阅读说明：本技术 一种燃料电池电压控制系统及控制方法 (Fuel cell voltage control system and control method ) 是由 苗佩宇 王鹏颖 张潇丹 李飞强 方川 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及燃料电池技术领域,具体涉及一种燃料电池电压控制系统及控制方法,所述燃料电池包括氢气源和电堆,所述电堆包括气体入口和废气出口,所述气体入口处连通有空气进气管；所述燃料电池电压控制系统包括催化燃烧器,所述氢气源和废气出口与催化燃烧器的进口连通,所述催化燃烧器的出口与空气进气管连通；本发明通过催化燃烧器,能够根据需要降低入堆气体的氧气含量,实现有效控制燃料电池电堆的电压,避免高电位对电堆催化剂造成损伤；实现低电流下入堆空气维持在低氧浓度、高湿度和合理的流量水平,有利于燃料电池在低功率输出条件下稳定运行；实现使燃料电池长期维持在较低的净输出水平,适应外部电负荷需求。(The invention relates to the technical field of fuel cells, in particular to a fuel cell voltage control system and a control method, wherein the fuel cell comprises a hydrogen source and an electric pile, the electric pile comprises a gas inlet and a waste gas outlet, and the gas inlet is communicated with an air inlet pipe; the fuel cell voltage control system comprises a catalytic combustor, the hydrogen source and the waste gas outlet are communicated with the inlet of the catalytic combustor, and the outlet of the catalytic combustor is communicated with an air inlet pipe; according to the invention, the catalytic combustor can reduce the oxygen content of the gas entering the stack as required, so that the voltage of the fuel cell stack can be effectively controlled, and the damage of high potential to the catalyst of the stack is avoided; the stack air is maintained at low oxygen concentration, high humidity and reasonable flow level under low current, and the stable operation of the fuel cell under the condition of low power output is facilitated; the fuel cell can be maintained at a lower net output level for a long time, and the requirement of external electric load is met.)

一种燃料电池电压控制系统及控制方法

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电压控制系统及控制方法。

背景技术

在包含有燃料电池组成的的电力系统中，由于电力系统整体能量匹配和负载动态变化的原因，存在短暂的或长时间电负荷要求极小的情况。在此种情况下，会要求燃料电池系统维持在零净输出功率的水平，燃料电池系统效率在较高范围内，且能保持平稳运行。

若外部电负荷在趋近于零和正常状态之间频繁切换时，燃料电池系统也随之进行关机和开机运行操作，会造成燃料电池频繁开关机，由此会造成燃料电池在开路电压和正常工作电压之间循环，加剧燃料电池催化剂的劣化，造成燃料电池系统的输出性能和耐久性能下降。因此在电负荷要求极小的时候，希望燃料电池系统可以保持持续运行而不关机，此种情况下燃料电池的电压需要维持在适当的范围内，燃料电池系统的能量消耗和输出功率也要维持在极低的水平。

现有技术如专利号为CN 105609837B公开的一种电源系统及燃料电池的电压控制方法，燃料电池的电压控制方法包括：在低负载状态时，切断燃料电池与负载的电连接；在将电连接的切断期间，以预先设定的条件向所述燃料电池供给氧；以所述预先设定的条件向所述燃料电池供给了氧之后，检测所述燃料电池的开路电压；在所述开路电压比目标电压高第一值以上时，减少向所述燃料电池供给的氧量；在所述开路电压比所述目标电压低第二值以上时，增加向所述燃料电池供给的氧量；及在所述开路电压小于所述目标电压与所述第一值之和且大于从所述目标电压减去所述第二值所得到的值时，维持向所述燃料电池供给的氧量。

但是该技术方案存在一些缺陷：

1、燃料电池系统难以维持输出电压在合理范围的同时处于低电流和低输出功率的运行状态。

2.燃料电池长时间维持在低输出功率会对催化剂造成严重损伤，降低燃料电池的寿命。

3.目前控制燃料电池的电压在合理范围的同时较难实现维持燃料电池的低功率输出状态。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种解决目前燃料电池在低外部电负荷情况下无法维持极低功率运行状态，且此种情况下电堆输出电压难以控制在要求的合理范围内，且存在对燃料电池膜电极损伤较大的问题的燃料电池电压控制系统及控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种燃料电池电压控制系统，所述燃料电池包括氢气源和电堆，所述电堆包括气体入口和废气出口，所述气体入口处连通有空气进气管；所述燃料电池电压控制系统包括催化燃烧器，所述氢气源和废气出口与催化燃烧器的进口连通，所述催化燃烧器的出口与空气进气管连通。

优选地，所述燃料电池电压控制系统还包括控制单元、阴极废气循环流量控制阀和氢气流量控制阀，所述阴极废气循环流量控制阀连接在废气出口与催化燃烧器进口之间；

所述氢气流量控制阀连接在氢气源与催化燃烧器进口之间；

所述控制单元与阴极废气循环流量控制阀和氢气流量控制阀电性连接。

优选地，所述阴极废气循环流量控制阀与废气出口之间还设置有压力调节阀。

优选地，所述催化燃烧器的出口与空气进气管的连通处与电堆气体入口之间依次设置有氧浓度传感器、流量计，所述浓度传感器、流量计分别与控制单元电性连接。

优选地，所述流量计与电堆气体入口之间还设置有空气压缩机，所述空气压缩机与控制单元电性连接。

优选地，所述空气压缩机与电堆气体入口之间还设置有中冷器；所述空气进气管具有进气端，所述进气端上具有空气过滤器。

优选地，所述电堆设置有电池电压监控模块，所述电池电压监控模块与控制单元电性连接。

为了解决上述技术问题，本发明采用的另一技术方案为：

一种上述燃料电池电压控制系统的控制方法，包括

判断电堆输出电压是否处在目标值范围内；

若否，则控制氢气和电堆废气出口的阴极废气进入催化燃烧器产生改变氧浓度的混合气体进入电堆；

根据燃料电池运行在目标电流下电堆输出目标电压对应的氧浓度和气体入口流量进行调节，之后再次判断电堆输出电压是否达到目标值范围。

优选地，通过所述电池电压监控模块获取电堆输出电压；

控制单元判断电堆输出电压是否处在目标值范围内；

若否，则控制单元阴极废气循环流量控制阀和氢气流量控制阀的开度控制氢气和电堆废气出口的阴极废气进入催化燃烧器产生改变氧浓度的混合气体通过空气压缩机进入电堆；

根据燃料电池运行在目标电流下电堆输出目标电压对应的氧浓度和气体入口流量进行调节，之后再次判断电堆输出电压是否达到目标值范围。

优选地，所述氧浓度和气体入口流量进行调节包括：

控制单元通过氧浓度传感器和流量计监测空气压缩机入口的氧浓度和流量，通过调节阴极废气循环流量控制阀和氢气流量控制阀，使空气压缩机入口的氧浓度和流量达到燃料电池运行在目标电流下电堆输出目标电压对应的氧浓度和气体入口流量。

本发明的有益效果在于：通过催化燃烧器，能够根据需要调整(降低)入堆气体的氧气含量，实现有效控制燃料电池电堆的电压，避免高电位对电堆催化剂造成损伤；实现低电流下入堆空气维持在低氧浓度、高湿度和合理的流量水平，有利于燃料电池在低功率输出条件下稳定运行；实现使燃料电池长期维持在较低的净输出水平，适应外部电负荷需求。

附图说明

图1为本发明具体实施例一的一种燃料电池电压控制系统的结构框图；

图2为本发明具体实施例二的一种燃料电池电压控制系统的控制方法的流程示意图；

标号说明：1、电堆；2、空气过滤器；3、氧浓度传感器；4、流量计；5、空气压缩机；6、中冷器；7、压力调节阀；8、阴极废气循环流量控制阀；9、电池电压监控模块；10、催化燃烧器；11、氢气流量控制阀；12、控制单元。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

实施例一

请参照图1，一种燃料电池电压控制系统，所述燃料电池包括氢气源和电堆1，所述电堆1包括气体入口和废气出口，所述气体入口处连通有空气进气管；所述燃料电池电压控制系统包括催化燃烧器10，所述氢气源和废气出口与催化燃烧器10的进口连通，所述催化燃烧器10的出口与空气进气管连通。

所述燃料电池电压控制系统还包括控制单元12、阴极废气循环流量控制阀8和氢气流量控制阀11，所述阴极废气循环流量控制阀8连接在废气出口与催化燃烧器10进口之间；

所述氢气流量控制阀11连接在氢气源与催化燃烧器10进口之间；

所述控制单元12与阴极废气循环流量控制阀8和氢气流量控制阀11电性连接。

所述阴极废气循环流量控制阀8与废气出口之间还设置有压力调节阀7。

所述催化燃烧器10的出口与空气进气管的连通处与电堆1气体入口之间依次设置有氧浓度传感器3、流量计4，所述浓度传感器、流量计4分别与控制单元12电性连接。

所述流量计4与电堆1气体入口之间还设置有空气压缩机5，所述空气压缩机5与控制单元12电性连接。

所述空气压缩机5与电堆1气体入口之间还设置有中冷器6；所述空气进气管具有进气端，所述进气端上具有空气过滤器2。

所述电堆1设置有电池电压监控模块9，所述电池电压监控模块9与控制单元12电性连接。

实施例二

请参照图2，一种实施例一所述燃料电池电压控制系统的控制方法，包括S110、燃料电池系统接收到控制器命令进入低功率输出状态后开始检测燃料电池(电堆1)电压，判断燃料电池电压是否小于目标值V1，若是，则继续S110；

S120、若燃料电池输出电压高于目标值(若否)，则开启电压控制；通过打开阴极废气循环流量控制阀8和氢气流量控制阀11，使得一定量的阴极废气和氢气进入催化燃烧装置，两者在催化燃烧装置内混合反应后，形成氧浓度较低的混合气体引入空气压缩机5入口；

S130、燃料电池运行在目标电流下，获取该电流下燃料电池输出目标电压对应的氧浓度和空气压缩机5入口流量；控制单元12通过氧浓度传感器3和空气压缩机5入口流量计4监测空气压缩机5入口的氧浓度和流量，之后通过调节阴极废气循环流量控制阀8和氢气流量控制阀11，使得空气压缩机5入口的氧浓度和流量达到目标值；

S140、若燃料电池(电堆1)电压小于目标值V1，则结束，否则则返回S120。

通过上述步骤循环使得燃料电池输出电压最终达到要求的目标范围值之内。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。