技术领域
[0001] 本
发明涉及
燃料电池堆技术领域，尤其是涉及一种燃料电池电堆的水管理方法。
背景技术
[0002] 虽然燃料电池系统零部件的产业化已经小有规模，但水管理仍然是非常关键的问题，且至今也未能完全解决。优质的水管理应该做到膜内
含水量、
阳极质子电拖曳(EOD，electro-osmotic drag)带水与
阴极反渗水的平衡，且至少应保证反应气向反应界面传输的过程中不因液态水的阻碍造成性能的大幅
波动，同时还应该保证质子传导过程中不因缺水等造成性能的明显下降。然而在实际操作中，很难同时实现以上两点，因此在燃料电池电堆内会出现水淹或缺水的问题。燃料电池电堆中的催化层(catalyst layer，CL)、气体扩散层(gas diffusion layer，GDL)、气体流道(gas channel，GC)内都可能发生水淹。短时间内轻微的水淹会造成输出功率的轻微下降，但是一旦在气体扩散层或气体流道内发生较为严重的水淹，则会造成
电压的间歇性大幅波动，甚至导致故障停机。这不仅会导致输出功率不稳定，还会因局部缺气导致催化剂的降解、扩散层的
腐蚀，影响燃料电池电堆的使用寿命。
[0003] 为解决水管理问题，目前
现有技术的主要研究的是单电池片数小于50片的燃料电池电堆。然而，为满足工业化应用中对功率
密度的要求，商用车用燃料电池单电池片数目前已经大于50片，甚至大于200片，随着单电池片数的增多，电堆的水管理问题更加复杂。此外，商用车的运行工况目前也愈加复杂，需要面临爬坡、下坡、转弯、
加速、减速等情况，在这些情况下，如当车辆遇到爬坡、下坡情况时，燃料电池电堆与水平面呈一定倾斜
角度，当车辆遇到转弯时，燃料电池电堆也会受到向心
力的影响，相当于和水平面呈一定倾斜角度。而在上述状态下，燃料电池电堆的水管理更加复杂，更加容易发生水淹问题。如图1、图2所示，燃料电池
发动机系统的燃料电池电堆包括单电池和设于燃料电池电堆两端的第一端板和第二端板。第一端板或第二端板上可以设置氢气进口、空气进口和
冷却水进口、氢气出口、氢气出口、空气出口。当氢气侧化学计量比为1.5，空气侧化学计量比为1.9时，以第二端板设置在车头方向，第一端板为阳极端板，氢气进口、空气进口和冷却水进口设置在第一端板上为例，当车辆发生下坡情况，则燃料电池电堆的阳极端板抬高，电堆里的最低单电池电压(电压最低的单片位于图2和图4中靠近第二端板的
位置)随着时间累积急剧下降，最终导致电堆故障停机。
[0004] 为解决水淹问题，现有技术通常采用的解决方案为分别设置专
门的氢气侧和空气侧排水通道，该排水通道分别平行于设置于氢气通道和空气通道下方，当电堆倾斜时，生成水不会在端部聚集，而是进入排水通道再排出电堆，然而增设排水通道对电堆结构的改动较大，操作复杂且成本较高，且无法同时解决电堆倾斜时的单电池电压快速下降的问题。此外，现有技术还采用基于燃料电池的状态(剩余水量或者倾斜角度)估算从燃料电池排出的水量，从而判断后续吹扫的强度，通过吹扫解决排水问题，进而使电堆能够正常启动，虽然该方法可缓解水淹情况，但该方法在车辆运行过程中遇到爬坡、下坡、转弯的情况时，仍然无法避免单电池水淹导致最低单电池电压急剧下降的问题。
发明内容
[0005] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的
缺陷而提供一种燃料电池电堆的水管理方法。
[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007] 一种燃料电池电堆的水管理方法，该方法在搭载燃料电池发动机系统的车辆内安装用以监测车辆运行平稳状况的
陀螺仪，所述的陀螺仪连接燃料电池发动机系统中燃料电池电堆的控制系统，当所述的陀螺仪监测到车辆发生转弯、爬坡或下坡情况，则陀螺仪将监测结果反馈至燃料电池电堆的控制系统，所述的控制系统提高氢气侧化学计量比和/或空气侧化学计量比，进而控制燃料电池电堆的端部排水。
[0008] 进一步地，所述的陀螺仪固定在搭载燃料电池发动机系统的车辆内的任意位置，所述的燃料电池电堆设于车辆的靠近车头位置、车尾处或车上盖处。所述的陀螺仪优选压电陀螺仪、微机械陀螺仪、光纤陀螺仪或激光陀螺仪。
[0009] 进一步地，若所述的陀螺仪监测到车辆发生转弯、爬坡或下坡情况，则将监测结果反馈至燃料电池电堆的控制系统，控制系统控制氢气侧化学计量比在氢气侧平稳操作条件的
基础上，提高5％～40％，和/或控制空气侧化学计量比在空气侧平稳操作条件的基础上，提高5％～40％。
[0010] 进一步地，本发明方法采用提高氢气
循环泵转速的方式提高氢气侧化学计量比。
[0011] 进一步地，本发明方法采用提高空气压缩泵转速的方式提高空气侧化学计量比。
[0012] 本发明方法的具体工作流程包括以下步骤：
[0013] S1、陀螺仪对搭载燃料电池电堆的车辆的当前状态进行监测，若监测到搭载燃料电池电堆的车辆处于平稳运行时，保持燃料电池电堆运行的操作条件不变，即氢气侧平稳操作条件为氢气侧化学计量比为1.3～6，空气侧平稳操作条件为空气侧化学计量比为1.5～6。否则，执行下一步。
[0014] S2、若陀螺仪监测到车辆发生爬坡、下坡或转弯，则控制系统控制氢气侧化学计量比在氢气侧平稳操作条件的基础上，提高5％～40％，和/或控制空气侧化学计量比在空气侧平稳操作条件的基础上，提高5％～40％；
[0015] 进一步地，若陀螺仪监测到车辆发生爬坡、下坡或转弯，则提高空气侧化学计量比至2.2，氢气侧化学计量比不变；或提高空气侧化学计量比至2.1，氢气侧化学计量比提高至1.6；或提高氢气侧化学计量比提高至1.7，空气侧化学计量比不变(为1.9)。
[0016] S3、当陀螺仪监测到车辆停止爬坡、下坡或转弯，开始处于平稳运行时，则保持当前燃料电池电堆运行的操作条件。
[0017] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0018] 1)本发明利用陀螺仪
感知车辆运行的状况，如是否转弯、爬坡、下坡等，若监测出车辆爬坡、下坡或转弯时，则通过提高氢气侧和/或空气侧的化学计量比，从而方便燃料电池排水，进而缓解电堆转弯、爬坡、下坡时的单电池电压快速下降的问题；
[0019] 2)发明方法可适用于包括单电池片数大于50片在内的各种燃料电池电堆的水管理优化，适用性更强；
[0020] 3)本发明通过提高氢气侧和/或空气侧的化学计量比，来推动燃料电池排水，同时可避免因局部缺气导致催化剂的降解、扩散层的腐蚀，可维持燃料电池电堆的使用寿命；
[0021] 4)本发明无需额外增设排水通道或对电堆结构进行改动即可避免电堆发生水淹，操作便捷，控制成本低且控制快速。
附图说明
[0022] 图1为现有技术中燃料电池发动机系统的俯视结构示意图；
[0023] 图2为现有技术中燃料电池电堆的结构示意图；
[0024] 图3为现有技术中燃料电池电堆的进气、出气示意图；
[0025] 图4为当车辆爬坡、下坡或转弯时，燃料电池电堆的氢气分配状态图；
[0026] 图5为当车辆爬坡、下坡或转弯时，当氢气侧化学计量比为1.5，空气侧化学计量比为1.9时，最低单片电压随时间的变化情况；
[0027] 图6为搭载燃料电池发动机系统和陀螺仪的车辆正视示意图；
[0028] 图7为搭载燃料电池发动机系统和陀螺仪的车辆俯视示意图；
[0029] 图8为本发明
实施例中燃料电池电堆的水管理方法的工作
流程图；
[0030] 图9为本发明实施例中车辆爬坡、下坡或转弯状态下，当提高空气侧化学计量比至2.2时，氢气侧化学计量比为1.5，最低单片电压随时间的变化情况；
[0031] 图10为本发明实施例中车辆爬坡、下坡或转弯状态下，当提高空气侧化学计量比至2.1时，氢气侧化学计量比提高至1.6，最低单片电压随时间的变化情况；
[0032] 图11为本发明实施例中车辆爬坡、下坡或转弯状态下，当提高氢气侧化学计量比提高至1.7，空气侧化学计量比为1.9时，最低单片电压随时间的变化情况。
具体实施方式
[0033] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
[0034] 实施例
[0035] 燃料电池电堆因爬坡、下坡受到重力影响发生倾斜时，或因转弯的
向心力影响，与水平面呈一定倾斜角度时，单电池电压快速下降，导致燃料电池电堆的排水能力降低。当燃料电池电堆的氢气侧化学计量比为1.5，空气侧化学计量比为1.9时，以第二端板设置在车头方向，第一端板为阳极端板，氢气进口、空气进口和冷却水进口设置在第一端板上为例，当车辆发生下坡情况，则燃料电池电堆的阳极端板抬高，电堆里的最低单电池电压(电压最低的单片位于图2和图4中靠近第二端板的位置)随着时间累积急剧下降，最终导致电堆故障停机。
[0036] 本发明涉及一种燃料电池电堆的水管理方法，该方法在搭载燃料电池发动机系统的车辆内安装陀螺仪，如图6、7所示，陀螺仪的作用为感知车辆运行的状况，如是否转弯、爬坡、下坡、加速、减速等，陀螺仪可以是压电陀螺仪、微机械陀螺仪、光纤陀螺仪和激光陀螺仪。陀螺仪可以固定放置车内的任何位置。燃料电池电堆可以放置在车辆的靠近车头、车尾或车上盖等。
[0037] 本发明方法的工作流程图如图8所示，陀螺仪对搭载燃料电池电堆的车辆的平稳状态进行监测。当搭载燃料电池电堆的车辆在平稳运行时，操作条件稳定，燃料电池电堆的氢气侧化学计量比为1.3～6，空气侧化学计量比为1.5～6。当车辆遇到爬坡、下坡或转弯时，燃料电池系统的陀螺仪监测到车辆运行状况的变化，燃料电池的控制系统控制氢气侧化学计量比在1.3～6的基础上，提高5％～40％，和/或控制空气侧化学计量比在1.5～6的基础上，提高5％～40％。通过提高氢气和空气的化学计量比，能够将更多的水排出，从而缓解单电池电压快速下降的问题。优选地，可以通过提高氢气
循环泵转速的方式，提高氢气侧化学计量比。可以通过提高空气压缩泵转速的方式，提高空气侧化学计量比。
[0038] 当陀螺仪监测到车辆停止爬坡、下坡或转弯，开始平稳运行时，降低氢气侧至之前的操作条件，即氢气侧化学计量比为1.3～6，空气侧化学计量比为1.5～6。如图9所示，采用本发明方法，当提高空气侧化学计量比至2.2时(提高比例为16％)，氢气侧化学计量比不变，燃料电池电堆里的最低单电池电压如图9所示，最低单电池电压几乎保持不变。
[0039] 当提高空气侧化学计量比至2.1时(提高比例为至11％)，氢气侧化学计量比提高至1.6(提高比例为至7％)，燃料电池电堆里的最低单电池电压如图10所示，最低单电池电压几乎保持不变。
[0040] 当提高空气侧化学计量比至氢气侧化学计量比提高至1.7(提高比例为至13％)，空气侧化学计量比不变(为1.9)时，燃料电池电堆里的最低单电池电压如图11所示，最低单电池电压几乎保持不变。
[0041] 本发明无需额外增设排水通道或对电堆结构进行改动，利用陀螺仪感知车辆运行的状况，如是否转弯、爬坡、下坡等，若监测出车辆爬坡、下坡或转弯时，通过提高氢气侧和/或空气侧的化学计量比，从而方便燃料电池排水，进而缓解电堆因转弯、爬坡、下坡导致的单电池电压快速下降的问题。
[0042] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的
修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以
权利要求的保护范围为准。
