[發明專利]一種燃料電池系統及其控制方法

有效

• 申請號: 201810530374.2
• 申請日: 2018-05-29
• 公開（公告）號: CN108539228B
• 公開（公告）日: 2023-04-14
• 發明（設計）人: 曾小華;紀人桓;宋大鳳;王越;王振偉;李廣含;劉持林;王愷;崔臣;孫可華
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H01M8/04089
• 分類號: H01M8/04089;H01M8/04119;B60L50/71;B60L50/72;B60L58/30
• 代理公司: 長春市恒譽專利代理事務所(普通合伙) 22212
• 代理人: 李榮武

本發明公開了一種燃料電池系統及其控制方法，通過控制相應電磁閥的開閉實現了燃料一號燃料電池組和二號燃料電池組的分時工作，增大了燃料電池的高效區間，可顯著提升燃料電池汽車的經濟性，所提出的離心均壓器即可有效避免因氣路吹掃帶來的氫氣浪費問題，又可在一定程度上穩定兩側氣路的壓力進而延長燃料電池的使用壽命。根據所提出的燃料電池系統進一步提出其控制方法，該方法在充分考慮所提系統特點的基礎上盡可能的提高燃料電池系統的經濟性。

技術領域

本發明涉及汽車技術領域，特別涉及一種燃料電池系統及其控制方法。

背景技術

隨著汽車保有量的不斷增大，汽車在方便人民生活的同時也帶來了嚴重的環境污染問題。同時由于我國石油的來源主要靠進口，隨著汽車保有量的不斷提高，我國關于能源的對外依存度不斷增大，這嚴重影響我國的國家安全。近年來燃料電池汽車興起，特別是在豐田推出Mirai后，各國更加重視燃料電池汽車的研發。燃料電池汽車的核心部件和技術瓶頸目前仍是其燃料電池系統的研發。已提出的一些燃料電池系統方面的專利在一定程度上推動和發展了燃料電池系統。但目前尚無關于燃料電池分時工作方面的專利。同時尚無專利創造性的將燃料電池陰陽極氣壓穩定系統與氣水分離機和二為一。中國專利公布號為CN104241667A中首次提出燃料電池用離心式氣水分離器，但其所提出的結構無法進行陰陽極的氣壓穩定，且其陽極回路上無氫氣循環泵，這導致其內氣流速度有限，當燃料電池需要氣路吹掃時，有限的氣流速度難以進行較好的氣路吹掃。此外，當陽極氣路壓力已經較高時，此時若需要進行氣路吹掃，則無法進行，這是因為該系統中氫氣循環的動力來源于儲氫罐，當氣路壓力已經較高時不應打開儲氫罐的閥門，那么氫氣氣流的速度也無法增大以吹掃氣路。中國專利號為CN106602109A公開了一種燃料電池均壓裝置，但該裝置沒有考慮當陰極和陽極氣路的壓差過大可能導致一側氣體流向另一側的情況，特別是當陰極空氣進入陽極時可能在陽極形成氫空界面，這會嚴重影響燃料電池的使用壽命。中國專利號CN101593995A公開了一種無DCDC的燃料電池穩壓系統，該系統并沒有實用價值，原因是燃料電池汽車行駛時工況是多變的，驅動電機所需要的電壓也是多變的，這必然導致其中各燃料電池組頻繁啟動和關閉進而嚴重影響燃料電池的使用壽命。

本發明提出的一種燃料電池系統及其控制方法，可實現燃料電池系統的分時工作，這對進一步提升燃料電池系統的工作效率具有重要意義。考慮到現在我國汽車保有量不斷提高，交通擁擠問題日益顯著。燃料電池汽車在整車匹配時為滿足一定動力性的要求，燃料電池的功率不能選的過小。當汽車在夏季行駛到交通擁擠的路段時或者車已經停止但其空調系統需要工作時整車需求功率較低。根據燃料電池系統功率效率曲線可知，在燃料電池低功率處其工作效率急劇下降，所以對于前述的兩種情況，目前的控制策略是將燃料電池關閉，電池供電，而當電池SOC下降到下限后再開啟燃料電池并使其工作于高校區，這樣一來就存在電能的二次轉換，相當于此時燃料電池輸出的電能轉化為電池的化學能再由化學能轉化為電能供給負載部件。存在能量的二次轉化必然導致其整體效率降低。此外，對電池進行頻繁深度的充放電又必然減少電池的使用壽命。因此本發明提出一種燃料電池分時工作系統，該系統拓寬了燃料電池的高效區間，可使燃料電池汽車既滿足動力性的要求又可在擁擠等小功率時擁有較高的經濟性。

本發明提出的一種燃料電池系統還擁有一離心均壓器總成裝置。該裝置在進行陽極氣路吹掃時可避免陽極氣路中氫氣的排放浪費，進而消除了排出氫氣而帶來的安全隱患。陰極氣路和陽極氣路過大的氣壓差值或氣壓波動會嚴重損害燃料電池的質子交換膜而離心均壓器總成可有效降低兩氣路的壓差，減緩兩氣路的壓差波動。本發明提出將離心器和均壓器集成在一起形成離心均壓器總成。此外本發明可有效避免陰極氧氣通過離心均壓器總成進入陽極，這可有效提高燃料電池系統的安全性和使用壽命。

發明內容

本發明是為了解決已有燃料電池系統在小功率時效率低、氣路吹掃會導致氫氣的浪費和兩氣體回路可能壓差過大損害質子交換膜的問題而提出一種燃料電池系統及其控制方法。

為解決上述技術問題，本發明是采用如下技術方案