CN107895806A - 燃料电池增湿***、方法及燃料电池*** - Google Patents

燃料电池增湿***、方法及燃料电池*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池增湿***、方法及燃料电池***，其中增湿***，包括：电压电流传感器，与燃料电池堆的电能输出端连接，用于采集燃料电池堆的输出电流和输出电压；空气流量计，设于燃料电池堆***的供气***的进气管路上，用于采集进入燃料电池堆的空气流量信号；尾排循环阀，其一端与燃料电池***的供气***的出口连接，另一端连接至进气管路的空压机进气口；湿度控制器，分别与电压电流传感器、空气流量计和尾排循环阀连接，用于根据燃料电池堆的输出电流和输出电压估算燃料电池堆的内阻，结合电池堆的内阻和进入燃料电池堆的空气流量调节尾排循环阀的开度。与现有技术相比，本发明具有集成度高、成本低以及体积小等优点。

Description

燃料电池增湿***、方法及燃料电池***
技术领域
本发明涉及一种燃料电池增湿***，尤其是涉及一种燃料电池增湿***、方法及燃料电池***。
背景技术
燃料电池水管理对燃料电池的性能、效率、冷启动以及寿命等极其重要。在燃料电池运行过程中质子交换膜需要结合水才能保持质子的传导性，水含量太少,会导致燃料电池内阻增大；若水含量过多,又会导致阴极水淹。燃料电池的欧姆内阻是燃料电池运行时的一个重要的参数，它反映了燃料电池内部的运行状态。从短时间跨度来看，欧姆内阻的变化与质子交换膜的湿度变化之间存在着很大的关系，通过对欧姆内阻的估计可以对膜的湿度进行间接估计，是膜的加湿控制策略的提供输入。现有的燃料电池增湿方法包括液态水注射增湿、升温增湿、液态水喷射增湿以及渗透膜增湿等，这些外增湿方案虽然对燃料电池的性能有所提升，但增加了燃料电池整个***的体积或增加了额外的能耗，且不可调控增湿度的缺点。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池增湿***、方法及燃料电池***。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于尾排循环阀燃料电池增湿***，包括：
电压电流传感器，与燃料电池堆的电能输出端连接，用于采集燃料电池堆的输出电流和输出电压；
空气流量计，设于燃料电池堆***的的供气***的进气管路上，用于采集进入燃料电池堆的空气流量信号；
尾排循环阀，其一端与燃料电池***的供气***的出口连接，另一端连接至所述进气管路的空压机进气口；
湿度控制器，分别与电压电流传感器、空气流量计和尾排循环阀连接，用于根据燃料电池堆的输出电流和输出电压估算燃料电池堆的内阻，结合电池堆的内阻和进入燃料电池堆的空气流量调节尾排循环阀的开度。
所述尾排循环阀与所述进气管路的连接点位于所述空气流量计之后。
所述出气管路上还设有节气门，该节气门位于尾排循环阀与所述出气管路的连接点之后。
一种含有基于尾排循环阀燃料电池增湿***的燃料电池***，包括燃料电池堆，以及均与燃料电池堆连接的供气***和还原剂***，所述燃料电池***还包括电压电流传感器、空气流量计、尾排循环阀，以及分别与电压电流传感器、空气流量计和尾排循环阀连接湿度控制器，所述电压电流传感器与燃料电池堆的电能输出端连接，所述空气流量计设于供气***的进气管路上，所述尾排循环阀的一端与供气***的出口连接，另一端连接至进气管路的空压机进气口。
所述供气***的进气管路上还设有空滤，该空滤设于空气流量计之前。
所述供气***的进气管路上还设有中冷器，该中冷器设于空压机之后。
一种基于尾排循环阀燃料电池增湿***的增湿处理方法，包括：
根据燃料电池堆的输出电流和输出电压估算燃料电池堆的内阻；
根据燃料电池堆的内阻，以及进入燃料电池堆的空气流量，调节尾排循环阀的开度。
所述根据燃料电池堆的输出电流和输出电压估算燃料电池堆的内阻，具体为：根据燃料电池堆的输出电流和输出电压采用双卡尔曼滤波算法估算得到燃料电池堆的内阻。
所述燃料电池堆的内阻，以及进入燃料电池堆的空气流量，调节尾排循环阀的开度，包括：
根据估算得到的燃料电池堆的内阻确定质子交换膜的湿度；
若湿度过低则，增加尾排循环阀的开度，反之减小尾排循环阀的开度。
在减小尾排循环阀的开度的同时，增大节气门的开度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)通过尾排循环阀控制湿润的排气向进气补充水分来对质子交换膜增湿，只需要一个电子可调开度的阀门，相较于外部匹配渗透膜增湿器方案，该***结构集成度高、成本低、设计简单等优点。
2)由于去除了增湿器，降低了燃料电池空气路的流阻，间接降低了空压机的功耗，提高了燃料电池整个***的效率。
3)对燃料电池进行目标内阻控制，可以有效地对燃料电池进行水管理，提高了燃料电池效率、性能，并为冷启动膜的水含量控制提供有力手段。
4)尾排循环阀与进气管路的连接点位于所述空气流量计之后，从排气管路进入进气管路的流体不在空气流量计的采集对象之内，避免重复采样，简化控制算法的设计。
5)出气管路上还设有节气门，可以提高尾排循环阀的效果。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中：1、电压电流传感器，2、空气流量计，3、尾排循环阀，4、湿度控制器，5、燃料电池堆，6、空压机，7、节气门，8、空滤，9、中冷器，10、直流变换电路，11、高压动力电池。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本申请提出一种新型燃料电池增湿方案，具有增湿度可控，结构简单，成本低等优点。由于燃料电池***的供气***通往的阴极板的反应产物有水，因此本申请提出了将供气***排出的尾气导入至空气进气侧，提高空气进气侧的湿度，从而实现增湿的目的。
具体的，提供一种基于尾排循环阀3燃料电池增湿***，如图1所示，包括：
电压电流传感器1，与燃料电池堆5的输出端连接，用于采集燃料电池堆5的输出电流和输出电压；
空气流量计2，设于燃料电池堆5***的的供气***的进气管路上，用于采集进入燃料电池堆5的空气流量；
尾排循环阀3，其一端与燃料电池***的供气***的出口连接，另一端连接至进气管路的空压机6进气口；
湿度控制器4，分别与电压电流传感器1、空气流量计2和尾排循环阀3连接，用于根据燃料电池堆5的输出电流和输出电压估算燃料电池堆5的内阻，结合电池堆的内阻和进入燃料电池堆5的空气流量调节尾排循环阀3的开度。
此外，尾排循环阀3与进气管路的连接点位于空气流量计2之后，从排气管路进入进气管路的流体不在空气流量计2的采集对象之内，避免重复采样，简化控制算法的设计。另外，出气管路上还设有节气门7，该节气门7位于尾排循环阀3与出气管路的连接点之后，通过节气阀的开度调整，可以提高尾排循环阀3的效果。
同样的，基于上述的增湿***，也可以提供一种改进型燃料电池***，包括燃料电池堆5，以及均与燃料电池堆5连接的供气***和还原剂***，燃料电池***还包括电压电流传感器1、空气流量计2、尾排循环阀3，以及分别与电压电流传感器1、空气流量计2和尾排循环阀3连接湿度控制器4，电压电流传感器1与燃料电池堆5的输出端连接，空气流量计2设于供气***的进气管路上，尾排循环阀3的一端与与供气***的出口连接，另一端连接至进气管路的空压机6进气口。
供气***的进气管路上还设有空滤8，该空滤8设于空气流量计2之前，供气***的进气管路上还设有中冷器9，该中冷器9设于空压机6之后。燃料电池堆5的输出端可以通过直流变换电路11连接高压动力电池11.
对于湿度控制器4，其输入是空气流量和燃料电池堆5的内阻，尾排循环阀3是一个可电子调节开度的阀门。
因此本申请公开的增湿处理方法，包括：
根据燃料电池堆5的输出电流和输出电压采用双卡尔曼滤波算法估算燃料电池堆5的内阻；
根据燃料电池堆5的内阻，以及进入燃料电池堆5的空气流量，调节尾排循环阀3的开度，具体的，首先根据估算得到的燃料电池堆5的内阻确定质子交换膜的湿度，然后，若湿度过低则，增加尾排循环阀3的开度，反之减小尾排循环阀3的开度。此外，在减小尾排循环阀3的开度的同时，增大节气门7的开度。
进而，当膜干的时候，将尾排循环阀3开度增大并减小节气门7开度，将更多的阴极反应后排出的高湿较高温的尾气循环回流空压机6前端，经过空压机6送入燃料电池堆5入口，以达到增湿目的。当水淹时，通过提高空压机6的转速增大计量比，增大节气门7开度，适当减小尾气循环阀，排出阴极的水，进而防止水淹。
应当注意的是，本申请通过控制膜的湿度，可以实现对燃料电池堆5内阻的控制。

Claims (10)

1.一种基于尾排循环阀燃料电池增湿***，其特征在于，包括：
电压电流传感器，与燃料电池堆的电能输出端连接，用于采集燃料电池堆的输出电流和输出电压；
空气流量计，设于燃料电池堆***的的供气***的进气管路上，用于采集进入燃料电池堆的空气流量信号信号；
尾排循环阀，其一端与燃料电池***的供气***的出口连接，另一端连接至所述进气管路的空压机进气口；
湿度控制器，分别与电压电流传感器、空气流量计和尾排循环阀连接，用于根据燃料电池堆的输出电流和输出电压估算燃料电池堆的内阻，结合电池堆的内阻和进入燃料电池堆的空气流量调节尾排循环阀的开度。
2.根据权利要求1所述的一种基于尾排循环阀燃料电池增湿***，其特征在于，所述尾排循环阀与所述进气管路的连接点位于所述空气流量计之后。
3.根据权利要求1所述的一种基于尾排循环阀燃料电池增湿***，其特征在于，所述出气管路上还设有节气门，该节气门位于尾排循环阀与所述出气管路的连接点之后。
4.一种含有权利要求1～3所述的基于尾排循环阀燃料电池增湿***的燃料电池***，其特征在于，所述燃料电池***还包括电压电流传感器、空气流量计、尾排循环阀，以及分别与电压电流传感器、空气流量计和尾排循环阀连接湿度控制器，所述电压电流传感器与燃料电池堆的电能输出端连接，所述空气流量计设于供气***的进气管路上，所述尾排循环阀的一端与供气***的出口连接，另一端连接至进气管路的空压机进气口。
5.根据权利要求4所述的燃料电池***，其特征在于，所述供气***的进气管路上还设有空滤，该空滤设于空气流量计之前。
6.根据权利要求4所述的燃料电池***，其特征在于，所述供气***的进气管路上还设有中冷器，该中冷器设于空压机之后。
7.一种如权利要求1～3所述的基于尾排循环阀燃料电池增湿***的增湿处理方法，其特征在于，包括：
根据燃料电池堆的输出电流和输出电压估算燃料电池堆的内阻；
根据燃料电池堆的内阻，以及进入燃料电池堆的空气流量，调节尾排循环阀的开度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据燃料电池堆的输出电流和输出电压估算燃料电池堆的内阻，具体为：根据燃料电池堆的输出电流和输出电压采用双卡尔曼滤波算法估算得到燃料电池堆的内阻。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述燃料电池堆的内阻，以及进入燃料电池堆的空气流量，调节尾排循环阀的开度，包括：
根据估算得到的燃料电池堆的内阻确定质子交换膜的湿度；
若湿度过低则，增加尾排循环阀的开度，反之减小尾排循环阀的开度。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在减小尾排循环阀的开度的同时，增大节气门的开度。
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