[发明专利]一种燃料电池阳极压力保护装置及其控制方法

说明书

本发明涉及一种燃料电池阳极压力保护装置及其控制方法，包括电堆氢气入口管道，所述电堆氢气入口管道连接至燃料电池阳极，所述电堆氢气入口管道上设有压力调节阀和压力传感器，所述电堆氢气入口管道上设有旁路泄压管路，所述旁路泄压管路上设有常开电磁阀和机械式泄压阀，所述燃料电池阳极的电堆出口管道连接混合罐管道，所述旁路泄压管路末端连接至混合罐管道，所述电堆出口管道与混合罐管道之间设有排氢电磁阀。本装置成本低、控制精度高、稳定性强、能实现自动化的燃料电池阳极压力保护。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池阳极压力保护装置及其控制方法。

背景技术

燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为直流电能的发电装置。其工作原理是通过电化学反应把物质的化学能转化为电能，并且燃料电池进行化学反应所需的物质是由外部不断补充的，只要供应燃料，就能源源不断地输出电能和热能。简而言之，燃料电池就是能量转换装置。

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是以氢气为燃料，以氧气为氧化剂的电化学发电装置。由于环境友好性和能量转换效率高等优点，被认为时最清洁和高效的新能源发电装置，被广泛应用在汽车上。

为了保证燃料电池的安全性和耐久性，必须严格限制在阳极和阴极之间的压力差。特别是对于高压燃料电池，有必要精心控制压力差以避免质子交换膜上的应力过大。如果不能有效控制阴阳极之间的压力差，就会降低PEMFC的寿命，严重的情况下会造成安全隐患。这是一个限制因素，阻碍了基于燃料电池的电动汽车的商业化。

阳极处的压力比阴极处的压力增加得更快，因为氢气通过高压罐供应到阳极，而阴极通过具有较大歧管容积的压缩机供给环境空气，需要更多时间来增加压力。因此，就响应时间而言，通常设定阳极压力以跟踪阴极压力，从而将阴极和阳极之间的压力差保持在特定范围内。因此，阳极压力的控制精度对于保证燃料电池的安全性和耐久性至关重要。

目前，已经出现了一些关于控制阳极压力的研究。例如，Karnik等研究者设计了一款静态输出反馈控制器，它接收已测得的阳极压力与湿度信号，并控制基于阳极再循环系统的喷射器，从而调节阳极压力和湿度。[Karnik AY,Sun J,Stefanopoulou AG,BucklandJH.Humidity and pressure regulation in a PEM fuel cell using a gainscheduledstatic feedback controller.IEEE Trans Control Syst Technol 2009；17:283-97]但是，阴极水活度测量的要求使得控制器难以实现。Pukrushpan等研究者利用基于压力差的比例控制器，使阳极中的压力可以快速跟踪阴极中的压力[Pukrushpan JT,StefanopoulouAG,Peng H.Control of fuel cell power systems:principles,modeling,analysis andfeedback design.Springer ScienceBusiness Media；2004]。然而，实际上，Pukrushpan设想的比例阀具有稳态误差，并且在吹扫过程中干扰抑制能力的问题仍未得到解决。综上所述，到目前为止，尚未出现成本低、控制精度高、稳定性强、能实现自动化的燃料电池阳极压力保护装置。

专利CN203839461U公开了一种氢燃料电池发动机阳极压力控制装置，包括高压储氢罐，减压阀，单向阀，共轨系统，电堆，排氢阀，阳极入口压力传感器，阴极入口压力传感器和压力控制器，共轨系统主要是由N路高频电磁阀组成；压力控制器通过CAN通讯接收上层控制(发动机ECU)的命令，并根据压力传感器的反馈信息，驱动共轨系统子管路电磁阀的开关和排氢阀，实现压力的调节或排氢动作，但该装置主要解决的技术问题是将高压氢罐供给的氢气稳定地、可控的输送至电池阳极端，不是针对系统工作异常状态(如断电)时的压力控制。

发明内容