[發明專利]一種空冷燃料電池氫氣供給系統及控制方法

有效

• 申請號: 202110036917.7
• 申請日: 2021-01-12
• 公開（公告）號: CN112909299B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 高艷;趙英昊;湯浩;殷聰;李凱
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01M8/04089
• 分類號: H01M8/04089;H01M8/0438;H01M8/04537;H01M8/04746;H01M8/04992
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 吳姍霖

本發明公開了一種空冷燃料電池氫氣供給系統及控制方法，屬于新能源發電技術領域，氫氣供給系統包括氫氣儲存瓶、氫氣管路、機械減壓閥、進氣閥、排氣比例電磁閥、燃料電池控制器、進氣壓力檢測裝置、出氣壓力檢測裝置和節電壓檢測裝置；控制方法為：打開機械減壓閥、進氣閥，關閉排氣比例電磁閥，電池開始輸出電能，當平均節電壓下降到U₁時，控制排氣比例電磁閥的入口壓力為P_B或將排氣比例電磁閥開啟到開度τ₁，當平均節電壓恢復到U₂時，控制入口壓力P逐漸增大至P_A或控制開度τ逐漸減小至0，在電池工作過程中不斷重復上述過程，實現對空冷燃料電池電堆內部多余氫氣的智能排放，提高電池工作性能和氫氣利用率。

技術領域

本發明屬于新能源發電技術領域，具體涉及一種空冷燃料電池氫氣供給系統及控制方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池具有能量密度大、能量轉換效率高、排放零污染等優點，是人類面對能源危機時的一個優良選擇，具有廣闊的發展前景。其中，空冷燃料電池省去了用于冷卻液循環和外增濕的設備，在降低整個系統重量的同時降低系統在系統輔助部件(Bop)上的能量損耗，從而具有更高的能效，因此空冷燃料電池在無人機、小型輕量電源系統等領域具有較大的優勢。

空冷燃料電池的使用場景多為小型電源系統，電源系統所攜帶的氫氣量有限且氫氣價格較高，所以一般情況下空冷燃料電池會在排氣閥關閉的死端供氣模式下工作，但空冷燃料電池工作時產生的廢氣和多余的水會聚積在其陽極側(即氫氣側)，將大幅降低空冷燃料電池的工作性能及使用壽命，因此需要在某些時刻打開排氣閥，以排除燃料電池內部多余的水和氮氣。但是空冷燃料電池內部的水含量受外界環境條件影響較大，在不同的工作環境、相同的工況下，其陽極側內部的水積累情況(即濕度)是不同的，而濕度是影響空冷燃料電池工作性能的一個重要因素，一般通過空冷燃料電池的輸出電壓來判斷其是否工作在合適的工作條件下。

現有的空冷燃料電池排氣策略為固定排氣周期和時長，是否排氣主要是通過一個只有全開或全關兩種工作模式的排氣電磁閥進行控制，即空冷燃料電池大多數時間工作在排氣電磁閥全關的死端供氣模式下，在工作一段時間后使排氣電磁閥全開進行排氣，排氣電磁閥全開一段時間之后再關閉排氣電磁閥，并在空冷燃料電池工作過程中始終重復上述過程。但這種固定排氣周期和時長的方式會造成諸多的問題，如圖1所示，當排氣電磁閥全開時，空冷燃料電池內部陽極側壓力會大幅下降，而當排氣電磁閥全關時，其內部陽極側壓力會有一個快速的上升和一個明顯的壓力過沖，這樣劇烈的壓力變化會對空冷燃料電池的工作性能及使用壽命產生較大的負面影響。

如圖2所示，造成明顯壓力過沖的直接原因是因為當排氣電磁閥由全開狀態轉變為全關狀態后，其進氣流量沒有立即變為死端供氣模式時電堆所需的氫氣流量，而是需要一段時間由流通供氣模式時較高的流量值下降到死端供氣模式時較低的流量值。這是由于一般空冷燃料電池的應用場所多為無人機等小型電源系統上，而這類電源系統對供電系統的重量約束具有較高要求，故其減壓裝置多采用結構簡單、重量輕的機械減壓閥。機械減壓閥的調整具有明顯的滯后性，因此使用機械減壓閥就會造成減壓閥開度調整不及時的情況，導致過多的氫氣進入到空冷燃料電池的陽極側，陽極側過多的氫氣累積造成了電堆內部壓力在排氣電磁閥關閉后產生明顯的壓力過沖這一現象。因此需要提出一種可以自動適應外界環境改變的動態排氣策略，使空冷燃料電池可以工作在較為合適的內部環境下，有利于提升空冷燃料電池的工作性能及其使用壽命。

發明內容

本發明針對上述現有技術中排氣方式不合理的問題，提出了一種空冷燃料電池氫氣供給系統及控制方法，可智能的自行動態調節排氣周期、時間以及電堆內部壓力變化。

本發明所采用的技術方案如下：