燃料电池供氢系统及控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是一种燃料电池供氢系统及控制方法。


背景技术：

2.燃料电池因其功率密度高、能量转化率高的特点，成为氢能利用的主要方式之一，燃料电池系统包含了氢气循环子系统，该系统持续向电堆提供一定压力和流量的氢气，保证电堆高效运行，可以说氢气循环系统对燃料电池的效率、可靠性、寿命等都有着很大的影响。
3.供氢系统向燃料电池阳极提供过量的纯氢气，阳极发生反应后，通常会有未反应的氢气从阳极排气口排出。燃料电池电堆阳极排出的氢气通常有流通模式、死端模式、循环模式三种处理方式。流通模式下，阳极排出的氢气通过排气阀直接进入大气，会造成氢气的浪费，并且会污染环境；死端模式则是关闭氢气的排气阀，该模式下，过量的氢气能完全发生反应，但是产生的水汽会不断累积，容易造成燃料电池的水淹现象，降低燃料电池的效率与寿命；循环模式则是将未反应的氢气再次输送到阳极氢气入口处，对氢气再次利用，提高了燃料电池电堆的效率，可以说循环模式是供氢系统的一个发展方向。
4.然而，现有的供氢系统的循环模式是采用单个燃料电池电堆对氢气循环处理，单个燃料电池电堆的系统不能实现供氢的主动调节，当气体流量下降时，引射器的性能也会随之衰退，另外，燃料电池电堆在将氢气排出后，需要对氢气进行汽水分离的处理，当氢气再次输送至燃料电池电堆的阳极入口时还要进行加湿处理，工序繁多。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种燃料电池供氢系统及控制方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
6.第一方面，提供一种燃料电池供氢系统，包括：
7.至少两个引射器，所述引射器配置有第一引射入口和第二引射入口，所述第一引射入口用于接入干燥的氢气源，所述引射器用于输出从第一引射入口和第二引射入口接入的氢气；
8.至少两个燃料电池电堆，一所述燃料电池电堆的阳极入气口与一引射器的输出端对应连接，各所述燃料电池电堆的阳极出气口相互连通，所述燃料电池电堆发生反应时，所述燃料电池电堆的阳极出气口将过量的氢气输出至向各第二引射入口；
9.控制模块，所述控制模块根据燃料电池电堆的内部氢气湿度调控燃料电池电堆的阳极入气口的氢气混合比例。
10.作为上述实施例的改进，所述第一引射入口和氢气源之间设置有第一气流阀，所述第二引射入口和燃料电池电堆的阳极出气口设置有第二气流阀。
11.作为上述实施例的改进，燃料电池供氢系统还包括阻抗检测模块，所述检测模块检测燃料电池电堆的膜电极电阻，所述控制模块根据检测得到的膜电极电阻确定燃料电池
电堆的内部氢气湿度。
12.作为上述实施例的改进，燃料电池电堆的阳极出气口设置有排气支路，所述排气支路设置有排气阀。
13.作为上述实施例的改进，第一引射入口连接有压力调节器，所述燃料电池电堆的阳极入气口设置有压力传感器，所述控制器根据压力传感器的气压检测数据调控压力调节器。
14.作为上述实施例的改进，第一引射入口和压力调节器之间设置有温度传感器和湿度传感器。
15.作为上述实施例的改进，燃料电池电堆的阳极入气口和阳极出气口分别设置有湿度传感器，所述控制模块根据阳极入气口和阳极出气口的湿度检测数据调控燃料电池电堆的阳极入气口的氢气混合比例。
16.第二方面，提供一种燃料电池供氢方法，通过第一方面的燃料电池供氢系统实施，所述燃料电池供氢方法包括以下步骤：
17.获取各燃料电池电堆的内部氢气湿度；
18.判断燃料电池电堆的内部氢气湿度是否处于湿度设定范围内；
19.若否，根据异常燃料电池电堆的内部氢气湿度的偏离程度调控其他燃料电池电堆的反应速率。
20.作为上述实施例的改进，所述根据异常燃料电池电堆的内部氢气湿度的偏离程度调控其他燃料电池电堆的反应速率，具体包括以下步骤：
21.异常燃料电池电堆的内部氢气湿度低于湿度设定范围时，控制其他燃料电池电堆提高反应速率；异常燃料电池电堆的内部氢气湿度高于湿度设定范围时，控制其他燃料电池电堆降低反应速率。
22.作为上述实施例的改进，所述燃料电池供氢方法还包括以下步骤：
23.根据根据燃料电池电堆的内部氢气湿度的偏离程度调控引射器的氢气混合比例。
24.本发明的有益效果：通过连接多个燃料电池电堆，使氢气在多个燃料电池电堆间循环，省略加湿器并提高氢气的利用率，当某一个或几个燃料电池电堆入口处氢气处于异常状态时，能够利用正常运行的燃料电池电堆调节异常的燃料电池电堆，实现各个电堆之间的相互主动调节。
附图说明
25.图1是本发明燃料电池供氢系统的结构示意图。
26.图2是本发明燃料电池供氢方法的第一个实施例流程图。
27.图3是本发明燃料电池供氢方法的第二个实施例流程图。
具体实施方式
28.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合实施例和附图，对本发明作进一步的描述。
29.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例
中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
30.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。
31.在本发明的描述中，若干的含义是不定量，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。另外，全文中出现的和/或，表示三个并列方案，例如，a和/或b表示a满足的方案、b满足的方案或者a和b同时满足的方案。
32.在本发明的描述中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。
33.参阅图1，图1展示了本发明一种燃料电池供氢系统的具体地结构，所述燃料电池供氢系统包括引射器100、燃料电池电堆200和控制模块300，其中，引射器100和燃料电池电堆200的数量均为至少两个且在数量上相互适配，具体地：
34.引射器100配置有第一引射入口和第二引射入口，第一引射入口用于接入干燥的氢气源，引射器100用于输出从第一引射入口和第二引射入口接入的氢气；
35.一燃料电池电堆200的阳极入气口与一引射器100的输出端对应连接，各燃料电池电堆200的阳极出气口相互连通，燃料电池电堆200发生反应时，燃料电池电堆200的阳极出气口将过量的氢气输出至向各第二引射入口；
36.控制模块300根据燃料电池电堆200的内部氢气湿度调控燃料电池电堆200的阳极入气口的氢气混合比例。
37.引射器100是利用一股高速高能流(液流、气流或其他物质流)引射另一股低速低能流的装置，射流经收缩形喷嘴迸入混合室，其周围是被引射流，通过边界的参混作用，引射流将能量传递给被引射流，掺混形成的混合区逐渐扩大而充满整个混合室，再经过一段混合过程，至混合室出口，流动几乎成为均匀流。本实施例所述的引射器100通过其第一引射入口和第二引射入口分别接入不同来源的氢气并进行混合输出。
38.燃料电池电堆200由多个燃料电池单体以串联方式层叠组合构成，燃料电池电堆200是发生电化学反应场所，为燃料电池系统(或燃料电池发动机)核心部分。工作时，氢气和氧气分别经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应，氢气和氧气发生的电化学反应会产生水，燃料电池电堆200内部需要保证适当的湿度，但过量氢气输入时会产生大量水汽，造成燃料电池电堆200的水淹现象，降低燃料电池电堆200的效率与寿命。
39.实际使用时，氢气源向第一引射入口输送干燥氢气，各燃料电池电堆200向第二引射入口输送以往反应产生的湿润氢气，高速流入的干燥氢气引射低速流入的湿润氢气，两者在引射器100的混合区内充分混合，混合后的氢气输出至对应的燃料电池电堆200的阳极入气口，以供燃料电池电堆200进行电化学反应。燃料电池电堆200的阳极出气口通过管道相互连通，各个燃料电池电堆200将反应后的湿润氢气汇总输送至各个引射器100的第二引
射入口，控制模块300获取各个燃料电池电堆200的内部氢气湿度，通过控制流入各个引射器100中湿润氢气的流量，从而调控燃料电池电堆200的阳极入气口的氢气混合比例，达到向燃料电池电堆200输送湿润氢气的效果。通过控制氢气的输入量，还可以调控各个燃料电池电堆200的反应速率，增大氢气输入流量，则加快燃料电池电堆200的反应速率，燃料电池电堆200的内部湿度上升，反之，燃料电池电堆200的内部湿度下降，使各个燃料电池电堆200的内部湿度均处于湿度设定范围内。
40.进一步，第一引射入口和氢气源之间设置有第一气流阀410，第二引射入口和燃料电池电堆200的阳极出气口设置有第二气流阀420。
41.相应地，第一气流阀410和第二气流阀420选用电磁阀，第一气流阀410和第二气流阀420分别用于调控第一引射入口和第二引射入口的气体流量，控制模块300分别连接第一气流阀410和第二气流阀420，通过控制第一气流阀410和/或第二气流阀420的打开程度，调控燃料电池电堆200的阳极入气口的氢气混合比例。
42.进一步，燃料电池供氢系统还包括阻抗检测模块500，检测模块检测燃料电池电堆200的膜电极电阻，控制模块300根据检测得到的膜电极电阻确定燃料电池电堆200的内部氢气湿度。
43.需要说明的是，控制模块300基于交流阻抗测试原理检测膜电极电阻，并根据检测得到的膜电极电阻确定燃料电池电堆200的内部氢气湿度。交流阻抗也叫做电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy，简写为eis)，当电极系统受到一个正弦波形电压(电流)的交流讯号的扰动时，会产生一个相应的电流(电压)响应讯号，由这些讯号可以得到电极的阻抗或导纳。本实施例所述的阻抗检测模块500检测燃料电池电堆200的膜电极电阻，以使控制模块300根据检测得到的膜电极电阻确定燃料电池电堆200的内部氢气湿度。
44.例如，以不同频率的小幅值正弦波扰动信号作用于燃料电池电堆200，由燃料电池电堆200的响应与扰动信号之间的关系得到的电极阻抗，推测膜电极的等效电路，进而可以分析燃料电池电堆200所包含的动力学过程及其机理，由等效电路中有关元件的参数值估算燃料电池电堆200的动力学参数，如电极双电层电容，电荷转移过程的反应电阻，扩散传质过程参数以及燃料电池电堆200的内部氢气湿度等。
45.进一步，燃料电池电堆200的阳极出气口设置有排气支路610，排气支路610设置有排气阀620。排气支路610和排气阀620用于排除系统回路中的杂质，排气阀620受控制模块300控制，系统正常运转时，排气阀620关闭，当系统管路中杂质过多时，控制模块300触发排气阀620导通，对系统管路进行吹扫，以使杂质从排气支路610吹走。
46.进一步，第一引射入口连接有压力调节器710，燃料电池电堆200的阳极入气口设置有压力传感器720，控制器根据压力传感器720的气压检测数据调控压力调节器710。氢气源的干燥氢气经过压力调节器710后进入引射器100，压力调节器710用于调节第一引射入口的气压，使氢气输入压力处于系统所要求的范围内。
47.进一步，第一引射入口和压力调节器710之间设置有温度传感器800和湿度传感器900。
48.进一步，燃料电池电堆200的阳极入气口和阳极出气口分别设置有湿度传感器900，控制模块300根据阳极入气口和阳极出气口的湿度检测数据调控燃料电池电堆200的
阳极入气口的氢气混合比例。
49.实际使用中，控制模块300根据阳极入气口和阳极出气口的湿度差来调控燃料电池电堆200的阳极入气口的氢气混合比例。当前燃料电池电堆200的阳极入气口和阳极出气口的湿度差超出湿度差预设值情况下，阳极出气口的湿度大于阳极入气口的湿度，增大对应其他燃料电池电堆200的引射器100的第二引射入口的打开程度，以使其他燃料电池电堆200消耗湿润氢气，或者是进一步减少当前燃料电池电堆200的引射器100的第二引射入口的打开程度，以使当前燃料电池电堆200降低反应速率；当前燃料电池电堆200的阳极入气口和阳极出气口的湿度差超出湿度差预设值情况下，，阳极出气口的湿度小于阳极入气口的湿度，增大对应当前燃料电池电堆200的引射器100的第二引射入口的打开程度，以使当前燃料电池电堆200消耗湿润氢气。
50.下面结合具体的步骤详细说明本发明燃料电池供氢系统的工作原理。
51.参阅图1和图2，图2展示了本发明一种燃料电池供氢方法的具体步骤，所述燃料电池供氢方法包括以下步骤：
52.步骤s1、获取各燃料电池电堆200的内部氢气湿度。
53.其中，可以是通过交流阻抗测试原理检测膜电极电阻。
54.步骤s2、判断燃料电池电堆200的内部氢气湿度是否处于湿度设定范围内。若是，执行步骤s3；若否，执行步骤s4。
55.步骤s3、维持各燃料电池电堆200的反应速率。
56.步骤s4、根据异常燃料电池电堆200的内部氢气湿度的偏离程度调控其他燃料电池电堆200的反应速率。
57.进一步，所述根据异常燃料电池电堆200的内部氢气湿度的偏离程度调控其他燃料电池电堆200的反应速率，具体包括以下步骤：
58.异常燃料电池电堆200的内部氢气湿度低于湿度设定范围时，控制其他燃料电池电堆200提高反应速率；异常燃料电池电堆200的内部氢气湿度高于湿度设定范围时，控制其他燃料电池电堆200降低反应速率。
59.相应地，燃料电池供氢系统执行以上方法时，当判断结果为各燃料电池电堆200的内部氢气湿度均处于湿度设定范围内时，各个燃料电池电堆200所对应的引射器100的第二引射入口的进气流量根据各燃料电池电堆200的运行功率来决定，相互独立不受影响，可以是通过调节各个第二气流阀420的打开程度来进行控制；当判断结果为存在燃料电池电堆200的阳极入气口的氢气湿度较低时，提高其他处于正常状态的燃料电池电堆200的反应速率，提高处于正常状态燃料电池电堆200排出湿润氢气的流量，进而提高流入引射器100湿润氢气的流量；当判断结果为存在燃料电池电堆200的阳极入气口的氢气湿度较高时，降低其他处于正常状态的燃料电池电堆200的反应速率，降低处于正常状态燃料电池电堆200排出湿润氢气的流量，进而降低流入引射器100湿润氢气的流量。
60.进一步，如图3所示，上述燃料电池供氢方法还包括以下步骤：
61.步骤s5、根据根据燃料电池电堆200的内部氢气湿度的偏离程度调控引射器100的氢气混合比例。
62.相应地，当判断结果为存在燃料电池电堆200的阳极入气口的氢气湿度较低时，通过调节第二气流阀420的打开程度来提升该燃料电池电堆200对应的引射器100的第二引射
入口的进气流量，增加流入引射器100的湿氢气的流量；当判断结果为存在燃料电池电堆200的阳极入气口的氢气湿度较高时，通过调节第二气流阀420的打开程度来降低该燃料电池电堆200对应的引射器100的第二引射入口的进气流量，降低流入引射器100的湿氢气的流量。通过上述方法，实现了燃料电池电堆200之间的相互主动控制。
63.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。