CN109950583B - 一种燃料电池系统及燃料电池系统用喷氢阀的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统，包括电堆、电子负载、氢气路、空气路、冷却回路和混合室；所述电堆作为燃料电池系统的核心部件；所述电子负载用于对燃料电池进行拉载；所述氢气路用于为燃料电池提供氢气；所述空气路用于为燃料电池提供空气；所述冷却回路用于对空气路和电堆内部进行冷却；所述混合室用于混合氢气路和空气路排出的气体和水。本发明的燃料电池系统及燃料电池系统用喷氢阀的控制方法中，通过燃料电池电堆输出电流、排氢阀和排水阀控制使能以及氢气路压力等信息来修正喷氢阀的控制，避免由于排氢阀和排水阀开启和关闭所造成的压力波动现象。此外，本发明还可以提高氢气的利用率，并且可以提升系统响应速率。

Description

一种燃料电池系统及燃料电池系统用喷氢阀的控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池系统控制领域，尤其涉及一种燃料电池系统及燃料电池系统用喷氢阀的控制方法。

背景技术

随着燃料电池技术不断成熟，以燃料电池系统作为驱动源的汽车不断投入使用，其利用燃料电池系统为车辆主要动力源的驱动方式能够从根本上解决环境污染问题。

在车用燃料电池系统中必不可少的是氢气供应系统，而氢气供应系统中的喷氢阀的控制方法是燃料电池系统控制的关键技术之一，合理的喷氢控制方法能够提高氢气利用率，并且可以提升系统响应速率。

具体地，燃料电池系统中排氢阀与排水阀的主要作用是当燃料电池系统反应消耗氢气的过程中，氢气不断减少，空气中的氮气和水会渗透到氢气侧导致氢气纯度下降，使反应界面的氢气分压降低，造成反应产生的电子减少，严重情况会造成反应停止，因此需要通过排氢阀和排水阀的定期开启排掉由于氢气反应消耗所造成的空气侧渗透过来的氮气和水。此过程会造成氢气路压力短时间下降的情况出现，此现象会影响氢气路与空气路的压力差，此压力差的变化一定程度上的会影响燃料电池系统核心部件-电堆的寿命，过度的氢气路与空气路的压力差变化，会造成电堆的损坏，因此维持氢气路与空气路的压力差稳定成为氢气路喷氢阀的关键。

现阶段，燃料电池系统中氢气路的压力控制多数是通过反馈调节的方法，此方法的局限性是只有当压力差达到一定值后的时候调节才会有效果，因此很难达到调节过程中响应及时和控制超调的平衡。

发明内容

本发明目的是提供一种燃料电池系统及燃料电池系统用喷氢阀的控制方法，其通过燃料电池电堆输出电流、排氢阀和排水阀控制使能以及氢气路压力等信息来修正喷氢阀的控制，避免由于排氢阀和排水阀开启和关闭所造成的压力波动现象。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种燃料电池系统，包括电堆、电子负载、氢气路、空气路、冷却回路和混合室；

所述电堆用于将化学能转化为电能；所述电子负载用于对燃料电池进行拉载；所述氢气路用于为燃料电池提供氢气；所述空气路用于为燃料电池提供空气；所述冷却回路用于对空气路和电堆内部进行冷却；所述混合室用于混合氢气路和空气路排出的气体和水。

进一步，所述氢气路包括氢气供应系统、减压阀、第一压力传感器、喷氢阀、引射器、第二压力传感器、排氢阀和排水阀；

所述氢气供应系统用于提供高压氢气；所述减压阀用于对氢气供应系统提供的氢气进行减压；所述第一压力传感器用于测量经减压阀减压后的氢气的压力；所述喷氢阀用于将氢气路中的氢气压力降至电堆需要的压力；所述引射器用于将电堆出口氢气再次利用后喷入电堆氢气路；所述第二压力传感器用于测量进入电堆的氢气的压力；所述排氢阀用于定期排出由于反应过程氮气渗透导致的含杂质的气体；所述排水阀用于排出氢气路中由于反应产生的液态水。

进一步，所述排氢阀的出口和排水阀的出口连接之后与混合室的入口相连。

进一步，所述喷氢阀的工作工况包括：燃料电池系统首次启动工况下，提供氢气，排出氢气回路中的杂质气体；燃料电池系统进行功率输出工况下，提供稳定的氢气压力；燃料电池系统停机工况下，提供稳定氢气压力进行放电。

进一步，所述空气路包括空气滤清器、进气截止阀、空压机、中冷器、加湿器和背压阀；

所述空气滤清器用于滤除空气中的灰尘和沙粒；所述进气截止阀用于控制空气的进入；所述空压机用于为电堆提供高压空气；所述中冷器用于降低增压后的高温空气温度；所述加湿器用于对空气进行加湿；所述背压阀用于调节空气路中空气的压力。

进一步，所述冷却回路包括散热器、水泵和三通阀；所述水泵用于驱动冷却水进行循环；所述三通阀用于对冷却水进行分流；所述散热器用于对冷却水进行冷却。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种燃料电池系统用喷氢阀的控制方法，包括以下步骤：

S10、燃料电池系统启动；

S20、系统对氢气压力进行判断；若氢气压力高于第一修正启动阈值，则执行步骤S30；否则，执行步骤S60；

S30、系统对负载电流进行判断；若负载电流高于第二修正启动阈值，则执行步骤S40；否则，执行步骤S60；

S40、判断排氢阀和排水阀是否开启；若排氢阀和排水阀均处于开启状态，则执行步骤S50；否则，执行步骤S60；

S50、通过负载电流和氢气压力进行修正；修正完成后，跳转至步骤S20；

S60、结束修正判断。

进一步，步骤S50中，通过计算负载电流与电流权重系数运算结果、氢气压力与压力权重系数运算结果，并将两者作为喷氢控制修正依据进行修正。

本发明具有如下有益效果：本发明的燃料电池系统及燃料电池系统用喷氢阀的控制方法中，通过燃料电池电堆输出电流、排氢阀和排水阀控制使能以及氢气路压力等信息来修正喷氢阀的控制，避免由于排氢阀和排水阀开启和关闭所造成的压力波动现象。此外，本发明还可以提高氢气的利用率，并且可以提升系统响应速率。

附图说明

图1为本发明的燃料电池系统的示意图；

图2为本发明的燃料电池系统用喷氢阀的控制方法的流程图；

图3为本发明的燃料电池系统的氢气压力结果图。

图中标记示意为：1-电堆；2-电子负载；3-散热器；4-水泵；5-三通阀；6-加湿器；7-背压阀；8-中冷器；9-空压机；10-混合室；11-进气截止阀；12-空气滤清器；13-氢气供应系统；14-减压阀；15-第一压力传感器；16-喷氢阀；17-引射器；18-第二压力传感器；19-排氢阀；20-排水阀。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。

实施例1

本实施例提供了一种燃料电池系统，能够提高氢气的利用率，并且可以提升燃料电池系统响应速率。

如图1所示，一种燃料电池系统，包括电堆1、电子负载2、氢气路、空气路、冷却回路和混合室10；

在本发明的实施例中，所述电堆1作为燃料电池系统的核心部件，用于将化学能转化为电能；所述电子负载2用于对燃料电池进行拉载；所述氢气路用于为燃料电池提供氢气；所述空气路用于为燃料电池提供空气；所述冷却回路用于对空气路和电堆内部进行冷却；所述混合室10用于混合氢气路和空气路排出的气体和水。

所述氢气路包括氢气供应系统13、减压阀14、第一压力传感器15、喷氢阀16、引射器17、第二压力传感器18、排氢阀19和排水阀20；

所述氢气供应系统13用于提供高压氢气；所述减压阀14用于对氢气供应系统13提供的氢气进行减压；所述第一压力传感器15用于测量经减压阀14减压后的氢气的压力；所述喷氢阀16用于将氢气路中的氢气压力降至电堆1需要的压力；所述引射器17用于将电堆出口氢气再次利用后喷入电堆氢气路；所述第二压力传感器18用于测量进入电堆1的氢气的压力；所述排氢阀19用于定期排出由于反应过程氮气渗透导致的含杂质的气体；所述排水阀20用于排出氢气路中由于反应产生的液态水。

在本发明的实施例中，氢气供应系统13供应的氢气经过减压阀14减压后至喷氢阀16，所述喷氢阀16进一步将氢气压力稳定至1bar至2.5bar之间，其具体压力由空气路压力所决定，从而保证空气路与氢气路之间的压力差保持稳定；氢气经过喷氢阀16之后，经过引射器17，从而将电堆出口的氢气再次利用后喷入电堆氢气路。此外，在减压阀14和喷氢阀16之间的管路上设置第一压力传感器15对减压阀14后端压力进行实时监控，且在引射器17和电堆1之间的管路上设置第二压力传感器18对氢气入堆前的压力进行实施监控，具体地，第二压力传感器18的压力值作为喷氢阀16的反馈量。

另一方面，排氢阀19与电堆排气口连接，用于定期排出由于反应过程中氮气渗透导致的含杂质的气体；排水阀20与电堆排水口连接，用于排出氢气路中由于反应产生的液态水。在本发明的实施例中，排氢阀19的出口和排水阀20的出口连接之后与混合室10的入口相连。

在本发明的实施例中，所述喷氢阀16的工作工况包括：燃料电池系统首次启动工况下，提供氢气，排出氢气回路中的杂质气体；燃料电池系统进行功率输出工况下，提供稳定的氢气压力；燃料电池系统停机工况下，提供稳定氢气压力进行放电。

所述喷氢阀16的控制方法为在原有闭环的氢气压力反馈控制基础上，通过考虑排氢阀19与排水阀20的开启时刻，提前一定时间进行排氢阀19的控制修正，其中提前时间和修正量与氢气路当前压力及当前电堆负载电流相关。

具体地，当燃料电池系统启动时，由于氢气路压力偏低，因此不对氢气路喷氢阀控制进行修正。当系统进行功率输出时，燃料电池系统根据负载大小与当前氢气路的实际压力进行计算，在排氢阀19与排水阀20打开之前开始进行喷氢阀16的控制补偿，最终达到当排氢阀19或排水阀20开启时氢气路不会出现明显压力下降现象的目的。

所述空气路包括空气滤清器12、进气截止阀11、空压机9、中冷器8、加湿器6和背压阀7；

所述空气滤清器12用于滤除空气中的灰尘和沙粒，保证进入电堆1的空气的清洁；所述进气截止阀11用于控制空气的进入；所述空压机9用于为电堆1提供高压空气；所述中冷器8用于降低增压后的高温空气温度，以降低电堆1的热负荷，提高进气量，进而增加电堆1的功率；所述加湿器6用于对空气进行加湿，防止进入电堆1的空气过于干燥，造成的燃料电池工作效率下降，甚至可能造成交换膜损坏的问题；所述背压阀7用于调节空气路中空气的压力，在本发明的实施例中，当空气路中空气的压力大于设定的压力时，气体会从背压阀7中排出，以减小空气路中空气的压力，另一方面，背压阀7的出口与混合室10的入口连接，即从背压阀7中排出的气体通过管路进入混合室10。

在本发明的实施例中，空气被空气滤清器12过滤之后进入空气路，经过进气截止阀11后，通过空压机9进行加压，加压之后的空气通过中冷器8进行降温，降温之后继续通过加湿器6进行加湿，最后进入燃料电池系统与氢气路的氢气反应，从而输出功率。在本发明的电堆内部需实时保证氢气与空气的稳定的压力差。

所述冷却回路包括散热器3、水泵4和三通阀5；所述水泵4用于驱动冷却水进行循环；所述三通阀5用于对冷却水进行分流；所述散热器3用于对冷却水进行冷却。

在本发明中，电堆1内部的冷却水通过水泵4循环，通过三通阀5对空气路与电堆1内部进行冷却。

实施例2

本实施例提供了一种燃料电池系统用喷氢阀的控制方法。

本发明通过电子负载的拉载电流、排氢阀19和排水阀20的开关命令以及当前氢气路压力进行计算，从而对喷氢阀16的控制命令进行修正。

如图2所示为本发明的燃料电池系统用喷氢阀的控制方法的流程图。具体地，一种燃料电池系统用喷氢阀的控制方法，包括以下步骤：

S10、燃料电池系统启动；

S20、系统对氢气压力进行判断；若氢气压力高于第一修正启动阈值，则执行步骤S30；否则，执行步骤S60；

S30、系统对负载电流进行判断；若负载电流高于第二修正启动阈值，则执行步骤S40；否则，执行步骤S60；

S40、判断排氢阀和排水阀是否开启；若排氢阀19和排水阀20均处于开启状态，则执行步骤S50；否则，执行步骤S60；

S50、通过负载电流和氢气压力进行修正；修正完成后，跳转至步骤S20；

S60、结束修正判断。

在本发明的实施例中，当燃料电池系统启动后，系统对氢气路压力进行判断，当氢气路中的氢气压力高于第一修正启动阈值时(如1.3bar)进行后续判断，如果判断失败则结束修正判断；随后系统对负载电流进行判断，当负载电流高于第二修正启动阈值时(如30A)时进行后续判断，如果判断失败则结束修正判断；最后判断排氢阀或排水阀是否开启，如果均为开启状态则进行修正计算，如果未开启则退出修正流程。进入修正计算后，通过计算负载电流与电流权重系数运算结果、氢气压力与压力权重系数运算结果，将两者作为喷氢控制修正依据进行修正。最终实现如图3所示的氢气压力结果。

如图3所示，当负载电流小于30A时，排氢阀19与排水阀20使能信号发出后，不进行修正计算，当电流高于30A，压力高于1.3bar，且排氢阀19或排水阀20开启时，进行修正计算，实现如图3中压力保持稳定的目标。

以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种燃料电池系统用喷氢阀的控制方法，包括燃料电池系统，所述燃料电池系统，包括电堆、电子负载、氢气路、空气路、冷却回路和混合室；

所述电堆用于将化学能转化为电能；所述电子负载用于对燃料电池进行拉载；所述氢气路用于为燃料电池提供氢气；所述空气路用于为燃料电池提供空气；所述冷却回路用于对空气路和电堆内部进行冷却；所述混合室用于混合氢气路和空气路排出的气体和水；

其中，所述氢气路包括氢气供应系统、减压阀、第一压力传感器、喷氢阀、引射器、第二压力传感器、排氢阀和排水阀；所述氢气供应系统用于提供高压氢气；所述减压阀用于对氢气供应系统提供的氢气进行减压；所述第一压力传感器用于测量经减压阀减压后的氢气的压力；所述喷氢阀用于将氢气路中的氢气压力降至电堆需要的压力；所述引射器用于将电堆出口氢气再次利用后喷入电堆氢气路；所述第二压力传感器用于测量进入电堆的氢气的压力；所述排氢阀用于定期排出由于反应过程氮气渗透导致的含杂质的气体；所述排水阀用于排出氢气路中由于反应产生的液态水；

所述空气路包括空气滤清器、进气截止阀、空压机、中冷器、加湿器和背压阀；所述空气滤清器用于滤除空气中的灰尘和沙粒；所述进气截止阀用于控制空气的进入；所述空压机用于为电堆提供高压空气；所述中冷器用于降低增压后的高温空气温度；所述加湿器用于对空气进行加湿；所述背压阀用于调节空气路中空气的压力；

所述冷却回路包括散热器、水泵和三通阀；所述水泵用于驱动冷却水进行循环；所述三通阀用于对冷却水进行分流；所述散热器用于对冷却水进行冷却；

其特征在于，包括以下步骤：

S10、燃料电池系统启动；

S20、系统对氢气压力进行判断；若氢气压力高于第一修正启动阈值，则执行步骤S30；否则，执行步骤S60；

S30、系统对负载电流进行判断；若负载电流高于第二修正启动阈值，则执行步骤S40；否则，执行步骤S60；

S40、判断排氢阀和排水阀是否开启；若排氢阀和排水阀均处于开启状态，则执行步骤S50；否则，执行步骤S60；

S50、通过负载电流和氢气压力进行修正；修正完成后，跳转至步骤S20；

S60、结束修正判断。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统用喷氢阀的控制方法，其特征在于，步骤S50中，通过计算负载电流与电流权重系数运算结果、氢气压力与压力权重系数运算结果，并将两者作为喷氢控制修正依据进行修正。

3.根据权利要求1所述的燃料电池系统用喷氢阀的控制方法，其特征在于，所述排氢阀的出口和排水阀的出口连接之后与混合室的入口相连。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统用喷氢阀的控制方法，其特征在于，所述喷氢阀的工作工况包括：燃料电池系统首次启动工况下，提供氢气，排出氢气回路中的杂质气体；燃料电池系统进行功率输出工况下，提供稳定的氢气压力；燃料电池系统停机工况下，提供稳定氢气压力进行放电。

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