一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法与流程

本发明涉及燃料电池，特别涉及一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法。

背景技术：

1、燃料电池电堆由多片单电池叠加组成，燃料电池系统运行过程中，电堆每片单电池中均有氢气和氧气发生电化学反应，通过质子交换膜传输质子，从而产生电能，为了获得较好的发电性能，必需使质子交换膜保持在合适的水量状态，如果质子交换膜过于干燥，就会引起单电池电压的降低。

2、当燃料电池系统在低功率下运行时，电堆电流较小导致生成水量较少，同时多个单电池会受到气体分配流量或压力不均的影响，就可能同时出现单电池润湿程度差异过大的状态，出现单电池润湿和干燥共存的状态，因而使得单电池电压一致性变差，导致电堆整体发电性能降低并使得电堆提前老化衰减。

3、针对单电池的质子交换膜过度干燥的问题（燃料电池系统处于低功率运行状态），目前可采取的有效方法是降低阴极空气流量使得被阴极空气带走的水分含量减少，或增大功率使生成水量增加，从而提高质子交换膜湿润程度并恢复发电性能。但是，当电堆单电池润湿差异程度过大时，一味的提高湿润性可能会导致有单电池出现水淹，导致单电压异常，同样影响正常发电。

技术实现思路

1、本发明的旨在解决上述问题而提供一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法，解决现有燃料电池系统在低功率运行状态下电堆内所有单电池的质子交换膜润湿差异程度大，电堆发电性能不高的问题。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法，包括如下控制步骤：

4、s1：获取燃料电池系统的电堆电流，若电堆电流小于预设电流阈值，则所述燃料电池系统处于低功率运行状态；

5、s2：实时获取低功率运行状态下电堆内所有单电池的电压，根据所有单电池的电压判断电堆内所有单电池的润湿差异程度；

6、s3：若润湿差异程度超出预设范围，调节电堆参数，使电堆内所有单电池的润湿差异程度缩小；

7、s4：电堆内所有单电池的润湿差异程度回归预设范围后，将电堆参数恢复至初始状态。

8、优选的，步骤s2中根据所有单电池的电压判断电堆内所有单电池的润湿差异程度包括如下步骤：

9、s21：设置第一电压差阈值；

10、s22：计算电堆内所有单电池的电压平均值，记为平均单电压；

11、s23：将所有单电池中电压值最高的记为最大单电压，所有单电池中电压值最低的记为最小单电压；

12、s24：计算第一电压差值δu1和第二电压差值δu2，当且仅当第一电压差值δu1和第二电压差值δu2均大于第一电压差阈值时，判定电堆内所有单电池的润湿差异程度超出预设范围。

13、优选的，步骤s3中电堆参数包括电堆电流、进入电堆阳极的氢气流量以及进入电堆阴极的空气流量。

14、优选的，调节电堆参数包括如下步骤：

15、确定燃料电池系统处于低功率运行状态时的电堆电流i1、进入电堆阳极的氢气流量q1以及进入电堆阴极的空气流量h1；

16、调节当前的电堆电流i1至电堆电流i2，电堆电流i2所对应的氢气流量为q2，空气流量为h2；

17、调节进入电堆阳极的氢气流量q1至氢气流量q3，其中，氢气流量q3大于氢气流量q2；

18、调节进入电堆阴极的空气流量h1至空气流量h3或空气流量h4，且使得空气流量h3与空气流量h4交替变化，其中，空气流量h3小于空气流量h2，空气流量h4大于空气流量h2。

19、优选的，进入电堆阳极的氢气流量的调节方法包括：提高氢气循环泵转速，增加循环氢气的流量，使得进入电堆阳极的氢气流量q1提升至氢气流量q3。

20、优选的，进入电堆阳极的氢气流量的调节方法还包括：增加比例阀的开度，增加供氢单元的氢气输出量，使得进入电堆阳极的氢气流量q1提升至氢气流量q3。

21、优选的，空气流量h3与空气流量h4交替变化周期范围为10s-20s。

22、优选的，判断电堆内所有单电池的润湿差异程度回归预设范围包括如下步骤：

23、s41：设置第二电压差阈值；

24、s42：当且仅当第一电压差值δu1和第二电压差值δu2均小于第二电压差阈值时，判定电堆内所有单电池的润湿差异程度回归预设范围。

25、优选的，电堆参数恢复至初始状态前还包括如下步骤：

26、当判定电堆内所有单电池的润湿差异程度回归预设范围，调节进入电堆阳极的氢气流量q3至氢气流量q2；调节进入电堆阴极的交替变化的空气流量h3与空气流量h4至空气流量h2；

27、设置持续时段，使得电堆参数于持续时段内维持电堆电流i2、氢气流量q2和空气流量h2的状态运行。

28、优选的，持续时段设置为10s-30s，持续时段结束后，电堆参数恢复至初始状态。

29、本发明的贡献在于：本发明针对处于低功率运行状态的燃料电池系统，能够实时获取电堆内所有单电池的电压情况，并根据所有单电池的电压差异程度判断电堆内所有单电池质子交换膜的润湿差异程度，当润湿差异程度超过预设范围，能够通过调节电堆参数及时调节电堆内所有单电池的质子交换膜的润湿程度，确保所有单电池的质子交换膜的润湿程度差异回归预设范围，从而提高了燃料电池系统处于低功率运行状态时的发电性能，也很好的解决了电堆于低功率运行状态时易加速老化衰减的问题。

技术特征：

1.一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法，其特征在于，包括如下控制步骤：

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法，其特征在于，步骤s2中根据所有单电池的电压判断电堆内所有单电池的润湿差异程度包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法，其特征在于：步骤s3中电堆参数包括电堆电流、进入电堆阳极的氢气流量以及进入电堆阴极的空气流量。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法，其特征在于，调节电堆参数包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法，其特征在于，进入电堆阳极的氢气流量的调节方法包括：提高氢气循环泵转速，增加循环氢气的流量，使得进入电堆阳极的氢气流量q1提升至氢气流量q3。

6.根据权利要求4所述的一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法，其特征在于，进入电堆阳极的氢气流量的调节方法还包括：增加比例阀的开度，增加供氢单元的氢气输出量，使得进入电堆阳极的氢气流量q1提升至氢气流量q3。

7.根据权利要求4所述的一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法，其特征在于：空气流量h3与空气流量h4交替变化周期范围为10s-20s。

8.根据权利要求4所述的一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法，其特征在于，判断电堆内所有单电池的润湿差异程度回归预设范围包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法，其特征在于，电堆参数恢复至初始状态前还包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法，其特征在于：持续时段设置为10s-30s，持续时段结束后，电堆参数恢复至初始状态。

技术总结
本发明涉及燃料电池技术领域，公开了一种燃料电池系统的电堆膜水含量控制方法，包括如下控制步骤：S1：获取燃料电池系统的电堆电流；S2：实时获取低功率运行状态下电堆内所有单电池的电压；S3：若润湿差异程度超出预设范围，调节电堆参数，使电堆内所有单电池的润湿差异程度缩小。本发明针对处于低功率运行状态的燃料电池系统，能够实时获取电堆内所有单电池的电压情况，并根据所有单电池的电压差异程度判断电堆内所有单电池质子交换膜的润湿差异程度通过调节电堆参数及时调节电堆内所有单电池的质子交换膜的润湿程度，确保所有单电池的质子交换膜的润湿程度差异回归预设范围。

技术研发人员：郭昂,潘景昊,钱伟
受保护的技术使用者：佛山市清极能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16