燃料电池多模式切换阳极压力脉动水冲刷控制系统的制作方法

本发明属于燃料电池技术领域，涉及燃料电池多模式切换阳极压力脉动水冲刷控制系统。

背景技术：

燃料电池工作时，氢气在阳极生成氢离子并通过质子交换膜，进而在阴极与氧气反应生成水，阴极产生的水因浓度差会反向扩散到阳极，这会导致电堆阳极内积水增多和电极水淹，从而阻碍氢气传输，因此电堆阳极水管理显得非常重要。传统的阳极水管理一般采用间歇性开放式单向冲刷方式将阳极积水排出，但传统的方式会导致较多的氢气浪费，降低氢气利用率，也无法有效避免因阳极水分布的不均匀性导致的单体电压不均，同时也会因冲刷时阳极压力波动过大而导致电堆电压的较大波动。本发明设计的阳极全封闭式氢气双向供应系统，可根据实际工况的变化和电堆性能表现动态调节两个减压阀的压力差，从而在冲刷时保持电堆阳极流道内具有最佳的氢气余压以维持氢气浓度，减小因冲刷时的氢气压降导致的燃料电池电压骤减，同时以单体工作电压均匀性为指标，动态改变供气方向，以实现氢气供应方向和阳极水冲刷方向的切换，改善阳极水分布，提高电堆单体工作电压的均一性，从而很好地解决了传统阳极水冲刷模式所具有的诸多问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供燃料电池多模式切换阳极压力脉动水冲刷控制系统，利用燃料电池内部产生的脉动压力对燃料电池电堆进行冲刷，并通过三通阀改变燃料电池氢气供应方向，实现燃料电池电堆的冲刷方向切换。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

燃料电池的多模式切换阳极压力脉动水冲刷控制系统，包括燃料电池、氢气罐、高压电控减压阀、低压电控减压阀、两位三通阀i、两位三通阀ii、电磁阀以及缓冲罐；

其中，高压电控减压阀的输出端压力恒定，低压电控减压阀的输出端压力可在线调节；两位三通阀i的三个端口分别为1、2、3，两位三通阀ii的三个端口分别为4、5、6；

所述氢气罐通过管路分别连接至高压电控减压阀和低压电控减压阀，低压电控减压阀通过管路连接至缓冲罐，缓冲罐通过管路分别连接至端口2和端口5；端口3和端口4通过管路同时连接至燃料电池；高压电控减压阀通过管路连接至电磁阀后分别连接至端口1和端口6；端口1和端口6通过管路互通。

进一步，该方法利用燃料电池消耗氢气的方法来产生与高压供气的压力差，达到对燃料电池电堆进行冲刷，主要通过控制电磁阀的开关间隔和持续时长、两位三通阀改变燃料电池氢气供应方向、低压电控减压阀的输出压力，并应用模糊理论实现三种工作模式的切换和氢气压差的控制，实现燃料电池电堆的冲刷方向切换，从而达到最优的阳极水冲刷控制目标。

进一步，在所述方法中，还包括以下依据：

(1)通过采集输出电压变化、输出电压变化率以及单体电压均匀性反馈于模糊控制器，通过调整冲刷持续时间、冲刷间隔、冲刷方向以及冲刷压力差以达到更好的冲刷效果，表现为良好的单体电压均匀性，同时维持冲刷期间更稳定的电堆性能，表现在输出电压变化以及变化率；

(2)根据燃料电池电堆单体电压均匀性分布情况，决定冲刷方向是否改变；

(3)以输出电压变化大小和单体电压均匀性变化为评判指标，在不同的低压电控减压阀设定值下进行燃料电池性能和冲刷效果的标定，以确定不同工况下最佳的低压电控减压阀压力设定值；

(4)在确定上述控制参数后，冲刷时间和冲刷间隔则根据模糊规则确定。

进一步，所述三种工作模式为：

正常工作模式：燃料电池正常工作时，电磁阀保持开启，燃料电池电堆内氢气压力维持高压；

正向冲刷模式：关闭电磁阀，等待一定时间，待燃料电池电堆内氢气压力因消耗而下降至低压阀输出端压力后，再次打开电磁阀，利用此时产生的压差进行正向冲刷，待电堆内氢气压力恢复高压后并进入正常工作模式；

反向冲刷模式：首先改变高压电控减压阀和低压电控减压阀的工作位置，从而改变氢气流动方向，然后关闭电磁阀，待燃料电池电堆内氢气压力降低至低压电控减压阀设定值后，再次打开电磁阀，利用此时的压差进行反向冲刷，随后恢复两位三通阀i和两位三通阀ii的工作位置，使气体流动方向恢复至反向冲刷之前的方向，然后进入正常工作模式。

进一步，所述三种工作模式具体为：

正常工作模式：电磁阀保持开启状态，两位三通阀i和两位三通阀ii的开启工位分别为1-3和4-5，即modeⅰ，管路压力为phigh；

正向冲刷模式：关闭电磁阀，燃料电池持续消耗氢气，此时管路压力逐渐下降为plow，再次打开电磁阀，管路内将产生一定的压力差，大小为phigh-plow，从而对燃料电池电堆内的阳极积水进行冲刷，然后回到正常工作模式modeⅰ；

反向冲刷模式：分别改变两位三通阀i和两位三通阀ii的开启工位为2-3和4-6，关闭电磁阀，持续消耗氢气，使管路压力逐渐下降为plow，再次打开电磁阀，利用压差phigh-plow对电堆内的积水进行冲刷，之后分别将两位三通阀i和两位三通阀ii切换回1-3和4-5，然后回到正常工作模式。

本发明的有益效果在于：

1、两位三通阀的应用极大简化了氢气供应管路的连接，通过模式切换能够实现对燃料电池电堆内阳极积水的双向冲刷，改善燃料电池的水分布均匀情况，提高单体电压均匀性；

2、通过动态调节低压减压阀压力设定值，减小因冲刷期间氢气压降而导致的电压下降；

3、模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响很小，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。

4、完全封闭的氢气供应管路提高了氢气的利用率，真正实现氢气的零排放和高效利用。

5、缓冲罐用于排出的阳极积水的收集，既可以清除多余的阳极积水，又可以对氢气起到一定的加湿效果。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的系统的工作模式；

图2为本发明的管路氢气压力变化图；

图3为本发明的模糊控制思路框图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明是针对封闭式燃料电池水管理系统的多模式冲刷控制的新方法，利用燃料电池内部产生的脉动压力对燃料电池电堆进行冲刷，并通过三通阀改变燃料电池氢气供应方向，实现燃料电池电堆的冲刷方向切换。

本发明主要由燃料电池的多模式切换阳极压力脉动水冲刷控制系统，该系统主要包括燃料电池、氢气罐、高压电控减压阀、低压电控减压阀、两位三通阀i、两位三通阀ii、电磁阀缓冲罐以及冷却风扇；如图1所示。设计中采用的两个电控减压阀：一个为恒定输出端压力值的高压阀和一个输出端压力可在线调节的低压阀。两组两位三通阀、电磁阀和一个缓冲罐，通过适当的管路连接完成该发明的硬件搭建。通过优化控制电磁阀的开关间隔和持续时长、氢气冲刷方向以及低压端电控减压阀的输出压力，并应用模糊理论实现三种工作模式的切换和氢气压差的控制，从而实现最优的阳极水冲刷控制。

正常工作模式：燃料电池正常工作时，电磁阀保持开启，电堆内氢气压力维持高压；

正向冲刷模式：关闭电磁阀，等待一小段时间，待电堆内氢气压力因消耗而下降至低压阀输出端压力后，再次打开电磁阀，利用此时产生的压差进行正向冲刷，待电堆内氢气压力恢复高压后并进入正常工作模式；

反向冲刷模式：首先改变两个三通阀的工作位置，从而改变氢气流动方向，然后关闭电磁阀，待电堆内氢气压力降低至低压减压阀设定值后，再次打开电磁阀，利用此时的压差进行反向冲刷，随后恢复三通阀工作位置，使气体流动方向恢复至反向冲刷之前的方向，然后进入正常工作模式。

图2为本发明的管路氢气压力变化图。

为实现以上冲刷效果，如图3所示，本发明的控制思路如下：

1、本阳极水管理多模式冲刷控制系统，通过采集输出电压变化、输出电压变化率以及单体电压均匀性反馈于模糊控制器，通过调整冲刷持续时间、冲刷间隔、冲刷方向以及冲刷压力差以达到更好的冲刷效果(表现为良好的单体电压均匀性)，同时维持冲刷期间更稳定的电堆性能(表现在输出电压变化以及变化率)；

2、根据电堆单体电压均匀性情况，决定冲刷方向是否改变；

3、以输出电压变化大小和单体电压均匀性变化为评判指标，在不同的低压减压阀设定值下进行燃料电池性能和冲刷效果的标定，以确定不同工况下最佳的低压减压阀压力设定值；

4、在确定上述控制参数后，冲刷时间和冲刷间隔则是根据模糊规则确定。

本发明的工作模式为：

(1)正常工作模式：电磁阀保持开启状态，两个三通阀的开启工位分别为1-3和4-5，即modeⅰ，管路压力为phigh；

(2)正向冲刷模式：关闭电磁阀，燃料电池持续消耗氢气，此时管路压力逐渐下降为plow，再次打开电磁阀，管路内将产生一定的压力差，大小为phigh-plow，从而对电堆内的阳极积水进行冲刷，然后回到正常工作模式modeⅰ；

(3)反向冲刷模式：分别改变两位三通阀的开启工位为2-3和4-6，关闭电磁阀，持续消耗氢气，使管路压力逐渐下降为plow，再次打开电磁阀，利用压差phigh-plow对电堆内的积水进行冲刷，之后分别将两个两位三通阀切换回1-3和4-5，然后回到正常工作模式。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。