【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及氢燃料电池，具体为一种燃料电池系统及氢气循环温湿度参数控制方法。
技术介绍
1、燃料电池是将化学能直接转变成电能的电化学反应装置，质子交换膜燃料电池是目前发展规模最大的一种燃料电池，具有能量转换效率高、工作温度低、噪音小及零污染等特点，可用于车辆、航空航天、固定式电站及水下等装置场景。
2、质子交换膜燃料电池工作过程：电池堆阳极通入氢气，阴极通入空气或氧气，氢气在阳极催化剂作用下生成质子和电子，质子以水合状态通过质子交换膜到达阴极，电子通过外电路到达阴极，氧气在阴极催化剂的作用下与质子和电子结合生成水并放出热量。电子从外电路由阳极流向阴极时产生电流可以供负载做功。
3、质子交换膜燃料电池系统工作过程中，在阳极通入的是过量的纯氢气，经过电极反应后，会有未反应完全的氢气剩余，如果直接排放到大气中，会造成环境污染，并且会造成能源的浪费，同时具有极大的安全隐患。质子交换膜燃料电池的氢气供应与管理系统主要用于对电池堆阳极输送氢气，同时将未反应完全的氢气再循环输送至电池堆阳极，提高氢气利用率及电池堆效率。同时由于电池堆内部电化学反应过程伴随着水分和热量产生，氢气循环过程在一定程度上对水分和热量会进行再分配。因此，氢气循环过程对整个系统的燃料利用率、耐久性，电池堆内部水平衡都具有重要作用，是燃料电池的关键技术，直接影响性能及可靠性。
4、目前氢气循环系统主要存在以下问题：
5、1、燃料电池运行变载频率比较大，变载过程电堆产热产水发生变化，随之影响氢气循环过程的热量和水量，要求氢气循
6、2、燃料电池堆阳极出堆尾气携带的水分较多，尾气相对湿度较高，在循环流动过程水分容易冷凝，冷凝液累积后一方面造成管路阻力降较大，影响循环流体的流动性，另一方面冷凝液进入循环泵造成泵内构件寿命衰减速率加快，而且如果管理不当使得冷凝液循环进入电堆引起电堆阳极水淹问题；
7、3、阳极循环过程各个运行参数和控制参数耦合在一起，循环回路温湿度参数没有主动控制，经常处于被动变化状态，当燃料电池出现异常现象时无法对其进行主动干预。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于：提出一种燃料电池系统及氢气循环温湿度参数控制方法，该技术方案能够主动且独立地控制氢气循环支路温湿度参数，从而保证燃料电池的可靠性。
2、为实现上述目的，第一方面，本公开实施例提供了一种燃料电池系统，包括电池堆单元、氢气循环管理单元和电控单元；
3、电池堆单元包括电池堆、阳极出堆口、阳极入堆口与电压采集线；
4、氢气循环管理单元包括阳极出堆总管路、阳极入堆总管路、气源支路、氢气循环支路；阳极出堆总管路一端与阳极出堆口连接，一端与氢气循环支路连接；阳极出堆总管路上设置有第二温度传感器；阳极入堆总管路一端与阳极入堆口连接，一端与氢气循环支路和气源支路的汇合点连接；阳极入堆总管路上设置有第一相对湿度传感器与第一温度传感器；氢气循环支路上设置有循环氢气冷凝器、气液分离排液器、第三温度传感器、循环氢气加热器与循环泵；
5、电控单元包括控制器与数据采集器，数据采集器通过电压采集线与电池堆连接。
6、作为一种可实施的优选方案，氢气循环管理单元还包括排气支路，所述排气支路与阳极出堆总管路和氢气循环支路的汇合点连接，所述排气支路上设置有排气装置，排气装置根据电池堆排气和排水需求进行间歇式启动执行排气动作。
7、作为一种可实施的优选方案，阳极入堆总管路上设置有第一压力传感器；阳极出堆总管路上设置有第二压力传感器；气源支路上设置有气源氢气稳压装置。
8、作为一种可实施的优选方案，电池堆单元还包括阴极入堆管路、阴极入堆口、阴极出堆口、阴极出堆管路、冷却液入堆管路、冷却液入堆口、冷却液出堆口、冷却液出堆管路与载线。
9、作为一种可实施的优选方案，电控单元还包括负载与控制组件，负载执行控制器指令消耗电池堆产生的电能；控制组件作为电控单元的辅助功能部件。
10、第二方面，本公开实施例还提供了一种氢气循环温湿度参数控制方法，该方法运用了上述燃料电池系统，具体包括：
11、控制器根据电池堆电流和电压值自动配置氢气循环流量、第三温度设定值ts3*、第一相对湿度设定值hs1*；控制器中内置有最低温度差值阈值与最低相对湿度差值阈值；
12、当第三温度设定目标值ts3*和第三温度检测值ts3的差值大于最低温度差值阈值，且循环氢气冷凝器的风扇占空比处于最小占空比与最大占空比之间的范围时，得到风扇占空比调节值对风扇进行调节；
13、当第一相对湿度设定目标值hs1*和第一相对湿度检测值hs1差值大于最低相对湿度差值阈值，且循环氢气加热器的功率处于最小值与最大值之间的范围时，得到循环氢气加热器功率调节值对循环氢气加热器进行调节。
14、作为一种可实施的优选方案，判断第三温度目标值ts3*与第三温度检测值ts3的差值是否小于或等于最低阈值；当判断为否时，程序转至起始步骤，当判断为是时，风扇占空比维持当前状态。
15、作为一种可实施的优选方案，判断第一相对湿度目标值hs1*与检测值hs1的差值是否小于或等于最低阈值，当判断为否时，程序转至起始步骤；当判断为是时，循环氢气加热器功率维持当前状态。
16、本方案的原理与有益效果：
17、燃料电池系统运行过程中，电池堆内部进行电化学反应，电池堆阳极反应剩余气体从阳极出堆口进入阳极出堆管路，进而进入氢气循环支路.
18、氢气循环支路中设置有冷凝器、气液分离排液器及循环氢气加热器。能够对循环气体先进行冷凝，使部分气态水冷凝为液态水降低气体水分含量，液态水随着气体流动至气液分离排液器再进行气液分离与排液，将液态水排出氢气循环支路，气体流向循环氢气加热器，在循环氢气加热器内气体得到升温后再由循环泵输送至电池堆阳极入堆总管路。
19、避免了氢气循环过程液态水累积造成的管路阻力增大、气体流动性差的问题，最后通过升温降低相对湿度，提高了气体流动稳定性，避免了液态水进入氢气循环泵造成泵组件损坏的问题，延长了循环泵和电池堆的寿命。
20、通过数据采集器采集电池堆运行电流与电压值，通过传感器采集氢气循环支路的第一温度检测值、第二温度检测值、第三温度检测值与第一相对湿度检测值并反馈于控制器，由于气液分离排液器与循环氢气加热器之间的气体为饱和状态，第三温度传感器检测的第三温度检测值即可代表检测点气体的露点温度。控制器确定氢气循环泵转速、第三温度设定值ts3*、第一相对湿度设定值hs1*。
21、温度控制过程，通过将循环氢气冷凝器冷流体流量值的控制与目标温度关联，当温度目标值与检测值的差值大于最低阈值时，判断氢气冷凝器流量没有超出上下限可调范围时，启动循环氢气冷凝器调节控制策略，控制器根据目标温度值和检测温度值的差值，调节第三温度检测值接近于设定值，使得能够根据需求本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种燃料电池系统，其特征在于：包括电池堆单元、氢气循环管理单元和电控单元；
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统，其特征在于：氢气循环管理单元还包括排气支路，所述排气支路与阳极出堆总管路和氢气循环支路的汇合点连接，所述排气支路上设置有排气装置，排气装置根据电池堆排气和排水需求进行间歇式启动执行排气动作。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统，其特征在于：阳极入堆总管路上设置有第一压力传感器；阳极出堆总管路上设置有第二压力传感器；气源支路上设置有气源氢气稳压装置。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统，其特征在于：电池堆单元还包括阴极入堆管路、阴极入堆口、阴极出堆口、阴极出堆管路、冷却液入堆管路、冷却液入堆口、冷却液出堆口、冷却液出堆管路与负载线。
5.根据权利要求3或4所述的一种燃料电池系统，其特征在于：电控单元还包括负载与控制组件，负载执行控制器指令消耗电池堆产生的电能；控制组件作为电控单元的辅助功能部件。
6.一种循环温湿度参数控制方法，其特征在于：包括：
7.根据权利要求6所述的一种循环
8.根据权利要求6或7所述的一种循环温湿度参数控制方法，其特征在于：判断第一相对湿度目标值Hs1*与检测值Hs1的差值是否小于或等于最低阈值，当判断为否时，程序转至起始步骤；当判断为是时，循环氢气加热器功率维持当前状态。
...【技术特征摘要】
1.一种燃料电池系统，其特征在于：包括电池堆单元、氢气循环管理单元和电控单元；
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统，其特征在于：氢气循环管理单元还包括排气支路，所述排气支路与阳极出堆总管路和氢气循环支路的汇合点连接，所述排气支路上设置有排气装置，排气装置根据电池堆排气和排水需求进行间歇式启动执行排气动作。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统，其特征在于：阳极入堆总管路上设置有第一压力传感器；阳极出堆总管路上设置有第二压力传感器；气源支路上设置有气源氢气稳压装置。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统，其特征在于：电池堆单元还包括阴极入堆管路、阴极入堆口、阴极出堆口、阴极出堆管路、冷却液入堆管路、冷却液入堆口、冷却液出堆口、冷却液出堆管路与负载线...
【专利技术属性】
技术研发人员：万鑫铭，毛占鑫，段诚茂，王旭辉，付娜，邓波，
申请(专利权)人：中国汽车工程研究院股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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