申请/专利权人：宇通客车股份有限公司

申请日：2017-09-25

公开（公告）日：2024-06-21

公开（公告）号：CN109560309B

主分类号：H01M8/04119

分类号：H01M8/04119;H01M8/0432;H01M8/04537;H01M8/04701

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.21#授权;2024.05.03#著录事项变更;2019.04.26#实质审查的生效;2019.04.02#公开

摘要：本发明涉及燃料电池水管理技术领域，特别是一种燃料电池及其自增湿水管理系统和方法。该燃料电池包括电堆和水管理系统，其中，该系统包括控制器、阻抗测试装置、调温装置、温度传感器、电堆、水泵和水流量控制阀；控制器输出控制连接调温装置，控制器输入信号连接阻抗测试装置、温度传感器和电流计；阻抗测试装置用于测试电堆的当前实际阻抗值。采用比对当前实际阻抗值与水管理状态良好情况下的标准阻抗值的方法，通过控制调温装置的工作状态，调控燃料电池电堆水的温度，从而实现燃料电池水含量控制，控制方式简单明确，保证了电堆水管理处于良好状态，提升了燃料电池的性能，利于工程应用，解决燃料电池水管理控制精准度不足的问题。

主权项：1.一种燃料电池自增湿水管理系统，包括控制器和水循环管路，所述水循环环路用于设置在燃料电池电堆上，其特征在于，还包括温度传感器、阻抗测试装置和调温装置；所述温度传感器设置在水循环管路的出水口处，用于检测水循环管路的温度；所述阻抗测试装置设置在燃料电池电堆的两端，用于检测电堆的阻抗；所述调温装置设置在水循环管路的进水口和出水口之间，用于调节水循环管路的温度；所述控制器输出端连接所述调温装置，所述控制器输入端连接所述温度传感器和所述阻抗测试装置，在检测出电堆的当前实际阻抗、冷却水温度和工作电流后，控制器首先根据由不同冷却水温度T0和工作电流I0构成的阻抗函数R0＝fT0,I0确定当前条件下水管理状态良好时的标准阻抗，然后比较当前实际阻抗与对应的标准阻抗，若当前实际阻抗与标准阻抗的比值小于0.9，则判定为水淹报警，控制调节调温装置，提高水的温度；若当前实际阻抗与标准阻抗的比值大于1.1，则判定为缺水报警，控制调节调温装置，降低水的温度。

全文数据：一种燃料电池及其自增湿水管理系统和方法技术领域本发明涉及燃料电池水管理技术领域，特别是一种燃料电池及其自增湿水管理系统和方法。背景技术氢燃料电池汽车以其零排放、效率高、燃料来源广、能源可再生等诸多优势，被认为是未来汽车工业可持续发展的方向，氢能与燃料电池在中国能源战略中是科技创新的重点研究方向。此外，节能与新能源汽车中氢能燃料电池汽车的初步目标设定为：以城市私人用车、公共服务用车的批量应用为主，实现燃料电池技术的推广应用。其中水管理是燃料电池技术中的重点和难点。燃料电池水管理不佳主要分为水淹和缺水两种状态：水淹会堵塞扩散层，造成浓差极化，限制燃料电池电压输出；缺水造成质子交换膜干，电导率下降，甚至膜穿孔。有中国专利公开号为CN103700870B的专利文献披露了一种燃料电池水管理闭环控制方法，通过求解燃料电池的阳极气体压力降的理论计算，设定保证水管理状态良好的阳极气体压力降的控制区间，当阳极气体压力降的数值超出此控制区间时，通过调节燃料电池温度使其重新进入控制区内以完成水管理的闭环控制，控制方式简单，易于操作和实现，可求解适宜的温度调节数值，并可实时观察阳极气体压力降的状态，控制目标明确，水管理控制周期短，利与工程应用。其中，阳极气体的压力降与燃料电池工作温度虽然相关，但通过压力降计算燃料电池的精准度不足；同时阳极气体的压力降会随着燃料电池功率变换及氢气尾排等变化出现较大幅度的波动，难以实现有效地水管理控制。发明内容本发明的目的是提供一种燃料电池及其自增湿水管理系统和方法，用以解决燃料电池水管理控制精准度不足的问题。为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：方案一：一种燃料电池自增湿水管理系统，包括控制器和水循环管路，所述水循环环路用于设置在燃料电池电堆上，还包括温度传感器、阻抗测试装置和调温装置；所述温度传感器设置在水循环管路的出水口处，用于检测水循环管路中水的温度；所述阻抗测试装置设置在燃料电池电堆的两端，用于检测电堆的阻抗；所述调温装置设置在水循环管路的进水口和出水口之间，用于调节水循环管路中水的温度；所述控制器输出端连接所述调温装置，所述控制器输入端连接所述温度传感器和所述阻抗测试装置。有益效果是，本发明是通过测量电堆阻抗来控制调节水循环管路中水的温度，控制方式简单，易实现，且控制精确。方案二：在方案一的基础上，还包括水泵，所述水泵用于控制水循环管路中水循环的循环周期。有益效果是，本发明通过控制水泵调节水循环管路中的水循环周期，对燃料电池电堆的温度有一定的影响，使得控制更显多样化。方案三：在方案一或方案二的基础上，还包括水流量控制阀，所述水流量控制阀设置在水循环管路的进水口处，用于控制燃料电池电堆中水的流量。方案四：在方案三的基础上，所述调温装置为散热风扇。方案五：在方案四的基础上，所述阻抗测试装置包括电流计和电压计。方案六：一种燃料电池自增湿水管理方法，设置由不同冷却水温度T0和工作电流I0构成的阻抗函数R0＝fT0,I0，R0是冷却水温度T0和工作电流I0条件下的标准阻抗，步骤如下：检测电堆的当前实际阻抗、冷却水温度和工作电流；根据当前冷却水温度、工作电流及阻抗函数确定当前条件下的标准阻抗；比较当前实际阻抗与对应的标准阻抗；若当前实际阻抗与标准阻抗的比值小于第一设定值，控制对冷却水升温；若当前实际阻抗与标准阻抗的比值大于第二设定值，控制对冷却水降温。有益效果是，本发明通过设置相应的设定值，比较判断当前值与设定值的大小关系，用于控制对冷却水降温，方法简单，设定值可调，适用范围较广。方案七：在方案六的基础上，所述阻抗函数R0＝fT0,I0为根据实验测量得到的函数关系。方案八：在方案六的基础上，所述第一设定值为0.9，所述第二设定值为1.1。方案九：在方案六的基础上，所述当前实际阻抗的测试方法为将一定波形的电流注入电堆，并从电堆接收响应于一定波形的电流的电压，测得当前实际阻抗。方案十：一种燃料电池，包括电堆和水管理系统，所述水管理系统包括控制器、水循环管路、温度传感器、阻抗测试装置和调温装置；所述水循环环路用于设置在燃料电池电堆上，所述温度传感器设置在水循环管路的出水口处，用于检测水循环管路中水的温度；所述阻抗测试装置设置在燃料电池电堆的两端，用于检测电堆的阻抗；所述调温装置设置在水循环管路的进水口和出水口之间，用于调节水循环管路中水的温度；所述控制器输出端连接所述调温装置，所述控制器输入端连接所述温度传感器和所述阻抗测试装置。方案十一：在方案十的基础上，还包括水泵，所述水泵用于控制水循环管路中水循环的循环周期。方案十二：在方案十或方案十一的基础上，还包括水流量控制阀，所述水流量控制阀设置在水循环管路的进水口处，用于控制燃料电池电堆中水的流量。方案十三：在方案十二的基础上，所述调温装置为散热风扇。方案十四：在方案十三的基础上，所述阻抗测试装置包括电流计和电压计。附图说明图1是一种燃料电池自增湿水管理系统的结构示意图；图2是一种燃料电池自增湿水管理方法流程图。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。本发明的一种燃料电池自增湿水管理系统，如图1所示，包括电堆1，水泵2，水流量控制阀3，温度传感器4，控制器5，阻抗测试装置6和调温装置7；其中，水循环管路中设置有水泵2、水流量控制阀3、温度传感器4和调温装置7。电堆1为燃料电池的反应室，温度传感器4设置在水循环管路的出水口处，能够采集出水口处的温度T0，并且将当前的冷却水温度传给控制器5。阻抗测试装置6连接电堆1的两端，包括电流计和电压计,能够将一定波形的电流注入电堆，并从电堆接受响应于一定波形的电流的电压，测试燃料电池的电堆1的当前实际阻抗，并且将当前电流、当前电压和当前实际阻抗测试结果传输给控制器5。控制器5输入端连接调温装置7，控制调温装置7对水循环管路中的冷却水进行控温。调温装置7能够对水循环管路中的水进行控温，例如，调温装置7是能够变频调控的散热风扇，控制器5通过指令调节散热风扇的转速，进而达到控制水循环管路中冷却水温度的效果，从而控制电堆1的工作温度。本发明的一种燃料电池自增湿水管理方法，如图2所示，流程如下：1、检测电堆1的当前实际阻抗R1、冷却水温度T0和工作电流I0。通过阻抗测试装置检测电堆1的当前实际阻抗R0，例如，通过射频I-V法检测或者自平衡电桥法检测；冷却水温度T0通过温度传感器检测和工作电流I0通过阻抗测试装置6中的电流计检测。2、计算处理水管理状态良好情况下的阻抗R0。例如，控制器中预先设置有电堆1在水管理状态良好情况下根据工作电流I0和冷却水温度T0构成的阻抗函数R0＝fT0，I0，根据阻抗函数，代入测量的冷却水温度T0和工作电流I0，得出标准阻抗R0。上述阻抗函数为通过大量实验数据得出的R0、T0和I0构成的函数关系。3、判断当前实际阻抗R1与标准阻抗R0的比值是否大于第二设定值。例如，设定第二设定值为1.1。若R1与R0的比值大于1.1，则判定为水淹报警，通过控制器5控制调节调温装置7，降低水的温度，从而降低电堆1的工作温度。其中，若调温装置7为散热风扇，则控制提高风扇转速。4、判断当前实际阻抗R1与标准阻抗R0的比值是否小于第一设定值。例如，设定第一设定值为0.9。若R1与R0的比值小于0.9，则判定为缺水报警，通过控制器5控制调节调温装置7，提高水的温度，从而提高电堆1的工作温度。其中，若调温装置7为散热风扇，则控制降低风扇转速。5、若R1与R0的比值在第一设定值与第二设定值之间，则通过控制器5控制调温装置7保持当前的调温状态，从而保持电堆1的工作温度。本发明提供的一种燃料电池，包括电堆、水管理系统，具体的燃料电池工作情形如下，其中采用的调温装置为散热风扇：阻抗测试装置6检测当前实际阻抗，控制器5通过采集的温度和电流信息计算水管理状态良好情形下的阻抗，并比对当前实际阻抗与水管理状态良好情形下的阻抗；根据设定的第一设定值和第二设定值，当R1与R0的比值大于1.1时，控制器5控制散热风扇提高转速，降低冷却水温度；当R1与R0的比值小于0.9时，控制器5控制散热风扇降低转速，减少对冷却水温度的降低；当0.9R0R11.1R0时，保持散热风扇转速。以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

权利要求：1.一种燃料电池自增湿水管理系统，包括控制器和水循环管路，所述水循环环路用于设置在燃料电池电堆上，其特征在于，还包括温度传感器、阻抗测试装置和调温装置；所述温度传感器设置在水循环管路的出水口处，用于检测水循环管路的温度；所述阻抗测试装置设置在燃料电池电堆的两端，用于检测电堆的阻抗；所述调温装置设置在水循环管路的进水口和出水口之间，用于调节水循环管路的温度；所述控制器输出端连接所述调温装置，所述控制器输入端连接所述温度传感器和所述阻抗测试装置。2.根据权利要求1所述的燃料电池自增湿水管理系统，其特征在于，还包括水泵，所述水泵用于控制水循环管路中水的循环。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池自增湿水管理系统，其特征在于，还包括水流量控制阀，所述水流量控制阀设置在水循环管路的进水口处，用于控制水循环管路进水口处的水流量。4.一种燃料电池自增湿水管理控制方法，其特征在于，设置由不同冷却水温度T0和工作电流I0构成的阻抗函数R0＝fT0,I0，R0是冷却水温度T0和工作电流I0条件下的标准阻抗，步骤如下：检测电堆的当前实际阻抗、冷却水温度和工作电流；根据当前冷却水温度、工作电流及阻抗函数确定当前条件下的标准阻抗；比较当前实际阻抗与对应的标准阻抗；若当前实际阻抗与标准阻抗的比值小于第一设定值，控制冷却水升温；若当前实际阻抗与标准阻抗的比值大于第二设定值，控制冷却水降温。5.根据权利要求4所述的燃料电池自增湿水管理控制方法，其特征在于，所述阻抗函数R0＝fT0,I0为根据实验测量得到的函数关系。6.根据权利要求4所述的燃料电池自增湿水管理控制方法，其特征在于，所述第一设定值为0.9，所述第二设定值为1.1。7.根据权利要求4所述的燃料电池自增湿水管理控制方法，其特征在于，所述当前实际阻抗的测试方法为将一定波形的电流注入电堆，并从电堆接收响应于一定波形的电流的电压，测得当前实际阻抗。8.一种燃料电池，包括电堆和水管理系统，其特征在于，所述水管理系统包括控制器、水循环管路、温度传感器、阻抗测试装置和调温装置；所述水循环环路用于设置在燃料电池电堆上，所述温度传感器设置在水循环管路的出水口处，用于检测水循环管路的温度；所述阻抗测试装置设置在燃料电池电堆的两端，用于检测电堆的阻抗；所述调温装置设置在水循环管路的进水口和出水口之间，用于调节水循环管路的温度；所述控制器输出端连接所述调温装置，所述控制器输入端连接所述温度传感器和所述阻抗测试装置。9.根据权利要求8所述的燃料电池，其特征在于，还包括水泵，所述水泵用于控制水循环管路中水循环的循环周期。10.根据权利要求8或9所述的燃料电池，其特征在于，还包括水流量控制阀，所述水流量控制阀设置在水循环管路的进水口处，用于控制燃料电池电堆中水的流量。

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