一种具有防水淹功能的燃料电池电堆装置及控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种具有防水淹功能的燃料电池电堆装置及控制方法。


背景技术：

2.燃料电池电堆在运行过程中，电堆头部或尾部的单片燃料电池容易发生单电池电压过低的单低现象，单低现象严重时会造成停机，并对电堆造成不可逆的伤害。
3.通常情况下，现有燃料电池电堆一般采用金属端板片，端板片的单低很可能是水淹导致，水淹造成电堆局部范围的流道堵塞，液态水覆盖在催化剂表面，使氢气、空气无法与催化剂发生有效的化学反应，导致氢气饥饿、空气饥饿，进而使单片燃料电池的性能逐渐恶化，并腐蚀催化剂，对燃料电池电堆的可靠性和寿命造成很大的影响。
4.为了解决上述端板片温差大出现冷凝水的问题，现有技术通常采用在集流板和端板之间加一层绝缘板，包括阴极绝缘板、阳极绝缘板。绝缘板能起绝缘的作用，也可以起隔热的作用。虽然绝缘板可以在一定程度上缓解水淹，但现有技术的绝缘板的厚度较薄，隔热作用有限，且增加绝缘板后，增加了电堆的制造成本，使电堆结构更复杂。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种具有防水淹功能的燃料电池电堆装置及控制方法，用以解决现有燃料电池电堆容易出现水淹且隔热不明显的问题。
6.一方面，本发明实施例提供了一种具有防水淹功能的燃料电池电堆装置，包括前塑料端板（1）、正极集流板（2）、燃料电池组（7）、负极集流板（5）、后塑料端板（6）、交流阻抗测量设备和控制器；其中，前塑料端板（1）、正极集流板（2）依次置于燃料电池组（7）的正极侧，负极集流板（5）、后塑料端板（6）依次置于燃料电池组（7）的负极侧；交流阻抗测量设备的各电极分别与燃料电池组（7）中一个单片燃料电池连接，输出端与控制器的输入端连接；控制器，用于根据燃料电池组中每一单片燃料电池的交流阻抗实时判断电堆装置内部是否发生水淹现象；以及，如果发生，进一步根据所述交流阻抗结合燃料电池电堆装置的输出电流调整进入燃料电池组的气体流量、气体湿度、尾排气排放周期，直到不发生水淹现象为止。
7.上述技术方案的有益效果如下：为了缓解现有技术的水淹现象，上述燃料电池电堆装置在结构上，将金属端板换成了塑料端板，并取消了绝缘板；程序上，增加了防水淹的控制方案。由于塑料的导热性不好，使得端板到单片燃料电池的温差减小 ，从而可以有效减缓水淹现象的发生。并且，塑料端板的密度小于金属端板，有利于电堆的轻量化发展，提升其能量密度。经大量试验发现，塑料端板越厚，水淹频次越少。而且，塑料端板成本较低，易于加工，可以一定程度降低电堆成本。上述燃料电池电堆装置的试验结果显示，使用塑料端板结合上述防水淹的控制方案，端板的单低频次明显消失，能够有效改善水淹现象，燃料
电池电堆装置的寿命明显增加。
8.基于上述装置的进一步改进，该燃料电池电堆装置还包括依次连接的浮动端板（8）、弹簧组（9），以及密封的塑料外壳；其中，负极集流板（5）依次通过所述浮动端板（8）、弹簧组（9）与后塑料端板（6）连接；前塑料端板（1）、正极集流板（2）、燃料电池组（7）、负极集流板（5）、浮动端板（8）、弹簧组（9）、后塑料端板（6）均设置于所述塑料外壳的内部；所述塑料外壳的外表面设置有空气入口、氢气入口、冷却液入口、冷却液出口、氢气出口、尾气排放口。
9.上述进一步改进方案的有益效果是：增加了浮动端板（8）、弹簧组（9），以及密封的塑料外壳。浮动端板（8）是与后塑料端板（6）形状尺寸相同的板，二者之间的区域可以起到隔热和保温作用，防止气体冷凝。密封的塑料外壳可以进一步保证内部设备的工作稳定性。
10.进一步，所述塑料外壳的外表面还设置有电堆正极接线端口（3）和电堆负极接线端口（4）；其中，所述电堆正极接线端口（3）与燃料电池组（7）的正极连接；所述电堆负极接线端口（4）与燃料电池组（7）的负极连接；所述电堆正极接线端口（3）和电堆负极接线端口（4）设置于所述塑料外壳的同一侧。
11.上述进一步改进方案的有益效果是：增加了电堆正极接线端口（3）和电堆负极接线端口（4）后，使得燃料电池电堆装置的使用更加方便。
12.进一步，所述前塑料端板（1）、后塑料端板（6）的材料包括环氧树脂、abs（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）塑料、pa（聚酰胺）塑料中的至少一种，厚度均为2~3 cm。
13.上述进一步改进方案的有益效果是：对塑料端板的优选材料和尺寸进行了限定。塑料的导热性不好，使得端板-单片燃料电池的温差减小 ，从而可以有效减缓水淹现象的发生。且上述塑料端板的密度小于金属板，如此有利于电堆的轻量化发展，提升其质量能量密度，使得燃料电池电堆装置的制造成本低，易于加工。
14.进一步，该燃料电池电堆装置还包括入堆空气控制设备、入堆氢气控制设备以及尾排气节气阀；并且，入堆空气控制设备进一步包括依次连接的空气压缩机、进气节气阀一；其中，所述进气节气阀一设置于所述空气入口前端，通过进气管道一与所述空气入口连接；入堆氢气控制设备进一步包括依次连接的储氢罐、氢气喷射器、进气节气阀二；其中，所述进气阀二设置于所述氢气入口前端，通过进气管道二与所述氢气入口连接；上述尾排气节气阀的输入端与所述尾气排放口连接。
15.上述进一步改进方案的有益效果是：增加了入堆空气控制设备、入堆氢气控制设备以及尾排气节气阀后，可以更加精准地控制入堆气体的流量、压力、湿度。并且，增加了尾排气节气阀，可以进一步控制出堆空气的排放周期。
16.进一步，该燃料电池电堆装置还包括氢气循环设备；所述氢气循环设备，其输入端与所述氢气出口连接，其输出端与氢气喷射器的输入端连接，用于提取所述氢气出口处尾气中剩余的氢气，并排出多余的水分，供燃料电池电堆装置发电再次使用。
17.上述进一步改进方案的有益效果是：增加了氢气循环设备后，可以节省燃料，提高燃料的使用效率，并且，通过排水，能够有效缓解水淹现象。
18.进一步，该燃料电池电堆装置还包括入堆冷却液控制设备；并且，所述入堆冷却液控制设备进一步包括依次连接的散热器、水泵；其中，所述冷却液出口经水泵、散热器与所述冷却液入口连接。
19.上述进一步改进方案的有益效果是：增加了入堆冷却液控制设备后，可以精准控制燃料电池电堆装置的内部工作温度。
20.进一步，所述控制器的输出端分别与进气节气阀一、二、尾排气节气阀、氢气循环设备、散热器的控制端连接；所述控制器进一步包括依次连接的：数据采集单元，用于采集燃料电池组（7）中内每一单片燃料电池的交流阻抗值，以及入堆冷却液温度、燃料电池电堆装置的输出电流，发送至数据处理与控制单元；数据处理与控制单元，用于根据燃料电池组中所有单片燃料电池的交流阻抗实时判断电堆装置内部是否发生水淹现象；以及，如果发生，进一步根据所述交流阻抗结合燃料电池电堆装置的输出电流控制进气节气阀一、二的开度、尾排气节气阀的开启频率，使得进入燃料电池组的空气流量、氢气流量、尾排气排放周期均达到优化值，再次判断，如果仍发生水淹现象，对氢气循环设备、散热器进行控制，使得入堆氢气的湿度、电堆温度发生变化，直到不发生水淹现象为止。
21.上述进一步改进方案的有益效果是：对控制器的结构和各部件的功能进一步限定，能够获得更精准的防水淹控制效果。
22.进一步，所述数据采集单元进一步包括温度传感器、电流传感器；其中，所述温度传感器分别设置于冷却液出口位置；所述电流传感器与所述燃料电池组（7）的供电端连接；所述数据处理与控制单元执行如下程序：定时获取当前时刻燃料电池组中所有单片燃料电池的交流阻抗；将燃料电池组中每一单片燃料电池的交流阻抗分别与预设阈值进行比较，判断电堆装置内部是否发生水淹现象；如果任一单片燃料电池的交流阻抗超过预设阈值，判定发生水淹现象，执行下一步；否则，判定未发生水淹现象，直接输出燃料电池电堆装置未发生水淹现象的结果；获取燃料电池电堆装置的实时输出电流；识别上述实时输出电流的幅值和相位、上述交流阻抗的幅值和相位，将所述实时输出电流的幅值和相位、所述交流阻抗的幅值和相位分别输入事先训练好的深度学习神经网络，获得进入燃料电池组的空气流量、氢气流量、尾排气排放周期，作为各自的优化值；根据上述进入燃料电池组的空气流量、氢气流量控制进气节气阀一、二的开度，并根据上述尾排气排放周期控制尾排气节气阀的开启频率，使其达到各自的优化值；监测燃料电池电堆装置的实时输出电流，直到所述实时输出电流稳定后，再次判断电堆装置内部是否发生水淹现象；如果仍发生水淹现象，对氢气循环设备的排水量、散热器的温度进行控制，使得入堆氢气的湿度降低、电堆温度升高，直到不发生水淹现象为止；输出燃料电池电堆装置发生的水淹现象已解决的结果。
23.上述进一步改进方案的有益效果是：可以在水淹的情况下，通过精准地调整尾排
气节气阀的开启周期、进气节气阀一、二的开度，实现防水淹功能。
24.另一方面，本发明实施例提供了一种具有防水淹功能的燃料电池电堆装置的控制方法，包括如下步骤：定时获取当前时刻燃料电池组中所有单片燃料电池的交流阻抗；根据所有所述单片燃料电池的交流阻抗实时判断电堆装置内部是否发生水淹现象；如果发生，获取燃料电池电堆装置的实时输出电流，根据所述交流阻抗结合所述实时输出电流调整进入燃料电池组的空气流量、气体湿度、尾排气排放周期，再次判断，直到不发生水淹现象为止，输出燃料电池电堆装置发生的水淹现象已解决的结果；如果未发生，输出燃料电池电堆装置未发生水淹现象的结果。
25.上述进一步改进方案的有益效果是：为了缓解现有技术的水淹现象，上述方法采用了防水淹的控制方案。试验结果显示，使用塑料端板结合上述防水淹的控制方案后，端板的单低频次明显消失，能够有效改善水淹现象，燃料电池电堆装置的寿命明显增加。
26.提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
27.通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
28.图1示出了实施例1的具有防水淹功能的燃料电池电堆装置主要结构示意图；图2示出了实施例2的具有防水淹功能的燃料电池电堆装置主要结构示意图；图3示出了实施例2的具有防水淹功能的燃料电池电堆装置电路连接示意图。
29.附图标记：1
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前塑料端板；2
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正极集流板；3-电堆正极接线端口 ；4
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电堆负极接线端口；5
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负极集流板；6
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后塑料端板；7
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燃料电池组；8
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浮动端板；9
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弹簧组。
具体实施方式
30.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
31.在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
32.实施例1
本发明的一个实施例，公开了一种具有防水淹功能的燃料电池电堆装置，包括前塑料端板1、正极集流板2、燃料电池组7、负极集流板5和后塑料端板6，如图1所示，此外，还包括交流阻抗测量设备和控制器。燃料电池组7包括多个串联的单片燃料电池。
33.前塑料端板1、正极集流板2依次置于所述燃料电池组7的正极侧，负极集流板5、后塑料端板6依次置于所述燃料电池组7的负极侧。
34.交流阻抗测量设备的各电极分别与燃料电池组7中一个单片燃料电池连接，输出端与控制器的输入端连接。
35.控制器，用于根据燃料电池组7中每一单片燃料电池的交流阻抗实时判断电堆装置内部是否发生水淹现象；以及，如果发生，进一步根据所述交流阻抗结合燃料电池电堆装置的输出电流调整进入燃料电池组的气体流量、气体湿度、尾排气排放周期，直到不发生水淹现象为止。
36.可选地，关于判断电堆装置内部是否发生水淹现象的方法，可参见专利cn201811520455.0，或者本发明实施例2中的方法。
37.可选地，可采用现有技术中的大多数学习网络获得进入燃料电池组的气体流量、气体湿度、尾排气排放周期。可根据需求，提取不同的特征数据作为输入数据，并将进入燃料电池组的气体流量、气体湿度、尾排气排放周期作为输出数据。关于训练方法，采用事先标定的输入数据和输出数据进行训练获得，本领域技术人员能够理解，不进行具体限定。
38.可选地，交流阻抗测量设备可采用现有的设备，例如参见cn201110340568.4，或者，采用电堆单片电压监测仪结合设置于燃料电池组7供电端的电流传感器通过阻抗计算公式获得。
39.电堆单片电压监测仪，用于采集每一单片燃料电池的电压，发送至控制器。示例性地，参见专利cn201711206252.x。
40.与现有技术相比，本实施例提供的装置为了缓解现有技术的水淹现象，在结构上，将金属端板换成了塑料端板，并取消了绝缘板；程序上，增加了防水淹的控制方案。由于塑料的导热性不好，使得端板到单片燃料电池的温差减小，从而可以有效减缓水淹现象的发生。并且，塑料端板的密度小于金属端板，有利于电堆的轻量化发展，提升其能量密度。经大量试验发现，塑料端板越厚，水淹频次越少。而且，塑料端板成本较低，易于加工，可以一定程度降低电堆成本。上述燃料电池电堆装置的试验结果显示，使用塑料端板结合上述防水淹的控制方案的燃料电池电堆装置，端板的单低频次明显消失，能够有效改善水淹现象，燃料电池电堆装置的寿命明显增加。
41.实施例2在实施例1的基础上进行改进，所述前塑料端板1、后塑料端板6的材料可采用环氧树脂材料、abs（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）塑料、pa（聚酰胺）塑料中的一种。厚度为2~3 cm。
42.优选地，所述前塑料端板1、后塑料端板6的材料均采用环氧树脂材料时，厚度为2 cm；采用环氧树脂材料，厚度为2.5 cm；采用pa（聚酰胺）材料，厚度为2.5 cm。
43.优选地，该燃料电池电堆装置还包括依次连接的浮动端板8、弹簧组9，如图2所示，以及密封的塑料外壳。浮动端板8、弹簧组9设置于负极集流板5和后塑料端板6之间；并且，负极集流板5依次通过浮动端板8、弹簧组9与后塑料端板6连接。浮动端板8是与后塑料端板
6形状尺寸相同的板，之间的区域可以起到隔热和保温作用，防止气体冷凝。
44.优选地，上述前塑料端板1、正极集流板2、燃料电池组7、负极集流板5、浮动端板8、弹簧组9、后塑料端板6均设置于塑料外壳的内部。塑料外壳的外表面设置有空气入口、氢气入口、冷却液入口、冷却液出口、氢气出口、尾气排放口。
45.优选地，塑料外壳的外表面还设置于电堆正极接线端口3和电堆负极接线端口4；其中，电堆正极接线端口3与燃料电池组7的正极连接；电堆负极接线端口4与燃料电池组7的负极连接；电堆正极接线端口3和电堆负极接线端口4设置于塑料外壳的同一侧。
46.优选地，该燃料电池电堆装置还包括入堆空气控制设备、入堆氢气控制设备以及尾排气节气阀。并且，上述尾排气节气阀的输入端与电堆装置的尾气排放口连接；上述入堆空气控制设备进一步包括依次连接的空气压缩机、进气节气阀一。其中，进气节气阀一设置于空气入口前端，通过进气管道一与空气入口连接。入堆氢气控制设备进一步包括依次连接的储氢罐、氢气喷射器、进气节气阀二；其中，进气阀二设置于氢气入口前端，通过进气管道二与氢气入口连接。
47.优选地，该燃料电池电堆装置还包括氢气循环设备。
48.氢气循环设备，其输入端与所述氢气出口连接，其输出端与氢气喷射器的输入端连接，用于提取所述氢气出口处尾气中剩余的氢气，并排出多余的水分，供燃料电池电堆装置发电再次使用。优选地，氢气循环设备可采用依次连接的分水器、氢气回收装置（示例性地，可参见专利cn202021274967.6）。
49.优选地，该燃料电池电堆装置包括入堆冷却液控制设备。并且，入堆冷却液控制设备进一步包括依次连接的散热器、水泵；其中，电堆的冷却液出口经水泵、散热器与电堆的冷却液入口连接。
50.优选地，控制器的输出端分别与进气节气阀一、二、尾排气节气阀的控制端连接。
51.优选地，控制器包括依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元。
52.数据采集单元，用于采集燃料电池组7中内每一单片燃料电池的交流阻抗值，以及入堆冷却液温度、燃料电池电堆装置的输出电流，发送至数据处理与控制单元。
53.数据处理与控制单元，用于根据燃料电池组中所有单片燃料电池的交流阻抗实时判断电堆装置内部是否发生水淹现象；以及，如果发生，进一步根据所述交流阻抗结合燃料电池电堆装置的输出电流控制进气节气阀一、二的开度、尾排气节气阀的开启频率，使得进入燃料电池组的空气流量、氢气流量、尾排气排放周期均达到优化值，再次判断，如果仍发生水淹现象，对氢气循环设备、散热器进行控制，使得入堆氢气的湿度、电堆温度发生变化，直到不发生水淹现象为止。
54.优选地，数据采集单元进一步包括温度传感器、功率传感器。其中，温度传感器分别设置于冷却液入口、冷却液出口位置。功率传感器与燃料电池组7的供电端连接。
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优选地，该燃料电池电堆装置包括与燃料电池组7的供电端连接的dc-dc转换器，如图3所示。dc-dc转换器包括不止一个直流输出端口。
55.优选地，数据处理与控制单元执行如下程序：ss1. 定时获取当前时刻燃料电池组中所有单片燃料电池的交流阻抗；ss2. 将燃料电池组中每一单片燃料电池的交流阻抗分别与预设阈值进行比较，判断电堆装置内部是否发生水淹现象；如果任一单片燃料电池的交流阻抗超过预设阈值，
判定发生水淹现象，执行下一步；否则，判定未发生水淹现象，直接输出燃料电池电堆装置未发生水淹现象的结果；ss3. 获取燃料电池电堆装置的实时输出电流；ss4. 识别上述实时输出电流的幅值和相位、上述交流阻抗的幅值和相位，将所述实时输出电流的幅值和相位、所述交流阻抗的幅值和相位分别输入事先训练好的深度学习神经网络，获得进入燃料电池组的空气流量、氢气流量、尾排气排放周期，作为各自的优化值；ss4. 根据上述进入燃料电池组的空气流量、氢气流量控制进气节气阀一、二的开度，并根据上述尾排气排放周期控制尾排气节气阀的开启频率，使其达到各自的优化值；ss5. 监测燃料电池电堆装置的实时输出电流，直到所述实时输出电流稳定后，再次判断电堆装置内部是否发生水淹现象；如果仍发生水淹现象，对氢气循环设备的排水量、散热器的温度进行控制，使得入堆氢气的湿度降低、电堆温度升高，直到不发生水淹现象为止；ss6. 输出燃料电池电堆装置发生的水淹现象已解决的结果。
56.与实施例1相比，本实施例提供的装置增加了浮动端板8、弹簧组9，以及尾排气节气阀、入堆空气控制设备、入堆氢气控制设备、入堆冷却液控制设备和控制器，可以进一步在水淹的情况下，通过调整尾排气节气阀、进气节气阀一、二的开度，实现防水淹功能，有效提高燃料电池电堆装置的使用寿命。
57.实施例3本发明的另一个实施例，还公开了上述实施例1、2所述燃料电池电堆装置的控制方法，包括如下步骤：s1. 定时获取当前时刻燃料电池组中所有单片燃料电池的交流阻抗；s2. 根据所有所述单片燃料电池的交流阻抗实时判断电堆装置内部是否发生水淹现象；s3. 如果发生，获取燃料电池电堆装置的实时输出电流，根据所述交流阻抗结合所述实时输出电流调整进入燃料电池组的空气流量、气体湿度、尾排气排放周期，再次判断，直到不发生水淹现象为止，输出燃料电池电堆装置发生的水淹现象已解决的结果；s4. 如果未发生，输出燃料电池电堆装置未发生水淹现象的结果。
58.与现有技术相比，本实施例为了缓解现有技术的水淹现象，采用了防水淹的控制方案。试验结果显示，使用塑料端板结合上述防水淹的控制方案后，端板的单低频次明显消失，能够有效改善水淹现象，燃料电池电堆装置的寿命明显增加。
59.以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。