一种质子交换膜燃料电池空气湿度控制系统及方法与流程

本发明涉及载运工具用质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池空气湿度控制系统及方法。

背景技术：

质子交换膜燃料电池是一种高效的发电装置，其利用氢气和氧化物之间的电化学反应获得电能。目前我国大力发展新能源电动汽车，质子交换膜燃料电池具有启动速度快、温度适用范围广、无污染、可靠性高的特点，是适合新能源电动汽车发展的一种理想动力来源。

目前燃料电池用于汽车、特种车辆、航空航天飞行器等载运工具上时，其输出的电功率需要随着载运工具的负荷变化而进行变化，所以燃料电池不仅需要具有功率密度大(体积小、质量轻)等优点外，其更需要良好的动态响应特性，在燃料电池的空气系统同样也需要具有良好的动态响应特性，故而需要对其不同工况下进行精确的控制。

对燃料电池的运行而言，质子交换膜的水传导速率是影响其性能的重要参数。如果反应气体过于干燥，会造成质子交换膜中水分子过少，导致燃料电池工作效率下降，并可能造成交换膜损坏；而反应气体加湿过度，则会由于堵水等原因造成电池系统的性能恶化。因此，燃料电池系统中进气的加湿控制技术对于保持质子交换膜适当的含水量，提高和保护燃料电池性能具有重要意义。

目前应用于质子交换膜的燃料电池增湿方法主要有两类：第一类是用储备的纯净水对燃料电池进气进行增湿，使水蒸发并与空气均匀混合得到具有一定相对湿度的空气，如鼓泡法增湿、液态水喷射法增湿等。第二类是利用燃料电池自身排出的湿空气与水引入增湿装置，并与进入增湿装置的干空气交换水分子，使进入燃料电池时的空气是达到一定相对湿度的空气，如膜增湿、焓轮增湿等。

对于载运工具用的燃料电池，其电功率经常要随载运工具的负荷进行变化，从外界进入进气系统的空气的温湿度也经常会随环境的不同而变化，因此在这种情况下就要求进气系统可以对不同温度、不同流量下的湿度全范围准确控制，而且有较快的响应速度。目前现有的燃料电池空气湿度控制方案都有一定的局限性，如CN101447575提出了一种燃料电池湿度控制方法，但其仅能通过调节气流驱动装置的空气导入速率来调节空气湿度，CN103560261A提出了一种通过调节湿气体侧气体质量流量从而控制干气体侧输出湿度的控制方法，但其只适用于膜加湿方式的燃料电池。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种质子交换膜燃料电池空气湿度控制系统及方法，将进堆空气的温湿度根据燃料电池所需的最优温湿度作出快速的调整，使提供给燃料电池的进气能够满足载运工具在不同工况和环境下的要求。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种质子交换膜燃料电池空气湿度控制系统，包括：

检测模块，用于检测进入燃料电池堆的空气的进气温度和进气湿度；

控制模块，用于将检测到的进气温度和进气湿度与设定的最优温度范围和最优湿度范围进行比较，并在所述进气温度不在所述最优温度范围内或者所述进气湿度不在所述最优湿度范围内时，向执行模块发送调节指令；

执行模块，用于根据所述调节指令对所述进气温度和所述进气湿度进行调节，使所述进气温度和所述进气湿度分别满足所述最优温度范围和所述最优湿度范围。

优选地，所述检测模块包括沿气流通道布置在加湿器之后、所述燃料电池堆之前的温度传感器和湿度传感器，所述温度传感器用于检测进入所述燃料电池堆的空气的进气温度，所述湿度传感器用于检测进入所述燃料电池堆的空气的进气湿度。

优选地，所述控制模块包括燃料电池湿度控制器，所述燃料电池湿度控制器用于将检测到的进气温度和进气湿度与设定的最优温度范围和最优湿度范围进行比较，并在所述进气温度不在所述最优温度范围内或者所述进气湿度不在所述最优湿度范围内时，向执行模块发送调节指令。

优选地，所述执行模块包括：

加湿器控制装置，用于根据所述调节指令调节加湿器的加湿量，使所述进气湿度满足所述最优湿度范围；

进气温度控制单元，用于对进气温度进行控制，使所述进气温度满足所述最优温度范围。

优选地，所述质子交换膜燃料电池空气湿度控制系统还包括燃料电池总控制器，所述燃料电池总控制器用于根据载运工具的工况提供预先设置的或计算出的适用于当前工况的最优温度范围和最优湿度范围，并将所述最优温度范围和所述最优湿度范围通过CAN总线传输给所述控制模块。

一种质子交换膜燃料电池空气湿度控制方法，包括以下步骤：

步骤1、检测进入燃料电池堆的空气的进气温度和进气湿度；

步骤2、将检测到的进气温度和进气湿度与设定的最优温度范围和最优湿度范围进行比较，判断所述进气温度是否在所述最优温度范围内，以及所述进气湿度是否在所述最优湿度范围内；

步骤3、当所述进气温度不在所述最优温度范围内或者所述进气湿度不在所述最优湿度范围内时，对所述进气温度和所述进气湿度进行调节，使所述进气温度和所述进气湿度分别满足所述最优温度范围和所述最优湿度范围。

优选地，所述步骤3包括：

当所述进气温度低于所述最优温度范围时，通过调节进气温度控制单元，提高所述进气温度；

当所述进气温度高于所述最优温度范围时，通过调节进气温度控制单元，降低所述进气温度；

当所述进气湿度低于所述最优湿度范围时，增大加湿器的加湿量，提高所述进气湿度；

当所述进气湿度高于所述最优湿度范围时，减小加湿器的加湿量，降低所述进气湿度。

优选地，所述最优温度范围和最优湿度范围由燃料电池总控制器预先设置或根据工况计算得出。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.燃料电池总控制器根据载运工具工况提供预先设置好的或计算出的适用于当前工况的最优进气温湿度参数，并将该最优温湿度参数通过CAN总线传输给燃料电池湿度控制器，燃料电池湿度控制器根据该最优温湿度参数调节系统温湿度值，使空气供气系统可以根据燃料电池的需要向燃料电池精确地提供所需的反应空气，满足载运工具在不同工况和环境下的要求。

2.实现了对气体温度、湿度的独立控制，在各种温湿度的外界环境下，都可对进气温度、湿度进行精确、快速的控制。

3.控制原理适用于各种加湿方式和温度调节方式，可以根据载运工具的工况变化进行快速响应，对进气温湿度进行快速准确的控制。

附图说明

图1是本发明所述燃料电池空气湿度控制系统的示意性框图；

图2是本发明所述燃料电池空气湿度控制系统的结构示意图；

图3是本发明所述燃料电池空气湿度控制方法的流程图；

图4是本发明所述燃料电池空气湿度控制方法的具体过程图；

图5是实施例一所述加湿系统的结构示意图；

图6是实施例二所述加湿系统的结构示意图。

图中：101-检测模块，102-控制模块，103-执行模块，1-空气压缩机，2-进气温度控制单元，3-焓轮加湿器，4-温度传感器，5-湿度传感器，6-燃料电池堆，7-加湿器控制装置，8-燃料电池总控制器，9-燃料电池湿度控制器，10-进气温度控制单元，11-液态水喷射加湿器。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明首先提供了一种质子交换膜燃料电池空气湿度控制系统，如图1所示，所述质子交换膜燃料电池空气湿度控制系统包括：检测模块101，用于检测进入燃料电池堆的空气的进气温度和进气湿度；控制模块102，用于将检测到的进气温度和进气湿度与设定的最优温度范围和最优湿度范围进行比较，并在进气温度不在最优温度范围内或者进气湿度不在最优湿度范围内时，向执行模块103发送调节指令；执行模块103，用于根据调节指令对进气温度和进气湿度进行调节，使进气温度和进气湿度分别满足最优温度范围和最优湿度范围。

进一步地，如图2所示，检测模块101包括沿气流通道布置在加湿器之后、燃料电池堆6之前的温度传感器4和湿度传感器5，温度传感器4用于检测进入燃料电池堆6的空气的进气温度，湿度传感器5用于检测进入燃料电池堆6的空气的进气湿度。

由于加湿器出口气体的相对湿度与加湿器内温度成正比，因此控制湿度的同时需要对温度进行控制。加湿器可采用的加湿方式可为鼓泡加湿、液态水喷射加湿、渗透膜加湿、焓轮加湿或其它加湿方式等。

进一步地，控制模块102包括燃料电池湿度控制器9，燃料电池湿度控制器9用于将检测到的进气温度和进气湿度与设定的最优温度范围和最优湿度范围进行比较，并在进气温度不在最优温度范围内或者进气湿度不在最优湿度范围内时，向执行模块103发送调节指令。

进一步地，执行模块103包括：加湿器控制装置7，用于根据调节指令调节加湿器的加湿量，使进气湿度满足最优湿度范围；进气温度控制单元10，用于对进气温度进行控制，使进气温度满足最优温度范围。

进一步地，所述质子交换膜燃料电池空气湿度控制系统还包括燃料电池总控制器8，燃料电池总控制器8用于根据载运工具的工况提供预先设置的或计算出的适用于当前工况的最优温度范围和最优适度范围，并将最优温度范围和最优适度范围通过CAN总线传输给控制模块102。在图2中，传输给燃料电池湿度控制器9。

相应地，本发明还提供了一种质子交换膜燃料电池空气湿度控制方法，如图3所示，所述方法包括以下步骤：

步骤1、检测进入燃料电池堆的空气的进气温度和进气湿度；

步骤2、将检测到的进气温度和进气湿度与设定的最优温度范围和最优湿度范围进行比较，判断所述进气温度是否在所述最优温度范围内，以及所述进气湿度是否在所述最优湿度范围内；

步骤3、当所述进气温度不在所述最优温度范围内或者所述进气湿度不在所述最优湿度范围内时，对所述进气温度和所述进气湿度进行调节，使所述进气温度和所述进气湿度分别满足所述最优温度范围和所述最优湿度范围。

进一步地，所述步骤3包括：

当所述进气温度低于所述最优温度范围时，通过调节进气温度控制单元，提高所述进气温度；

当所述进气温度高于所述最优温度范围时，通过调节进气温度控制单元，降低所述进气温度；

当所述进气湿度低于所述最优湿度范围时，增大加湿器的加湿量，提高所述进气湿度；

当所述进气湿度高于所述最优湿度范围时，减小加湿器的加湿量，降低所述进气湿度。

优选地，所述最优温度范围和最优湿度范围由燃料电池总控制器预先设置或根据工况计算得出。

所述燃料电池空气湿度控制方法的具体实施过程如图4所示：

从燃料电池总控制器接收最优温湿度参数信号，该参数信号可以是某一具体数值，也可以是一个范围；

设置于进气系统末端的温湿度传感器不断检测相关的状态，以作为控制的依据；然后通过A/D转换为数字信号输入燃料电池湿度控制器；

比较传感器温度信号和最优温度范围，当进气温度低于最优温度范围时，传输信号给进气温度控制单元提高温度；当进气温度高于最优温度范围时，传输信号给进气温度控制单元降低温度；当进气温度在最优温度范围内时，不传输信号；

比较传感器湿度信号和最优湿度范围，当进气湿度低于最优湿度范围时，输出信号给加湿器控制装置增大加湿量；当进气湿度高于最优湿度范围时，输出信号给加湿器控制装置减小加湿量；当进气湿度在最优湿度范围内时，不传输信号。

具体实施例一

如图5，本实施例采用的加湿系统包括空气压缩机1、进气温度控制单元2、焓轮加湿器3、温度传感器4、湿度传感器5和燃料电池堆6。

焓轮加湿器3的核心部件为多孔陶瓷转轮，其表面覆有一层吸水材料。焓轮加湿器3包括新鲜空气的进出口和湿热尾气的进出口，工作时陶瓷转轮在电动机的带动下转动。当燃料电池湿热尾气经过加湿器一侧时，陶瓷转轮吸收尾气中的水分储存于其表面，然后转动到加湿器另一侧；当新鲜空气进入焓轮加湿器3时，将多孔陶瓷表面吸附的水带走，从而完成对反应气的加湿。这种焓轮加湿方式结构简单，响应速度快，成本较低，能够精确控制湿度，具有很好的应用前景。

焓轮加湿方式可采用改变气体流量、改变电机转速、采用不同直径厚度的焓轮等方式来控制加湿量，本实施例采用控制电机转速的方法来调节空气相对湿度。

新鲜的空气首先通过空气压缩机1，通过空气压缩机1后的气流，需通过进气温度控制单元2进行温度控制，通过进气温度控制单元2后，处于最优温度范围的气流通入焓轮加湿器3的空气进气口，气流在焓轮加湿器3中加湿后从空气排出口排出，通入燃料电池堆6。燃料电池堆6排出的湿热气流通过焓轮加湿器3的尾气进口进入加湿器，之后从加湿器的尾气出口排入大气，在这个过程中湿热尾气的部分水分留在加湿器中以对进气进行加湿。

系统的控制流程为：燃料电池总控制器8将最优温湿度范围传输给燃料电池湿度控制器9，同时温度传感器4、湿度传感器5将空气温湿度和流量信号传递给燃料电池湿度控制器9，燃料电池湿度控制器9将最优温湿度范围与当前空气温湿度信号比较，计算得出控制信号，将温度控制信号输出给进气温度控制单元10，将湿度控制信号输出给加湿器控制装置7(本实施例为焓轮加湿器3的电机)。

本实施例通过调节进气温度控制单元来精确控制温度，通过调节电机转速来控制加湿量，实现了对空气的温度、湿度的独立控制，既保证了加湿系统的快速响应性，又保证了温度控制的准确性。

具体实施例二

如图6，本实施例包括空气压缩机1、进气温度控制单元2、液态水喷射加湿器11、温度传感器4、湿度传感器5和燃料电池堆6。

液态水喷射加湿器13采用的加湿方法是通过喷雾嘴使用高压将水雾化，喷入到气流中，水蒸发得到具有一定相对湿度的空气。液态水喷射加湿可采用调节气体流量、喷水压力、水温等方式来控制加湿量，本实施例采用控制喷水压力的方法来调节空气相对湿度。

新鲜的空气首先通过空气压缩机1，通过空气压缩机1后的气流，需通过进气温度控制单元2进行温度控制，通过进气温度控制单元2后，处于最优温度范围的气流通入液态水喷射加湿器11得到具有一定湿度的空气，之后将加湿的空气通入燃料电池堆6。

系统的控制流程为：燃料电池总控制器8将最优温湿度范围传输给燃料电池湿度控制器9，同时温度传感器4、湿度传感器5将空气温湿度和流量信号传递给燃料电池湿度控制器9，燃料电池湿度控制器9将最优温湿度范围与当前空气温湿度信号比较，计算得出控制信号，将温度控制信号输出给进气温度控制单元10，将湿度控制信号输出给加湿器控制装置7(本实施例为喷水压力调节机构)。

本实施例通过调节进气温度控制单元来精确控制温度，通过调节喷水压力来控制加湿量，实现了对空气的温度、湿度的独立控制，既保证了加湿系统的快速响应性，又保证了温度控制的准确性。

以上所述仅为本发明的两个较佳实施例而已，当不能限定本发明实施的范围。本领域的技术人员应该理解，本发明提出的燃料电池湿度控制方法应包括但不限于实施例所述的加湿方式，如鼓泡加湿、液态水喷射加湿、超声波加湿、膜加湿、焓轮加湿等加湿方式都应在本发明的保护范围之内。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。