[發明專利]燃料電池系統、其控制方法及包括其的交通工具

有效

• 申請號: 201710343949.5
• 申請日: 2017-05-16
• 公開（公告）號: CN107195924B
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 宋亞婷;湯浩;殷聰;劉競博
• 申請（專利權）人: 中國東方電氣集團有限公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 韓建偉;梁文惠

本發明提供了一種燃料電池系統、其控制方法及包括其的交通工具。該燃料電池系統包括：電池堆，具有陰極氣體入口和陰極尾氣出口；陰極氣體輸送管路，末端與陰極氣體入口相連；加濕裝置，設置在陰極氣體輸送管路上利用加濕介質對陰極氣體進行加濕；陰極尾氣輸送管路，起始端與陰極尾氣出口相連，且與加濕裝置相連為加濕裝置提供對加濕介質；以及換熱裝置，換熱裝置包括：第一換熱裝置，設置在陰極尾氣輸送管路上，且位于陰極尾氣出口和加濕裝置之間；和/或第二換熱裝置，設置在陰極氣體輸送管路上，且位于加濕裝置和陰極氣體入口之間。通過對COG加濕回路進行溫度調節，最終達到電池堆濕度實時控制的目的，進而保證了燃料電池系統穩定工作。

技術領域

本發明涉及燃料電池領域，具體而言，涉及一種燃料電池系統、其控制方法及包括其的交通工具。

背景技術

燃料電池汽車（FCV）是一種用車載燃料電池裝置產生的電能作為動力的汽車。目前，廣泛應用于燃料電池汽車的是質子交換膜燃料電池（PEMFC）。質子交換膜燃料電池汽車的工作原理為：燃料氫氣沿燃料電池電堆陽極板流道分配在膜電極的陽極側，在陽極催化劑的作用下解離成電子和質子，電子經外電路到達陰極，質子直接穿過膜電極到達陰極，與陰極反應氣體中的氧氣反應生成水。此過程的產物為電能、熱和水。其中電能帶動電動機工作，電動機再帶動汽車中的機械傳動結構，進而帶動汽車的前橋(或后橋)等行走機械結構工作，從而驅動電動汽車前進。熱和水通過熱交換裝置直接排放或綜合利用。

目前，對于功率等級較大的質子交換膜燃料電池車用動力系統，為了降低系統散熱負荷，保證較高的電堆反應溫度，通?？諝庑枰M行外部加濕，外部加濕一般采用氣/氣型加濕方式，即利用電池堆陰極反應尾氣（COG）中的熱量和氣態水對陰極進堆空氣進行加濕。同時為了提高氫氣利用率及系統使用安全性，燃料供給系統一般采用氫氣循環方式。圖1為質子交換膜燃料電池車用動力系統的簡化結構示意圖，其主要包含空氣供給、氫氣供給及電池堆冷卻三個回路，電池堆10’電化學反應所需的空氣由空氣輸送設備21’提供動力進入加濕器22’被電堆陰極反應尾氣加濕升溫后進入電池堆陰極側，陰極尾氣與空氣在加濕器22’中完成傳熱傳質后的廢氣直接排放；來自高壓儲氣瓶31’的氫氣通過減壓及計量裝置32’后進入電堆陽極側，電堆陽極側反應后的出堆氣體通過氫氣循環動力裝置33’輸送又循環進入電池堆，此過程由于涉及陰極惰性氣體N₂膜滲透、陽極雜質氣體循環累積及水管理等問題，在陽極出口氫氣管路設置了吹掃裝置34’，以便定時定量進行陽極雜質氣體排放與陽極氣水管理。電池堆電化學反應過程產生的熱量由動力設備41’輸送的冷卻介質穿過電池堆10’帶出后進入散熱裝置42’完成熱量平衡，冷卻介質在散熱裝置42’降溫后又循環進入電池堆10’。

上述系統從燃料陰陽極反應物料供給及電堆熱量平衡方面給出了較為優化的方案，但系統熱管理方面只考慮了散熱，對系統回路之間的水熱耦合、部件對系統水熱平衡影響考慮不多，尤其對于COG加濕過程涉及的水熱管理及進堆氣體濕度控制鮮有公開資料報道。

發明內容

本發明的主要目的在于提供一種燃料電池系統、其控制方法及包括其的交通工具，以解決現有技術中的燃料電池系統的水熱利用不充分導致系統工作不穩定的問題。

為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種燃料電池系統，包括：電池堆，具有陰極氣體入口和陰極尾氣出口；陰極氣體輸送管路，末端與陰極氣體入口相連；加濕裝置，設置在陰極氣體輸送管路上利用加濕介質對陰極氣體進行加濕；陰極尾氣輸送管路，起始端與陰極尾氣出口相連，且與加濕裝置相連為加濕裝置提供加濕介質；以及換熱裝置，換熱裝置包括：第一換熱裝置，設置在陰極氣體輸送管路上，且位于陰極氣體出口和加濕裝置之間；和/或第二換熱裝置，設置在陰極尾氣輸送管路上，且位于加濕裝置和陰極尾氣入口之間。

進一步地，上述電池堆還具有陽極氣體入口，燃料電池系統還包括：陽極氣源存儲裝置；陽極氣體輸送管路，連接設置在陽極氣源存儲裝置和陽極氣體入口之間；以及減壓計量裝置，設置在陽極氣體輸送管路上。