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CN113571746B - 一种燃料电池系统及防止电堆阳极水淹的方法 - Google Patents

一种燃料电池系统及防止电堆阳极水淹的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种燃料电池系统，涉及燃料电池技术领域；燃料电池系统包括：增湿器、电堆、旁通阀、单片电池电压巡检仪和燃料电池控制器；所述增湿器的干空气出口与所述电堆的空气入口连通；电堆的空气出口与增湿器的湿气入口连通；旁通阀与增湿器的湿气回路并联；燃料电池控制器分别与单片电池电压巡检仪和旁通阀电性连接；本发明还提出一种防止电堆阳极水淹的方法；本发明可以有效地避免电堆阴极侧积累较多的水，在一定程度上减少电堆阳极侧的积水，防止电堆阳极水淹。

Description

一种燃料电池系统及防止电堆阳极水淹的方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统及防止电堆阳极水淹的方法。
背景技术
随着社会对生态环境的日益关注，如何控制汽车污染物排放已成为当下社会研究的热点，而氢燃料电池作为一项真正零污染排放的技术，是当下研究的热点方向之一。
当前市场上运行的燃料电池汽车已有一定数量，其中阳极水淹是燃料电池系统众多失效形式中的一种，如何防止燃料电池电堆阳极水淹是燃料电池系统需要关注的焦点之一。
发明内容
本发明旨在解决现有的燃料电池系统中电堆的阳极容易出现水淹的技术问题。
本发明提供一种燃料电池系统，包括：增湿器、电堆、旁通阀、单片电池电压巡检仪和燃料电池控制器；
所述增湿器的干空气出口与所述电堆的空气入口连通；所述电堆的空气出口与所述增湿器的湿气入口连通；
所述旁通阀与所述增湿器的湿气入口和湿气出口并联；
所述燃料电池控制器分别与所述单片电池电压巡检仪和所述旁通阀电性连接；所述单片电池电压巡检仪用于采集所述电堆中各单片电池的电压；所述燃料电池控制器用于比较燃料电池的拉载功率与拉载功率阈值的大小；当所述燃料电池的拉载功率大于所述拉载功率阈值时，控制所述旁通阀开启；当所述燃料电池的拉载功率小于或者等于所述拉载功率阈值时，所述燃料电池控制器还用于接收并根据各所述单片电池的电压计算各所述单片电池之间的电压差；当第一单片电池与其它各所述单片电池之间的电压差大于第一电压差阈值时，控制所述旁通阀开启；当所述第一单片电池与其它各所述单片电池之间的电压差小于第二电压差阈值时，控制所述旁通阀关闭。
燃料电池系统在运行的时候氢离子和氧离子在阴极侧反应会生成水，而阳极侧本身没有水生成；此时，在膜的阴阳两极就会产生水压差，使得阴极侧的水会通过膜扩散到阳极侧，阴极侧产生的部分水可以随着出堆空气被带出燃料电池系统，而阳极侧的水只能通过氢气回路的排水阀开启将水带出阳极侧；为了避免电堆阳极出现水淹的情况，就需要频繁开启氢气回路上的排水阀进行电堆阳极侧的排水，导致电堆中未反应完全的部分氢气随之排放，造成氢气利用率低且尾排氢浓度过高的问题。另一方面，现有的燃料点电池系统中的增湿器通常以电堆空气出口排出的湿空气作为加湿介质，并将电堆空气出口排出的全部湿空气导入至增湿器中对进入电堆的干空气进行加湿，不能调控进入电堆的空气的湿度；本申请的发明人在试验中发现，通过选择性地控制进入电堆的空气的湿度，可以有效地避免电堆阴极侧积累较多的水，从而在一定程度上减少电堆阳极侧的积水(就算产生少量积水也会因氢气回路上排水阀的正常开启而排出)，从而防止电堆阳极水淹；为了达到上述目的，本申请的发明人通过在所述增湿器的湿气入口和湿气出口并联所述旁通阀，使得所述旁通阀与所述增湿器的湿气回路并联，并将所述燃料电池控制器分别与所述单片电池电压巡检仪和所述旁通阀电性连接；当所述燃料电池的拉载功率大于所述拉载功率阈值时，控制所述旁通阀开启，所述电堆空气出口排出的空气部分通过所述旁通阀直接排出至外界，从而降低所述增湿器的增湿能力，降低进入所述电堆的空气的湿度，防止所述电堆阳极侧过多积水；当所述燃料电池的拉载功率小于或者等于所述拉载功率阈值时，接收并根据各所述单片电池的电压计算各所述单片电池之间的电压差；当第一单片电池与其它各所述单片电池之间的电压差大于第一电压差阈值时，控制所述旁通阀开启，降低进入所述电堆的空气的湿度，防止所述电堆阳极侧过多积水；当所述第一单片电池与其它各所述单片电池之间的电压差小于第二电压差阈值时，控制所述旁通阀关闭，从所述电堆空气出口排出的湿空气全部进入所述增湿器中增加进入所述电堆的空气的湿度。
在一些优选地实施例中，所述旁通阀为电子节气门。
本发明还提出一种防止电堆阳极水淹的方法，包括如下步骤：
采集所述电堆中各单片电池的电压；
比较燃料电池的拉载功率与拉载功率阈值的大小；
当所述燃料电池的拉载功率大于所述拉载功率阈值时，控制所述旁通阀开启；
当所述燃料电池的拉载功率小于或者等于所述拉载功率阈值时，接收并根据各所述单片电池的电压计算各所述单片电池之间的电压差；当第一单片电池与其它各所述单片电池之间的电压差大于第一电压差阈值时，控制所述旁通阀开启；当所述第一单片电池与其它各所述单片电池之间的电压差小于第二电压差阈值时，控制所述旁通阀关闭。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明通过选择性地控制进入电堆的空气的湿度，可以有效地避免电堆阴极侧积累较多的水，从而在一定程度上减少电堆阳极侧的积水，从而防止电堆阳极水淹。
附图说明
图1为本发明某一实施例中燃料电池系统的结构示意图；
图2为图1中燃料电池系统的电路连接示意图；
其中，1、电堆；2、增湿器；3、旁通阀；4、单片电池电压巡检仪；5、燃料电池控制器。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
请参考图1和图2，本发明的实施例提供了一种燃料电池系统，包括：增湿器2、电堆1、旁通阀3、单片电池电压巡检仪4和燃料电池控制器5；
增湿器2的干空气出口与电堆1的空气入口连通；电堆1的空气出口与增湿器2的湿气入口连通；
旁通阀3与增湿器2的湿气入口和湿气出口并联，使得旁通阀3与增湿器2的湿气回路并联；
燃料电池控制器5分别与单片电池电压巡检仪4和旁通阀3电性连接；单片电池电压巡检仪4用于采集电堆1中各单片电池的电压；燃料电池控制器5用于比较燃料电池的拉载功率与拉载功率阈值的大小；当所述燃料电池的拉载功率大于所述拉载功率阈值时，控制旁通阀3开启；当所述燃料电池的拉载功率小于或者等于所述拉载功率阈值时，燃料电池控制器5还用于接收并根据各所述单片电池的电压计算各所述单片电池之间的电压差；当第一单片电池与其它各所述单片电池之间的电压差大于第一电压差阈值时，控制旁通阀3开启；当所述第一单片电池与其它各所述单片电池之间的电压差小于第二电压差阈值时，控制旁通阀3关闭。
示例性地，在本实施例中，旁通阀3为电子节气门；所述电子节气门的型号为TT510YT；单片电池电压巡检仪4的型号的JWR-DM-144。
需要说明的是，所述第一单片电池为距离电堆1阳极侧排水口最近的单片电池；本申请的发明人在试验中发现，距离电堆1阳极侧排水口最近的单片电池，即所述第一单片电池，与电堆1中其它单片电池的电压差受电堆1阳极侧积水的影响最大，因此选择以所述第一单片电池与其它单片电池之间的电压差作为判断条件。
所述燃料电池拉载功率为某一时刻电堆1的实际功率，且所述实际功率处于向上拉载的趋势。
示例性地，在本实施例中，所述燃料电池拉载功率为90kW；所述第一电压差阈值为50mV，所述第二电压差阈值为25mV。
基于本实施例中的所述燃料电池系统防止电堆1阳极水淹的方法，包括如下步骤：
通过单片电池电压巡检仪4采集电堆1中各所述单片电池的电压，并将各所述单片电池的电压发送至燃料电池控制器5；
燃料电池控制器5首先比较所述燃料电池的拉载功率与所述拉载功率阈值的大小；
当所述燃料电池的拉载功率大于所述拉载功率阈值时，所述燃料电池控制器5控制旁通阀3开启电堆1空气出口排出的空气部分通过旁通阀3直接排出至外界，从而降低增湿器2的增湿能力，降低进入电堆1的空气的湿度，防止电堆1阳极侧过多积水；
当所述燃料电池的拉载功率小于或者等于所述拉载功率阈值时，燃料电池控制器5接收并根据各所述单片电池的电压计算各所述单片电池之间的电压差；当所述第一单片电池与其它各所述单片电池之间的电压差大于第一电压差阈值时，燃料电池控制器5控制旁通阀3开启，降低进入电堆1的空气的湿度，防止电堆1阳极侧过多积；当所述第一单片电池与其它各所述单片电池之间的电压差小于第二电压差阈值时，控制旁通阀3关闭，从电堆1空气出口排出的湿空气全部进入增湿器2中增加进入电堆1的空气的湿度。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：增湿器、电堆、旁通阀、单片电池电压巡检仪和燃料电池控制器；
所述增湿器的干空气出口与所述电堆的空气入口连通；所述电堆的空气出口与所述增湿器的湿气入口连通；
所述旁通阀与所述增湿器的湿气入口和湿气出口并联；
所述燃料电池控制器分别与所述单片电池电压巡检仪和所述旁通阀电性连接；所述单片电池电压巡检仪用于采集所述电堆中各单片电池的电压；所述燃料电池控制器用于比较燃料电池的拉载功率与拉载功率阈值的大小；当所述燃料电池的拉载功率大于所述拉载功率阈值时，控制所述旁通阀开启；当所述燃料电池的拉载功率小于或者等于所述拉载功率阈值时，所述燃料电池控制器还用于接收并根据各所述单片电池的电压计算各所述单片电池之间的电压差；当第一单片电池与其它各所述单片电池之间的电压差大于第一电压差阈值时，控制所述旁通阀开启；当所述第一单片电池与其它各所述单片电池之间的电压差小于第二电压差阈值时，控制所述旁通阀关闭；
所述燃料电池拉载功率为某一时刻电堆的实际功率，且所述实际功率处于向上拉载的趋势。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述旁通阀为电子节气门。
3.一种防止电堆阳极水淹的方法，适用于如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，包括如下步骤：
采集所述电堆中各单片电池的电压；
比较燃料电池的拉载功率与拉载功率阈值的大小，所述燃料电池拉载功率为某一时刻电堆的实际功率，且所述实际功率处于向上拉载的趋势；
当所述燃料电池的拉载功率大于所述拉载功率阈值时，控制所述旁通阀开启；
当所述燃料电池的拉载功率小于或者等于所述拉载功率阈值时，接收并根据各所述单片电池的电压计算各所述单片电池之间的电压差；当第一单片电池与其它各所述单片电池之间的电压差大于第一电压差阈值时，控制所述旁通阀开启；当所述第一单片电池与其它各所述单片电池之间的电压差小于第二电压差阈值时，控制所述旁通阀关闭。
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