燃料电池水热管理系统及其控制方法

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池水热管理系统及其控制方法。

背景技术

氢能作为21世纪清洁能源，其燃料应用效率高、环境污染少。其中以氢能作为能源供给的燃料电池被认为潜力最大的发电装置。近年来，大量的科研学者投入对氢燃料电池的研究，随着燃料电池技术的发展，对燃料电池堆的效率、风扇控制系统、成本等要求越来越高，各个系统控制器要求也越来越高。

燃料电池的水热管理系统的性能，直接影响燃料电池的工作效率、使用寿命等。相关技术中，燃料电池堆工作过程中产生的水随意排放，直接排放水的过程中会带走大量的热能，导致资源浪费。

发明内容

本申请提供了一种燃料电池水热管理系统及其控制方法，用以解决现有技术中，燃料电池堆工作过程中产生的水随意排放，直接排放水的过程中会带走大量的热能，导致资源浪费的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种燃料电池水热管理系统，包括：

电堆、空气处理子系统、氢气处理子系统、第一三通调节阀、阴极尾气排放单元和阳极尾气排放单元；

所述空气处理子系统的第一端连接所述电堆的第一进水口，第二端连接所述第一三通调节阀的第一端；

所述氢气处理子系统的第一端连接所述电堆的第一出水口，第二端连接所述电堆的第二进水口，所述氢气处理子系统的第三端与阴极尾气排放单元连接；

所述电堆的第二出水口连接所述第一三通调节阀的第二端；

所述第一三通调节阀的第三端用于连接阳极尾气排放单元。

可选的，还包括：信号处理子系统，信号处理子系统包括：信号处理电路、第一湿度传感器和第二湿度传感器；

所述第一湿度传感器用于检测所述电堆第一进水口的第一湿度；

所述第二湿度传感器用于检测所述电堆第二进水口的第二湿度；

所述第一湿度传感器与所述信号处理电路的第一输入端连接，所述第二湿度传感器与所述信号处理电路的第二输入端连接；

所述信号处理电路的第一输出端与所述第一三通调节阀的控制端连接；

所述信号处理电路用于生成与所述第一输入端输入的第一湿度电信号和所述第二输入端输入的第二湿度电信号，对应的第一阀门开度调节信号，通过所述第一输出端输出至所述第一三通调节阀的控制端。

可选的，还包括：散热处理子系统；

所述散热处理子系统的第一端连接所述电堆的第三出水口，第二端连接所述电堆的第三进水口。

可选的，所述空气处理子系统，包括：空压机和膜加湿器；

所述空压机连接所述膜加湿器的第一端；

所述膜加湿器的第二端连接所述第一三通阀的第一端；

所述膜加湿器的第三端连接所述电堆的第一进水口。

可选的，所述空气处理子系统，还包括：加热器；

所述加热器设置在所述空压机和所述膜加湿器之间。

可选的，所述氢气处理子系统，包括：供氢瓶、分水器和第二三通调节阀；

所述分水器的第一端连接所述电堆的第一出水口；

所述分水器的第二端连接所述第二三通调节阀的第一端；

所述供氢瓶连接所述第二三通调节阀的第二端；

所述第二三通调节阀的第三端连接所述电堆的第二进水口。

可选的，所述氢气处理子系统还包括：第一电磁阀；

所述第一电磁阀设置在所述电堆的第二进水口和所述第二三通调节阀的第三端之间。

可选的，所述散热子系统，包括：依次连接的水箱、散热器、水泵和第二电磁阀；

所述水箱连接所述电堆的第三出水口；

所述第二电磁阀连接所述电堆的第三进水口。

可选的，所述信号处理电路的第二输出端与所述空压机的控制端连接；

所述信号处理电路用于生成与所述第一输入端输入的第一湿度电信号，对应的空压机转速调节信号，通过所述第二输出端输出。

可选的，所述信号处理子系统还包括：第一温度传感器；

所述第一温度传感器用于检测所述加热器加热后的空气温度；

所述第一温度传感器连接所述信号处理电路的第三输入端；

所述信号处理电路的第三输出端连接所述加热器的控制端；

所述信号处理电路用于生成与第三输入端输入的第一温度电信号，对应的加热功率调节信号，通过所述第三输出端输出。

可选的，所述信号处理电路的第四输出端与所述分水器连接，所述信号处理电路的第五输出端与所述第二三通调节阀的控制端连接；

所述信号处理电路还用于生成与所述第二输入端输入的第二湿度电信号，对应的第二阀门开度调节信号，通过所述第五输出端输出至所述第二三通调节阀的控制端。

可选的，所述信号处理电路的第六输出端与所述第一电磁阀的控制端连接；

所述信号处理电路还用于生成与所述第一输入端输入的第一湿度电信号，对应的第三阀门开度调节信号，通过所述第六输出端输出至所述第一电磁阀的控制端。

可选的，所述信号处理子系统，还包括第二温度传感器；

所述第二温度传感器用于检测所述电堆第三出水口的水温；

所述信号处理电路的第四输入端与所述第二温度传感器连接；

所述信号处理电路的第七输出端与所述散热器的控制端连接；

所述信号处理电路的第八输出端与所述水泵的控制端连接；

所述信号处理电路的第九输出端与所述第二电磁阀的控制端连接；

所述信号处理电路还用于生成与所述第四输入端输入的第二温度电信号，对应的散热器转速调节信号，通过所述第七输出端输出；以及，生成与所述第四输入端输入的第二温度电信号，对应的水泵转速调节信号，通过所述第八输出端输出；以及，生成与所述第四输入端输入的第二温度电信号，对应的第四阀门开度调节信号，通过所述第九输出端输出。

第二方面，本申请提供一种燃料电池水热管理系统的控制方法，用于实现第一方面所述的燃料电池水热管理系统，所述方法包括：

空气处理子系统将空气进行压缩和加湿，输入电堆的第一进水口；

氢气处理子系统将氢气进行加湿，输入电堆的第二进水口；

第一三通调节阀基于调节阀门开度，将所述电堆第二出水口的排出的水，通过第一三通调节阀的第一端回流至所述空气处理子系统。

可选的，所述方法还包括：

信号处理电路检测进入电堆的空气进堆湿度，以及，检测进入电堆的氢气进堆湿度；

所述信号处理电路将所述空气进堆湿度与第一阈值进行比较，得到第一比较结果，以及将所述氢气进堆湿度与第二阈值进行比较，得到第二比较结果，根据所述第一比较结果和所述第二比较结果控制所述第一三通调节阀的阀门开度。

可选的，所述方法还包括：

所述信号处理电路根据所述第二比较结果控制所述氢气处理子系统中的第二三通调节阀的阀门开度。

可选的，所述方法还包括：

所述信号处理电路根据所述第一比较结果，控制所述氢气处理子系统中的第一电磁阀的开闭。

可选的，所述方法还包括：

散热子系统检测所述电堆第三出口的水温，并将所述第三出口的水温发送至所述信号处理电路；

所述信号处理电路根据所述第三出水口的水温，控制所述散热单元中的第二电磁阀的开闭、散热器的转速和水泵的转速。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本申请实施例提供的该系统，通过空气处理子系统的第一端连接电堆的第一进水口，第二端连接第一三通调节阀的第一端；氢气处理子系统的第一端连接电堆的第一出水口，第二端连接电堆的第二进水口；电堆的第二出水口连接第一三通调节阀的第二端；第一三通调节阀的第三端用于连接尾气排放单元。如此，通过设置第一三通调节阀，将电堆第二出水口中需要排出的水，通过其与空气处理子系统连接的第二端回流至空气处理子系统，从而避免电堆工作过程产生水的任意排放；另外，由于电堆排出的水回流到空气处理子系统，使回流的水将部分热量带回电堆，从而节约了资源。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施例提供的燃料电池水热管理系统的结构图；

图2为本申请另一实施例提供的燃料电池水热管理系统的结构图；

图3为本申请另一实施例提供的燃料电池水热管理系统的结构图；

图4为本申请又一实施例提供的燃料电池水热管理系统的结构图；

图5为本申请一实施例提供的燃料电池水热管理系统控制方法的流程图；

图6为本申请一实施例提供的燃料电池水热管理系统控制方法的流程图。

附图标记：

电堆-1、空气处理子系统-2、空压机-21、膜加湿器-22、加热器-23、氢气处理子系统-3、供氢瓶-31、分水器-32、第二三通调节阀-33、第一电磁阀-34、第一三通调节阀-4、信号处理子系统-5、信号处理电路-51、第一湿度传感器-52、第二湿度传感器-53、第一温度传感器-54、第二温度传感器-55、散热处理子系统-6、水箱-61、散热器-62、水泵-63、第二电磁阀-64、液位传感器-65。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请一实施例中提供了一种燃料电池水热管理系统，如图1所示，该燃料电池水热管理系统，包括：电堆1、空气处理子系统2、氢气处理子系统3、第一三通调节阀4、阴极尾气排放单元和阳极尾气排放单元。其中：

空气处理子系统的第一端连接电堆的第一进水口，第二端连接第一三通调节阀的第一端；

氢气处理子系统的第一端连接电堆的第一出水口，第二端连接电堆的第二进水口，所述氢气处理子系统的第三端与阴极尾气排放单元连接；

电堆的第二出水口连接第一三通调节阀的第二端；

第一三通调节阀的第三端用于连接阳极尾气排放单元。

本实施例中，通过设置第一三通调节阀，将电堆第二出水口中需要排出的水，通过其与空气处理子系统连接的第二端回流至空气处理子系统，从而避免电堆工作过程产生水的任意排放；另外，由于电堆排出的水回流到空气处理子系统，使回流的水将部分热量带回电堆，从而节约了资源。其中，第一三通调节阀的开度，可以由信号处理子系统进行控制其控制端实现，也可以由人工根据实际情况进行调整。

进一步的，一些实施例中，参照图2，该燃料电池水热管理系统，还包括：信号处理子系统，信号处理子系统包括：信号处理电路51、第一湿度传感器52和第二湿度传感器53；

第一湿度传感器用于检测电堆第一进水口的第一湿度；

第二湿度传感器用于检测电堆第二进水口的第二湿度；

第一湿度传感器与信号处理电路的第一输入端连接，第二湿度传感器与信号处理电路的第二输入端连接；

信号处理电路的第一输出端与第一三通调节阀的控制端连接；

信号处理电路用于生成与第一输入端输入的第一湿度电信号和第二输入端输入的第二湿度电信号，对应的第一阀门开度调节信号，通过第一输出端输出至第一三通调节阀的控制端。

本实施例中，通过设置第一湿度传感器和第二湿度传感器检测电堆进水口出的气体湿度，由信号处理电路根据气体湿度控制第一三通调节阀的阀门开度，实现了燃料电池的自动化控制。

进一步的，一些实施例中，参照图3，该燃料电池水热管理系统，还包括：散热处理子系统6；

散热处理子系统的第一端连接电堆的第三出水口，第二端连接电堆的第三进水口。

通过设置散热处理子系统，将燃料电池工作过程中产生的热量及时散热，保证了电池工作的稳定性。

进一步的，参照图4，上述的空气处理子系统，包括：空压机21和膜加湿器22；

空压机连接膜加湿器的第一端；

膜加湿器的第二端连接第一三通阀的第一端；

膜加湿器的第三端连接电堆的第一进水口。

通过空压机对进入电堆的空气进行压缩，并通过膜加湿器对空气进行加湿，从而使电堆第一进水口内进入的的空气保持一定的湿度。

基于上述相关实施例，信号处理电路的第二输出端与空压机的控制端连接；信号处理电路用于生成与第一输入端输入的第一湿度电信号，对应的空压机转速调节信号，通过第二输出端输出。

通过信号处理电路基于第一湿度电信号调节空压机转速，可以调节进入电堆的空气的湿度和空气流量。

更进一步的，上述空气处理子系统，还包括：加热器23；加热器设置在空压机和膜加湿器之间。通过在空压机和膜加湿器之间设置加热器，既起到加强质子交换膜的增湿效果又起到给燃料电池堆加热的效果。

更进一步的，上述信号处理子系统还包括：第一温度传感器54；

第一温度传感器用于检测加热器加热后的空气温度；

第一温度传感器连接信号处理电路的第三输入端；

信号处理电路的第三输出端连接加热器的控制端；

信号处理电路用于生成与第三输入端输入的第一温度电信号，对应的加热功率调节信号，通过第三输出端输出。

通过设置第一温度传感器，检测电堆进水口的空气的温度，从而根据第一温度值调节加热器的加热功率，调节过程更加灵活。

进一步的，参照图4，上述氢气处理子系统，包括：供氢瓶31、分水器32和第二三通调节阀33；

分水器的第一端连接电堆的第一出水口；

分水器的第二端连接第二三通调节阀的第一端；

供氢瓶连接第二三通调节阀的第二端；

第二三通调节阀的第三端连接电堆的第二进水口。

本实施例中，通过设置第二三通调节阀，调节第二三通调节阀的阀门开度，从而调节进入电堆的氢气量。

可以理解的是，分数器的第三端连接阳极尾气排放单元，阳极尾气排放管道与分水器的第三端通过脉冲阀连接，每间隔第一预设时间段，将脉冲阀打开第二预设时间段以排放阳极尾气。其中，第一预设时间段可以但不限于为5分钟，第二预设时间段可以但不限于为10秒。

更进一步的，信号处理电路的第四输出端与分水器连接，信号处理电路的第五输出端与第二三通调节阀的控制端连接；

信号处理电路还用于生成与第二输入端输入的第二湿度电信号，对应的第二阀门开度调节信号，通过第五输出端输出至第二三通调节阀的控制端。

本实施例中，由信号处理电路基于第二湿度，控制分水器和第二三通阀的阀门开度，从而调节进入电堆的氢气的湿度，保证电堆在最佳湿度下运行，提高氢气利用率，提高燃料电池的发电效率。

更进一步的，上述氢气处理子系统还包括：第一电磁阀34；

第一电磁阀设置在电堆的第二进水口和第二三通调节阀的第三端之间。

进一步的，信号处理电路的第六输出端与第一电磁阀的控制端连接；信号处理电路还用于生成与第一输入端输入的第一湿度电信号，对应的第三阀门开度调节信号，通过第六输出端输出至第一电磁阀的控制端。

一些实施例中，在电堆开始工作时，先将第一电磁阀关闭，启动上述空压机对电堆吹扫预设时间后，启动加热器、膜加湿器，当第一湿度传感器反馈的第一湿度电信号的空气进堆湿度为第一阈值时，在开启第一电磁阀，从而在燃料电池启动前使双极板达到最佳工作温度，并且，在燃料电池启动前对质子交换膜进行增湿，以达到最佳工作湿度，提高电堆工作效率。其中，预设时间和第一阈值可以根据实际情况或实验结果进行设置，例如，预设时间可以但不限于为10秒，第一阈值可以但不限于为0.3。

进一步的，上述散热子系统，包括：依次连接的水箱61、散热器62、水泵63和第二电磁阀64；

水箱连接电堆的第三出水口；

第二电磁阀连接电堆的第三进水口。

本实施例中，通过设置水泵转速实现对冷却水流量的控制，通过设置散热器转速，对电堆进行散热。

进一步的，信号处理子系统，还包括第二温度传感器55；

第二温度传感器用于检测电堆第三出水口的水温；

信号处理电路的第四输入端与第二温度传感器连接；

信号处理电路的第七输出端与散热器的控制端连接；

信号处理电路的第八输出端与水泵的控制端连接；

信号处理电路的第九输出端与第二电磁阀的控制端连接；

信号处理电路还用于生成与第四输入端输入的第二温度电信号，对应的散热器转速调节信号，通过第七输出端输出；以及，生成与第四输入端输入的第二温度电信号，对应的水泵转速调节信号，通过第八输出端输出；以及，生成与第四输入端输入的第二温度电信号，对应的第四阀门开度调节信号，通过第九输出端输出。

一些实施例中，在水箱内还设置有液位传感器65，以检测水箱内的水位，防止水箱内的水过多溢出。

本实施中，通过设置第二温度传感器，检测散热子系统中电堆第三出水口流出的水温，根据第二温度电信号，调节散热器转速、水泵转速和第四阀门的阀门开度，温度传感器采样燃料电池堆冷却水的温度，所以可快速准确的反应燃料电池堆内部的温度，根据温度传感器的反馈数据可以快速精准的控制水泵转速以及散热器转速，实现了快速散热的效果。

本申请一实施例中提供了一种燃料电池水热管理系统的控制方法，如图5所示，该燃料电池水热管理系统的控制方法，包括：

步骤501、空气处理子系统将空气进行压缩和加湿，输入电堆的第一进水口。

步骤502、氢气处理子系统将氢气进行加湿，输入电堆的第二进水口。

步骤503、第一三通调节阀基于调节阀门开度，将电堆第二出水口的排出的水通过第一三通调节阀的第一端回流至空气处理子系统。

进一步的，该方法还包括：

信号处理电路检测进入电堆的空气进堆湿度，以及，检测进入电堆的氢气进堆湿度；

信号处理电路将空气进堆湿度与第一阈值进行比较，得到第一比较结果，以及将氢气进堆湿度与第二阈值进行比较，得到第二比较结果，根据第一比较结果和第二比较结果控制第一三通调节阀的阀门开度。

进一步的，该方法还包括：

信号处理电路根据第二比较结果控制氢气处理子系统中的第二三通调节阀的阀门开度。

其中，可以采用PID算法，根据空气进堆湿度和氢气进堆湿度调节第一三通调节阀和第二三通阀。

进一步的，该方法还包括：

信号处理电路根据第一比较结果，控制氢气处理子系统中的第一电磁阀的开闭。

进一步的，方法还包括：

散热子系统检测所述电堆第三出口的水温，并将第三出口的水温发送至信号处理电路；

信号处理电路根据第三出水口的水温，控制散热单元中的第二电磁阀的开闭、散热器的转速和水泵的转速。

在一个具体实施例中，参照图6，在电堆启动前先电堆自检，确认电堆各个仪器设备是否功能正常；自检结束后，第一三通调节阀打开，空压机启动对电堆吹扫10S，加热器、膜加湿器启动，当第一湿度传感器反馈信号的空气进堆湿度为0.3时，第一电磁阀打开，分水器、第二三通调节阀启动，第二湿度传感器反馈信号的氢气进堆湿度为0.3时，尾气脉冲阀启动，系统正常运行过程中，空气尾气湿度较大，第一三通调节阀和第二三通阀调节尾气流量，实现了第一三通调节阀和第二三通调节阀的快准稳控制，使这一部分湿度较大的气体与空压机出来的空气中和，起到给进堆空气增湿作用；氢气处理子系统则通过分水器给氢气增湿，通过脉冲阀进行尾气排放，脉冲阀每隔5分钟左右打开一次，每次打开时间为10左右秒。加热器和空压机配合对燃料电池进行启动前的进行预加热，使燃料电池堆工作在最佳温度65℃，在工作过程中，产生大量热量，这时需要对燃料电池堆进行散热，打开第二电磁阀，启动水泵、散热器，根据第二温度传感器采集电堆第三出水口水温，来控制水泵转速实现对冷却水流量的控制，基于氢气进堆温度和空气进堆温度进行PID运算，计算出水泵、散热器最佳PWM占空比进行散热；同时也可以根据第二温度信号来调节散热器转速，实现对电堆的散热，使燃料电池堆工作在最佳温度65℃。

本实施例提供的燃料电池水热管理系统的控制方法，其具体的实现过程，可以参照上述燃料电池水热管理系统的相关实施例，此处不再赘述。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。