一种燃料电池的控制系统的制作方法

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池的控制系统。

背景技术：

随着燃料电池技术的发展，燃料电池在解决成本与寿命后成为其商业化的关键因素后，是其环境适应性，而燃料电池的电堆及其系统的低温储存和启动是其关键性性能之一。

由于燃料电池工作后，其会在电堆以及其系统中存在大量液态水及水蒸汽，当燃料电池在外界环境温度低于零度时，留在电堆及其系统中水会结冰，所结的冰会对电堆中的膜电极组件造成致命伤害，有时会刺穿电池中的质子交换膜；其次会堵塞气体管道和流场流道，使电池流体流通不畅，对电池性能及寿命造成影响。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种燃料电池的控制系统，以解决现有技术中的问题。

作为本实用新型的一个方面，提供一种燃料电池的控制系统，其中，所述燃料电池的控制系统包括：氢气端水汽循环装置、空气端空气供给装置、电堆水分监控装置、电堆冷却及低温加热装置和控制装置，所述氢气端水汽循环装置设置在燃料电池电堆的阳极端，所述空气端空气供给装置设置在燃料电池电堆的阴极端，所述电堆水分监控装置和所述电堆冷却及低温加热装置均与所述燃料电池电堆连接，所述氢气端水汽循环装置、空气端空气供给装置、电堆水分监控装置和电堆冷却及低温加热装置均与所述控制装置通信连接；

所述氢气端水汽循环装置用于在所述控制装置的控制下对燃料电池电堆中的每个燃料电池的阳极端进行水汽循环或真空抽气；

所述空气端空气供给装置用于在所述控制装置的控制下对燃料电池电堆中的每个燃料电池的阴极端进行空气吹扫；

所述电堆水分监控装置用于在所述控制装置的控制下对燃料电池电堆中的水分进行监控；

所述电堆冷却及低温加热装置用于在所述控制装置的控制下对燃料电池电堆进行冷却或者低温加热。

优选地，所述氢气端水汽循环装置包括高压氢气罐、氢共轨喷射器、三通缓冲器、氢气循环泵和汽水分离器，所述高压氢气罐上设置有减压阀，所述高压氢气罐通过所述减压阀依次与所述氢共轨喷射器、三通缓冲器以及燃料电池的阳极端的入口连接，所述汽水分离器的一端与燃料电池的阳极端的出口连接，所述汽水分离器的另一端依次与所述氢气循环泵和单向阀连接，所述单向阀与所述三通缓冲器连接，所述氢共轨喷射器和氢气循环泵均与所述控制装置连接，所述高压氢气罐内的氢气通过氢共轨喷射器、三通缓冲器和燃料电池的阳极端的入口进入到燃料电池电堆的阳极端，所述汽水分离器用于将所述燃料电池的阳极端的出口排出的汽水进行氢气和液态水分离，所述氢气循环泵用于在所述控制装置的控制下将所述汽水分离器分离后的氢气循环至所述单向阀，所述单向阀用于将所述氢气输送至所述三通缓冲器。

优选地，所述氢气端水汽循环装置还包括氢气压力传感器和排气阀，所述氢气压力传感器和所述排气阀均与所述控制装置连接，所述排气阀设置在所述单向阀和所述氢气循环泵之间，所述氢气压力传感器用于监测所述燃料电池电堆内的氢气的压力信号，并将监测到的压力信号发送至所述控制装置，所述控制装置用于根据所述压力信号判断所述燃料电池电堆内的压力是否超过预设阈值，所述排气阀用于在所述电池电堆内的压力超过预设阈值时在所述控制装置的控制下排放氢气。

优选地，所述氢气端水汽循环装置包括氢气温湿度传感器，所述氢气温湿度传感器与所述控制装置连接，所述氢气温湿度传感器设置在所述燃料电池的阳极端的入口处，所述氢气温湿度传感器用于监测所述燃料电池电堆内的温湿度信号，并将监测到的所述温室度信号发送至所述控制装置。

优选地，所述空气端空气供给装置包括空气滤清器、空气泵、空气流量控制器和背压调节器，所述空气滤清器依次与所述空气泵、空气流量控制器以及所述燃料电池的阴极端的入口连接，所述背压调节器与所述燃料电池的阴极端的出口连接，所述空气流量控制器与所述控制装置连接，所述空气滤清器用于通过所述空气泵和所述空气流量控制器向所述燃料电池的阴极端吹入空气，所述背压调节器用于将所述燃料电池的阴极端的出口的空气排出，所述空气流量控制器用于在所述控制装置的控制下控制所述燃料电池的阴极端的入口的空气流量。

优选地，所述空气端空气供给装置还包括空气压力流量传感器，所述空气压力流量传感器设置在所述空气流量控制器和所述燃料电池的阴极端的入口之间，所述空气压力流量传感器与所述控制装置连接，所述空气压力流量传感器用于监测所述燃料电池的阴极端的入口的空气压力流量。

优选地，所述空气端空气供给装置还包括空气温度传感器，所述空气温度传感器设置在所述空气流量控制器和所述燃料电池的阴极端的入口之间，所述空气温度传感器与所述控制装置连接，所述空气温度传感器用于监测所述燃料电池的阴极端的入口的空气温度。

优选地，所述电堆水分监控装置包括电池内阻监视器，所述电池内阻监视器设置与所述燃料电池电堆连接，所述电池内阻监视器还与所述控制装置连接，所述电池内阻监视器用于监测所述燃料电池电堆的内阻数据。

优选地，所述电堆冷却及低温加热装置包括水箱、水泵、热交换器和启动电池，所述水箱与所述燃料电池电堆连接，所述水泵与所述水箱连接，所述热交换器分别与所述水泵和所述燃料电池电堆连接，所述水箱和所述水泵均与所述启动电池连接，所述水泵和启动电池均与所述控制装置连接，所述水箱、水泵和热交换器在所述控制装置的控制下能够对所述燃料电池电堆进行低温加热。

优选地，所述电堆冷却及低温加热装置包括冷却风扇，所述冷却风扇分别与所述启动电池和所述控制装置连接，所述冷却风扇能够在所述控制装置的控制下能够对所述燃料电池电堆进行冷却。

本实用新型提供的燃料电池的控制系统，通过氢气端水汽循环装置对燃料电池氢气侧进行真空抽气，空气端空气供给装置对燃料电池空气侧进行空气吹扫，除去燃料电池电堆中液态水和水蒸气，使电堆内部的空气侧和氢气侧同步除水，能够达到短时间内除去电堆内部过多的液态水的目的，且设置有电堆水分监控装置和电堆冷却及低温加热装置，同时在管道中避免在寒冷低温情况下，电堆内部因为水结冰而对电池造成伤害以及因为管道结冰而无法启动。

附图说明

附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型提供的燃料电池的控制系统的结构框图。

图2为本实用新型提供的氢气端水汽循环装置的结构示意图。

图3为本实用新型提供的空气端空气供给装置的结构示意图。

图4为本实用新型提供的电堆水分监控装置的结构示意图。

图5为本实用新型提供的电堆冷却及低温加热装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

作为本实用新型的一个方面，提供一种燃料电池的控制系统，其中，如图1所示，所述燃料电池的控制系统包10括：氢气端水汽循环装置110、空气端空气供给装置120、电堆水分监控装置130、电堆冷却及低温加热装置140和控制装置150，所述氢气端水汽循环装置110设置在燃料电池电堆的阳极端，所述空气端空气供给装置120设置在燃料电池电堆的阴极端，所述电堆水分监控装置130和所述电堆冷却及低温加热装置140均与所述燃料电池电堆连接，所述氢气端水汽循环装置110、空气端空气供给装置120、电堆水分监控装置130和电堆冷却及低温加热装置140均与所述控制装置150通信连接；

所述氢气端水汽循环装置110用于在所述控制装置150的控制下对燃料电池电堆中的每个燃料电池的阳极端进行水汽循环或真空抽气；

所述空气端空气供给装置120用于在所述控制装置150的控制下对燃料电池电堆中的每个燃料电池的阴极端进行空气吹扫；

所述电堆水分监控装置130用于在所述控制装置150的控制下对燃料电池电堆中的水分进行监控；

所述电堆冷却及低温加热装置140用于在所述控制装置150的控制下对燃料电池电堆进行冷却或者低温加热。

本实用新型提供的燃料电池的控制系统，通过氢气端水汽循环装置对燃料电池氢气侧进行真空抽气，空气端空气供给装置对燃料电池空气侧进行空气吹扫，除去燃料电池电堆中液态水和水蒸气，使电堆内部的空气侧和氢气侧同步除水，能够达到短时间内除去电堆内部过多液态水的目的，且设置有电堆水分监控装置和电堆冷却及低温加热装置，同时在管道中避免在寒冷低温情况下，电堆内部因为水结冰而对电池造成伤害以及因为管道结冰而无法启动。

优选地，所述控制装置150包括单片机。

作为氢气端水汽循环装置110的具体实施方式，如图2所示，所述氢气端水汽循环装置110包括高压氢气罐111、氢共轨喷射器112、三通缓冲器113、单向阀114、氢气循环泵115和汽水分离器116，所述高压氢气罐111上设置有减压阀，所述高压氢气罐111通过所述减压阀依次与所述氢共轨喷射器112、三通缓冲器113以及燃料电池的阳极端的入口连接，所述汽水分离器116的一端与燃料电池的阳极端的出口连接，所述汽水分离器116的另一端依次与所述氢气循环泵115和单向阀114连接，所述单向阀114与所述三通缓冲器113连接，所述氢共轨喷射器112和氢气循环泵115均与所述控制装置150连接，所述高压氢气罐111内的氢气通过氢共轨喷射器112、三通缓冲器113和燃料电池的阳极端的入口进入到燃料电池电堆的阳极端，所述汽水分离器116用于将所述燃料电池的阳极端的出口排出的汽水进行氢气和液态水分离，所述氢气循环泵115用于在所述控制装置150的控制下将所述汽水分离器分离后的氢气循环至所述单向阀114，所述单向阀114用于将所述氢气输送至所述三通缓冲器113。

具体地，如图2所示，所述氢气端水汽循环装置110还包括氢气压力传感器117和排气阀118，所述氢气压力传感器117和所述排气阀119均与所述控制装置150连接，所述排气阀119置在所述单向阀114和所述氢气循环泵115之间，所述氢气压力传感器117用于监测所述燃料电池电堆内的氢气的压力信号，并将监测到的压力信号发送至所述控制装置150，所述控制装置150用于根据所述压力信号判断所述燃料电池电堆内的压力是否超过预设阈值，所述排气阀119用于在所述电池电堆内的压力超过预设阈值时在所述控制装置150的控制下排放氢气。

具体地，如图2所示，所述氢气端水汽循环装置110包括氢气温湿度传感器118，所述氢气温湿度传感器118与所述控制装置150连接，所述氢气温湿度传感器118置在所述燃料电池的阳极端的入口处，所述氢气温湿度传感器118用于监测所述燃料电池电堆内的温湿度信号，并将监测到的所述温室度信号发送至所述控制装置150。

具体地，所述氢气端水汽循环装置110包括第一管路，所述高压氢气罐111通过所述减压阀和所述第一管路依次与所述氢共轨喷射器112、三通缓冲器113以及所述燃料电池的阳极端的入口连接，所述汽水分离器116的一端通过所述第一管路与所述燃料电池的阳极端的出口连接，所述汽水分离器116的另一端依次通过第一管路与所述氢气循环泵115和单向阀114连接，所述单向阀114与所述三通缓冲器113通过第一管路连接。

可以理解的是，高压氢气罐111通过减压阀和第一管路依次和氢共轨喷射器112、三通缓冲器113与燃料电池电堆的氢气入口相连，而电堆的氢气出口与汽水分离器116、氢气循环泵115、单向阀114，最后又连接至三通缓冲器113，进行氢气水汽再循环。由于质子交换膜燃料电池在阳极需要水气使膜保持润湿，而阴极需要排除水，使电池保持平稳运行。阴极产生的水渗透至阳极，通过循环泵对燃料电池阳极进行水管理。

具体地，如图3所示，所述空气端空气供给装置120包括空气滤清器121、空气泵122、空气流量控制器123和背压调节器124，所述空气滤清器121依次与所述空气泵122、空气流量控制器123以及所述燃料电池的阴极端的入口连接，所述背压调节器124与所述燃料电池的阴极端的出口连接，所述空气流量控制器123与所述控制装置150连接，所述空气滤清器121用于通过所述空气泵122和所述空气流量控制器123向所述燃料电池的阴极端吹入空气，所述背压调节器124用于将所述燃料电池的阴极端的出口的空气排出，所述空气流量控制器123用于在所述控制装置150的控制下控制所述燃料电池的阴极端的入口的空气流量。

具体地，所述空气端空气供给装置120还包括空气压力流量传感器125，所述空气压力流量传感器125设置在所述空气流量控制器123和所述燃料电池的阴极端的入口之间，所述空气压力流量传感器125与所述控制装置150连接，所述空气压力流量传感器125用于监测所述燃料电池的阴极端的入口的空气压力流量。

具体地，所述空气端空气供给装置120还包括空气温度传感器126，所述空气温度传感器126设置在所述空气流量控制器123和所述燃料电池的阴极端的入口之间，所述空气温度传感器126与所述控制装置150连接，所述空气温度传感器126用于监测所述燃料电池的阴极端的入口的空气温度。

具体地，所述空气端空气供给装置120包括第二管路，所述空气滤清器通过所述管路依次与所述空气泵122、空气流量控制器123以及所述燃料电池的阴极端的入口连接，所述背压调节器124与所述燃料电池的阴极端的出口通过所述第二管路连接。

具体地，如图4所示，所述电堆水分监控装置130包括电池内阻监视器131，所述电池内阻监视器131设置与所述燃料电池电堆连接，所述电池内阻监视器131还与所述控制装置150连接，所述电池内阻监视器131用于监测所述燃料电池电堆的内阻数据。

具体地，如图5所示，所述电堆冷却及低温加热装置140包括水箱141、水泵142、热交换器143和启动电池144，所述水箱141与所述燃料电池电堆连接，所述水泵142与所述水箱141连接，所述热交换器143分别与所述水泵142和所述燃料电池电堆连接，所述水箱141和所述水泵142均与所述启动电池144连接，所述水泵142和启动电池144均与所述控制装置150连接，所述水箱141、水泵142和热交换器143在所述控制装置150的控制下能够对所述燃料电池电堆进行低温加热。

具体地，如图5所示，所述电堆冷却及低温加热装置140包括冷却风扇145，所述冷却风扇145分别与所述启动电池144和所述控制装置150连接，所述冷却风扇145能够在所述控制装置150的控制下能够对所述燃料电池电堆进行冷却。

下面对本实用新型提供的燃料电池的控制系统的具体工作过程进行详细描述。

燃料电池低温启动的工作过程具体如下：

第一，电堆启动时，控制装置150通过氢气温湿度传感器118和空气温度传感器126感知电堆温度，通过空气温度传感器126对燃料电池堆进行检测，得到燃料电池堆的温度值T1； 当燃料电池电堆的温度值T≤-5℃时，电堆进入低温启动程序；当燃料电池电堆的温度值T>-5℃时，电堆进入正常启动程序。

第二，当燃料电池堆的温度值T>-5℃时，启动燃料电池堆，控制装置150根据电堆额定惰性负载，按预先设定的氢气和空气的化学计量比给出所需的空气流量，当入口流量计指示的流量达到所需的空气流量时，控制装置150控制空气泵122维持此时的转数恒定，控制装置150打开高压氢气罐111瓶口阀和氢共轨喷射器112，向电堆供应氢气，电堆进行0-3分钟的暖机；控制装置150根据所需加载的大小按预先设定的氢气和空气的化学计量比给出所需的空气流量，当入口流量计指示的流量达到所需的空气流量时，控制装置150控制空气泵122维持此时的转数恒定，氢共轨喷射器112流量恒定，同时氢气循环泵115启动按照预先设定的化学计量比进行回氢，电堆对外提供稳定的电流电压输出。

第三，当燃料电池堆的温度值T>45℃，控制装置150控制水泵142、冷却风扇145工作，对整个电堆进行冷却，使电堆的温度保持在TW（工作温度），TW值在65℃ ~ 85℃。

第四，当燃料电池电堆的温度值-20℃≤T≤-5℃时，启动燃料电池，控制装置150据电堆低温启动惰性负载，按预先设定的氢气和空气的化学计量比给出所需的空气流量，当入口流量计指示的流量达到所需的空气流量时，控制装置150控制空气泵122维持此时的转数恒定，对电堆进行0-3分钟的低温暖机，当燃料电池电堆的温度值高于零度时，按上述第二条进行。

第五，当燃料电池电堆的温度值T≤-20℃时，启动燃料电池电堆，控制装置150控制启动电池144对电堆进行加热，当电堆温度T升至-20℃以上时，按第四条进行。

燃料电池低温停机的工作过程具体如下：

第一，低温电堆停机时，控制装置150断开电堆对外输出，控制装置150根据电堆额定惰性负载，按预先设定的氢气和空气的化学计量比给出所需的空气流量，当入口流量计指示的流量达到所需的空气流量时，控制装置150控制空气泵122维持此时的转数恒定；控制装置150控制关闭氢气罐瓶口阀，停止向电堆供氢；

第二，电堆依靠惰性负载消耗电堆中的余氢，当控制装置150根据电堆巡检给出的单片电压低于0.1V时，控制装置150控制空气泵122以额定空气流量吹扫阴极侧，控制装置150控制氢气循环泵115对燃料电池阳极侧进行真空抽气，电堆内阻监视器131向控制装置150反馈电堆内阻变化数据，电池内阻到达一定数值时，控制装置150控制空气泵122、氢气循环泵115停机，然后关闭空气侧和氢气侧的阀门，电堆停止工作。

本实用新型提供的燃料电池的控制系统，在电堆高温时空气侧空气吹扫、氢气侧氢循环泵真空抽气，同步去除燃料电池电堆中水份，通过内阻监测电堆中的水含量，使电堆中水份降至合理水平，这样电堆中MEA在零度以下不会产生纳米冰晶和枝晶，而纳米冰晶和枝晶的产生对燃料电池的性能和寿命有致命伤害 。通过减少电堆中MEA纳米冰晶和枝晶生成，是燃料电池电堆在零下40度，零下30度燃料电池电堆启动。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。