堆净含水量及变化量是否满足系统设定要求，即判断电堆净含水量是增加还是减少，若不满足要求，则按照既定控制策略进行系统运行参数的调整，调整后再返回步骤S1重新进行执行；若满足要求，则储存当前电堆净含水量及含水量变化值。
具体地，通过判断结果对系统运行参数进行调整，具体为增加/减少风量、增加/降低氢气循环泵转速、增加/降低供氢压力以及增加/降低空气压力。
S6.按一定周期再重新进行以上步骤的参数读取、计算、判断、调整。
如图3所示，为实现上述燃料电池水管控方法的系统，该系统主要包括进口端温度传感器1、进口端压力传感器2、进口端湿度传感器3、空滤器4、流量计5、空压机6、中冷器7、进气节气门8、加湿器9、电堆10、背压节气门11、出口端温度传感器12、出口端压力传感器13、出口端湿度传感器14、供氢模块15、氢气循环泵16、气水分离器17、排气阀18、冷却泵19、散热器20以及节温器21等设备。
系统运行时，空气经过管道进入空滤器4，管道上设置进口端温度传感器1、进口端压力传感器2以及进口端湿度传感器3对进入空滤器4中的空气进行监测。空气从空滤器4出来后，进入流量计5监测空气流量，再进入空压机6中进行加压，再经过中冷器7降温后进入加湿器9中进行加湿，最后进入电堆10中进行化学反应，反应完后的湿空气从电堆10出来后，再进入,加湿器9对加湿器9入口干空气进行加湿，加湿器9出口湿空气经过背压节气门11，背压节气门11用于调节电堆10运行压力，背压节气门11出口设置出口端温度传感器12、出口端压力传感器13以及出口端湿度传感器14监测加湿器9出口湿空气温度、压力以及湿度。
系统运行时，氢气从储氢系统出来后经过供氢模块15进行流量以及压力处理后，与氢气循环泵16出口循环氢气混合后进入电堆10中进行化学反应，未反应的湿氢气从电堆10出来后进入气水分离器17中进行气水分离，进行分离后的氢气一部分经过排气阀18进行脉冲排放，另外一部分经过氢气循环泵16进行循环利用。
系统运行时，由于氢气与氧气在电堆10中进行反应产生电能和热能，热量需要冷却剂带出电堆。冷却剂从电堆10出来后，经过冷却泵19打入到散热器20中进行散热，冷却剂降温后再通过节温器21进入电堆10中，带出电堆10中的热量。当冷却剂温度较低时，经过冷却泵19出口的冷却剂可不经过散热器20，而直接经过节温器21进入电堆10中。
本发明并不局限于前述的具体实施方式，本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (4)

1.一种燃料电池水管控方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1.当燃料电池系统运行至某一电流且运行风量达到该电流设定值后，分别读取系统进出口端的温度、压力、湿度的数据；
具体地，所述燃料电池系统包括空滤器、空压机、加湿器、电堆、氢气循环泵、气水分离器、冷却泵、散热器以及节温器，空气进入电堆中进行化学反应，反应完后的湿空气从电堆出来后，再进入加湿器对加湿器入口干空气进行加湿，其中，通过进口端温度传感器、进口端压力传感器和进口端湿度传感器读取系统进口端侧空滤器入口处的温度、压力、湿度的数据，通过出口端温度传感器、出口端压力传感器和出口端湿度传感器读取系统出口端侧加湿器出口处的温度、压力、湿度的数据；
氢气与氢气循环泵出口循环氢气混合后进入电堆中进行化学反应，未反应的湿氢气从电堆出来后进入气水分离器中进行气水分离，进行分离后的氢气一部分经过排气阀进行脉冲排放，另外一部分经过氢气循环泵进行循环利用；
氢气与氧气在电堆中进行反应产生的热量由冷却剂带出电堆，冷却剂从电堆出来后，经过冷却泵打入到散热器中进行散热，冷却剂降温后再通过节温器进入电堆中，带出电堆中的热量；当冷却剂温度较低时，经过冷却泵出口的冷却剂可不经过散热器，而直接经过节温器进入电堆中；
S2.读取燃料电池系统相关运行参数；
S3.计算出电堆净含水量及含水量变化值；
具体地，所述电堆净含水量的具体计算方法是：确定整个系统进口端侧的总进水量、电堆内反应生成的水以及系统出口端侧的总出水量，所述系统进口端侧的总进水量包括系统进口端侧环境中空气水含量m1以及电堆进口端侧氢气水含量m2，所述系统出口端侧的总出水量包括系统出口端侧尾气含水量m4以及电堆阳极出口端侧排水量m5；
S4.读取燃料电池系统设定的电堆净含水量与电流点对应值，将步骤S3的计算值与系统设定值进行比较；
S5.分析判断电堆净含水量及变化值是否满足系统设定要求，若不满足要求，则按照既定控制策略进行系统运行参数的调整，调整后再返回步骤S1重新进行执行；若满足要求，则储存当前电堆净含水量及含水量变化值；
S6.按一定周期再重新进行以上步骤的参数读取、计算、判断、调整。
2.根据权利要求1所述的燃料电池水管控方法，其特征在于：在所述步骤S3中，单次周期内燃料电池系统的净含水量Δmi为：系统进口端侧的总进水量+电堆内反应生成的水-系统出口端侧的总出水量，多个周期内，则净含水量为：Δm＝∑Δmi。
3.根据权利要求1所述的燃料电池水管控方法，其特征在于：所述电堆进口端侧进入的干氢气由外部储氢系统提供的氢气以及电堆内未反应湿氢气在处理后经氢气循环泵循环提供的氢气混合而成。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的燃料电池水管控方法，其特征在于：在所述步骤S5中，通过判断结果对系统运行参数进行调整，具体为增加/减少风量、增加/降低氢气循环泵转速、增加/降低供氢压力以及增加/降低空气压力。
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