CN102156020B - 燃料电池系统估算氢瓶氢气剩余压力的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池系统估算氢瓶氢气剩余压力的方法及装置，该方法是向氢气瓶内充气至压力值达到设定范围，求得氢气初始摩尔值；燃料电池运行时，测量电流值，求得运行时间内输出的总电量；从而计算消耗的氢气摩尔量，算得氢瓶剩余压力。该装置包括氢气瓶、燃料电池和燃料电池控制器，氢气瓶出口设有压力表，氢气瓶出口通过管路与燃料电池连接；燃料电池通过装有电流传感器的电流传输线输出电流；燃料电池控制器内存储氢气瓶满瓶状态下的压力值，燃料电池控制器还控制燃料电池的启闭，且采集电流传感器测得的电流值并对其进行处理计算及存储。本发明降低燃料电池系统的成本，减少燃料电池系统的复杂度和节约燃料电池整体的空间。

Description

燃料电池系统估算氢瓶氢气剩余压力的方法及装置

技术领域

本发明涉及无氢瓶压力传感器的情况下用于估算燃料电池系统氢瓶氢气剩余压力(质量)的方法及实现装置。

背景技术

目前，燃料电池系统都采用压力传感器对氢瓶压力进行检测，且都配备电流传感器检测燃料电池的输出电流。本发明针对此进行进一步的研究，设计了一种方法及装置可以比现有的方法及装置更简单，成本更为低廉，但同样能取得准确的估算值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种燃料电池系统估算氢瓶氢气剩余压力的方法及装置，可以准确估算氢瓶的氢气剩余压力，且成本低廉。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

一种燃料电池系统估算氢瓶氢气剩余压力的方法，其包括以下步骤：

1)向氢气瓶内充气，且压力值达到设定范围内，计算得到氢气初始摩尔值n₀；

2)氢气瓶向燃料电池输送氢气，燃料电池运行时，测量电流值I，求得运行时间t内输出的总电量Q；

3)根据求得的总电量Q，计算消耗的氢气摩尔量Δn，并算得氢瓶剩余压力P_i。

进一步，所述氢气瓶满瓶状态下的压力值在1％的误差范围内波动；且氢气瓶所处环境的温度变化不超过10摄氏度。

所述总电量Q根据

进行积分运算，其中，λ为补偿系数，I为电流值，t为运行时间。

所述消耗的氢气摩尔量Δn根据

求得，其中，F为法拉第常数，λ为补偿系数，I为电流值，t为运行时间。

所述氢瓶剩余压力P_i根据求得，其中z₀、z_i是压缩系数。

一种燃料电池系统估算氢瓶氢气剩余压力的装置，其包括氢气瓶、燃料电池和燃料电池控制器，氢气瓶出口设有压力表，氢气瓶出口通过管路与燃料电池连接；燃料电池通过电流传输线输出电流，电流传输线上设有电流传感器；燃料电池控制器内存储氢气瓶满瓶状态下的压力值，且与复位按钮连接，燃料电池控制器还控制燃料电池的启闭，且采集电流传感器测得的电流值并对其进行处理及存储。

所述氢气瓶连接燃料电池的管路上还设有减压阀，其置于压力表之后。

所述复位按钮是在更换氢气瓶之后，对燃料电池控制器中存储的氢气瓶压力值更新。

其还包括温度传感器，用于监测环境温度，并传输给燃料电池控制器。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：

1.节约成本；

2.减少燃料电池系统的复杂度；

3.减小燃料电池系统的体积和质量。

附图说明

图1是本发明装置实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

本发明中，燃料电池系统不采用压力传感器检测氢瓶压力，而是根据气体状态方程、能量守恒定律以及法拉第常数等，用电流积分来估算氢瓶剩余气体压力，实验证明其计算精度完全符合工程精度要求。此方法及其实现装置可运用于燃料电池各种使用场合(如车用燃料电池系统，燃料电池应急电源等)，实现氢瓶剩余压力(质量)的估算，以提醒使用者及时更换氢瓶。

本发明涉及一套用于估算燃料电池系统氢瓶氢气剩余压力(质量)的方法及实现装置。运用本发明所涉及的方法时，需满足如下条件：

1.每次给氢瓶加氢后，其满瓶压力值只允许在1％的误差范围内波动。一般，氢瓶的加氢是在专业加氢站进行，因此，理论上可以保证1％的误差。

2.在使用过程中，氢瓶所处环境的温度变化不超过10摄氏度，从而可将环境温度作恒温处理。其主要是在燃料电池运行过程中测一次温度，因为温差不超过10摄氏度是理想条件，但实际中若有超出也是允许的，而且，一般来说，在燃料电池运行过程中，温差都不会超过10摄氏度。

以下对本发明所涉及的方法作详细阐述。

1.计算氢瓶满瓶压力初始值

实际气体的状态方程为：

P·V＝z·n·R·T                             (1)

其中z为压缩系数，是与绝对压力和绝对温度相关的函数，根据假设条件温度T保持不变，即z只为压力P的函数。氢瓶的体积大小是一定的，则可得：

$\frac{P_0}{P_i}=\frac{z_0\left(P_0\right)}{z_i\left(P_i\right)}\·\frac{n_0}{n_i}---\left(2\right)$

根据公式(1)计算满瓶压力为P₀的初始条件下的氢气摩尔量n₀(其中体积V、温度T均已知，压缩系数z₀可以从与压力P、温度T相关的表格中查得)。

2.计算已消耗氢气量

燃料电池运行过程中，通过电流传感器获取电流值I，并通过进行积分运算，得到运行时间内输出的总电量Q，其中，λ为补偿系数，而且，不同的输出电流区间对应不同的λ值。积分运算可简化为每秒钟电流值的累加，其前提是需对燃料电池的输出电流作周期为1秒的采样，而这在燃料电池控制程序中很容易实现。此外，考虑到部分氢气未经反应而被直接排入大气中，因此，在对电流值进行累加时，还需乘以相应的补偿系数λ，补偿系数可由实验得出：首先使燃料电池在某个电流值I下运行足够长的时间t，记录这段时间始末氢瓶中的氢气压力(氢瓶出口一般都配有氢气压力表，因此，可直接从表中读出压力值)分别为初始压力值p₀和运行时间t后的压力值p₁，接着，从公知的压缩系数图中查出对应的压缩系数分别为z₀和z₁，再由公式(1)可求出初始摩尔值n₀和运行时间t后的摩尔值n₁(公式(1)中涉及的理想气体常数R、温度T和体积V均为已知)，即，可得时间t内消耗的氢气摩尔量Δn＝n₀-n₁，然后由

可求得电流I所对应的补偿系数。(F为法拉第常数，其值为96485C/mol)最后，通过在选定的各个电流下重复上述实验，就可最终得出不同电流区间内的补偿系数。根据求得的总电量，计算消耗的氢气摩尔量(如公式3)：

$\mathrm{\Δn}=\frac{{\∫}_{t_0}^{t_i}\mathrm{\λ}\·I\·\mathrm{dt}}{2\·F}---\left(3\right)$

3.计算氢瓶剩余压力

根据以上分析可得下式：

$\frac{P_0}{P_i}=\frac{z_0\left(P_0\right)}{z_i\left(P_i\right)}\·\frac{n_0}{n_0-\mathrm{\Δn}}---\left(4\right)$

假设函数

其中P_a是根据运行时间计算假设的迭代的初始值，上式通过二分法迭代，当满足|N|≤δ时，即可找到所需求解的P_i估算值，即氢瓶剩余氢气的压力。这里，δ为工程允许误差值。实验证明P_i的估算值在误差允许范围内，可准确地反应氢瓶内氢气的剩余压力。

按照本发明的方法，在每次关闭燃料电池，或者说，系统不再消耗氢气时，氢瓶压力值都将被保存到燃料电池控制器的非易失性存储器中，且在下一次开机时，被重新读取。

此外，按照本发明的方法，还额外设有一个氢瓶压力复位按钮，可选择安装在例如氢瓶固定架上，复位按钮与控制器之间有导线连接。即，更换氢瓶时，可通过按下复位按钮，使氢瓶压力值更新到既定的满瓶压力值。

下面结合附图，对本发明的实施例作详细阐述。

如图1所示，在氢气瓶1的出口处配有压力表2，压力表2的压力值只能人为读取而无法上传，通过它可读出瓶中的氢气压力。氢气瓶1的出口连接有管路，使其与燃料电池堆4连通，管路上安装有减压阀3，氢气在进入燃料电池堆4之前，需要由减压阀3将其压力减到合适的范围。在本实施例中，燃料电池堆4通过电流传输线连接发动机6，用于给电动机6提供电能，而在电流传输线上接有电流传感器5。此外，还配有温度传感器7，温度传感器7可设置在比如氢气瓶1的固定架上，用于监测环境温度。燃料电池控制器9主要用于控制燃料电池电堆4的正常工作，但在本发明中它还具有如下功能：

●采集燃料电池电堆4的输出电流；

●采集环境温度；

●实现本发明所涉及的相关算法；

●实现剩余氢气压力值在非易失性存储器(EE²PROM)中的读写。

在更换新的氢气瓶1时，必须按下可安装于氢气瓶1的固定架上的复位按钮8对EE²PROM中的压力值进行更新，以使其与实际的氢气压力值相对应。而根据前面所作的假设，氢气瓶1在每次加氢后，其压力值都为某个固定值(误差1％以内)，比如为15Mpa。这样，可确保保存在EE²PROM中的初始压力值总是正确的。

当燃料电池电堆4有电流输出，也就是开始消耗氢气时，燃料电池控制器9将通过电流传感器5和温度传感器7采集相应的电流和温度，这里，电流的采集周期规定为1秒。对采集到的每个电流值，燃料电池控制器9都会为其分配特定的补偿系数(相应的分配关系已通过表格形式保存到燃料电池控制器9的存储单元中)，并对两者的乘积进行一次累加操作。当电流不再输出时，控制程序将根据前面提到的公式(3)计算出这段时间内所消耗的氢气摩尔量，即

$\mathrm{\Δn}=\frac{{\∫}_{t_0}^{t_i}\mathrm{\λ}\·I\·\mathrm{dt}}{2\·F},$

然后，根据

并借助前述迭代方法，可计算出氢气瓶1中的剩余氢气压力P_i。其中，涉及到计算P₀的相关参数(如压缩系数z)都已被保存在燃料电池控制器9的存储单元中。

最后，求得的剩余氢气压力值将被保存到燃料电池控制器9的EE²PROM中，以此确保在下一次重新开启燃料电池电堆4时，程序中的氢气压力值仍和实际的氢气瓶1的压力值对应。

本发明中的压力表在燃料电池系统中一般都是标配的，它可一直显示氢瓶中的氢气压力，但只能人为读取而无法实时上传。在现有装置中，还在氢气瓶出口的硬管路上安装有压力传感器，压力传感器可实时上传氢气瓶中的氢气压力，但同时也会使燃料电池系统的成本增加。因此，本发明的最大优势在于，在满足相应精度要求的前提下，可省去压力传感器以大大节省系统成本。即本发明可以降低燃料电池系统的成本，减少燃料电池系统的复杂度和节约燃料电池整体的空间，从而提高燃料电池系统的比质量功率和比体积功率。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统估算氢瓶氢气剩余压力的方法，其特征在于：其包括以下步骤：

1）向氢气瓶内充气，且压力值达到设定范围内，计算得到氢气初始摩尔值n₀；

2）氢气瓶向燃料电池输送氢气，燃料电池运行时，测量电流值I，求得运行时间t内输出的总电量Q；

3）根据求得的总电量Q，计算消耗的氢气摩尔量Δn，并算得氢瓶剩余压力P_i。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统估算氢瓶氢气剩余压力的方法，其特征在于：所述氢气瓶满瓶状态下的压力值在1%的误差范围内波动；且氢气瓶所处环境的温度变化不超过10摄氏度。

3.如权利要求1所述的燃料电池系统估算氢瓶氢气剩余压力的方法，其特征在于：所述总电量Q根据

进行积分运算，其中，λ为补偿系数，I为电流值，t为运行时间；

其中，补偿系数由实验得出：首先使燃料电池在某个电流值I下运行足够长的时间t，记录这段时间始末氢瓶中的氢气压力分别为初始压力值p₀和运行时间t后的压力值p₁，接着，从公知的压缩系数图中查出对应的压缩系数分别为z₀和z₁，再由公式（1）P·V＝z·n·R·T求出初始摩尔值n₀和运行时间t后的摩尔值n₁，得到时间t内消耗的氢气摩尔量Δn＝n₀-n₁，然后由

求得电流I所对应的补偿系数λ。

4.如权利要求1所述的燃料电池系统估算氢瓶氢气剩余压力的方法，其特征在于：所述消耗的氢气摩尔量Δn根据求得，其中，F为法拉第常数，λ为补偿系数，I为电流值，t为运行时间；

其中，补偿系数由实验得出：首先使燃料电池在某个电流值I下运行足够长的时间t，记录这段时间始末氢瓶中的氢气压力分别为初始压力值p₀和运行时间t后的压力值p₁，接着，从公知的压缩系数图中查出对应的压缩系数分别为z₀和z₁，再由公式（1）P·V＝z·n·R·T求出初始摩尔值n₀和运行时间t后的摩尔值n₁，得到时间t内消耗的氢气摩尔量Δn＝n₀-n₁，然后由求得电流I所对应的补偿系数λ。

5.如权利要求1所述的燃料电池系统估算氢瓶氢气剩余压力的方法，其特征在于：所述氢瓶剩余压力P_i根据

求得，其中z₀、z_i是压缩系数。

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