一种燃料电池电堆装置

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池电堆装置。

背景技术

氢能燃料电池汽车是具有广阔发展前景的新能源汽车，其具有加氢时间短、续驶里程长的诸多优点。燃料电池发动机通常包含燃料电池电堆和外围氢气、空气、冷却等零部件系统，电堆包括质子交换膜、催化剂层、气体扩散层、双极板等，由于1片单片电池的理论电压为1.23V，其通常通过几百片并联实现大功率输出。

在燃料电池的启动与运行过程中，位于首部和尾部的单片电池的工作状态与其他位置的单片电池的工作状态可能存在很大的差异。例如在启动过程中，虽然电堆冷却液出口的温度较高，首片和末片电池的温度很低，通常这种情况下，首片和末片电池会在启动过程中出现单低甚至反极现象，导致启动失败。运行过程中，首片和末片电池有时会有过量水蒸气冷凝成液态水，导致电堆的传质下降，进而影响电堆的使用性能和寿命。

考虑到批量化和密封等因素，目前对于燃料电池系统的参数测量仅能获得电堆的总输入与输出，无法测量电堆中首片和末片电池的工作状态。而目前的设计中，假电池仅具有去除冷凝水的功能。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种燃料电池电堆装置，用以解决现有技术中不同位置的单片电池的工作状态差异过大影响电堆的使用性能和寿命的问题。

本发明实施例提供的燃料电池电堆装置，包括多个层叠于一体的单片电池（44），以及分别设于首片电池、末片电池外侧依次层叠的假电池（40）、集流板（43）、绝缘板（42）和端板（41）；其中，

假电池（40）采用片状结构，进一步包括双极板（23）、不含有催化剂的膜电极（22）、阴极气体流道和阳极气体流道；在假电池（40）内部，膜电极（22）设于双极板（23）的中部位置，以隔离其两侧的阴极气体流道和阳极气体流道；

假电池（40）中双极板（23）的内部设有阴极气体流道、阳极气体流道和水流道（24）；所述阴极气体流道、阳极气体流道或水流道（24）内设有用于测量假电池（40）内部状态的状态检测传感器（21）。

上述技术方案的有益效果如下：提供了一种具备在线测量功能的燃料电池电堆装置。通过将传统燃料电池电堆的首片电池、末片电池改成假电池（40），并在假电池（40）中预留具备测量与根据测量结果进行控制功能的状态检测传感器（21），实现了精准获取假电池（40）内部状态实现首片电池、末片电池的工作状态的测量，通过该数据结合电堆的总输入与输出可获得片间差异，可实现集成功能设计。并且，该装置的结构集成度高，不影响电堆的批量生产制造和密封性。

基于上述装置的进一步改进，除假电池（40）不含有催化剂并设有状态检测传感器（21）外，所述假电池（40）与单片电池（44）的其他部位的结构、尺寸均相同；并且，

所述状态传感器包括温度传感器、湿度传感器、气体或液体流量传感器、压力传感器中的至少一种。

进一步，所述温度传感器包括光纤温度传感器；其中，

光纤温度传感器，设于假电池的水流道（24）内，用于实时采集假电池（40）中双极板（23）的温度数据；假电池的水流道（24）出入口采用密封形式。

进一步，该燃料电池电堆装置还包括加热机构；其中，

所述加热机构的电极设于集流板43、绝缘板42之间，用于对假电池（40）和单片电池（44）加热。

进一步，该燃料电池电堆装置还包括控制器；其中，

所述控制器，用于在燃料电池启动时，根据所述温度传感器采集的温度数据与电堆冷却液出口水温比较识别靠近假电池（40）的单片电池（44）是否存在单低或反极的可能；以及，如果是，控制加热机构执行加热，以提高靠近假电池（40）的单片电池（44）的温度，直到电堆冷却液出口水温达到设定温度，控制加热机构停止加热，否则，执行燃料电池的冷启动或正常启动。

进一步，所述控制器执行如下程序：

接收到燃料电池的启动命令信号后，获取当前时刻的电堆冷却液出口水温；

获取当前时刻假电池（40）的单片电池（44）内温度传感器采集的所有温度数据，得出所有温度数据的有效值；

根据上述电堆冷却液出口水温与所有温度数据的有效值的差值识别靠近假电池（40）的单片电池（44）是否存在单低或反极的可能，如果该差值大于预设温度阈值，判定存在上述可能，控制加热机构执行加热，并执行下一步，否则，执行燃料电池的冷启动或正常启动；

在加热过程中，实时监测电堆冷却液出口水温，一旦该水温达到设定温度，判断上述可能已消除，控制加热机构停止加热，继续执行燃料电池的冷启动或正常启动。

进一步，所述湿度传感器为普通气体湿度传感器或光纤湿度传感器；其中，

所述普通气体湿度传感器，设于阴极气体流道或阳极气体流道内壁上；

所述光纤湿度传感器，设于阴极气体流道或阳极气体流道内。

进一步，所述控制器还执行如下程序：

在燃料电池运行过程中，获取当前时刻假电池（40）内湿度传感器采集的所有湿度数据，得出所有湿度数据的有效值；

根据所有湿度数据的有效值与预设湿度标准值比较识别燃料电池内部湿度状态，并进行如下调控；如果该有效值大于预设湿度标准值，控制电堆的冷却液温度提高或入堆气体流量增大或入堆气体压力降低或阳极气体过量系数减小；如果该有效值小于预设湿度标准值，控制电堆的冷却液温度降低或入堆气体流量降低或入堆气体压力增大或阳极气体过量系数增大；

在上述调控过程中，实时监测假电池（40）内湿度传感器采集的所有湿度数据，一旦所有湿度数据的有效值达到预设湿度标准值，结束上述调控。。

进一步，所述控制器还执行如下程序：

接收到燃料电池的启动命令信号后，获取当前时刻假电池（40）内温度传感器采集的所有温度数据，得出所有温度数据的有效值；

根据所有温度数据的有效值与预设冷启动阈值的差值识别燃料电池的启动状态，如果该差值大于预设冷启动阈值，判断燃料电池处于冷启动状态，对燃料电池的冷却液执行加热，并执行下一步，否则，执行燃料电池的正常启动；

在加热过程中，实时监测电堆冷却液出口水温，一旦该水温达到正常启动温度，执行燃料电池的正常启动。

进一步，该燃料电池电堆装置还包括水流截止阀；其中，

所述水流截止阀，分别设于假电池（10）底部的出水口处，用于控制假电池（40）内阴极气体流道或阳极气体流道内积聚的冷凝水的排出；

所述控制器还执行如下程序：

在燃料电池运行过程中，定时关闭水流截止阀，获取假电池（40）的单片电池（44）内湿度传感器采集的所有湿度数据，以及电堆的对应阴极入堆气体或阳极入堆气体湿度；

根据上述湿度传感器采集的所有湿度数据，得出假电池（40）内气体湿度的有效值；

根据上述阴极入堆气体或阳极气体湿度与假电池（40）内气体湿度的有效值的差值识别靠近假电池（40）的单片电池（44）是否存在片间湿度差异过大的可能，如果该差值大于预设湿度阈值，判定存在上述可能，控制水流截止阀的开启频率增大，使得冷凝水从假电池（40）内加速排出，否则，维持水流截止阀的开启频率不变。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、相当于将燃料电池电堆的首片、末片电池改造成假电池40，并在假电池40中预留具备测控策略功能的各类传感器，在水流道的出入端设置水流控制阀，实现了冷凝水去除和片间温湿度差异表征的集成功能设计。

2、假电池的结构与燃料电池电堆的单片电池的结构、尺寸匹配，加工制造简单，且不影响各电池的批量一致性制造和密封。

3、可有效消除片间的温湿度差异，消除启动过程中不同位置的单片电池（44）的工作状态差异过大，能够有效提高电堆的使用性能和寿命。

提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了实施例1燃料电池电堆装置结构示意图；

图2示出了实施例1假电池结构示意图；

图3示出了实施例2燃料电池电堆装置通过端板加热的控制原理示意图；

图4示出了实施例4燃料电池发动机系统组成示意图。

附图标记：

1- 氢气进气控制阀；2- 氢气循环装置；3- 吹扫电池阀；4- 燃料电池电堆装置；5- 调压阀；6- 空压机；7- 水泵；8- 散热器；9- 节温器；10- 增湿器；40- 假电池；41- 端板；42- 绝缘板；43- 集流板；44- 单片电池；21- 状态检测传感器；22- 膜电极；23- 双极板；24- 水流道。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

实施例1

本发明的一个实施例，公开了一种燃料电池电堆装置，如图1~2所示，包括多个层叠于一体的单片电池44，以及分别设于首片电池、末片电池外侧依次层叠的假电池40、集流板43、绝缘板42和端板41。

其中，假电池40采用片状结构，进一步包括双极板23、不含有催化剂的膜电极22、阴极气体流道和阳极气体流道。在假电池40内部，膜电极22设于双极板23的中部位置，以隔离其两侧的阴极气体流道和阳极气体流道。此外，单片电池44、集流板43、绝缘板42和端板41均可采用现有电堆中的结构。

假电池40中双极板23的内部设有阴极气体流道、阳极气体流道和水流道24。所述阴极气体流道、阳极气体流道或水流道24内设有用于测量假电池40内部状态的状态检测传感器21。

可选地，状态传感器包括温度传感器、湿度传感器、气体或液体流量传感器、压力传感器中的至少一种。

优选地，除假电池40不含有催化剂并设有状态检测传感器21外，所述假电池40与单片电池44的其他部位的结构、尺寸均相同。

与现有技术相比，本发明实施例提供了一种具备在线测量功能的燃料电池电堆装置。通过将传统燃料电池电堆的首片电池、末片电池改成假电池40，并在假电池40中预留具备测量与根据测量结果进行控制功能的状态检测传感器21，实现了精准获取假电池40内部状态实现首片电池、末片电池的工作状态的测量，通过该数据结合电堆的总输入与输出可获得片间差异，可实现集成功能设计。并且，该装置的结构集成度高，不影响电堆的批量生产制造和密封性。

实施例2

在实施例1的基础上进行改进。所述温度传感器包括光纤温度传感器。其中，光纤温度传感器，设于假电池的水流道24内，用于实时采集假电池40中双极板23的温度数据；假电池的水流道24出入口采用密封形式。

优选地，该燃料电池电堆装置还包括加热机构。

加热机构的电极设于集流板43、绝缘板42之间，用于对假电池40和单片电池44加热。可选地，所述加热机构可以是加热片。通过加热片41加热端板41，进而加热靠近假电池40的单片电池44，提高其温度。

优选地，该燃料电池电堆装置还包括控制器（也可称温度控制器）。

其中，控制器用于在燃料电池启动时，根据所述温度传感器采集的温度数据与电堆冷却液出口水温比较识别靠近假电池40的单片电池44是否存在单低或反极的可能；以及，如果是，控制加热机构执行加热，以提高靠近假电池40的单片电池44的温度，直到电堆冷却液出口水温达到设定温度，控制加热机构停止加热，否则，执行燃料电池的冷启动或正常启动。

所述控制器的输入端与温度传感器的输出端连接，其输出端与加热机构的控制端连接。

优选地，所述控制器执行如下程序完成片内温度差异的调控功能：

S1.接收到燃料电池的启动命令信号后，获取当前时刻的电堆冷却液出口水温；

S2.获取当前时刻假电池40的单片电池44内温度传感器采集的所有温度数据，得出所有温度数据的有效值；

S3.根据上述电堆冷却液出口水温与所有温度数据的有效值的差值识别靠近假电池40的单片电池44是否存在单低或反极的可能，如果该差值大于预设温度阈值，判定存在上述可能，控制加热机构执行加热，并执行下一步，否则（相反，如果电堆冷却液出口水温与所有温度数据的有效值的差值小于预设温度阈值，则认为靠近假电池40的单片电池44不存在单低或反极的可能），执行燃料电池的冷启动或正常启动；

S4.在加热过程中，实时监测电堆冷却液出口水温，一旦该水温达到设定温度，判断上述可能已消除，控制加热机构停止加热，继续执行燃料电池的冷启动或正常启动。

片内温度差异的调控原理如图3所示。

优选地，所述控制器还执行如下程序以完成冷启动或正常启动功能：

S5.接收到燃料电池的启动命令信号后，获取当前时刻假电池40内温度传感器采集的所有温度数据，得出所有温度数据的有效值；

S6.根据所有温度数据的有效值与预设冷启动阈值的差值识别燃料电池的启动状态，如果该差值大于预设冷启动阈值，判断燃料电池处于冷启动状态，对燃料电池的冷却液执行加热，并执行下一步，否则，执行燃料电池的正常启动；

S7.在加热过程中，实时监测电堆冷却液出口水温，一旦该水温达到正常启动温度，执行燃料电池的正常启动。

实施时，通过将水流道24的出入口封闭，位于水流道24中的光纤温度传感器传感器可测量假电池中双极板温度，其能够近似表征首片、末片电池的双极板温度，当电堆冷却液出口水温（电堆冷却液出口水温是几百片单片电池的冷却液汇集后的平均温度，通过设于电堆冷却液出口的温度传感器获得）与测量的双极板温度的差值超过预设温度阈值（例如10℃），说明平均温度很高，但靠近假电池的单片电池（包括首片、末片电池）的温度很低，通常这种情况下，靠近假电池的单片电池会在启动过程中出现单低甚至反极，导致燃料电池启动失败。在电堆冷却液出口水温达到0摄氏度后，可关闭加热机构。

与现有技术相比，本实施例所述装置具有如下有益效果：

1、相当于将燃料电池电堆的首片、末片电池改造成假电池40，并在假电池40中预留具备测控策略功能的温度传感器，实现了冷凝水去除和片间温度差异表征的集成功能设计。

2、假电池的结构与燃料电池电堆的单片电池的结构、尺寸匹配，加工制造简单，且不影响各电池的批量一致性制造和密封。

3、可有效消除片间的温度差异，消除启动过程中不同位置的单片电池（44）的工作温度状态差异过大现象，能够有效提高电堆的使用性能和寿命。

实施例3

在实施例1或2基础上改进，可采用温湿度一体传感器或分别采用温度传感器、湿度传感器。

可选地，所述湿度传感器为普通气体湿度传感器或光纤湿度传感器。

对于采用普通气体湿度传感器，可将其设于阴极气体流道或阳极气体流道内壁上。现有的普通气体湿度传感器包括半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器、固体电解质气体传感器等。

对于采用光纤湿度传感器，可将其设于阴极气体流道或阳极气体流道内。

优选地，该燃料电池电堆装置还包括控制器(也称湿度控制器，可与实施例2共用)。所述控制器的输入端与湿度传感器的输出端连接，其输出端与该电堆装置外部的冷却液温度调控设备或入堆氢气控制装置或入堆空气控制装置的控制端连接。

优选地，所述控制器执行如下程序以完成燃料电池整体湿度的调控功能：

S8. 在燃料电池运行过程中，获取当前时刻假电池（40）内湿度传感器采集的所有湿度数据，得出所有湿度数据的有效值；

S9.根据所有湿度数据的有效值与预设湿度标准值比较识别燃料电池内部湿度状态，并进行如下调控；如果该有效值大于预设湿度标准值，控制电堆的冷却液温度提高或入堆气体流量增大或入堆气体压力降低或阳极气体过量系数减小；如果该有效值小于预设湿度标准值，控制电堆的冷却液温度降低或入堆气体流量降低或入堆气体压力增大或阳极气体过量系数增大；

S10.在上述调控过程中，实时监测假电池（40）内湿度传感器采集的所有湿度数据，一旦所有湿度数据的有效值达到预设湿度标准值，结束上述调控。

控制器的输入端与湿度传感器的输出端连接，其输出端与该电堆装置外部的冷却液温度调控设备或入堆氢气控制装置或入堆空气控制装置的控制端连接。

气体过量系数的调整方法参见专利CN201910105639.9。

优选地，假电池40底部设有出水口。

优选地，该燃料电池电堆装置还包括水流截止阀。水流截止阀，分别设于假电池40底部的出水口处，用于控制假电池40内阴极气体流道或阳极气体流道内积聚的冷凝水的排出，其控制端与控制器的输出端连接。水流截止阀的输出端与燃料电池的出水口连接。

优选地，所述控制器还执行如下程序完成片内湿度差异的调控功能：

S11.在燃料电池运行过程中，定时关闭水流截止阀，获取假电池40的单片电池44内湿度传感器采集的所有湿度数据，以及电堆的对应阴极入堆气体或阳极入堆气体湿度；

S12.根据上述湿度传感器采集的所有湿度数据，得出假电池40内气体湿度的有效值；

S13.根据上述阴极入堆气体或阳极气体湿度与假电池40内气体湿度的有效值的差值识别靠近假电池40的单片电池44是否存在片间湿度差异过大的可能，如果该差值大于预设湿度阈值，判定存在上述可能，控制水流截止阀的开启频率增大，使得冷凝水从假电池40内加速排出，否则（相反，如果入堆气体湿度与假电池40内气体湿度的有效值的差值小于预设湿度阈值，则认为电堆的片间湿度差异不大），维持水流截止阀的开启频率不变。

与现有技术相比，本实施例所述装置具有如下有益效果：

1、相当于将燃料电池电堆的首片、末片电池改造成假电池40，并在假电池40中预留具备测控策略功能的湿度传感器，在水流道的出入端设置水流控制阀，实现了冷凝水去除和片间湿度差异表征的集成功能设计。

2、假电池的结构与燃料电池电堆的单片电池的结构、尺寸匹配，加工制造简单，且不影响各电池的批量一致性制造和密封。

3、可有效消除片间的湿度差异，消除启动过程中不同位置的单片电池（44）的工作湿度状态差异过大现象，能够有效提高电堆的使用性能和寿命。

实施例4

本发明的另一个实施例，公开了一种燃料电池发动机系统，包括实施例1-3中任一种燃料电池电堆装置，以及，入堆氢气控制装置、入堆空气控制装置和冷却液温度调控设备。

优选地，该燃料电池发动机系统还包括出堆氢气控制装置、出堆空气控制装置。

现有的出入堆氢气控制装置、出入堆空气控制装置、冷却液温度调控设备种类多样，都是常用的设备，均可适用于本实施例的发动机系统中，连接方式也多样，本领域技术人员能够理解。

具体地，入堆氢气控制装置设于燃料电池电堆装置的氢气入口处，进一步包括依次连接的氢喷设备、氢气进气控制阀1。其也可以包括其他设备，或采用其他连接方式。

入堆空气控制装置设于燃料电池电堆装置的空气入口处，进一步包括空压机6。优选地，入堆空气控制装置还可包括设于空压机6的输出端与电堆空气入口之间的增湿器10，如图4所示，空压机6的输出端经增湿器10的支路一与电堆空气入口连接。其也可以包括其他设备，或采用其他连接方式。

冷却液温度调控设备设于燃料电池电堆装置的冷却液出入口之间，进一步包括节温器9、散热器8、加热器、水泵7。其中，电堆冷却液出口经水泵7后分为两路，一路经加热器与节温器9的输入端一连接，另一路经散热器8与节温器9的输入端二连接。节温器9的输出端与电堆冷却液入口连接。其也可以包括其他设备，或采用其他连接方式。

出堆氢气控制装置设于燃料电池电堆装置的氢气尾气出口处，进一步包括吹扫电磁阀3、氢气循环装置2。其中，电堆氢气尾气出口一路与电磁阀3连接，另一路经氢气循环装置2与电堆氢气入口连接。其也可以包括其他设备，或采用其他连接方式。

出堆空气控制装置设于燃料电池电堆装置的空气尾气出口处，进一步包括调压阀5。其中，电堆空气尾气出口经增湿器10的支路二与调压阀5连接。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。