燃料电池系统、其控制方法及包括其的交通工具技术方案

本发明专利技术提供了一种燃料电池系统、其控制方法及包括其的交通工具。该燃料电池系统包括：电池堆，具有阴极气体入口和阴极尾气出口；阴极气体输送管路，末端与阴极气体入口相连；加湿装置，设置在阴极气体输送管路上利用加湿介质对阴极气体进行加湿；阴极尾气输送管路，起始端与阴极尾气出口相连，且与加湿装置相连为加湿装置提供对加湿介质；以及换热装置，换热装置包括：第一换热装置，设置在阴极尾气输送管路上，且位于阴极尾气出口和加湿装置之间；和/或第二换热装置，设置在阴极气体输送管路上，且位于加湿装置和阴极气体入口之间。通过对COG加湿回路进行温度调节，最终达到电池堆湿度实时控制的目的，进而保证了燃料电池系统稳定工作。

Fuel cell system, method of controlling the same, and vehicle comprising the same

The present invention provides a fuel cell system, a control method thereof, and a vehicle comprising the same. The fuel cell system includes a battery pack having a cathode gas entrance and cathode exhaust outlet; the cathode gas delivery pipe, and the end of the cathode gas entrance is connected; the humidifying device, set the pipeline using medium humidification to humidify the cathode gas in the cathode gas; the cathode exhaust pipe, exhaust outlet is connected with the cathode starting end, and with the humidifying device is connected to the humidifying device for humidifying medium; and heat exchanger, the heat transfer device comprises a first heat exchange device, set in the cathode exhaust pipe, which is positioned between the cathode gas outlet and a humidifying device; and / or second heat exchange device, set in the cathode gas transmission pipeline, and between the the humidifying device and the cathode gas entrance. By regulating the temperature of the COG humidifying circuit, the real-time control of the humidity of the battery stack is achieved, thus ensuring the stable operation of the fuel cell system.

【技术实现步骤摘要】
燃料电池系统、其控制方法及包括其的交通工具
本专利技术涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种燃料电池系统、其控制方法及包括其的交通工具。
技术介绍
燃料电池汽车(FCV)是一种用车载燃料电池装置产生的电能作为动力的汽车。目前，广泛应用于燃料电池汽车的是质子交换膜燃料电池(PEMFC)。质子交换膜燃料电池汽车的工作原理为：燃料氢气沿燃料电池电堆阳极板流道分配在膜电极的阳极侧，在阳极催化剂的作用下解离成电子和质子，电子经外电路到达阴极，质子直接穿过膜电极到达阴极，与阴极反应气体中的氧气反应生成水。此过程的产物为电能、热和水。其中电能带动电动机工作，电动机再带动汽车中的机械传动结构，进而带动汽车的前桥(或后桥)等行走机械结构工作，从而驱动电动汽车前进。热和水通过热交换装置直接排放或综合利用。目前，对于功率等级较大的质子交换膜燃料电池车用动力系统，为了降低系统散热负荷，保证较高的电堆反应温度，通常空气需要进行外部加湿，外部加湿一般采用气/气型加湿方式，即利用电池堆阴极反应尾气(COG)中的热量和气态水对阴极进堆空气进行加湿。同时为了提高氢气利用率及系统使用安全性，燃料供给系统一般采用氢气循环方式。图1为质子交换膜燃料电池车用动力系统的简化结构示意图，其主要包含空气供给、氢气供给及电池堆冷却三个回路，电池堆10’电化学反应所需的空气由空气输送设备21’提供动力进入加湿器22’被电堆阴极反应尾气加湿升温后进入电池堆阴极侧，阴极尾气与空气在加湿器22’中完成传热传质后的废气直接排放；来自高压储气瓶31’的氢气通过减压及计量装置32’后进入电堆阳极侧，电堆阳极侧反应后的出堆气体通过氢气循环动力装置33’输送又循环进入电池堆，此过程由于涉及阴极惰性气体N2膜渗透、阳极杂质气体循环累积及水管理等问题，在阳极出口氢气管路设置了吹扫装置34’，以便定时定量进行阳极杂质气体排放与阳极气水管理。电池堆电化学反应过程产生的热量由动力设备41’输送的冷却介质穿过电池堆10’带出后进入散热装置42’完成热量平衡，冷却介质在散热装置42’降温后又循环进入电池堆10’。上述系统从燃料阴阳极反应物料供给及电堆热量平衡方面给出了较为优化的方案，但系统热管理方面只考虑了散热，对系统回路之间的水热耦合、部件对系统水热平衡影响考虑不多，尤其对于COG加湿过程涉及的水热管理及进堆气体湿度控制鲜有公开资料报道。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种燃料电池系统、其控制方法及包括其的交通工具，以解决现有技术中的燃料电池系统的水热利用不充分导致系统工作不稳定的问题。为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种燃料电池系统，包括：电池堆，具有阴极气体入口和阴极尾气出口；阴极气体输送管路，末端与阴极气体入口相连；加湿装置，设置在阴极气体输送管路上利用加湿介质对阴极气体进行加湿；阴极尾气输送管路，起始端与阴极尾气出口相连，且与加湿装置相连为加湿装置提供对加湿介质；以及换热装置，换热装置包括：第一换热装置，设置在阴极尾气输送管路上，且位于阴极尾气出口和加湿装置之间；和/或第二换热装置，设置在阴极气体输送管路上，且位于加湿装置和阴极气体入口之间。进一步地，上述电池堆还具有阳极气体入口，燃料电池系统还包括：阳极气源存储装置；阳极气体输送管路，连接设置在阳极气源存储装置和阳极气体入口之间；以及减压计量装置，设置在阳极气体输送管路上。进一步地，上述电池堆还具有阳极气态产物出口，燃料电池系统还包括：阳极气体循环管路，连接在阳极气体入口和阳极气态产物出口之间。进一步地，上述阳极气体循环管路上设置有第一动力装置。进一步地，上述阳极气体循环管路通过第一接口和阳极气体输送管路相连后与阳极气体入口相连，且第一接口位于减压计量装置和阳极气体入口之间。进一步地，上述阳极气体循环管路上还设置有吹扫装置，吹扫装置设置在阳极气体入口和第一动力装置之间。进一步地，上述电池堆还具有冷却介质入口和冷却介质出口，燃料电池系统还包括：冷却介质循环管路，连接设置在冷却介质入口和冷却介质出口之间；第二动力装置，设置在冷却介质循环管线上；以及散热装置，设置在冷却介质循环管线上，且位于第二动力装置和冷却介质入口之间。进一步地，上述电池堆还具有冷却介质入口和冷却介质出口，燃料电池系统还包括：冷却介质循环管路，连接设置在冷却介质入口和冷却介质出口之间，且冷却介质循环管路穿过第一换热装置，为第一换热装置提供热介质。进一步地，上述阳极气体输送管路穿过第二换热装置，为第二换热装置提供冷介质。进一步地，上述燃料电池系统还包括湿度检测器，设置在阴极气体输送管路上，且位于加湿装置和阴极气体入口之间。进一步地，上述阴极尾气输送管路上设置有排液阀，排液阀设置在第二换热装置与加湿装置之间，且排液阀的海拔高度低于加湿装置的海拔高度。根据本专利技术的另一方面，提供了一种交通工具，具有动力系统，该动力系统包括上述任一种的燃料电池系统。根据本专利技术的又一方面，提供了一种上述任一种的燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统中设置有第一换热装置和/或第二换热装置，控制方法包括：通过第一换热装置和/或第二换热装置与阴极气体的换热程度来调整阴极气体的湿度。进一步地，上述控制方法包括：当阴极气体的RH低于燃料电池系统的运行湿度设定值RH0时，减小第二换热装置的冷介质流量；当冷介质流量等于低于下限，且RH还未达到设定值RH0时，增加第一换热装置的热介质流量；若RH达到RH0，则保持第一换热装置的热介质流量状态，正常运行；若第一换热装置的热介质流量调至上限，RH还未达到RH0，则判断燃料电池系统出现故障。进一步地，上述控制方法包括：当阴极气体的湿度RH高于燃料电池系统的运行湿度设定值RH0时，减小第一换热装置的热介质流量；若热介质流量等于低于下限，RH还未达到设定值RH0，增加第二换热装置的冷介质流量；若RH达到RH0，则保持第二换热装置的冷介质流量状态，正常运行；若第二换热装置的冷介质流量调至上限，RH还未达到RH0，则判断燃料电池系统出现故障。应用本专利技术的技术方案，通过对COG加湿回路进行温度调节，最终达到电池堆湿度实时控制的目的，进而保证了燃料电池系统稳定工作。具体地，通过设置的第一换热装置和第二换热装置，对进入阴极的阴极气体的温度进行调节，进而控制其中水的状态，从而调节阴极气体中气态水的含量。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1示出了根据现有技术提供的一种燃料电池系统的结构示意图；以及图2示出了根据本申请一种优选的实施例提供的燃料电池系统的结构示意图；图3示出了根据本申请一种优选实施例提供的图1所示的燃料电池系统的控制流程示意图。其中，上述附图包括以下附图标记：10’、电池堆；22’、加湿器；31’、高压储气瓶；32’、计量装置；33’、氢气循环动力装置；34’、吹扫装置；41’、动力设备；42’、散热装置；10、电池堆；11、阴极气体入口；12、阴极尾气出口；13、阳极气体入口；14、阳极气态产物出口；15、冷却介质入口；16、冷却介质出口；20、阴极气体输送管路；21、加湿装置；22、第一换热装置；23、湿度检测器；3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，其特征在于，包括：电池堆(10)，具有阴极气体入口(11)和阴极尾气出口(12)；阴极气体输送管路(20)，末端与所述阴极气体入口(11)相连；加湿装置(21)，设置在所述阴极气体输送管路(20)上利用加湿介质对阴极气体进行加湿；阴极尾气输送管路(30)，起始端与所述阴极尾气出口(12)相连，且与所述加湿装置(21)相连为所述加湿装置(21)提供对所述加湿介质；以及换热装置，所述换热装置包括：第一换热装置(22)，设置在所述阴极尾气输送管路(30)上，且位于所述阴极尾气出口(12)和所述加湿装置(21)之间；和/或第二换热装置(31)，设置在所述阴极气体输送管路(20)上，且位于所述加湿装置(21)和所述阴极气体入口(11)之间。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：电池堆(10)，具有阴极气体入口(11)和阴极尾气出口(12)；阴极气体输送管路(20)，末端与所述阴极气体入口(11)相连；加湿装置(21)，设置在所述阴极气体输送管路(20)上利用加湿介质对阴极气体进行加湿；阴极尾气输送管路(30)，起始端与所述阴极尾气出口(12)相连，且与所述加湿装置(21)相连为所述加湿装置(21)提供对所述加湿介质；以及换热装置，所述换热装置包括：第一换热装置(22)，设置在所述阴极尾气输送管路(30)上，且位于所述阴极尾气出口(12)和所述加湿装置(21)之间；和/或第二换热装置(31)，设置在所述阴极气体输送管路(20)上，且位于所述加湿装置(21)和所述阴极气体入口(11)之间。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电池堆(10)还具有阳极气体入口(13)，所述燃料电池系统还包括：阳极气源存储装置(41)；阳极气体输送管路(40)，连接设置在所述阳极气源存储装置(41)和所述阳极气体入口(13)之间；以及减压计量装置(42)，设置在所述阳极气体输送管路(40)上。3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电池堆(10)还具有阳极气态产物出口(14)，所述燃料电池系统还包括：阳极气体循环管路(50)，连接在所述阳极气体入口(13)和所述阳极气态产物出口(14)之间。4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阳极气体循环管路(50)上设置有第一动力装置(51)。5.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阳极气体循环管路(50)通过第一接口和所述阳极气体输送管路(40)相连后与所述阳极气体入口(13)相连，且所述第一接口位于所述减压计量装置(42)和所述阳极气体入口(13)之间。6.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阳极气体循环管路(50)上还设置有吹扫装置(52)，所述吹扫装置(52)设置在所述阳极气体入口(13)和所述第一动力装置(51)之间。7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电池堆(10)还具有冷却介质入口(15)和冷却介质出口(16)，所述燃料电池系统还包括：冷却介质循环管路(60)，连接设置在所述冷却介质入口(15)和所述冷却介质出口(16)之间；第二动力装置(61)，设置在所述冷却介质循环管线上；以及散热装置(62)，设置在所述冷却介质循环管线上，且位于所述第二动力装置(61)和所述冷却介质入口(15)之间。8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋亚婷，汤浩，殷聪，刘竞博，
申请(专利权)人：中国东方电气集团有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51