[發明專利]自增濕燃料電池水熱管理系統及其控制方法

有效

• 申請號: 202110366667.3
• 申請日: 2021-04-06
• 公開（公告）號: CN113097535B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 孫平;朱華美;馮錦程;周瑋;李志輝;阮爾博;崔可欣;董偉;于秀敏;于福東;張成;周增輝;楊松
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H01M8/04089
• 分類號: H01M8/04089;H01M8/04119;H01M8/04029
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 孫玲

本發明公開一種自增濕燃料電池水熱管理系統及其控制方法，涉及燃料電池技術領域，該系統包括電堆、空氣路系統、氫氣路系統、氫氣循環系統和冷卻水路系統?？諝饴废到y包括濾清器、空壓機、加濕器和排氣閥；氫氣路系統包括高壓氣瓶、減壓閥和排氣閥；氫氣循環系統包括氫氣循環泵、氣液分離器和電磁閥；冷卻水路系統包括水箱、電導率傳感器、水泵、去離子器、過濾器和散熱器；本發明還提供了上述系統的控制方法，即通過壓力傳感器測得燃料電池陰陽極兩側的實際壓降值，然后與燃料電池正常工作情況下的理論壓降值進行比較來判斷燃料電池內部的水含量，進而針對陰極側或陽極側執行相應的水熱管理操作，控制精確，使得燃料電池內部維持水平衡。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，特別是涉及一種自增濕燃料電池水熱管理系統及其控制方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池通過氫氣和氧氣的化學反應釋放電能，因其不受卡諾極限限制，是目前最高效的氫能利用方式。質子交換膜燃料電池具有眾多突出的優點，如能量轉化率高、能量密度高、噪音低以及零排放等。質子交換膜燃料電池水淹和膜干是其在運行過程中最常見的故障，燃料電池內部水含量過高會產生水淹故障，而水含量不足則會導致膜干故障。電堆水淹/膜干主要受電流、溫度、氣體壓力及過量系數等因素影響。熱管理和水管理出現失衡時，會出現液態水積聚在電堆流道及氣體擴散層內無法排出或者質子交換膜水分太少而影響質子的傳導，導致燃料電池進入水淹/膜干狀態，影響燃料電池的正常工作，系統的耐久性降低，使用壽命縮短。因此，需要合理的水熱管理系統及其控制方法來實現燃料電池的水平衡。

現有的專利，如公布號為CN109799457A、公開日為2019-05-24的中國專利申請，其公開了一種燃料電池水管理監測系統及其工作方法，以在及時發現并調節燃料電池的水平衡問題的同時，還能對燃料電池工作時所產生的帶有余熱的廢水進行回收利用，但該系統所需部件較多，系統較為復雜；又如公布號為CN110034315A、公開日為2019-07-19的中國專利申請，其公開了一種燃料電池堆陽極水管理方法，目的在于提供一種能夠簡單有效地解決燃料電池堆內部由于水不均勻分布所帶來的性能下降問題的水管理方法，但其沒有考慮電堆陰極的水含量狀態；又如公布號為CN111864234A，公開日為2020-10-30的中國專利申請，其公開了一種閉環加壓的燃料電池水管理系統及控制方法，通過進出口壓力變化以及水流量的變化判斷燃料電池電堆內部水狀態，利用閉環控制的方法，將氧氣排氣通道封閉，將氧氣回路變成封閉回路，讓進氣回路變成加壓回路，從而改善燃料電池電堆水淹問題，但其并沒有考慮電堆陽極的水含量問題。

為了克服上述技術的不足，本發明提出一種自增濕燃料電池水熱管理系統及其控制方法，以維持燃料電池在正常的水含量狀態。

發明內容

本發明的目的是提供一種自增濕燃料電池水熱管理系統及其控制方法，以解決上述現有技術存在的問題，該自增濕燃料電池水熱管理系統及其控制方法通過判斷陰陽極兩側的含水量情況，采取針對陰陽極兩側的水熱管理操作以防止水淹或者膜干對燃料電池性能產生影響，進而維持燃料電池內部的水平衡。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

本發明提供一種自增濕燃料電池水熱管理系統，主要包括：

空氣路系統，所述空氣路系統包括濾清器、空壓機、加濕器、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第一溫度傳感器和第一排氣閥；所述濾清器、所述空壓機和所述加濕器依次串聯后，所述加濕器連接于燃料電池的陰極入口處；所述陰極入口與所述加濕器之間連接所述第一壓力傳感器和所述第一溫度傳感器；所述燃料電池的陰極出口設置第二壓力傳感器，所述第二壓力傳感器同時與所述第一排氣閥和所述加濕器連接；

氫氣路系統，所述氫氣路系統包括高壓氣瓶、第三壓力傳感器、第四壓力傳感器、第二溫度傳感器和第二排氣閥；所述高壓氫瓶連接于所述燃料電池的陽極入口處，且所述高壓氫瓶與所述陽極入口之間連接所述第三壓力傳感器和所述第二溫度傳感器；所述第二排氣閥連接于所述燃料電池的陽極出口處，且所述第二排氣閥與所述陽極出口之間連接所述第四壓力傳感器；