一种燃料电池系统的阴极回路及其控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，具体地说，是涉及一种燃料电池系统的阴极回路及其控制方法。


背景技术：

2.燃料电池的阴极回路是向燃料电池电堆阴极供给空气的结构。一般燃料电池系统的阴极回路中，包含空压机、增湿器、节气门等零部件。入口空气由空压机进行压缩，变为高压空气。进一步通过增湿器进行加湿后进入电堆；出口空气经过增湿器，为入口空气提供水分。阴极出口由节气门控制背压，调节电堆内阴极压力。通过节气门排放的湿空气将与电堆运行时通过吹扫阀排出的氢气一起，经过排气管向外排出。
3.然而，在一般的燃料电池系统中，会遇到下列问题。
4.1.在燃料电池系统启动和关机过程中，空压机并未进行运行，节气门也处于关闭状态。在该情形下，燃料电池系统中通过吹扫排出的氢气将具有较大浓度，会产生起火危险。一般来说，从燃料电池系统中排放的氢气体积浓度应该在3%以下。
5.2.在燃料电池系统关机完成后，节气门处于关闭状态，但是空气依旧能从空压机处进入电堆，导致电堆阴极的氧气含量较高。在该情形下，氧气可能会通过电堆的膜电极由阴极渗透进入电堆阳极，从而产生氢空界面，进一步导致电堆耐久的降低。
6.3.当关机发生在5℃或更低的环境温度下时，为了防止电堆内水结冰，通常会通过空压机产生的高压空气使电堆内的水排出。在该情形下，排出的水气可能会通过增湿器的交换再次进入电堆，从而无法有效除水。当电堆内部残留水结冰时，会使燃料电池系统的冷启动时间增加，或者会产生启动故障。
7.4.在燃料电池系统运行时，进入电堆内的空气全部经过了增湿器的加湿。在该情形下，可能会导致电堆内部水含量过多，从而产生水淹现象，造成运行故障。


技术实现要素：

8.为了解决上述技术问题，本发明的第一个目的在于提供一种燃料电池系统的阴极回路，该阴极回路保障了燃料电池系统的可靠性和耐久性，本发明的第二个目的在于提供一种燃料电池系统的阴极回路的控制方法。
9.为了实现上述第一个发明目的，本发明采用以下技术方案：一种燃料电池系统的阴极回路，包括进气管、空压机、增湿器、电堆、节气门、排气管和控制器，所述进气管、空压机、增湿器以及电堆的入口端依次通过阴极入口管路连接、所述电堆的出口端通过阴极出口管路依次与增湿器、节气门连接后，再与电堆的氢气排出管一起连接至排气管，所述阴极管路上还连接有阴极流量控制模块、所述阴极流量控制模块分别与空压机、电堆、增湿器、排气管连通，且阴极流量控制模块与空压机为常通，阴极流量控制模块与电堆、增湿器、排气管连通之间通过控制器进行开度控制。
10.作为优选方案，所述阴极流量控制模块为四通阀，包括一个进气口和三个出气口，
所述进气口与空压机连通，三个出气口分别与电堆、增湿器、排气管连通。
11.作为优选方案，所述阴极流量控制模块采用二通阀和三通阀中的一种或多种串并联组合的结构。
12.作为优选方案，所述排气管上还设有传感器，所述传感器与控制器连接。
13.为了实现上述第二个发明目的，本发明采用以下技术方案：一种燃料电池系统的阴极回路的控制方法，所述阴极流量控制模块根据从控制器输出的控制信号进行调节，包括启动模式、正常运行模式、关机模式；此处阴极流量控制模块与空压机连通的端口为p口，阴极流量控制模块与电堆、增湿器、排气管连通的端口分别为c口、b口和a口；首先，启动模式是在燃料电池系统启动运行的条件下采用的控制模式，该控制模式下，气体自p口进入阴极流量控制模块进行分配，选择性的自a口和c口排出；其中，通过a口和c口的气体流量比例可通过控制信号进行调节；控制器根据电堆的运行状态对a口和c口的流量比例进行调节，在启动时对电堆阳极进行吹扫时，c口闭合，气体完全自a口排出，以降低排气管中的氢气体积浓度，使其低于3%；当阳极吹扫结束，电堆开始低功率运行时，开放c口排气，并根据电堆的运行状态，调节a口和c口的流量比例，使部分气体自c口排出，进入电堆，在保障电堆运行所需阴极流量的条件下，降低排气管中的氢气体积浓度，使其低于3%，直至燃料电池系统正常工作；其次，正常运行模式是在燃料电池系统正常运行的条件下采用的控制模式，该控制模式下，气体自p口进入阴极流量控制模块进行分配，选择性的自a口、b口和c口排出；其中，通过a口、b口和c口的气体流量比例通过控制信号进行调节；控制器根据电堆的运行状态和电堆内湿度对b口和c口的流量比例进行调节，当电堆内湿度过大时，减小b口的流量比例，增大c口的流量比例，使更多的气体从c口排出，不经过加湿直接进入电堆，从而降低堆内湿度；当堆内湿度过小时，减小c口的流量比例，增大b口的流量比例，使更多的气体从b口排出，经过增湿器加湿再进入电堆，从而增大堆内湿度；正常运行模式下，当传感器侦测到排气出口氢气浓度较高时，控制器会开启a口，使部分空气直接进入排气管路以降低氢气浓度；此外，关机模式是在燃料电池系统已关机状态下采用的控制模式，该控制模式下，气体由p口进入阴极流量控制模块后，将全部自a口排出，关机模式下，b口和c口处于闭合状态，气体无法通过，避免空气进入电堆；作为优选方案，上述控制方法还包括排水模式，所述排水模式是在燃料电池系统在环境温度处于低温或常温下，进行关机时所采用的控制模式，该控制模式下，气体自p口进入阴极流量控制模块进行分配，选择性的自a口、b口和c口排出，其中，通过a口、b口和c口的气体流量比例通过控制信号进行调节，控制器根据电堆的运行状态对a口、b口和c口的流量比例进行调节，在关机时对电堆阴极进行吹扫时，a口闭合，气体自b口和c口排出，当阴极吹扫结束后，b口和c口闭合，气体自a口排出，以降低排气管中的氢气体积浓度，使其低于3%，直至燃料电池系统完全关闭。
14.作为优选方案，所述启动模式也能采用如下过程进行：启动模式下，气体自p口进入阴极流量控制模块进行分配，选择性的自a口和b口排出，其中，通过a口和b口的气体流量比例可通过控制信号进行调节，控制器根据电堆的运行状态对a口和b口的流量比例进行调
节，在启动时对电堆阳极进行吹扫时，b口闭合，气体完全自a口排出，以降低排气管中的氢气体积浓度，使其低于3%；当阳极吹扫结束，电堆开始低功率运行时，开放b口排气，并根据电堆的运行状态，调节a口和b口的流量比例，使部分气体自b口排出，进入电堆，在保障电堆运行所需阴极流量的条件下，降低排气管中的氢气体积浓度，使其低于3%，直至燃料电池系统正常工作。
15.作为优选方案，所述启动模式还能采用如下过程进行：启动模式下，气体自p口进入阴极流量控制模块进行分配，选择性的自a口、b口和c口排出，其中，通过a口、b口和c口的气体流量比例可通过控制信号进行调节，控制器根据电堆的运行状态对a口、b口和c口的流量比例进行调节，在启动时对电堆阳极进行吹扫时，b口和c口闭合，气体完全自a口排出，以降低排气管中的氢气体积浓度，使其低于3%；当阳极吹扫结束，电堆开始低功率运行时，开放b口和c口排气，并根据电堆的运行状态，调节a口、b口和c口的流量比例，使部分气体自b口和c口排出，进入电堆，在保障电堆运行所需阴极流量的条件下，降低排气管中的氢气体积浓度，使其低于3%，直至燃料电池系统正常工作。
16.作为优选方案，所述启动模式还能采用如下过程进行：排水模式下，气体自p口进入阴极流量控制模块进行分配，选择性的自a口和c口排出，其中，通过a口和c口的气体流量比例可通过控制信号进行调节，控制器根据电堆的运行状态对a口和c口的流量比例进行调节，在关机时对电堆阴极进行吹扫时，a口闭合，气体自c口排出，当阴极吹扫结束后， c口闭合，气体自a口排出，以降低排气管中的氢气体积浓度，使其低于3%，直至燃料电池系统完全关闭。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的通过在阴极回路上设置阴极流量控制模块，优化燃料电池系统的阴极回路，可以控制阴极空气的流向、流量、湿度等，从而能够降低燃料电池排出废气中的氢气浓度，使其低于可燃极限的75%；且能够在燃料电池关机状态密闭电堆，避免空气进入电堆；能够控制入堆空气的湿度与流量。
附图说明
18.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的限定。
19.图1是采用本发明的结构示意图。
具体实施方式
20.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
21.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、部件和/或它们的组合。
22.此外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、
“
宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
23.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
24.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
26.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：如图1所示，本实施例提供一种燃料电池系统的阴极回路，包括进气管、空压机1、增湿器3、电堆4、节气门5、排气管和控制器，所述进气管、空压机1、增湿器3以及电堆4的入口端依次通过阴极入口管路连接、所述电堆4的出口端通过阴极出口管路依次与增湿器3、节气门5连接后，再与电堆4的氢气排出管一起连接至排气管，所述阴极管路上还连接有阴极流量控制模块2、所述阴极流量控制模块2分别与空压机1、电堆4、增湿器3、排气管连通，且阴极流量控制模块2与空压机1为常通，阴极流量控制模块2与电堆4、增湿器3、排气管连通之间通过控制器进行开度控制，所述排气管上还设有传感器，所述传感器与控制器连接。
27.空压机，用于提供高压空气，并控制阴极回路的空气流量与压力；增湿器，用于对进入电堆的空气进行加湿；节气门，用于调节背压以控制阴极回路的空气流量与压力；阴极流量控制模块，连接空压机与增湿器，并有额外的管线使空气可不经过增湿器直接进入电堆或不经过电堆直接进入排气管，以控制进入加湿器和电堆的气流；阴极管路，连接阴极回路中的各零部件，用于空气的流通。
28.阴极流量控制模块可由一个四通阀或是多个三通阀或两通阀或是其他结构构成，位于阴极回路中空压机和增湿器之间，具有一个入口和三个出口，三个出口之间可实现切换。其中，p口为入口，连接至空压机出口，经过空压机增压后的高压空气会由此进入阴极流量控制模块进行分配；a口为第一出口，连接至燃料电池系统排气管，可以使高压空气不经过电堆直接排出至外界；b口为第二出口，连接至增湿器入口，可以使高压空气进入增湿器进行加湿；c口为第三出口，连接至电堆入口，可以使高压空气不经过加湿进入电堆。p口为常开，a口、b口和c口可以由控制信号进行开度控制。
29.一种燃料电池系统的阴极回路的控制方法，阴极流量控制模块根据从控制器输出的控制信号进行控制，按照相应的正常运行模式、启动模式、关机模式、排水模式进行运行。不同控制信号会开放不同的出口。
30.首先，正常运行模式是在燃料电池系统正常运行的条件下采用的控制模式。该控制模式下，气体自p口进入阴极流量控制模块进行分配，选择性的自a口、b口和c口排出。其中，通过a口、b口和c口的气体流量比例可通过控制信号进行调节。
31.调节b口和c口气体流量比例的控制信号由控制器发出，控制器根据电堆的运行状态和堆内湿度对b口和c口的流量比例进行调节。当堆内湿度过大时，减小b口的流量比例，增大c口的流量比例，使更多的气体从c口排出，不经过加湿直接进入电堆，从而降低堆内湿度；当堆内湿度过小时，减小c口的流量比例，增大b口的流量比例，使更多的气体从b口排出，经过增湿器加湿再进入电堆，从而增大堆内湿度。当正常运行模式下，当传感器侦测到排气出口氢气浓度较高时，控制器会开启a口，使部分空气直接进入排气管路以降低氢气浓度。
32.接着，启动模式是在燃料电池系统启动运行的条件下采用的控制模式。该控制模式下，气体自p口进入阴极流量控制模块进行分配，选择性的自a口和c口排出。其中，通过a口和c口的气体流量比例可通过控制信号进行调节。
33.调节a口和c口气体流量比例的控制信号由控制器发出，控制器根据电堆的运行状态对a口和c口的流量比例进行调节。在启动时对电堆阳极进行吹扫时，c口闭合，气体完全自a口排出，以降低排气管中的氢气体积浓度，使其低于3%；当阳极吹扫结束，电堆开始低功率运行时，开放c口排气，并根据电堆的运行状态，调节a口和c口的流量比例，使部分气体自c口排出，进入电堆，在保障电堆运行所需阴极流量的条件下，降低排气管中的氢气体积浓度，使其低于3%，直至燃料电池系统正常工作。
34.此外，关机模式是在燃料电池系统已关机状态下采用的控制模式。该控制模式下，气体由p口进入阴极流量控制模块后，将全部自a口排出。
35.关机模式下，b口和c口处于闭合状态，气体无法通过，因而可以避免空气进入电堆，从而提升电堆的耐久，阻止其性能劣化。
36.最后，排水模式是在燃料电池系统在环境温度处于低温或常温下，进行关机时所采用的控制模式。该控制模式下，气体自p口进入阴极流量控制模块进行分配，选择性的自a口、b口和c口排出。其中，通过a口、b口和c口的气体流量比例可通过控制信号进行调节。
37.调节a口、b口和c口气体流量比例的控制信号由控制器发出，控制器根据电堆的运行状态对a口、b口和c口的流量比例进行调节。在关机时对电堆阴极进行吹扫时，a口闭合，气体自b口和c口排出。由于c口排出的气体不会经过增湿器，因此不会将电堆内排出的水气重新带入电堆，因而可以有效的降低电堆中的水含量，提升车辆的冷启动性能。当阴极吹扫结束后，b口和c口闭合，气体自a口排出，以降低排气管中的氢气体积浓度，使其低于3%，直至燃料电池系统完全关闭。该模式中b口和c口间的流量比例可根据系统需求或设计变化。
38.所述启动模式也能采用如下过程进行：启动模式下，气体自p口进入阴极流量控制模块进行分配，选择性的自a口和b口排出，其中，通过a口和b口的气体流量比例可通过控制信号进行调节，控制器根据电堆的运行状态对a口和b口的流量比例进行调节，在启动时对电堆阳极进行吹扫时，b口闭合，气体完全自a口排出，以降低排气管中的氢气体积浓度，使
其低于3%；当阳极吹扫结束，电堆开始低功率运行时，开放b口排气，并根据电堆的运行状态，调节a口和b口的流量比例，使部分气体自b口排出，进入电堆，在保障电堆运行所需阴极流量的条件下，降低排气管中的氢气体积浓度，使其低于3%，直至燃料电池系统正常工作。
39.所述启动模式还能采用如下过程进行：启动模式下，气体自p口进入阴极流量控制模块进行分配，选择性的自a口、b口和c口排出，其中，通过a口、b口和c口的气体流量比例可通过控制信号进行调节，控制器根据电堆的运行状态对a口、b口和c口的流量比例进行调节，在启动时对电堆阳极进行吹扫时，b口和c口闭合，气体完全自a口排出，以降低排气管中的氢气体积浓度，使其低于3%；当阳极吹扫结束，电堆开始低功率运行时，开放b口和c口排气，并根据电堆的运行状态，调节a口、b口和c口的流量比例，使部分气体自b口和c口排出，进入电堆，在保障电堆运行所需阴极流量的条件下，降低排气管中的氢气体积浓度，使其低于3%，直至燃料电池系统正常工作。
40.所述排水模式还能采用如下过程进行：排水模式下，气体自p口进入阴极流量控制模块进行分配，选择性的自a口和c口排出，其中，通过a口和c口的气体流量比例可通过控制信号进行调节，控制器根据电堆的运行状态对a口和c口的流量比例进行调节，在关机时对电堆阴极进行吹扫时，a口闭合，气体自c口排出，当阴极吹扫结束后， c口闭合，气体自a口排出，以降低排气管中的氢气体积浓度，使其低于3%，直至燃料电池系统完全关闭。
41.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
42.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。