[发明专利]燃料电池系统、其控制方法及包括其的交通工具

说明书

本发明提供了一种燃料电池系统、其控制方法及包括其的交通工具。该燃料电池系统包括：电池堆，具有阴极气体入口和阴极尾气出口；阴极气体输送管路，末端与阴极气体入口相连；加湿装置，设置在阴极气体输送管路上利用加湿介质对阴极气体进行加湿；阴极尾气输送管路，起始端与阴极尾气出口相连，且与加湿装置相连为加湿装置提供对加湿介质；以及换热装置，换热装置包括：第一换热装置，设置在阴极尾气输送管路上，且位于阴极尾气出口和加湿装置之间；和/或第二换热装置，设置在阴极气体输送管路上，且位于加湿装置和阴极气体入口之间。通过对COG加湿回路进行温度调节，最终达到电池堆湿度实时控制的目的，进而保证了燃料电池系统稳定工作。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种燃料电池系统、其控制方法及包括其的交通工具。

背景技术

燃料电池汽车（FCV）是一种用车载燃料电池装置产生的电能作为动力的汽车。目前，广泛应用于燃料电池汽车的是质子交换膜燃料电池（PEMFC）。质子交换膜燃料电池汽车的工作原理为：燃料氢气沿燃料电池电堆阳极板流道分配在膜电极的阳极侧，在阳极催化剂的作用下解离成电子和质子，电子经外电路到达阴极，质子直接穿过膜电极到达阴极，与阴极反应气体中的氧气反应生成水。此过程的产物为电能、热和水。其中电能带动电动机工作，电动机再带动汽车中的机械传动结构，进而带动汽车的前桥(或后桥)等行走机械结构工作，从而驱动电动汽车前进。热和水通过热交换装置直接排放或综合利用。

目前，对于功率等级较大的质子交换膜燃料电池车用动力系统，为了降低系统散热负荷，保证较高的电堆反应温度，通常空气需要进行外部加湿，外部加湿一般采用气/气型加湿方式，即利用电池堆阴极反应尾气（COG）中的热量和气态水对阴极进堆空气进行加湿。同时为了提高氢气利用率及系统使用安全性，燃料供给系统一般采用氢气循环方式。图1为质子交换膜燃料电池车用动力系统的简化结构示意图，其主要包含空气供给、氢气供给及电池堆冷却三个回路，电池堆10’电化学反应所需的空气由空气输送设备21’提供动力进入加湿器22’被电堆阴极反应尾气加湿升温后进入电池堆阴极侧，阴极尾气与空气在加湿器22’中完成传热传质后的废气直接排放；来自高压储气瓶31’的氢气通过减压及计量装置32’后进入电堆阳极侧，电堆阳极侧反应后的出堆气体通过氢气循环动力装置33’输送又循环进入电池堆，此过程由于涉及阴极惰性气体N₂膜渗透、阳极杂质气体循环累积及水管理等问题，在阳极出口氢气管路设置了吹扫装置34’，以便定时定量进行阳极杂质气体排放与阳极气水管理。电池堆电化学反应过程产生的热量由动力设备41’输送的冷却介质穿过电池堆10’带出后进入散热装置42’完成热量平衡，冷却介质在散热装置42’降温后又循环进入电池堆10’。

上述系统从燃料阴阳极反应物料供给及电堆热量平衡方面给出了较为优化的方案，但系统热管理方面只考虑了散热，对系统回路之间的水热耦合、部件对系统水热平衡影响考虑不多，尤其对于COG加湿过程涉及的水热管理及进堆气体湿度控制鲜有公开资料报道。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种燃料电池系统、其控制方法及包括其的交通工具，以解决现有技术中的燃料电池系统的水热利用不充分导致系统工作不稳定的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池系统，包括：电池堆，具有阴极气体入口和阴极尾气出口；阴极气体输送管路，末端与阴极气体入口相连；加湿装置，设置在阴极气体输送管路上利用加湿介质对阴极气体进行加湿；阴极尾气输送管路，起始端与阴极尾气出口相连，且与加湿装置相连为加湿装置提供加湿介质；以及换热装置，换热装置包括：第一换热装置，设置在阴极气体输送管路上，且位于阴极气体出口和加湿装置之间；和/或第二换热装置，设置在阴极尾气输送管路上，且位于加湿装置和阴极尾气入口之间。

进一步地，上述电池堆还具有阳极气体入口，燃料电池系统还包括：阳极气源存储装置；阳极气体输送管路，连接设置在阳极气源存储装置和阳极气体入口之间；以及减压计量装置，设置在阳极气体输送管路上。