【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)涉及燃料電池，具體涉及一種利用空壓機(jī)后高溫空氣的燃料電池系統(tǒng)和控制方法。
技術(shù)介紹
1、燃料電池系統(tǒng)一般包含空氣路、氫氣路和冷卻系統(tǒng)回路。空氣路由空濾、空壓機(jī)、中冷器、膜增濕器組成，外部空氣經(jīng)過(guò)空壓機(jī)加壓后通過(guò)中冷器進(jìn)行降溫冷卻，然后經(jīng)過(guò)膜增濕器加濕，最后提供給燃料電池電堆內(nèi)部進(jìn)行反應(yīng)；氫氣路由氫氣瓶、減壓閥、引射器和汽水分離器組成，氫氣瓶供給高壓氫氣，通過(guò)減壓閥調(diào)壓后供給給引射器，高壓氫氣通過(guò)噴嘴提速引射電堆未反應(yīng)的氫氣，新鮮氫氣和回流氫氣混合后供給電堆內(nèi)部進(jìn)行反應(yīng)。
2、在電堆的兩端，即電堆的進(jìn)氣端和盲端，由于端板的導(dǎo)熱率高，通常靠近電堆兩端的單電池溫度較低，會(huì)出現(xiàn)電池溫度過(guò)低的現(xiàn)象，導(dǎo)致電堆的使用壽命下降。此外，由于電堆進(jìn)氣端和盲端端板表面溫度相對(duì)較低，空氣路通過(guò)膜增濕器加濕的空氣會(huì)在端板處遇冷冷凝形成液態(tài)水；同樣，電堆陽(yáng)極尾排中存在大量液態(tài)水和水蒸氣，經(jīng)過(guò)汽水分離器分離后仍有部分液態(tài)水被引射回流，且由于新氫溫度較低，使得在引射器混合段部分水蒸氣進(jìn)一步冷凝形成液態(tài)水，使得供給到電堆的氫氣既包含液態(tài)水也包含氣態(tài)水，混合氫氣中存在的液態(tài)水隨著氣流流動(dòng)然后帶入電堆內(nèi)部，主要分布在電堆前幾節(jié)。同時(shí)，混合氫氣中的水蒸氣會(huì)在電堆端板處遇冷冷凝形成液態(tài)水。由于上述情況的出現(xiàn)，會(huì)使得電堆進(jìn)氣端和盲端出現(xiàn)單低現(xiàn)象，導(dǎo)致電堆一致性較差，壽命衰減不一致。
3、現(xiàn)有技術(shù)通過(guò)在進(jìn)氣端和盲端設(shè)計(jì)安裝假片來(lái)避免或減少進(jìn)入反應(yīng)單電池的液態(tài)水；也有在進(jìn)氣端和盲端端板設(shè)計(jì)安裝加熱片來(lái)提高端板溫度，減少水蒸氣的冷凝，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷和不足，本專(zhuān)利技術(shù)提出一種利用空壓機(jī)后高溫空氣的燃料電池系統(tǒng)和控制方法。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專(zhuān)利技術(shù)的技術(shù)方案是：一種利用空壓機(jī)后高溫空氣的燃料電池系統(tǒng)，包括空壓機(jī)、中冷器、膜增濕器、電堆、三通閥、溫度傳感器和巡檢控制器，所述電堆包含進(jìn)氣端端板和盲端端板，所述進(jìn)氣端端板和盲端端板內(nèi)部均設(shè)有加熱腔流道，進(jìn)氣端端板上設(shè)有電堆進(jìn)氣端端板溫度傳感器，盲端端板上設(shè)有電堆盲端端板溫度傳感器；所述空壓機(jī)的出口與第一三通閥的進(jìn)口相連，第一三通閥的出口與中冷器的入口相連，第一三通閥的旁通出口與第二三通閥的進(jìn)口相連；中冷器的出口與膜增濕器的入口相連，膜增濕器的出口與進(jìn)氣端端板上空氣入口相連的管路上設(shè)有電堆空氣進(jìn)氣溫度傳感器；第二三通閥的出口與進(jìn)氣端端板的加熱腔入氣口相連，進(jìn)氣端端板的加熱腔的出氣口用于排出流過(guò)其加熱腔的空氣，第二三通閥的旁通出口與盲端端板的加熱腔入氣口相連，盲端端板的加熱腔的出氣口用于排出流過(guò)其加熱腔的空氣；氫氣進(jìn)入進(jìn)氣端端板的氫氣口管路上設(shè)有電堆氫氣進(jìn)氣溫度傳感器；通過(guò)監(jiān)測(cè)電堆進(jìn)氣端端板溫度傳感器、電堆空氣進(jìn)氣溫度傳感器、電堆氫氣進(jìn)氣溫度傳感器和電堆盲端端板溫度傳感器之間的溫差，可控制第一三通閥和第二三通閥的開(kāi)度。
3、進(jìn)一步的，電堆上設(shè)有巡檢控制器，用于監(jiān)測(cè)電堆中單電池的電壓情況，并可根據(jù)監(jiān)測(cè)到的電壓情況對(duì)第一三通閥和第二三通閥的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)整。
4、進(jìn)一步的，進(jìn)氣端端板和盲端端板的加熱腔中設(shè)有導(dǎo)熱片。
5、進(jìn)一步的，進(jìn)氣端端板的加熱腔中設(shè)有電堆進(jìn)氣端端板出口壓力傳感器，盲端端板的加熱腔中設(shè)有盲端端板出口壓力傳感器，第一三通閥的旁通出口與第二三通閥進(jìn)口相連的管路上設(shè)有壓后壓力傳感器。
6、本專(zhuān)利技術(shù)還提供了一種利用空壓機(jī)后高溫空氣的燃料電池系統(tǒng)控制方法，采用上述利用空壓機(jī)后高溫空氣的燃料電池系統(tǒng)，具體包括以下內(nèi)容：
7、通過(guò)電堆空氣進(jìn)氣溫度傳感器和電堆氫氣進(jìn)氣溫度傳感器獲得電堆空氣進(jìn)氣溫度t19和氫氣進(jìn)氣溫度t20，與進(jìn)氣端端板溫度t15和盲端端板溫度t16進(jìn)行比較，然后根據(jù)比較情況控制第一三通閥和第二三通閥的開(kāi)度，且第一三通閥流向端板的開(kāi)度值v5始終不高于預(yù)設(shè)開(kāi)度最大值v5max。
8、進(jìn)一步的，通過(guò)將電堆空氣進(jìn)氣溫度t19和氫氣進(jìn)氣溫度t20與進(jìn)氣端端板溫度t15進(jìn)行比較，將盲端端板溫度t16與進(jìn)氣端端板溫度t15之間的差值與預(yù)設(shè)值td進(jìn)行比較，依據(jù)比較結(jié)果控制第一三通閥和第二三通閥的開(kāi)度。
9、進(jìn)一步的，進(jìn)氣端端板溫度t15≥max{t19,t20}，盲端端板溫度t16始終高于進(jìn)氣端端板溫度t15且差值不低于預(yù)設(shè)值td時(shí)，第一三通閥的開(kāi)度值v5和第二三通閥的開(kāi)度值v6達(dá)到初步期望值。
10、進(jìn)一步的，當(dāng)進(jìn)氣端端板溫度t15<min{t19,t20}，或盲端端板溫度t16<t15+td時(shí)，如果v5<v5max，則增加第一三通閥的開(kāi)度v5，并調(diào)整第二三通閥流向端板的開(kāi)度v6，直到第一三通閥的開(kāi)度值v5和第二三通閥的開(kāi)度值v6達(dá)到初步期望值；如果滿(mǎn)足v5＝v5max，則只對(duì)第二三通閥的開(kāi)度v6進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到第一三通閥的開(kāi)度值v5和第二三通閥的開(kāi)度值v6達(dá)到初步期望值。
11、進(jìn)一步的，當(dāng)進(jìn)氣端端板溫度t15≥max{t19,t20}，且t16≥t15+td時(shí)，巡檢控制器對(duì)電堆內(nèi)的單電池電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并判定靠近進(jìn)氣端板處的電池是否出現(xiàn)單低現(xiàn)象，在靠近進(jìn)氣端板的電池出現(xiàn)單低現(xiàn)象的情況下，如果t15<t15max且v5<v5max，溫度上限t15max根據(jù)電堆自身結(jié)構(gòu)和能量輸出效率進(jìn)行設(shè)定，則增加第一三通閥的開(kāi)度v5，并調(diào)整第二三通閥流向端板的開(kāi)度v6，直到進(jìn)氣端板處的電池單低現(xiàn)象消失；如果t15<t15max且v5＝v5max，則只對(duì)第二三通閥的開(kāi)度v6進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到進(jìn)氣端板處的電池單低現(xiàn)象消失；如果t15＝t15max且進(jìn)氣端板處的電池單低現(xiàn)象還未消失，第一三通閥和第二三通閥的開(kāi)度不再做調(diào)整。
12、進(jìn)一步的，當(dāng)進(jìn)氣端端板溫度t15≥max{t19,t20}，且t16≥t15+td時(shí)，巡檢控制器對(duì)電堆所有單電池的電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并判定靠近盲端處的電池是否出現(xiàn)單低現(xiàn)象，在靠近盲端處的電池出現(xiàn)單低現(xiàn)象的情況下，如果t16<t16max且v5<v5max，其中溫度上限t16max的根據(jù)電堆自身結(jié)構(gòu)和能量輸出效率進(jìn)行設(shè)定，則增加第一三通閥的開(kāi)度v5，并調(diào)整第二三通閥流向端板的開(kāi)度v6，直到盲端端板處的電池單低現(xiàn)象消失；如果t16<t16max且v5＝v5max，則只對(duì)第二三通閥的開(kāi)度v6進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到盲端端板處的電池單低現(xiàn)象消失；如果盲端端板溫度t16＝t16max且盲端端板處的電池單低現(xiàn)象還未消失，第一三通閥和第二三通閥的開(kāi)度不再做調(diào)整。
13、進(jìn)一步的，將電堆進(jìn)氣端端板出口壓力傳感器、盲端端板出口壓力傳感器分別與壓后壓力傳感器進(jìn)行比較，用于監(jiān)測(cè)電堆進(jìn)氣端端板和盲端端板本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種利用空壓機(jī)后高溫空氣的燃料電池系統(tǒng)，包括空壓機(jī)(1)、中冷器(2)、膜增濕器(3)、電堆(4)、三通閥和溫度傳感器，其特征在于，所述電堆(4)包含進(jìn)氣端端板(11)和盲端端板(12)，所述進(jìn)氣端端板(11)和盲端端板(12)內(nèi)部均設(shè)有加熱腔流道，進(jìn)氣端端板(11)上設(shè)有電堆進(jìn)氣端端板溫度傳感器(15)，盲端端板(12)上設(shè)有電堆盲端端板溫度傳感器16；所述空壓機(jī)(1)的出口與第一三通閥(5)的進(jìn)口相連，第一三通閥(5)的出口與中冷器2的入口相連，第一三通閥(5)的旁通出口與第二三通閥(6)的進(jìn)口相連；中冷器2的出口與膜增濕器(3)的入口相連，膜增濕器(3)的出口與進(jìn)氣端端板(11)上空氣入口相連的管路上設(shè)有電堆空氣進(jìn)氣溫度傳感器(19)；第二三通閥(6)的出口與進(jìn)氣端端板(11)的加熱腔入氣口相連，進(jìn)氣端端板(11)的加熱腔的出氣口用于排出流過(guò)其加熱腔的空氣，第二三通閥(6)的旁通出口與盲端端板(12)的加熱腔入氣口相連，盲端端板(12)的加熱腔的出氣口用于排出流過(guò)其加熱腔的空氣；氫氣進(jìn)入進(jìn)氣端端板(11)的氫氣口管路上設(shè)有電堆氫氣進(jìn)氣溫度傳感器(20)；通過(guò)監(jiān)測(cè)電堆進(jìn)氣
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用空壓機(jī)后高溫空氣的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，電堆上設(shè)有巡檢控制器(8)，用于監(jiān)測(cè)電堆中單電池的電壓情況，并可根據(jù)監(jiān)測(cè)到的電壓情況對(duì)第一三通閥(5)和第二三通閥(6)的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)整。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種利用空壓機(jī)后高溫空氣的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)氣端端板(11)和盲端端板(12)的加熱腔中設(shè)有導(dǎo)熱片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種利用空壓機(jī)后高溫空氣的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)氣端端板(11)的加熱腔中設(shè)有電堆進(jìn)氣端端板出口壓力傳感器(17)，盲端端板(12)的加熱腔中設(shè)有盲端端板出口壓力傳感器(18)，第一三通閥(5)的旁通出口與第二三通閥(6)進(jìn)口相連的管路上設(shè)有壓后壓力傳感器(14)。
5.一種利用空壓機(jī)后高溫空氣燃料電池系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，采用如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的利用空壓機(jī)后高溫空氣燃料電池系統(tǒng)，具體包括以下內(nèi)容：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種利用空壓機(jī)后高溫空氣燃料電池系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，進(jìn)氣端端板溫度T15≥max{T19,T20}，盲端端板溫度T16始終高于進(jìn)氣端端板的溫度T15且差值不低于預(yù)設(shè)值Td時(shí)，第一三通閥(5)的開(kāi)度值V5和第二三通閥(6)的開(kāi)度值V6達(dá)到初步期望值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種利用空壓機(jī)后高溫空氣燃料電池系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，當(dāng)進(jìn)氣端端板溫度T15<max{T19,T20}，或盲端端板溫度T16<T15+Td時(shí)，如果V5<V5max，則增加第一三通閥(5)的開(kāi)度V5，并調(diào)整第二三通閥(6)流向端板的開(kāi)度V6，直到第一三通閥(5)的開(kāi)度值V5和第二三通閥(6)的開(kāi)度值V6達(dá)到初步期望值；如果滿(mǎn)足V5＝V5max，則只對(duì)第二三通閥的開(kāi)度V6進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到第一三通閥(5)的開(kāi)度值V5和第二三通閥(6)的開(kāi)度值V6達(dá)到初步期望值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種利用空壓機(jī)后高溫空氣燃料電池系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，當(dāng)進(jìn)氣端端板溫度T15≥max{T19,T20}，且T16≥T15+Td時(shí)，巡檢控制器(8)對(duì)電堆內(nèi)的單電池電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并判定靠近進(jìn)氣端板處的電池是否出現(xiàn)單低現(xiàn)象，在靠近進(jìn)氣端板的電池出現(xiàn)單低現(xiàn)象的情況下，如果T15<T15max且V5<V5max，溫度上限T15max的值根據(jù)電堆自身結(jié)構(gòu)和能量輸出效率進(jìn)行設(shè)定，則增加第一三通閥(5)的開(kāi)度V5，并調(diào)整第二三通閥(6)流向端板的開(kāi)度V6，直到進(jìn)氣端板處的電池單低現(xiàn)象消失；如果T15<T15max且V5＝V5max，則只對(duì)第二三通閥的開(kāi)度V6進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到進(jìn)氣端板處的電池單低現(xiàn)象消失；如果T15＝T15max且進(jìn)氣端板處的電池單低現(xiàn)象還未消失，第一三通閥(5)和第二三通閥(6)的開(kāi)度不再做調(diào)整。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種利用空壓機(jī)后高溫空氣燃料電池系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，當(dāng)進(jìn)氣端端板溫度T15≥max{T19,T20}，且T16≥T15+Td時(shí)，巡檢控制器(8)對(duì)電堆內(nèi)的單電池的電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并判定靠近盲端處的電池是否出現(xiàn)單低現(xiàn)象，在靠近盲端處的電池出現(xiàn)單低現(xiàn)象的情況下，如果T16<T16max且V5<V5max，溫度上限T16max的值根據(jù)電...
【技術(shù)特征摘要】
1.一種利用空壓機(jī)后高溫空氣的燃料電池系統(tǒng)，包括空壓機(jī)(1)、中冷器(2)、膜增濕器(3)、電堆(4)、三通閥和溫度傳感器，其特征在于，所述電堆(4)包含進(jìn)氣端端板(11)和盲端端板(12)，所述進(jìn)氣端端板(11)和盲端端板(12)內(nèi)部均設(shè)有加熱腔流道，進(jìn)氣端端板(11)上設(shè)有電堆進(jìn)氣端端板溫度傳感器(15)，盲端端板(12)上設(shè)有電堆盲端端板溫度傳感器16；所述空壓機(jī)(1)的出口與第一三通閥(5)的進(jìn)口相連，第一三通閥(5)的出口與中冷器2的入口相連，第一三通閥(5)的旁通出口與第二三通閥(6)的進(jìn)口相連；中冷器2的出口與膜增濕器(3)的入口相連，膜增濕器(3)的出口與進(jìn)氣端端板(11)上空氣入口相連的管路上設(shè)有電堆空氣進(jìn)氣溫度傳感器(19)；第二三通閥(6)的出口與進(jìn)氣端端板(11)的加熱腔入氣口相連，進(jìn)氣端端板(11)的加熱腔的出氣口用于排出流過(guò)其加熱腔的空氣，第二三通閥(6)的旁通出口與盲端端板(12)的加熱腔入氣口相連，盲端端板(12)的加熱腔的出氣口用于排出流過(guò)其加熱腔的空氣；氫氣進(jìn)入進(jìn)氣端端板(11)的氫氣口管路上設(shè)有電堆氫氣進(jìn)氣溫度傳感器(20)；通過(guò)監(jiān)測(cè)電堆進(jìn)氣端端板溫度傳感器(15)、電堆空氣進(jìn)氣溫度傳感器(19)、電堆氫氣進(jìn)氣溫度傳感器(20)和電堆盲端端板溫度傳感器16之間的溫差，可控制第一三通閥(5)和第二三通閥(6)的開(kāi)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用空壓機(jī)后高溫空氣的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，電堆上設(shè)有巡檢控制器(8)，用于監(jiān)測(cè)電堆中單電池的電壓情況，并可根據(jù)監(jiān)測(cè)到的電壓情況對(duì)第一三通閥(5)和第二三通閥(6)的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)整。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種利用空壓機(jī)后高溫空氣的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)氣端端板(11)和盲端端板(12)的加熱腔中設(shè)有導(dǎo)熱片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種利用空壓機(jī)后高溫空氣的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)氣端端板(11)的加熱腔中設(shè)有電堆進(jìn)氣端端板出口壓力傳感器(17)，盲端端板(12)的加熱腔中設(shè)有盲端端板出口壓力傳感器(18)，第一三通閥(5)的旁通出口與第二三通閥(6)進(jìn)口相連的管路上設(shè)有壓后壓力傳感器(14)。
5.一種利用空壓機(jī)后高溫空氣燃料電池系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，采用如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的利用空壓機(jī)后高溫空氣燃料電池系統(tǒng)，具體包括以下內(nèi)容：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種利用空壓機(jī)后高溫空氣燃料電池系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，進(jìn)氣端端板溫度t15≥max{t19,t20}，盲端端板溫度t16始終高于進(jìn)氣端端板的溫度t15且差值不低于預(yù)設(shè)值td時(shí)，第一三通閥(5)的開(kāi)度值v5和第二三通閥(6)的開(kāi)度值v6達(dá)到初步期望值。
<...【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王釧，黃易元，唐廷江，羅馬吉，黃浩，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：武漢雄韜氫雄燃料電池科技有限公司，
類(lèi)型：發(fā)明
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