一种大功率燃料电池电堆及控制方法与流程

本申请涉及燃料电池领域，更具体地说，涉及一种大功率燃料电池电堆及控制方法。

背景技术：

1、燃料电池对工作温度要求苛刻，长期处于过高或过低温度环境下工作的燃料电池，其使用寿命会显著缩短，相较于在正常温度范围内运行的同类电池，这种差异尤为明显。这一现象不仅加剧了燃料电池堆的“短板效应”，即整个电堆的寿命将受限于其中寿命最短的单体电池，还直接影响了燃料电池系统的整体性能和可靠性。

2、在燃料电池堆的实际运行过程中，由于结构布局的复杂性、气体流动通道的设计差异、多变的运行状态以及热管理方式的多样性，导致电池堆内部温度分布极不均匀。这种温度分布的不均匀性进一步加剧了单体电池之间性能的不一致性，对燃料电池堆的整体效能构成了威胁。

3、随着燃料电池技术在汽车领域的广泛应用，以及市场对更高功率密度燃料电池需求的日益增长，大功率燃料电池的研发成为了行业关注的焦点。然而，大功率燃料电池在追求更高性能的同时，其热分布特性也变得更加复杂，局部温度一致性差的问题愈发凸显。这不仅增加了热管理的难度，也对燃料电池堆的耐久性提出了更高要求。

4、尽管目前已有部分关于电堆一致性的研究，但是其研究对象主要是小功率电堆，而对大功率电堆的研究仍然较少。大功率电堆膜电极活性面积更大、装堆单电池数更多，一致性问题更加重要和突出。

5、基于此，本申请提供了一种大功率燃料电池电堆方案，能够很大程度解决上述一致性问题，从而使电堆整体运行稳定，提高电堆使用寿命。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请提供了一种大功率燃料电池电堆及控制方法，能够使流入每一片电池的氢气和空气质量流量以及单体温度分布尽量一致，从而使电堆整体输出电压、电流稳定，保障大功率燃料电池电堆一致性，提高电堆使用寿命。

2、一种大功率燃料电池电堆，包括可变电堆模块和固定电堆模块，所述可变电堆模块和所述固定电堆模块均包含多个电堆单元；

3、所述可变电堆模块中每个所述电堆单元独立配置有一组气源管路和冷却水管路，电堆组合连接实现供电；

4、所述固定电堆模块中所述多个电堆单元按照预置分组数量分为若干电堆组，每一所述电堆组对应配置有一组所述气源管路和所述冷却水管路，各所述电堆组并联实现供电；

5、所述电堆单元内环接阳极歧管，外环接阴极歧管。

6、可选的，所述固定电堆模块中每一所述电堆组中的各个所述电堆单元逐一串联。

7、可选的，所述电堆单元为由多个电池片和冷却水换热管以扇形堆叠形成圆柱体结构电堆。

8、可选的，所述电堆单元的上端内环为氢气入口，上端外环为空气入口，上端中环为冷却水入口，下端内环为氢气出口，下端外环为空气出口，下端中环为冷却水出口。

9、可选的，所述电池片流道呈s型结构。

10、一种大功率燃料电池电堆的控制方法，应用于上述任一项所述的大功率燃料电池电堆，方法包括：

11、读取大功率燃料电池电堆连接的当前负载；

12、若所述当前负载为多个不同功率的负载，则启用可变电堆模块为所述当前负载供电；

13、若所述当前负载为一个固定功率的负载，则启用固定电堆模块为所述当前负载供电。

14、可选的，所述启用可变电堆模块为所述当前负载供电，包括：

15、获取所述当前负载功率以及所述可变电堆模块中每个所述电堆单元的性能参数；

16、根据所述当前负载功率和每个所述电堆单元的性能参数，利用粒子群优化算法确定出电堆单元组合方案；

17、基于所述电堆单元组合方案控制所述可变电堆模块中所述电堆单元的连接和组合，并对所述当前负载供电。

18、从上述的技术方案可以看出，本申请实施例提供的一种大功率燃料电池电堆包括可变电堆模块和固定电堆模块。可变电堆模块和固定电堆模块均包含多个电堆单元。所述可变电堆模块中每个所述电堆单元独立配置有一组气源管路和冷却水管路，电堆组合连接实现供电。所述固定电堆模块中所述多个电堆单元按照预置分组数量分为若干电堆组，每一所述电堆组对应配置有一组所述气源管路和所述冷却水管路，各所述电堆组并联实现供电。其中大功率燃料电池电堆中每个电堆单元内环接阳极歧管，外环接阴极歧管。

19、本申请的大功率燃料电池电堆采用双模式流体网络设计，可变电堆模块可以适应多负荷应用场景，固定电堆模块可以稳定为大功率负载连续供电，保证电堆系统的稳定高效运行。大功率燃料电池电堆中每个电堆单元内环接阳极歧管，外环接阴极歧管，内环直接接阳极歧管减少了局部损失，外环接阴极歧管通过增加空气流量平衡局部损失，使流入每一片电池的氢气和空气质量流量以及单体温度分布尽量一致，从而使电堆整体输出电压、电流稳定，保障大功率燃料电池电堆一致性，提高电堆使用寿命。

1.一种大功率燃料电池电堆，其特征在于，包括可变电堆模块和固定电堆模块，所述可变电堆模块和所述固定电堆模块均包含多个电堆单元；

2.根据权利要求1所述的大功率燃料电池电堆，其特征在于，所述固定电堆模块中每一所述电堆组中的各个所述电堆单元逐一串联。

3.根据权利要求2所述的大功率燃料电池电堆，其特征在于，所述电堆单元为由多个电池片和冷却水换热管以扇形堆叠形成圆柱体结构电堆。

4.根据权利要求3所述的大功率燃料电池电堆，其特征在于，所述电堆单元的上端内环为氢气入口，上端外环为空气入口，上端中环为冷却水入口，下端内环为氢气出口，下端外环为空气出口，下端中环为冷却水出口。

5.根据权利要求3所述的大功率燃料电池电堆，其特征在于，所述电池片流道呈s型结构。

6.一种大功率燃料电池电堆的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1-5中任一项所述的大功率燃料电池电堆，方法包括：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述启用可变电堆模块为所述当前负载供电，包括：