CN109830716B

CN109830716B - 燃料电池电压控制方法、装置和存储介质

Info

Publication number: CN109830716B
Application number: CN201910105639.9A
Authority: CN
Inventors: 李建秋; 胡尊严; 徐梁飞; 欧阳明高
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2019-02-01
Filing date: 2019-02-01
Publication date: 2020-04-07
Anticipated expiration: 2039-02-01
Also published as: CN109830716A

Abstract

本申请提供一种燃料电池电压控制方法、装置和存储介质，所述燃料电池电压控制方法应用于燃料电池控制系统，所述燃料电池控制系统包括用于向燃料电池的阴极入口输入反应气体的空压机和用于使所述反应气体在所述燃料电池的阴极入口和所述燃料电池的阴极出口循环的循环泵，所述空压机和所述循环泵配合还用以调节所述燃料电池的阴极的气体过量系数和气体再循环率，其特征在于，所述控制方法包括：S10,获得所述燃料电池的工作电压值；S20,根据所述工作电压值和预设上限电压值的大小关系，调整所述气体过量系数和所述气体再循环率，以使所述燃料电池的工作电压不大于所述上限电压，且所述燃料电池的反应气体通过量在预设范围内。

Description

燃料电池电压控制方法、装置和存储介质

技术领域

本申请涉及电池领域，特别是涉及一种燃料电池电压控制方法、燃料电池电压控制装置和计算机可读存储介质。

背景技术

传统的燃料电池电压控制，最常见的办法还是采用控制输出电流的方法，通过控制器设置了一个最高工作电压。一旦高于这个工作电压，所述燃料电池提高输出电流，会使燃料电池工作电压下降，这种方法操作上十分便捷，但是需要提高持续的对外输出电流。此外，直接减少反应气体供给也可以降低所述燃料电池的工作电压。但是由于供气减少，会使得所述燃料电池内部状态分布不均，使得燃料电池的内部均一性和一致性恶化增大，存在失效的风险。

发明内容

基于此，有必要针对燃料电池的内部均一性和一致性恶化增大，存在失效的风险的问题，提供一种不提高对外输出电流的可靠控制方法、装置和存储介质。

一种燃料电池电压控制方法，应用于燃料电池控制系统，所述燃料电池控制系统包括用于向燃料电池的阴极入口输入反应气体的空压机和用于使所述反应气体在所述燃料电池的阴极入口和所述燃料电池的阴极出口循环的循环泵，所述空压机和所述循环泵配合还用以调节所述燃料电池的阴极的气体过量系数和气体再循环率，所述控制方法包括：

S10,获得所述燃料电池的工作电压值；

S20,根据所述工作电压值和预设上限电压值的大小关系，调整所述气体过量系数和所述气体再循环率，以使所述燃料电池的工作电压不大于所述上限电压，且所述燃料电池的反应气体通过量在预设范围内。

在一个实施例中，所述步骤S20包括：

S21，当所述工作电压值大于所述预设上限电压值时，减小所述气体过量系数，以使所述燃料电池的工作电压不大于所述上限电压；

S22，根据减小后的所述气体过量系数增大所述气体再循环率，以使所述燃料电池的反应气体通过量在预设范围内。

在一个实施例中，所述步骤S22中，所述根据减小后的所述气体过量系数调整所述气体再循环率包括：

根据物质守恒模型调整所述气体再循环率。

在一个实施例中，所述物质守恒模型为：

其中，η代表所述气体再循环率，λ₀代表所述气体再循环率的初始值，λ代表所述气体过量系数。

在一个实施例中，所述步骤S22后包括：

S23，继续比较所述工作电压值和所述预设上限电压值的大小；

S24，若所述工作电压值仍大于所述预设上限电压值，则继续执行所述步骤21：减小所述气体过量系数，以使所述燃料电池的工作电压不大于所述上限电压。

在一个实施例中，所述步骤S20包括：

S25，当所述工作电压值不大于所述预设上限值时，维持所述空压机和所述循环泵的原有初始工作状态。

在一个实施例中，所述步骤S10包括：

S11，设定所述气体过量系数的初始值和所述气体再循环率的初始值；

S12，根据所述燃料电池的工作电流密度、所述气体过量系数的初始值和所述气体再循环率的初始值确定所述燃料电池的工作电压值。

在一个实施例中，在所述步骤S10之前，还包括：

S01，设定所述预设上限电压值。

一种燃料电池电压控制装置，包括燃料电池电压控制设备和计算机，其中计算机包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时采用燃料电池电压控制方法，所述方法包括：

S10,获得所述燃料电池的工作电压值；

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时可用于执行上述实施例任一项所述方法的步骤。

本申请实施例提供的所述燃料电池电压控制方法，通过调整所述气体过量系数和所述气体再循环率，可以调整进入所述燃料电池阴极的反应气体的量，进而可以根据需要维持进入所述燃料电池阴极的反应气体的量。通过反复调节所述气体过量系数和所述气体再循环率，可以同时保证所述燃料电池的工作电压不大于所述上限电压，且所述燃料电池的反应气体通过量在预设范围内。因而可以在确保所述燃料电池的催化剂层不易被高电位腐蚀的基础上，确保所述燃料电池内部均一性和一致性，进而可以提高所述燃料电池的寿命。

附图说明

图1为本申请实施例提供的燃料电池电压控制方法流程图；

图2为本申请实施例提供的燃料电池控制系统示意图；

图3为本申请实施例提供的燃料电池电流密度和工作电压关系变化图；

图4为本申请实施例提供的电流密度和气体过量系数关系图；

图5为本申请实施例提供的气体在循环率和电流密度关系图；

图6为本申请实施例提供的电流密度和时间关系图；

图7为本申请实施例提供的燃料电池电压和时间关系图；

图8为本申请实施例提供的气体过量系数和时间关系图；

图9为本申请实施例提供的气体再循环率和时间关系图；

图10为本申请实施例提供的燃料电池电压控制装置示意图。

附图标记说明：

燃料电池控制系统20

氢气系统210

冷却系统220

空气系统230

空压机231

循环泵232

燃料电池30

阴极入口310

阴极出口320

燃料电池电压控制装置10

燃料电池电压控制设备11

计算机12

存储器100

处理器200

计算机程序300

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请的燃料电池电压控制方法、燃料电池电压控制装置和计算机可读存储介质进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参见图1，本申请实施例提供一种燃料电池电压控制方法。所述燃料电池电压控制方法应用于燃料电池30控制系统20。所述燃料电池30控制系统20包括用于向燃料电池30的阴极入口310输入反应气体的空压机231和用于使所述反应气体在所述燃料电池30的阴极入口310和所述燃料电池30的阴极出口320循环的循环泵232。所述空压机231和所述循环泵232配合还用以调节所述燃料电池30阴极的气体过量系数和气体再循环率。所述控制方法包括：

S10,获得所述燃料电池30的工作电压值；

S20,根据所述工作电压值和预设上限电压值的大小关系，调整所述气体过量系数和所述气体再循环率，以使所述燃料电池30的工作电压不大于所述上限电压，且所述燃料电池30的反应气体通过量在预设范围内。

请参见图2，本实施例中，所述燃料电池30控制装置20包括氢气系统210、冷却系统220和空气系统230。其中所述空气系统230包括所述空压机231和所述循环泵232。所述空压机231与所述燃料电池30的阴极入口310连通。所述循环泵232的两端分别与所述空压机231和所述燃料电池30的阴极出口320连通。通过所述空压机231和所述循环泵232配合，可以改变所述气体过量系数和所述气体再循环率。其中，所述气体过量系数可以为通过所述燃料电池30的阴极入口310进入所述燃料电池30的反应气体量和实际参与反应的所述反应气体量的比值。所述反应气体通过量为通过所述燃料电池30的阴极入口310进入所述燃料电池30的反应气体量。所述气体再循环率可以为经过所述燃料电池30从所述燃料电池30的阴极出口320流出的所述反应气体重新从所述燃料电池30的阴极入口310进入所述燃料电池30占总的流入所述燃料电池30中的所述反应气体量的比率。

步骤S10中，所述燃料电池30的工作电压值可以由所述燃料电池30的工作电流、所述气体过量系数和所述气体再循环率决定。

步骤S20中，所述预设上限电压值可以为避免所述燃料电池30的催化剂层腐蚀的最大电压值。在一个实施例中，所述燃料电池30的工作电压为0.4V-1.0V之间。研究发现，当所述燃料电池30的工作电压在0.8V以上的时候，会加速所述燃料电池30催化剂层的腐蚀，不利于燃料电池30的寿命。此时所述燃料电池30的预设上限电压值为0.8V。

通过使得燃料电池30的反应气体通过量在预设范围内，可以使得所述燃料电池30的内部状态分布均匀，提高所述燃料电池30的内部均一性和一致性，进而可以减少所述燃料电池30的失效的风险。

本申请实施例提供的所述燃料电池电压控制方法，通过调整所述气体过量系数和所述气体再循环率，可以调整进入所述燃料电池30阴极的反应气体的量，进而可以根据需要维持进入所述燃料电池30阴极的反应气体的量。通过反复调节所述气体过量系数和所述气体再循环率，可以同时保证所述料电池的工作电压不大于所述上限电压，且所述燃料电池30的反应气体通过量在预设范围内。因而可以在确保所述燃料电池30的催化剂层不易被腐蚀的基础上，且确保所述燃料电池30内部均一性和一致性，进而可以提高所述燃料电池30的寿命。

在一个实施例中，所述步骤S20包括：

S21，当所述工作电压值大于所述预设上限电压值时，减小所述气体过量系数，以使所述燃料电池30的工作电压不大于所述上限电压；

S22，根据减小后的所述气体过量系数增大所述气体再循环率，以使所述燃料电池30的反应气体通过量在预设范围内。

请参见图3，步骤S21中，当所述工作电压值大于所述预设上限电压值时，通过减小所述气体过量系数，可以减少所述反应气体进入所述燃料电池30的阴极的量，进而可以将低所述燃料电池30的工作电压值。使得所述燃料电池30的工作电压值维持在所述上限电压值以下。

请参见图4，当所述燃料电池30的电流密度越大时，所述工作电压值越低。此时无需在降低所述气体过量系数，所述气体过量系数会趋于一个稳定值。当所述燃料电池30的电流密度较小时，所述气体过量系数变化较大。

在步骤S22中，当所述气体过量系数减小后，进入所述燃料电池30阴极的反应气体通过量减小，此时可能会引起所述燃料电池30内部反应不均匀，通过增大所述气体再循环率，可以提高进入所述燃料电池30反应气体的量，因而可以使得进入所述燃料电池30内的所述反应气体维持在所述预设范围内。

请参见图5，随着电流密度的增大，所述气体再循环率越来越小，说明此时所述工作电压较小，没有超过所述预设上限电压。当所述电流密度较小时，所述燃料电池30的工作电压较高，此时为了补充进入所述燃料电池30的反应气体，所述气体再循环率也在增大，但是所述气体再循环率到达一定边界后，所述气体再循环率接近100％。此时为了保证进入所述燃料电池30的所述反应气体的总量不变，就无法再降低所述气体过量系数。

根据物质守恒模型调整所述气体再循环率。

在一个实施例中，所述物质守恒模型为：

在一个实施例中，所述步骤S22后包括：

S24，若所述工作电压值仍大于所述预设上限电压值，则继续执行所述步骤21：减小所述气体过量系数，以使所述燃料电池30的工作电压不大于所述上限电压。

所述步骤S24中，在降低所述气体过量系数的过程中不断反馈比较所述工作电压值与所述预设上限电压值的大小，进而可以提高反馈精度，确保所述燃料电池30的工作电压不大于所述上限电压。

在一个实施例中，所述步骤S20包括：

S25，当所述工作电压值不大于所述预设上限值时，维持所述空压机231和所述循环泵232的工作状态。此时可以使得所述空压机231和所述循环泵232稳定工作，减少功耗。

在一个实施例中，当所述工作电压值不大于所述预设上限值时，可以维持所述气体过量系数在1.5以上。

在一个实施例中，所述步骤S10包括：

S12，根据所述燃料电池30的工作电流密度、所述气体过量系数的初始值和所述气体再循环率的初始值确定所述燃料电池30的工作电压值。

所述步骤S11中，所述气体过量系数的初始值可以为1.5-2。所述气体过量系数的初始值可以为10％-20％。

所述步骤S12中，在所述燃料电池30接上负载后确定了所述燃料电池30的工作电流密度。通过设定所述气体过量系数的初始值和所述气体再循环率的初始值，可以确定所述空压机231和所述循环泵232对所述燃料电池30的影响，进而可以确定所述燃料电池30的工作电压值。

在一个实施例中，在所述步骤S10之前，还包括：

S01，设定所述预设上限电压值。所述预设上限电压值可以为0.8V。

请参见图6-9，所述燃料电池30加载曲线在0-800s的时间，所述燃料电池30在4个不同的所述电流密度下工作：通过所述燃料电池电压控制方法，在不同的小电流密度下，燃料电池30的工作电压都可以被控制在0.8V以下，因此保护了所述催化剂层不被腐蚀；所述气体过量系数从初始值不断下降，然后达到1.05这个值附近，随着所述电流密度的不断提高，燃料电池30的过量系数越来越大，可以很好的实现电压控制；在所述气体过量系数较低时，所述气体再循环率较高，当所述气体过量系数变大时，所述气体再循环率逐渐下降。

请参见图10，本申请一个实施例还提供一种燃料电池电压控制装置10。所述燃料电池电压控制装置10包括燃料电池电压控制设备11和计算机12。其中计算机12包括存储器100、处理器200及存储在存储器200上并可在处理器200上运行的计算机程序300。所述处理器200执行所述计算机程序300时采用燃料电池电压控制方法，所述方法包括：

S10,获得所述燃料电池30的工作电压值；

本申请一个实施例还提供一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序。该程序被处理器执行时可用于执行上述实施例任一所述方法的步骤。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为本专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种燃料电池电压控制方法，应用于燃料电池控制系统（20），所述燃料电池控制系统（20）包括用于向燃料电池（30）的阴极入口（310）输入反应气体的空压机（231）和用于使所述反应气体在所述燃料电池（30）的阴极入口（310）和所述燃料电池（30）的阴极出口（320）循环的循环泵（232），所述空压机（231）和所述循环泵（232）配合还用以调节所述燃料电池（30）的阴极的气体过量系数和气体再循环率，其特征在于，所述控制方法包括：

S10,获得所述燃料电池（30）的工作电压值；

S21，当所述工作电压值大于预设上限电压值时，减小气体过量系数，以使所述燃料电池（30）的工作电压值不大于所述预设上限电压值；

S22，根据减小后的所述气体过量系数增大气体再循环率，以使所述燃料电池（30）的反应气体通过量在预设范围内；

其中，根据减小后的所述气体过量系数增大气体再循环率包括：

根据物质守恒模型调整所述气体再循环率。

2.如权利要求1所述的燃料电池电压控制方法，其特征在于，所述物质守恒模型为：

其中，代表所述气体再循环率，代表所述气体再循环率的初始值，代表所述气体过量系数。

3.如权利要求1所述的燃料电池电压控制方法，其特征在于，所述S22后包括：

S24，若所述工作电压值仍大于所述预设上限电压值，则继续执行所述S21：减小所述气体过量系数，以使所述燃料电池（30）的工作电压值不大于所述预设上限电压值。

4.如权利要求1所述的燃料电池电压控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

S25，当所述工作电压值不大于所述预设上限值时，维持所述空压机（231）和所述循环泵（232）的原有初始工作状态。

5.如权利要求1所述的燃料电池电压控制方法，其特征在于，所述S10包括：

S12，根据所述燃料电池（30）的工作电流密度、所述气体过量系数的初始值和所述气体再循环率的初始值确定所述燃料电池（30）的工作电压值。

6.如权利要求1所述的燃料电池电压控制方法，其特征在于，在所述S10之前，还包括：

S01，设定预设上限电压值。

7.一种燃料电池电压控制装置，包括燃料电池电压控制设备（11）和计算机（12），其中计算机（12）包括存储器（100）、处理器（200）及存储在存储器（200）上并可在处理器（200）上运行的计算机程序（300），其特征在于，所述处理器（200）执行所述计算机程序（300）时采用燃料电池电压控制方法，所述控制方法包括：

S10,获得所述燃料电池（30）的工作电压值；

S21，当所述工作电压值大于预设上限电压值时，减小气体过量系数，以使所述燃料电池（30）的工作电压不大于所述预设上限电压值；

其中，所述根据减小后的所述气体过量系数调整增大气体再循环率包括：

根据物质守恒模型调整所述气体再循环率。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时用于执行权利要求1-6中任一项所述控制方法的步骤。