[发明专利]一种质子交换膜燃料电池阳极气体净化控制方法

说明书

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池阳极气体净化控制方法。构建阳极水管理结构，利用阳极氮气浓度观测器控制阳极水管理结构工作；通过氢气循环泵控制氢气流量将燃料电池电堆内的气体含有的液态水带出并通过第二水汽分离器除去，气体凝结析出的液态水通过第一水汽分离器除去；利用阳极氮气浓度观测器处理得到氮气浓度观测值，利用净化持续过程模型得到净化持续时间，当氮气浓度观测值达到氮气浓度阈值，开启净化阀，排出氮气；经历净化持续时间后关闭净化阀，进入下周期。本发明解决了质子交换膜燃料电池发动机系统的阳极回路的气体净化过程的优化问题，可在保证电堆寿命的基础上极大地提升燃料电池系统的氢气利用率。

技术领域

本发明属于燃料电池应用的领域的一种燃料电池处理控制方法，尤其是涉及了一种基于氮气浓度在线观测的质子交换膜燃料电池阳极气体净化的方法。

背景技术

为了提高质子交换膜燃料电池系统的氢气利用率，阳极系统采用死端模式工作。然而，在这种工作模式下随着燃料电池系统的运行，阴极的氮气和产生的液态水会通过跨膜运输的方式渗透过阳极，一方面过多的水会造成阳极局部欠气从而引起反极，另一方面过多的氮气会降低阳极氢气的分压而影响电堆的整体性能。所以，需要周期性的净化处理排出阳极多余的水和氢气。

目前，发动机系统所采用的净化触发方式是基于时间的，在不同电流输出下确定的时间周期进行阳极净化。但是，在此技术方案下，一方面标定过程中会兼顾排除水淹和氮气浓度，很多时候为了排水即使在氮气浓度很低的情况下也会开启净化，造成了氢气不必要的浪费；另一方面，在电堆电流输出变化的时候会导致净化时间难以选取等问题。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了于氮气浓度在线观测的质子交换膜燃料电池阳极气体净化的方法。

本发明在有效的水管理前提下，基于浓度触发的阳极净化过程可避免以上的问题，在燃料电池发动机运行的过程中，阳极内的氮气浓度不通过传感器直接测量，而是借助模型设计观测器对阳极的气体浓度进行实时估计。

本发明采用的技术方案是：

首先，构建带有两个水汽分离器和一个氢气循环泵的质子交换膜燃料电池的阳极水管理结构，解耦因水淹和氮气浓度积累引起的电堆性能退化；利用阳极氮气浓度观测器控制阳极水管理结构进行工作实现阳极气体净化，进行氮气浓度触发的阳极系统气体净化的控制，极大提升了氢气利用率。

如图1所示，所述的阳极水管理结构包含位于燃料电池电堆入口的第一水汽分离器、位于燃料电池电堆出口的第二水汽分离器、氢气循环泵、氢气供给阀、压力调节阀和净化阀；氢气供给阀的入口连接氢气源，氢气供给阀的出口经压力调节阀连接到第一水汽分离器的入口，第一水汽分离器的出口连接到燃料电池电堆阳极入口，燃料电池电堆阳极出口连接到第二水汽分离器的入口，第二水汽分离器的出口经净化阀排出；第一水汽分离器和第二水汽分离器之间连接有氢气循环泵，第二水汽分离器的出口和净化阀之间管道引出连接到氢气循环泵的入口，第一水汽分离器入口和压力调节阀之间管道引出连接到氢气循环泵的出口；通过氢气循环泵驱动带出燃料电池电堆产生的气体并循环回入到燃料电池电堆中，经由第二水汽分离器除去从燃料电池电堆出来的气体中的液态水，且经由第一水汽分离器处进一步除去将进入燃料电池电堆的气体中析出的液态水。

根据燃料电池电堆的需求通过氢气循环泵控制氢气流量将燃料电池电堆内的气体含有的液态水带出来并通过第二水汽分离器2除去，而气体凝结析出的液态水通过第一水汽分离器1除去。

其中氢气供给阀控制从储氢装置出来的氢气的通断；压力调节阀用来控制燃料电池电堆阳极入口处氢气的压力；氢气循环泵可以使阳极回路形成内循环，基于不同的电堆输出得到氢气计量比，带出电堆产生的液态水，从而避免了用于液态水积累造成的电堆性能退化，如图1上半部分所示；电堆出口端的第二水汽分离器2用于除去从电堆出来的气体中的液态水；而在入口端由于高温高湿度的氢气与供给的低温氢气混合会有液态水析出，为了避免液态水进入电堆而影响电堆性能，在进入电堆入口前端放入第一水汽分离器1用来除去凝结的液态水。