燃料电池及其压力控制装置及压力控制方法与流程

本发明涉及燃料电池，尤其是涉及一种燃料电池及其压力控制装置及压力控制方法。

背景技术：

1、氢燃料电池系统，通过控制氢气压力和空气压力及流量，在质子交换膜的作用下发生化学反应，并输出电能的装置；由于反应生成物只有水，氢气燃料电池系统是一种高效无污染的发电装置。

2、现有技术中，燃料电池氢气子系统主要由开关阀、比例阀、引射器、氢气循环泵、气液分离器、压力传感器、排水阀和控制器组成，其中开关阀控制氢气进入供氢阀组（供氢阀组由开关阀和比例阀及结构件组成），比例阀控制氢气进气压力，引射器的作用使氢气在燃料电池系统氢气腔内循环，气液分离器起到分离水和氢气的作用，压力传感器采集压力信号传输给控制器，排水阀起到排出水和排气的作用，控制器控制以上被控部件；燃料电池空气子系统主要由空压机、进气组合阀、背压阀控制、压力传感器控制空气压力；根据燃料电池功率需求，确定相应的空气压力和氢气的压力，控制器通过调节比例阀开度来控制氢气压力，通过调节空压机转速和背压开度控制空气压力，使系统在各工况点运行。

3、但是，当燃料电池系统故障急停，空压机停止工作、背压阀的阀板关闭、进气组合阀关闭、比例阀关闭，电堆停止消耗氢气和氧气，会导致阴极气体在短时间内通过背压阀泄气，阴极压力降至大气压力。由于阳极比例阀关闭，排气阀关闭，电堆停止消耗氢气，阳极维持在系统停机前的工作压力，此时阴极是大气压力，阳极是系统停机前的工作压力，空气压力与阳极氢气压力差值较大，导致阳极与阴极之间的质子交换膜损伤或撕裂，阴极与阳极之间气体窜气，燃料电池系统电堆损坏；另外，氢气压力和流量控制主要采用开关阀、比例阀、氢气循环泵、气液分离器等，这些部件不仅需要低压供电，还需要高压供电，不仅导致系统成本居高不下，还增加了燃料电池系统的功耗。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种燃料电池及其压力控制装置及压力控制方法，以缓解现有技术中存在的燃料电池系统故障急停状态下，空气压力与阳极氢气压力差值大，导致阳极与阴极之间的质子交换膜损伤或撕裂，阴极与阳极之间气体窜气，燃料电池系统电堆损坏，以及氢气压力和流量控制会增加燃料电池的功耗的技术问题。

2、本发明提供的一种燃料电池压力控制装置，包括：电池电堆、空气输送系统、调节机构和氢气输送系统；

3、所述调节机构包括储气主体、滑动密封板和检测主体；所述储气主体具有储气腔，所述滑动密封板位于所述储气腔内部，且所述滑动密封板与所述储气腔内壁滑动密封连接，所述检测主体位于所述储气腔内部；

4、所述滑动密封板用于将所述储气腔内部形成空气腔体和氢气腔体，所述空气输送系统分别与所述调节机构和所述电池电堆连接，且所述空气输送系统与所述空气腔体连通，所述氢气输送系统通过所述调节机构与所述电池电堆连接，且所述氢气输送系统与所述氢气腔体连通，所述滑动密封板能够在所述空气腔体和所述氢气腔体的压力差作用下沿着所述储气腔的内壁滑动，且所述滑动密封板能够与所述检测主体抵接，以通过所述检测主体反馈所述储气腔内的空气与氢气压力差。

5、在本发明较佳的实施例中，所述检测主体包括空气侧传感器和氢气侧传感器；

6、所述空气侧传感器位于所述空气腔体内部，所述氢气侧传感器位于所述氢气腔体内部，所述滑动密封板能够在所述储气腔内部滑动过程分别与所述空气侧传感器或所述氢气侧传感器抵接，以通过所述空气侧传感器反馈所述电池电堆的氢气压力大于空气压力，或，通过所述氢气侧传感器反馈所述电池电堆的空气压力大于氢气压力。

7、在本发明较佳的实施例中，所述储气腔内部具有空气阈值点和氢气阈值点；

8、所述储气腔内部的空气氢气压力比与所述电池电堆内的空气氢气压力比相同，所述空气侧传感器位于所述空气阈值点，所述空气阈值点能够反馈所述电池电堆内氢气压力大于空气压力阈值，所述氢气侧传感器位于所述氢气阈值点，所述氢气阈值点能够反馈所述电池电堆内空气压力大于氢气压力阈值。

9、在本发明较佳的实施例中，所述调节机构还包括平衡弹簧；

10、所述平衡弹簧位于所述氢气腔体内，且所述平衡弹簧的两端分别与所述滑动密封板和所述储气腔的内壁连接，所述平衡弹簧具有令所述滑动密封板沿着挤压所述氢气腔体的运动趋势，在电池电堆运行过程中，所述空气腔体内的空气压力加所述平衡弹簧的作用力等于所述氢气腔体内的氢气压力，以使所述滑动密封板呈静止状态。

11、在本发明较佳的实施例中，所述调节机构还包括控制器和第一开关阀；

12、所述第一开关阀位于所述氢气输送系统和所述调节机构之间，所述氢气输送系统通过所述第一开关阀与所述氢气腔体连通，所述控制器与所述第一开关阀电信号连接；

13、所述控制器与所述空气侧传感器电信号连接，所述空气侧传感器用于向所述控制器反馈所述电池电堆的氢气压力大于空气压力，所述控制器用于控制所述第一开关阀关闭；或者，所述控制器与所述氢气侧传感器电信号连接，所述氢气侧传感器用于向所述控制器反馈所述电池电堆的空气压力大于氢气压力，所述控制器用于控制所述第一开关阀开启。

14、在本发明较佳的实施例中，还包括空气背压阀和空气压力传感器；

15、所述空气压力传感器位于所述空气输送系统与所述电池电堆之间，所述电池电堆具有空气出口，所述空气背压阀与所述空气出口连通，所述控制器分别与所述空气背压阀和所述空气压力传感器电信号连接，所述空气压力传感器用于检测所述电池电堆的入口处的空气压力，并将此空气压力输送至所述控制器处，所述控制器能够对应控制所述空气背压阀的开度范围。

16、在本发明较佳的实施例中，还包括第二开关阀；

17、所述电池电堆具有氢气出口，所述第二开关阀与所述氢气出口连通，所述第二开关阀与所述控制器电信号连接，所述控制器能够根据所述电池电堆的运行工况对应控制所述第二开关阀的开阀频次。

18、在本发明较佳的实施例中，所述空气输送系统包括空压机、第一三通阀和第二三通阀；

19、所述空压机与所述第一三通阀连通，所述第一三通阀与所述电池电堆连通，所述第一三通阀能够将所述空压机输送的压缩空气输送至所述电池电堆内部；

20、所述第二三通阀与所述空气背压阀连通，所述第二三通阀分别与所述第一三通阀和外部管道连通，所述第二三通阀能够将所述电池电堆输出的压缩空气分别回流至所述第一三通阀和外部管道处。

21、本发明提供的一种基于所述的燃料电池压力控制装置的压力控制方法，包括以下步骤：

22、在电池电堆未通气工况下，滑动密封板停滞在氢气阈值点位置处，此时第一开关阀处于开启状态；

23、在电池电堆通气运行工况下，滑动密封板根据空气腔体和氢气腔体内压力处于平衡点位置，此时第一开关阀处于开启状态，电池电堆内部的空气氢气压力通过空气背压阀和第二开关阀形成平衡；

24、在电池电堆氢气压力上升工况下，滑动密封板滑动至空气阈值点处，关闭第一开关阀，直至滑动密封板与空气阈值点分离后，开启第一开关阀；

25、在电池电堆氢气压力下降工况下，滑动密封板滑动至氢气阈值点，开启第一开关阀，同步调节空气背压阀的开度。

26、本发明提供的一种燃料电池，包括所述的燃料电池压力控制装置。

27、本发明提供的燃料电池压力控制装置，包括：电池电堆、空气输送系统、调节机构和氢气输送系统；调节机构包括储气主体、滑动密封板和检测主体；储气主体具有储气腔，滑动密封板位于储气腔内部，且滑动密封板与储气腔内壁滑动密封连接，检测主体位于储气腔内部；滑动密封板能够将储气腔内部形成空气腔体和氢气腔体，空气输送系统分别与调节机构和电池电堆连接，且空气输送系统与空气腔体连通，氢气输送系统通过调节机构与电池电堆连接，且氢气输送系统与氢气腔体连通，滑动密封板能够在空气腔体和氢气腔体的压力差作用下沿着储气腔的内壁滑动，且滑动密封板能够与检测主体抵接，以通过检测主体反馈储气腔内的空气与氢气压力差；通过利用滑动密封板的物理特定，使得电池电堆内的氢气压力和空气压力能够随着空气压力变化进行反馈，以能够利用反馈的信息对应调节电池电堆内的空气氢气压力范围，提高了氢燃料电池的稳定性和使用寿命，降低了氢气压力和流量控制部件的功耗和成本，缓解了现有技术中存在的燃料电池系统故障急停状态下，空气压力与阳极氢气压力差值大，导致阳极与阴极之间的质子交换膜损伤或撕裂，阴极与阳极之间气体窜气，燃料电池系统电堆损坏，以及氢气压力和流量控制会增加燃料电池的功耗的技术问题。