[发明专利]一种燃料电池系统及其阳极氢气浓度评估方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池系统及其阳极氢气浓度评估方法，属于燃料电池领域。本发明包括电堆、主氢气控制阀、辅氢气控制阀、氢回流驱动装置、氢气入堆压力传感器、控制器和尾排阀，电堆设置有氢气入堆口和阳极出口，主氢气控制阀的出口连接氢回流驱动装置的入口，主氢气控制阀的入口与辅氢气控制阀的入口连接，主氢气控制阀和辅氢气控制阀的出口连接氢气入堆口，主氢气控制阀与辅氢气控制阀及氢回流驱动装置并联，氢气入堆压力传感器设置在氢气入堆口之前的管路上，尾排阀设置在阳极出口的管路上，主氢气控制阀、辅氢气控制阀、氢气入堆压力传感器、尾排阀均与控制器通信连接。本发明的方法实施简单、受液态水干扰小、不受限于供氢阀开闭状态。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池系统及其阳极氢气浓度评估方法。

背景技术

燃料电池阳极侧常采用回流设计,即燃料电池出堆氢气混合物，经由氢循环泵（或引射器）驱动回流至氢气入堆管路，并与新供给的氢气混合,进入电堆,重新参与燃料电池氢气循环。燃料电池阳极出堆混合物中主要成分为氢气、同时含有氮气和水分，其中的液态水经分水结构后，主要积聚于储液腔，气态水蒸气随主流混合气流动；其中的氮气来自于阴极空气中氮气通过质子交换膜的渗透。

随着燃料电池系统运行，燃料电池阴极渗透至阳极的氮气逐渐累积，造成氮浓度逐渐升高，氢气浓度降低，严重时会致使阳极氢气供给不充分，对膜电极造成不可逆损伤，影响燃料电池系统耐久性能。为此，在燃料电池阳极系统中设有尾排阀（也叫排氮阀），随燃料电池系统运行，尾排阀间断开启，瞬时排出部分混合气，由此氮浓度得以稀释。该种设计中，尾排阀开启排出氮气的同时，会排出较高比例的氢气和水蒸气，尤其是排出的氢气，除了造成燃料浪费影响系统经济性外还会影响燃料电池系统排出气体中的氢气含量，影响系统的氢安全。即尾排阀的开启时刻和开启段时间长度需要以，燃料电池阳极的氢气浓度为根据。

现有燃料电池系统迫切需要满足燃料电池系统应用的氢气浓度的测试或评估方法及实施。

现有技术中，采用氢气浓度传感器可用于监测燃料电池阳极的氢气浓度，但当前氢浓度传感器不能满足燃料电池在低温、高湿度的使用条件。现有燃料电池系统技术中，不具备氢浓度的测试或评估手段。

现有燃料电池系统技术中，专利CN107078319A中提出预测阳极系统内氢浓度的方法。其主要原理为：排气阀，其从阳极系统内排出废气；阳极压力传感器，其测量阳极系统内的压力；氢浓度推定部，其基于在供氢阀闭阀中且排气阀开阀期间的压力下降来推定阳极系统内的氢浓度。

现有专利CN107078319A中提出的预测阳极系统内氢浓度的方法在燃料电池系统具体应用中受到限制，主要体现在：

1. 氢浓度的推定过程受液态水状态的干扰较大，具体体现在其燃料电池系统架构中排气阀，在开启排气同时还存在排除液态水阶段，该阶段排气阀的液态水体积流通能力较气体低得非常多，严重干扰氢浓度的推断。

2. 氢浓度推定部基于在供氢阀闭阀状态，而实际燃料电池系统工作过程中，氢气在不断消耗，如若供氢阀闭阀，补气不能正常进行，可能会造成燃料电池系统压力瞬时明显降低，会影响系统正常运行。

因此，亟需提供一种集成度高的燃料电池系统及其阳极氢气浓度评估方法，以解决现有技术中受液态水干扰大、受限于供氢阀开闭状态的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池系统及其阳极氢气浓度评估方法，其阳极氢气浓度评估方法实施简单，可用于在线监测与反馈。

为实现上述目的，提供以下技术方案：