燃料电池系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池系统及其控制方法。


背景技术：

2.相关技术中，存储在存储罐中的燃料通过喷射阀以气态形式供应到燃料电池的电堆的阳极。在电堆中燃料与供给阴极的氧化剂反应将化学能转化为电能。反应后剩余的燃料通过循环泵和喷射器再循环至阳极的进气端。循环泵的使用增加了燃料电池系统的成本和重量。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种燃料电池系统，所述燃料电池系统的体积更小、成本更低、控制简单且能量利用率高。
4.本发明进一步地提出了上述燃料电池系统的控制方法。
5.根据本发明第一方面实施例的燃料电池系统包括：电堆、储料罐、喷射阀；所述储料罐内存储有燃料，所述储料罐与所述电堆的阳极通过引射器连通；所述喷射阀为多个，所述喷射阀的一端与所述储料罐连通，另一端与所述引射器连通，每个所述喷射阀均构造为开关阀，以控制所述燃料罐与所述引射器在连通的导通状态和闭合的断开状态之间切换。
6.根据本发明实施例的燃料电池系统，通过可以在导通状态和断开状态之间切换的喷射阀替代现有的开度可调的比例阀，一方面，使喷射阀在燃料电池系统处于任意工作状态时，均可以提供初始动能较高、压力较高的工作流体，以满足燃料电池系统对燃料过量系数的要求；另一方面，无需设置循环泵，可以降低燃料电池系统的生产成本，降低燃料电池系统的重量，同时降低寄生功率，可以有效地提高燃料电池系统的能量利用率。
7.根据本发明的一些实施例，所述燃料电池系统还包括：气液分离器，所述气液分离器的进口与所述阳极的回流口连通，所述气液分离器的出液口与排水阀连通，所述气液分离器的出气口与排气阀和引射器连通。
8.进一步地，所述燃料电池系统还包括：第一控制器，所述第一控制器适于根据阳极的进气压力控制所述喷射阀的开闭周期。
9.进一步地，所述燃料电池系统还包括：第二控制器，所述第二控制器适于根据所述阳极的进气端的燃料浓度，控制所述喷射阀的开闭周期。
10.进一步地，所述第一控制器和所述第二控制器综合控制多个所述喷射阀的开闭周期。
11.根据本发明的一些实施例，多个所述喷射阀并联设置在所述储料罐与所述引射器之间。
12.进一步地，所述燃料电池系统还包括：比例电磁阀，所述比例电磁阀的一端与所述储料罐连通，所述比例电磁阀的另一端与所述引射器的进气端连通，所述比例电磁阀与所
述喷射阀并联设置。
13.在一些实施例中，所述燃料电池系统还包括：第三控制器，所述第三控制器适于根据阳极的进气压力控制比例电磁阀的开度。
14.根据本发明第二方面实施例的燃料电池系统的控制方法，所述控制方法包括：s1：所述第一控制器根据阳极的进气压力以及阳极的设定压力获取第一周期；s2：所述第二控制器根据排气阀的开度获取第二周期；s3：根据第一周期与第二周期调整每个所述喷射阀的开闭周期。
15.进一步地，所述控制方法还包括：a1：所述第三控制器根据阳极的进气压力以及阳极的设定压力获取第三周期；a2：根据第三周期调整比例电磁阀的占空比。
16.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
17.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
18.图1是根据本发明的燃料电池系统的一个示意图；
19.图2是根据本发明的燃料电池系统的另一个示意图。
20.附图标记：
21.燃料电池系统100，
22.电堆10，阳极11，阴极12，
23.储料罐20，喷射阀30，减压阀40，
24.气液分离器50，液位传感器51，排水阀52，排气阀53，
25.冷却模块60，空气模块70，高压模块80，
26.第一控制器91，第二控制器92，第三控制器93，引射器94，比例电磁阀95。
具体实施方式
27.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
28.下面参考图1-图2描述根据本发明实施例的燃料电池系统100及其控制方法。
29.如图1和图2所示，根据本发明第一方面实施例的燃料电池系统100包括：电堆10、储料罐20、喷射阀30。
30.其中，储料罐20内存储有燃料，储料罐20与电堆10的阳极11通过引射器94连通；喷射阀30为多个，喷射阀30的一端与储料罐20连通，另一端与引射器94连通，每个喷射阀30均构造为开关阀，以使储料罐20与引射器94连通的导通状态和闭合的断开状态之间切换。
31.具体而言，储料罐20内的燃料可以在喷射阀30的作用下，带有一定压力的朝向引射器94运动，进而引射器94将燃料供给至阳极11，阳极11的燃料与阴极12的氧化剂在电堆10内反应以将燃料的化学能转换为电能。
32.在上述工作过程中，基于引射器94无需供能且内部无运动部件的特性，导致在燃
料供给过程中，引射器94无法为工作流体增压或推动工作流体运动，工作流体需要通过由喷射阀30喷出时的初始动能的带动下朝向阳极11运动，在燃料电池系统100在低负荷状态下运行时，再循环燃料(即阳极11反应后的尾气内的燃料)的初始动能较低，难以进入到喷射器30内。
33.进而，将每个喷射阀30均设置为开关阀，以使喷射阀30可以在导通状态与断开状态之间切换，以使喷射阀30提供的工作流体的压力较高，初始动能较高，从而在燃料电池系统100处于低负载运行状态时，使喷射阀30提供的燃料以及再循环燃料均可以进入到喷射阀30内，使阳极11的燃料过量系数仍然能够保持稳定，以提高燃料电池系统100在低负载状态下的工作稳定性。
34.需要说明的是，本技术中所提到的储料罐20与引射器94连通是指工作流体可以由储料罐20流向引射器94，储料罐20与引射器94闭合是指储料罐20与引射器94不连通，工作流体无法由储料罐20流向引射器94。
35.根据本发明实施例的燃料电池系统100，通过可以在导通状态和断开状态之间切换的喷射阀30替代现有的开度可调的比例阀，一方面，使喷射阀30在燃料电池系统100处于任意工作状态时，喷射阀30均可以提供初始动能较高、压力较高的工作流体，以满足燃料电池系统100对燃料过量系数的要求；另一方面，无需设置循环泵，可以降低燃料电池系统100的生产成本，降低燃料电池系统100的重量，同时降低寄生功率，可以有效地提高燃料电池系统100的能量利用率。
36.在图1和图2所示的具体的实施例中，燃料电池系统100还包括：减压阀40，减压阀40设置在储料罐20与喷射阀30之间。
37.其中，储料罐20内存储高压气态的燃料，进入到阳极11的燃料为压力较低的气态的燃料，进而储料罐20内释放出的压力较高的燃料需要经过减压阀40减压后进入喷射器，以提高燃料电池系统100的工作稳定性，避免高压燃料对喷射器或者引射器94造成损坏。
38.在一些实施例中，燃料电池系统100还包括：气液分离器50，气液分离器50的进口与阳极11的回流口连通，气液分离器50的出液口与排水阀52连通，气液分离器50的出气口与排气阀53和引射器94连通。
39.具体而言，阳极11反应后的尾气经过回流口流入到气液分离器50内，尾气中存在少量的液态水，如果液态水进入到燃料循环回路内，会对电堆10以及引射器94的工作造成影响，降低燃料电池系统100的工作稳定性，进而通过气液分离器50将尾气内的液态水与尾气中的剩余燃料分离，可以避免液态水进入到引射器94或电堆10，以提高燃料电池系统100的工作稳定性。
40.同时，可以理解的是，在燃料电池系统100工作过程中，液态水以及氮气会从阴极12渗透到阳极11，进而通过排气阀53周期性的开闭，可以进一步提高燃料电池系统100的工作稳定性。如图1和图2所示，气液分离器50内设置有液位传感器50，液位传感器50适于在气液分离器50内的液位超过阈值后，控制排水阀52开启。由此，可以避免气液分离器50内的水位过高，使气液分离器50具有稳定的气液分离效果，提高气液分离器50的工作稳定性。
41.如图1和图2所示，燃料电池系统100还包括：第一控制器91和第二控制器92，第一控制器91适于根据阳极11的进气压力控制喷射阀30的开闭周期；第二控制器91适于根据阳极11的进气端的燃料浓度，控制喷射阀53的开闭周期。
42.这样，通过设置第一控制器91可以根据预设压力与实际阳极11的进气端的进气压力的差值，判定喷射阀30的开闭周期，第二控制器92根据进气端的燃料浓度(与排气阀53的开度相关)，以判定喷射阀30的开闭周期，进而根据第一控制器91和第二控制器92综合控制多个喷射阀30的开闭周期。
43.需要说明的是，当排气阀53开启时，尾气中的燃料会被排出，进而导致进气端的氧气浓度改变，即排气阀53的开度与进气端53的氧气浓度相关。
44.在一个具体地实施例中，第一控制器91设置在阳极11的进气端，第二控制器92临近排气阀53设置。由此，使第一控制器91对阳极11的进气端的压力的获取、第二控制器92对排气阀53的开度的获取均更加准确。同时，本技术的第一控制器91、第二控制器92的设置位置不限于此，在这里不做具体地限定。
45.也就是说，在图1所示的实施例中，第一控制器91根据阳极11的进气压力以及阳极11的预设压力判定此时多个喷射阀30应该处于何种工作状态(即导通状态或断开状态)以及应该在此工作状态下维持多长时间(即获取第一周期)，第二控制器92根据排气阀53的开度以的及开闭周期获取此时阳极11的进气端的燃料浓度，以判定此时多个喷射阀30应该处于何种工作状态以及应该维持此工作状态的时长(即获取第二周期)，进而通过第一周期和第二周期综合判定多个喷射阀30分别应该维持在何种工作状态以及维持时长，并对应控制喷射阀30切换至对应的工作状态维持对应的工作时长。
46.在图2所示的实施例中，第一控制器91根据阳极11的进气压力以及阳极11的预设压力判定此时多个喷射阀30应该处于何种工作状态(即导通状态或断开状态)以及应该在此工作状态下维持多长时间(即获取第一周期)，第二控制器92根据排气阀53的开度以及开闭周期获取此时的阳极11的进气端的燃料浓度，以判定此时多个喷射阀30应该处于何种工作状态以及应该维持此工作状态的时长(即获取第二周期)，进而通过第一周期和第二周期综合判定多个喷射阀30分别应该维持在何种工作状态以及维持时长，并对应控制喷射阀30切换至对应的工作状态维持对应的工作时长。
47.由此，通过第一控制器91、第二控制器92，使喷射阀30的控制更加简单、方便，对燃料电池系统100的燃料供给量更加合理、稳定。
48.如图1和图2所示，多个喷射阀30并联设置在储料罐20和引射器94之间。这样，可以根据燃料电池系统100的工作状态，控制多个喷射阀30中的至少一个开启，以使喷射阀30可以供给合理量的燃料至阳极11的进气端，进一步地提高燃料电池系统100的工作稳定性。
49.如图2所示，优选地，燃料电池系统100还包括：比例电磁阀95，比例电磁阀95的一端与储料罐20连通，比例电磁阀95的另一端与引射器94的进气端连通，比例电磁阀95与喷射阀30并联设置。这样，储料罐20内的燃料可以分别通过比例电磁阀95、多个喷射阀30流出，并通过控制比例电磁阀95的占空比、喷射阀30的开闭状态实现燃料供给量的控制，使燃料供给量的控制更加精准、可靠，以提高燃料电池系统100的工作稳定性。
50.在一些实施例中，通过设置比例电磁阀95，进而当燃料电池系统100在低负载时可以使用多个喷射阀30，在高负载条件下可以使用比例电磁阀95。这样，当燃料电池系统100在高负荷条件下，通过比例电磁阀95提供所需的压力，比例电磁阀95的压力控制更加平滑，可以提高燃料电池系统100的工作稳定性。
51.当然，本技术的燃料电池系统100不限于此，在另一些实施例中，通过设置比例电
磁阀95，进而当燃料电池系统100在低负载时可以使用多个喷射阀30，在高负载条件下，可以控制比例电磁阀95与喷射阀30配合使用，以使燃料电池系统100的燃料供给更加充分。
52.参见图1和图2，燃料电池系统100还包括：冷却模块60、空气模块70和高压模块80，冷却模块60适于对电堆10进行冷却，空气模块70与电堆10的阴极12连通，高压模块80与电堆10电连接以输出电压。
53.在图2所示的实施例中，燃料电池系统100还包括：第三控制器93，第三控制器93适于根据阳极11的进气压力控制比例电磁阀95的开度。这样，使比例电池阀95的开度更加合理，以在喷射阀30与比例电池阀95配合进行燃料供给时，进一步地提高燃料供给的精度。
54.需要说明的是，本技术中的第一控制器91、第二控制器92、第三控制器93可以是基于pid逻辑的pid控制器，也可以是采用其他控制逻辑实现本技术上述喷射阀30以及比例电磁阀95控制的控制器。
55.根据本发明实施例的燃料电池系统100的控制方法，控制方法包括：s1：第一控制器91根据阳极11的进气压力以及阳极11的设定压力获取第一周期；s2：第二控制器92根据排气阀53的开度获取第二周期；s3：根据第一周期与第二周期调整每个喷射阀30的开闭周期。
56.根据本发明实施例的燃料电池系统100的控制方法，通过第一控制器91和第二控制器92的反向控制(即获取阳极11的进气压力、排气阀53位置等)，实现对喷射阀30在导通状态和断开状态之间的周期性的控制，以使阳极11的压力以及阳极11的燃料过量系数均可以满足燃料电池系统100的工作需求，以有效地提高燃料电池系统100的工作稳定性。
57.可以理解的是，本实施例的第一控制器91以及第二控制器92均可以实现闭环反馈，以使喷射阀30可以快速调节至对应地工作状态，提高喷射阀30的响应速度，同时喷射阀30的工作状态基于前期试验所得出的数据，进而查表获取对应状态后(即开环查表后)，进行上述闭环反馈控制。
58.进一步地，控制方法还包括：a1：第三控制器93根据阳极11的进气压力以及阳极11的设定压力获取第三周期；a2：根据第三周期调整比例电磁阀95的占空比。
59.这样，周期性地控制比例电磁阀95，合理地调整比例电磁阀95的占空比，以进一步地改善燃料电池系统100的燃料供给，提高燃料电池系统100的工作稳定性。
60.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
61.在本发明的描述中，“第一特征”、“第二特征”可以包括一个或者更多个该特征。
62.在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。
63.在本发明的描述中，第一特征在第二特征“之上”或“之下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。
64.在本发明的描述中，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。
65.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
66.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。