本发明属于电化学燃料电池,尤其涉及一种基于ptc预热的质子交换膜燃料电池阳极子系统及其湿度控制方法。
背景技术:
1、燃料电池作为最具发展前景的可再生和可持续能源技术之一,在过去的几十年里得到了迅速的发展。
2、在不同类型的燃料电池中,质子交换膜燃料电池因其能量转换效率高、无污染、工作温度低等优点,被广泛应用于固定式、便携式和运输领域。但在低温(零下)环境中启动时,燃料电池内的水会结冰而堵塞气体传输通道,使反应不能持续进行。
3、因此,燃料电池在低温冷启动时需要对氢气进行预热处理,以加快燃料电池冷启动速率。此外,燃料电池内部的水热管理对其输出性能也有很大的影响。若电池内部液态水含量过多,会造成电池内部水淹,阻碍气体的传输,降低电池输出性能。
4、因此,合理的进气湿度控制对燃料电池的性能也至关重要。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种基于ptc预热的质子交换膜燃料电池阳极子系统,其特征在于,包括高压储氢瓶,高压储氢瓶的出气口通过第一管道接通ptc预热器,ptc预热器的出气口通过第二管道接通电堆,电堆的出气口通过第三管道接通水分离器,水分离器包括出气口和排水口,水分离器的排水口设有排水阀,排水阀的出水口通过尾排管排出;
2、水分离器的出气口设有氢气循环泵,氢气循环泵的出气口通过循环管道与第二管道接通,质子交换膜燃料电池阳极子系统通过ptc预热器加热第一管道内气体温度,避免冷热气体相遇导致第二管道内形成过多的液态水。
3、进一步地,第一管道、第二管道与循环管道的接通处以及第三管道处皆设有温度传感器,温度传感器与燃料电池系统控制器信号连接,排水阀的启停、ptc预热器的加热功率以及氢气循环泵的转速均受燃料电池系统控制器的控制。
4、进一步地,第一管道设有减压阀,第二管道还设有比例阀,减压阀和比例阀与燃料电池系统控制器通讯连接,比例阀的前端以及电堆的进气口和出气口处皆设有压力阀,多个压力阀与燃料电池系统控制器信号连接,质子交换膜燃料电池阳极子系统通过燃料电池系统控制器驱动压力阀和比例阀调控实际氢空压差与设定值之间的误差。
5、一种基于ptc预热的质子交换膜燃料电池阳极子系统湿度控制方法,用于基于ptc预热的质子交换膜燃料电池阳极子系统,其特征在于,包括如下步骤:
6、s1:根据不同的阴极入口压力pca_in反馈调节比例阀开度a,保持恒定的氢空压力差δpset,根据比例阀开度和前端压力得到比例阀氢气流量;
7、s2:根据当前氢气循环泵转速和压力,结合氢气循环泵map图得到氢气和水蒸气混合气循环流量;
8、s3:根据所需阳极气体进气相对湿度和传感器采集的电堆阳极入口压力和温度,计算得到实际气体相对湿度,通过pid反馈控制ptc加热功率实现阳极进气相对湿度控制。
9、进一步地,s1中,根据实时采集燃料电池阳极入口氢气压力pan_in,可以计算得到实际氢空压差δp,表示为
10、δp=pan_in-pca_in
11、其中,pan_in为阳极电堆入口压力;pca_in为阴极电堆入口压力;根据实际氢空压差δp与设定值δpset之间的差值,可计算得到误差e,表示为:
12、e=δp-δpset
13、根据误差e进行pid反馈调节比例阀开度a,结合比例阀前后端压力可以计算得到通过阀门的氢气流量mpr,表示为:
14、
15、其中,kv值为阀门的流通系数;p1为阀门的前端压力;ρ为流通介质的密度;t为阀门前端的温度。
16、进一步地,s2中,根据当前氢气循环泵转速ω和前后端压比γ,可得到氢气循环泵循环流量mcir,表示为:
17、mcir=f(ω,γ)
18、其中,f可由循环泵map图得到;循环气体中水蒸气质量流量的计算公式表示为:
19、
20、氢气质量流量的计算公式表示为:
21、
22、其中,为循环流量中水蒸气质量流量与氢气质量流量的比值,的计算公式表示为:
23、
24、其中,为水的摩尔质量;为氢气的摩尔质量;pan_out为电堆阳极出口压力;psat为水蒸气的饱和蒸气压,psat的计算公式表示为:
25、
26、其中,t为电堆阳极出口温度。
27、进一步地,s3中,根据传感器采集的电堆阳极入口压力和温度,可计算得到当前气体的相对湿度表示为:
28、
29、其中,psat(tan_in)为实际电堆阳极入口温度下的饱和蒸气压,为水蒸气分压,的计算公式表示为:
30、
31、其中,θ为混合气中水蒸气分压和氢气分压的比值,θ的计算公式表示为:
32、
33、燃料电池系统控制器根据需求阳极进气相对湿度与实际值之间的差值反馈控制ptc加热功率,实现电堆阳极进气相对湿度的控制。
34、与现有技术相比,本发明的有益效果主要体现在:
35、1、本发明提供的系统带有可控加热的ptc预热器,能快速预热氢瓶出口的氢气,既可以加快燃料电池冷启动速率,又能避免干冷的氢气与循环的湿热氢气混合而产生液态水,有效避免了电池内部水淹。
36、2、本发明提供的方法能够通过上述提供的系统有效的控制电堆阳极进气的相对湿度,维持电堆内部的水平衡,提高燃料电池的输出性能。
1.一种基于ptc预热的质子交换膜燃料电池阳极子系统,其特征在于,包括高压储氢瓶,所述高压储氢瓶的出气口通过第一管道接通ptc预热器,所述ptc预热器的出气口通过第二管道接通电堆,所述电堆的出气口通过第三管道接通水分离器,所述水分离器包括出气口和排水口,所述水分离器的排水口设有排水阀,所述排水阀的出水口通过尾排管排出;
2.根据权利要求1所述的基于ptc预热的质子交换膜燃料电池阳极子系统,其特征在于,所述第一管道、第二管道与循环管道的接通处以及第三管道处皆设有温度传感器,温度传感器与燃料电池系统控制器信号连接,所述排水阀的启停、ptc预热器的加热功率以及氢气循环泵的转速均受燃料电池系统控制器的控制。
3.根据权利要求2所述的基于ptc预热的质子交换膜燃料电池阳极子系统,其特征在于,所述第一管道设有减压阀,所述第二管道还设有比例阀,所述减压阀和比例阀与燃料电池系统控制器通讯连接,所述比例阀的前端以及所述电堆的进气口和出气口处皆设有压力阀,多个所述压力阀与所述燃料电池系统控制器信号连接,所述质子交换膜燃料电池阳极子系统通过燃料电池系统控制器驱动所述压力阀和比例阀调控实际氢空压差与设定值之间的误差。
4.一种基于ptc预热的质子交换膜燃料电池阳极子系统湿度控制方法,用于如权利要求1-3所述的基于ptc预热的质子交换膜燃料电池阳极子系统,其特征在于,包括如下步骤:
5.根据权利要求4所述的基于ptc预热的质子交换膜燃料电池阳极子系统湿度控制方法,其特征在于,所述s1中,根据实时采集燃料电池阳极入口氢气压力pan_in,可以计算得到实际氢空压差δp,表示为
6.根据权利要求4所述的基于ptc预热的质子交换膜燃料电池阳极子系统湿度控制方法,其特征在于,所述s2中,根据当前氢气循环泵转速ω和前后端压比γ,可得到氢气循环泵循环流量mcir,表示为:
7.根据权利要求4所述的基于ptc预热的质子交换膜燃料电池阳极子系统湿度控制方法,其特征在于,所述s3中,根据传感器采集的电堆阳极入口压力和温度,可计算得到当前气体的相对湿度表示为: