燃料电池湿度控制系统及燃料电池

本申请属于湿度控制，尤其涉及燃料电池湿度控制系统及燃料电池。

背景技术：

1、近年来，随着“双碳”目标的提出，氢能和燃料电池受到越来越多的重视。质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，pemfc)因其清洁、高效、可再生等优点被认为是极具前景的新能源之一，并在发电、汽车等领域逐渐得到应用，并具备一定的产业化前景，然而，pemfc有限的性能和寿命严重制约了其应用和发展。pemfc实际运行中的湿度是影响电堆性能和寿命的关键变量。pemfc运行过程中的负载波动会导致阴极湿度的波动，阴极湿度过高和过低均会给其湿度控制带来难度。同时，pemfc在不同运行阶段，湿度变化具有非线性、干扰和耦合性强等的特点，很难保证在满足pemfc输出性能的基础上，将pemfc湿度控制在合适范围，需要避免出现“水淹”、“膜干”等现象出现。

2、pemfc的湿度控制方式主要分为内增湿和外增湿两种，内增湿即不额外引入加湿器，通过penmfc自身结构储存水分或通过改变进气流量和压强从而平衡水分的产生和消耗的增湿方式；外增湿的方式在阴阳极进气系统中使用额外的加湿器对引入pemfc电极的气体进行加湿，可根据pemfc的用途和功率匹配不同类型的加湿器，增大了pemfc的净输出功率并且提高了质子交换膜的使用寿命，是pemfc湿度控制的主流。

3、但是，现有的质子交换膜燃料电池的湿度控制精度不高，不能做到精确的湿度控制，且系统调试以响应输出端需求变化所需的时间较长。

技术实现思路

1、本申请实施例提供了燃料电池湿度控制系统及燃料电池，以更加准确快速的控制输入电堆的氢气的湿度和温度，同时，本方案中氢气湿度的调节范围相比于传统引入加湿器的方法更大。

2、本申请是通过如下技术方案实现的：

3、第一方面，本申请实施例提供了一种燃料电池湿度控制系统，包括：氢气加热装置、水加热装置、混合器、第一流量控制装置、冷却装置和控制器。

4、氢气加热装置与混合器连通，用于对氢气进行加热，并将加热后的氢气输入混合器。

5、水加热装置与混合器连通，用于将水加热为水蒸气，并将水蒸气输入混合器。

6、第一流量控制装置设置于水加热装置和混合器之间，用于按照第一控制指令控制水蒸气的流量。

7、混合器，用于混合加热后的氢气和水蒸气，得到混合气体。

8、冷却装置设置在混合器和电堆之间，用于按照第二控制指令控制混合气体的温度。

9、控制器，用于根据电堆入口的期望湿度和期望温度确定第一控制指令和第二控制指令。

10、结合第一方面，在一些可能的实现方式中，冷却装置包括第一换热器。

11、第一换热器，第一入口作为水源输入口，第一出口与水加热装置连通，第二入口与混合器连通，第二出口与电堆连通。

12、结合第一方面，在一些可能的实现方式中，第二控制指令包括第一子指令，冷却装置还包括：电磁阀和第一流量计。

13、电磁阀和第一流量计均设置于第一换热器的第一入口处。

14、电磁阀，用于按照第一子指令控制水的流量，以控制混合气体的温度。

15、第一流量计，用于计量流入第一换热器的水的流量。

16、结合第一方面，在一些可能的实现方式中，冷却装置还包括：水泵和第二流量计。

17、水泵和第二流量计均设置于第一换热器的第一出口与水加热装置之间。

18、水泵，用于将水泵入水加热装置中。

19、第二流量计，用于计量泵入水加热装置的水的流量。

20、结合第一方面，在一些可能的实现方式中，冷却装置还包括第二换热器。

21、第二换热器，第一入口作为氢气的输入口，第一出口与氢气加热装置连通，第二入口与混合器连通，第二出口与电堆连通。

22、结合第一方面，在一些可能的实现方式中，第二控制指令包括第二子指令，燃料电池湿度控制系统，还包括：第二流量控制装置。

23、第二流量控制装置设置于第一换热器和第二换热器之间，或者设置在冷却装置和混合器之间。

24、第二流量控制装置，用于按照第二子指令控制混合气体的流量，以控制混合气体的温度。

25、结合第一方面，在一些可能的实现方式中，燃料电池湿度控制系统，还包括：止回阀。

26、止回阀设置于混合器和第一流量控制装置之间，用于防止混合器中的气体流向水加热装置。

27、结合第一方面，在一些可能的实现方式中，燃料电池湿度控制系统，还包括：第一压力传感器、第一温度传感器、第二压力传感器和第二温度传感器。

28、第一压力传感器，设置于氢气加热装置与混合器之间，用于测量加热后的氢气的压力。

29、第一温度传感器，设置于氢气加热装置与混合器之间，用于测量加热后的氢气的温度。

30、第二压力传感器，设置于水加热装置与混合器之间，用于测量水蒸气的压力。

31、第二温度传感器，设置于水加热装置与混合器之间，用于测量水蒸气的温度。

32、控制器，用于当加热后的氢气的压力小于水蒸气的压力，且加热后的氢气的温度大于水蒸气的温度时，控制混合器混合加热后的氢气和水蒸气，得到混合气体。

33、结合第一方面，在一些可能的实现方式中，燃料电池湿度控制系统，还包括：电堆温度传感器和电堆湿度传感器。

34、电堆温度传感器，用于获取电堆入口的实际温度。

35、电堆湿度传感器，用于获取电堆入口的实际湿度。

36、控制器，还用于：

37、根据实际湿度和期望湿度，确定第一控制指令。

38、根据实际温度和期望温度，确定第二控制指令。

39、第二方面，本申请实施例提供了一种质子交换膜燃料电池，包括如第一方面任一项所述的燃料电池湿度控制系统。

40、可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

41、本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

42、本申请通过氢气加热装置对氢气进行加热，通过水加热装置产生水蒸气，通过第一流量控制装置控制流入混合器中的水蒸气的流量，这样使得混合后的气体的湿度能够准确的控制，准确的达到期望的湿度，相比于传统向氢气中一次又一次的喷洒水蒸气的方式效率更高，能够更快的响应电堆处所需氢气的湿度。除此之外，因为本方案中是通过第一流量控制装置将一定流量的水蒸气输入混合器与氢气进行混合，因此，本方案得到的混合气体湿度的范围更大，能够满足更多情况，适用性更广。

43、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书。

技术特征：

1.一种燃料电池湿度控制系统，其特征在于，包括：氢气加热装置、水加热装置、混合器、第一流量控制装置、冷却装置和控制器；

2.如权利要求1所述的燃料电池湿度控制系统，其特征在于，所述冷却装置包括第一换热器；

3.如权利要求2所述的燃料电池湿度控制系统，其特征在于，所述第二控制指令包括第一子指令，所述冷却装置还包括：电磁阀和第一流量计；

4.如权利要求2所述的燃料电池湿度控制系统，其特征在于，所述冷却装置还包括：水泵和第二流量计；

5.如权利要求2所述的燃料电池湿度控制系统，其特征在于，所述冷却装置还包括第二换热器；

6.如权利要求5所述的燃料电池湿度控制系统，其特征在于，所述第二控制指令包括第二子指令，所述燃料电池湿度控制系统，还包括：第二流量控制装置；

7.如权利要求1所述的燃料电池湿度控制系统，其特征在于，所述燃料电池湿度控制系统，还包括：止回阀；

8.如权利要求1所述的燃料电池湿度控制系统，其特征在于，所述燃料电池湿度控制系统，还包括：第一压力传感器、第一温度传感器、第二压力传感器和第二温度传感器；

9.如权利要求1所述的燃料电池湿度控制系统，其特征在于，所述燃料电池湿度控制系统，还包括：电堆温度传感器和电堆湿度传感器；

10.一种质子交换膜燃料电池，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的燃料电池湿度控制系统。

技术总结本申请提供了燃料电池湿度控制系统及燃料电池，该系统包括：氢气加热装置、水加热装置、混合器、第一流量控制装置、冷却装置和控制器。氢气加热装置与混合器连通，用于对氢气进行加热，并将加热后的氢气输入混合器。水加热装置与混合器连通，用于将水加热为水蒸气，并将水蒸气输入混合器。第一流量控制装置设置于水加热装置和混合器之间，用于按照第一控制指令控制水蒸气的流量。混合器，用于混合氢气和水蒸气，得到混合气体。冷却装置设置在混合器和电堆之间，用于按照第二控制指令控制混合气体的温度。控制器，用于根据电堆入口的期望湿度和期望温度确定第一控制指令和第二控制指令。本申请能更加准确快速的控制输入电堆的氢气的湿度和温度。技术研发人员：马凯,高皓年,杨维结,程佳佳受保护的技术使用者：华北电力大学（保定）技术研发日：技术公布日：2024/8/16