集成交流阻抗及喷雾增湿的燃料电池系统及控制方法与流程

1.本发明属于燃料电池技术领域，尤其是涉及一种集成交流阻抗及喷雾增湿的燃料电池系统及控制方法。


背景技术：

2.在燃料电池运行过程中，氢气和空气进入电池后会发生氧化还原反应，产生电流和水。如果电解质膜过于干燥，就会影响电解质膜对水分子的通透性，导致氢气和空气在电解质膜上堆积，使得反应速率下降，影响燃料电池的电化学性能。因此，为了保持电解质膜的通透性和反应速率，在燃料电池运行中需要增加一定的湿度，提高水分子在电解质膜中的扩散速率，并保持电解质膜的透气性。当前燃料电池业界主要采用膜管增湿器的方式来实现对进入电堆前的空气的外部加湿。然而，膜管增湿器的自身体积较大、成本较高，且存在着使用时间的增加，膜管增湿器的加湿性劣化等问题；而且，膜管增湿器是一种被动增湿的装置，难以实现对实际加湿量的精确控制。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种集成交流阻抗及喷雾增湿的燃料电池系统及控制方法，至少部分的解决现有技术中存在的因膜干导致的燃料电池性能降低及寿命衰减的问题。
4.第一方面，本公开实施例提供了一种集成交流阻抗及喷雾增湿的燃料电池系统，包括：交流阻抗检测装置、膜管增湿器、喷雾增湿装置和控制器；
5.所述交流阻抗检测装置与电堆电连接，所述交流阻抗检测装置用于检测电堆的高频阻抗；
6.所述膜管增湿器与电堆通过管道连通，用于对电堆空气入口的空气进行加湿；
7.所述喷雾增湿装置设置在膜管增湿器入口处，用于对电堆空气入口的空气进行加湿；
8.所述交流阻抗检测装置和喷雾增湿装置与控制器电连接。
9.可选的，所述喷雾增湿装置，包括雾化喷嘴、水泵和储水箱；
10.在所述水泵的作用下，所述储水箱的水经雾化喷嘴后对电堆空气入口的空气进行加湿。
11.可选的，储水箱的底部设置排水口，储水箱底部排水口上设置排水阀。
12.可选的，还包括中冷器、流量计和空滤，外部空气依次经空滤和流量计后传送至空压机的压轮端，空压机的压轮端输出的空气经喷雾增湿装置后传送至中冷器，经中冷器冷却后的气体传送至膜管增湿器。
13.可选的，所述储水箱为恒温储水箱。
14.可选的，还包括空压机和分水件；
15.电堆排出的气体经空压机的涡轮端后传送至分水件，分水件分离得到的水进入储
水箱。
16.可选的，所述膜管增湿器和空压机的涡轮端之间设置尾排节气门。
17.第二方面，本公开实施例还提供了一种集成交流阻抗及喷雾增湿的燃料电池控制方法，用于第一方面任一所述的系统，所述方法，包括：
18.对燃料电池进行阻抗检测得到高频阻抗，比较高频阻抗与当前工况点的目标阻抗的大小；
19.当高频阻抗大于当前工况点的目标阻抗时，启动喷雾增湿装置；
20.当高频阻抗小于当前工况点的目标阻抗时，关闭喷雾增湿装置，通过膜管增湿器对燃料电池进行被动增湿。
21.可选的，对燃料电池进行阻抗检测得到高频阻抗的步骤前，包括：
22.获取燃料电池状态，判断燃料电池是否处于运行状态。
23.第三方面，本公开实施例还提供了发动机，包括第一方面任一所述的集成交流阻抗及喷雾增湿的燃料电池系统。
24.本发明提供的集成交流阻抗及喷雾增湿的燃料电池系统及控制方法。其中集成交流阻抗及喷雾增湿的燃料电池系统，通过集成交流阻抗检测及喷雾增湿装置，利用高频阻抗表征质子交换膜的干湿程度，通过喷雾增湿装置实现空气增湿主动闭环控制，解决燃料电池由于膜干导致的性能下降，寿命衰减问题。
附图说明
25.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。
26.图1为本公开实施例提供的集成交流阻抗及喷雾增湿的燃料电池系统的结构框图；
27.图2为集成交流阻抗及喷雾增湿的燃料电池控制方法的流程图；
28.1-膜管增湿器；2-中冷器；3-雾化喷嘴；4-尾排节气门；5-水泵；6-空压机；7-空滤；8-流量计；9-分水件；10-储水箱；11-排水阀。
具体实施方式
29.下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
30.应当明确，以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
31.需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构
及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
32.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图示中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
33.另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
34.如图1所示，本实施例公开了一种集成交流阻抗及喷雾增湿的燃料电池系统，包括：交流阻抗检测装置、膜管增湿器、喷雾增湿装置和控制器；
35.所述交流阻抗检测装置与电堆电连接，所述交流阻抗检测装置用于检测电堆的高频阻抗；
36.所述膜管增湿器与电堆通过管道连通，用于对电堆空气入口的空气进行加湿；
37.所述喷雾增湿装置设置在膜管增湿器入口处，用于对电堆空气入口的空气进行加湿；
38.所述交流阻抗检测装置和喷雾增湿装置与控制器电连接。图1中的cvm即为交流阻抗检测装置，其集成在电堆中。
39.可选的，所述喷雾增湿装置，包括雾化喷嘴、水泵和储水箱；
40.在所述水泵的作用下，所述储水箱的水经雾化喷嘴后对电堆空气入口的空气进行加湿。
41.可选的，储水箱的底部设置排水口，储水箱底部排水口上设置排水阀。储水箱的水源来自于电堆尾排水。
42.可选的，还包括中冷器、流量计和空滤，外部空气依次经空滤和流量计后传送至空压机的压轮端，空压机的压轮端输出的空气经喷雾增湿装置后传送至中冷器，经中冷器冷却后的气体传送至膜管增湿器。流量计含环境温度测点。
43.可选的，所述储水箱为恒温储水箱。
44.可选的，还包括空压机和分水件；
45.电堆排出的气体经空压机的涡轮端后传送至分水件，分水件分离得到的水进入储水箱。
46.可选的，所述膜管增湿器和空压机的涡轮端之间设置尾排节气门。
47.如图2所示，本实施例还公开了一种集成交流阻抗及喷雾增湿的燃料电池控制方法，包括：
48.对燃料电池进行阻抗检测得到高频阻抗，比较高频阻抗与当前工况点的目标阻抗的大小；
49.当高频阻抗大于当前工况点的目标阻抗时，启动喷雾增湿装置；
50.当高频阻抗小于当前工况点的目标阻抗时，关闭喷雾增湿装置，通过膜管增湿器
对燃料电池进行被动增湿。
51.可选的，对燃料电池进行阻抗检测得到高频阻抗的步骤前，包括：
52.获取燃料电池状态，判断燃料电池是否处于运行状态。
53.当燃料电池处于运行状态时，再对燃料电池进行阻抗检测。
54.本实施公开的集成交流阻抗及喷雾增湿的燃料电池系统及控制方法，通过集成交流阻抗检测功能以及在常规膜管增湿的基础上增加喷雾增湿装置，区别于当前主流的被动增湿现状，基于高频阻抗判断，实现了主动、闭环增湿控制技术，有助于解决由膜干导致的燃料电池性能降低及寿命衰减问题。
55.以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本公开为必须采用上述具体的细节来实现。
56.在本公开中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
57.另外，如在此使用的，在以“至少一个”开始的项的列举中使用的“或”指示分离的列举，以便例如“a、b或c的至少一个”的列举意味着a或b或c，或ab或ac或bc，或abc(即a和b和c)。此外，措辞“示例的”不意味着描述的例子是优选的或者比其他例子更好。
58.还需要指出的是，在本公开的系统和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本公开的等效方案。
59.可以不脱离由所附权利要求定义的教导的技术而进行对在此所述的技术的各种改变、替换和更改。此外，本公开的权利要求的范围不限于以上所述的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法和动作的具体方面。可以利用与在此所述的相应方面进行基本相同的功能或者实现基本相同的结果的当前存在的或者稍后要开发的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法或动作。因而，所附权利要求包括在其范围内的这样的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法或动作。
60.提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本公开。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本公开的范围。因此，本公开不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
61.为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本公开的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

技术特征：
1.一种集成交流阻抗及喷雾增湿的燃料电池系统，其特征在于，包括：交流阻抗检测装置、膜管增湿器、喷雾增湿装置和控制器；所述交流阻抗检测装置与电堆电连接，所述交流阻抗检测装置用于检测电堆的高频阻抗；所述膜管增湿器与电堆通过管道连通，用于对电堆空气入口的空气进行加湿；所述喷雾增湿装置设置在膜管增湿器入口处，用于对电堆空气入口的空气进行加湿；所述交流阻抗检测装置和喷雾增湿装置与控制器电连接。2.根据权利要求1所述的集成交流阻抗及喷雾增湿的燃料电池系统，其特征在于，所述喷雾增湿装置，包括雾化喷嘴、水泵和储水箱；在所述水泵的作用下，所述储水箱的水经雾化喷嘴后对电堆空气入口的空气进行加湿。3.根据权利要求2所述的集成交流阻抗及喷雾增湿的燃料电池系统，其特征在于，储水箱的底部设置排水口，储水箱底部排水口上设置排水阀。4.根据权利要求2所述的集成交流阻抗及喷雾增湿的燃料电池系统，其特征在于，还包括中冷器、流量计和空滤，外部空气依次经空滤和流量计后传送至空压机的压轮端，空压机的压轮端输出的空气经喷雾增湿装置后传送至中冷器，经中冷器冷却后的气体传送至膜管增湿器。5.根据权利要求2所述的集成交流阻抗及喷雾增湿的燃料电池系统，其特征在于，所述储水箱为恒温储水箱。6.根据权利要求2所述的集成交流阻抗及喷雾增湿的燃料电池系统，其特征在于，还包括空压机和分水件；电堆排出的气体经空压机的涡轮端后传送至分水件，分水件分离得到的水进入储水箱。7.根据权利要求5所述的集成交流阻抗及喷雾增湿的燃料电池系统，其特征在于，所述膜管增湿器和空压机的涡轮端之间设置尾排节气门。8.一种集成交流阻抗及喷雾增湿的燃料电池控制方法，用于权利要求1至7任一所述的系统，其特征在于，所述方法，包括：对燃料电池进行阻抗检测得到高频阻抗，比较高频阻抗与当前工况点的目标阻抗的大小；当高频阻抗大于当前工况点的目标阻抗时，启动喷雾增湿装置；当高频阻抗小于当前工况点的目标阻抗时，关闭喷雾增湿装置，通过膜管增湿器对燃料电池进行被动增湿。9.根据权利要求8所述的集成交流阻抗及喷雾增湿的燃料电池控制方法，其特征在于，对燃料电池进行阻抗检测得到高频阻抗的步骤前，包括：获取燃料电池状态，判断燃料电池是否处于运行状态。10.一种发动机，其特征在于，包括权利要求1至7任一所述的集成交流阻抗及喷雾增湿的燃料电池系统。

技术总结
本发明提供了一种集成交流阻抗及喷雾增湿的燃料电池系统及控制方法。其中，集成交流阻抗及喷雾增湿的燃料电池系统，包括：交流阻抗检测装置、膜管增湿器、喷雾增湿装置和控制器；所述交流阻抗检测装置与电堆电连接，所述交流阻抗检测装置用于检测电堆的高频阻抗；所述膜管增湿器与电堆通过管道连通，用于对电堆空气入口的空气进行加湿；所述喷雾增湿装置设置在膜管增湿器入口处，用于对电堆空气入口的空气进行加湿；所述交流阻抗检测装置和喷雾增湿装置与控制器电连接。解决燃料电池由于膜干导致的性能下降，寿命衰减问题。寿命衰减问题。寿命衰减问题。


技术研发人员：李飞强 槐佳 方川 赵兴旺 司宗正 渠海洋
受保护的技术使用者：北京亿华通科技股份有限公司
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/8/9