CN110048144B - 一种燃料电池系统及其空气供应控制方法 - Google Patents

一种燃料电池系统及其空气供应控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种燃料电池系统及其空气供应控制方法，控制方法包括如下步骤：检测当前的环境气压，并得到当前的环境气压得到燃料电池电堆输出最大电压时所需的入堆空气压力和入堆空气流量；检测燃料电池的当前入堆空气压力和实际入堆空气流量；根据燃料电池所需入堆空气压力与当前入堆空气压力之间的差值，以及燃料电池所需入堆流量与当前入堆空气流量之间的差值，控制燃料电池的进气压力调节装置或排气压力调节装置的工作状态。本发明所提供的技术方案，使入堆空气压力和入堆空气流量都能够满足燃料电池电堆输出最大电压时的需求，解决由于供氧不足而导致燃料电池性能下降的问题。

Description

一种燃料电池系统及其空气供应控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池的空气供应控制技术领域，具体涉及一种燃料电池系统及其空气供应控制方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转化效率高，功率密度高，环境友好，室温快速启动等优点，可用于便携式充电器、燃料电池车、分散式电站、水下潜器等设备，是目前最有望率先实现商业化的燃料电池。
燃料电池系统输出功率的来源，是电堆里氧气和氢气进行电化学反应所产生的能量。在氧气侧，对于特定的电流需求，氧气的需求量是确定的，对于特定的电压需求，氧气的分压是确定的。如果环境的氧气含量发生变化，则需要调节空气的流量，使进入电堆的氧气量保持恒定。如果环境的压力发生改变，则需要调节空压机的出口压力，使进入电堆的氧气分压保持恒定。
燃料电池系统的运行压力分为高压环境和低压环境，在高压环境下氧气的供应通过空气压缩机压缩空气实现，在低压环境下氧气的供应通过鼓风机压缩空气实现；压缩过的空气通过加湿器或直接输送到电堆空气侧，并通过背压阀控制空气侧的出口压力。
若不限定燃料电池的输出电压恒定，即可以考虑电堆的输出功率有微弱的衰减，则可以不改变进入电堆的空气压力，单片燃料电池的电压损失可以表述为
Figure GDA0002547853860000011
氧气的消耗可以按照法拉第准则计算
Figure GDA0002547853860000012
其中，E0为实际工况下的单电池电压，单位为V；R为通用气体常数，取值8.314；T为温度，单位为K；
Figure GDA0002547853860000013
为氢气的压力，
Figure GDA0002547853860000014
为氧气的压力，
Figure GDA0002547853860000015
为变化后的氧气分压，各气体压力的单位均为bar；N为反应物的摩尔消耗率，其单位是mol/s；n为单电池数；I为电流，其单位是A；F为法拉第常数，其单位是C/mol。
在高海拔的环境下，空气压力较低，且空气中氧气的成分比较低，导致输送到燃料电池的空气中氧气含量不能满足电堆反应的需求，使燃料电池电堆最大输出电压降低，燃料电池系统的性能下降。
发明内容
本发明提供一种燃料电池系统及其空气供应控制方法，用于解决现有技术中由于供氧不足而导致燃料电池性能下降的问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
方法方案1：一种燃料电池的空气供应控制方法，包括如下步骤：
(1)检测当前的环境气压，并得到当前的环境气压得到燃料电池电堆输出最大电压时所需的入堆空气压力和入堆空气流量；
(2)检测燃料电池的当前入堆空气压力和实际入堆空气流量；
(3)根据燃料电池所需入堆空气压力与当前入堆空气压力之间的差值，以及燃料电池所需入堆流量与当前入堆空气流量之间的差值，控制燃料电池的进气压力调节装置或排气压力调节装置的工作状态。
本发明所提供的技术方案，根据燃料电池所需入堆空气压力与实际入堆空气压力之间的差值，以及燃料电池所需入堆流量与实际入堆空气流量之间的差值，控制燃料电池进气压力调节装置和排气压力调节装置的工作状态，使入堆空气压力和入堆空气流量都能够满足燃料电池电堆输出最大电压时的需求，解决由于供氧不足而导致燃料电池性能下降的问题。
方法方案2：在方法方案1的基础上，所述步骤(3)中对燃料电池进气压力调节装置和排气压力调节装置的控制包括：当当前入堆空气压力与所需入堆空气压力之间差值的绝对值大于设定压力误差，或者当前入堆空气流量与所需入堆空气流量之间差值的绝对值大于设定流量误差时：如果当前入堆空气压力大于所需入堆空气压力，且入堆空气流量大于所需入堆空气流量，则减小进气压力调节装置的功率。
方法方案3：在方法方案1的基础上，所述步骤(3)中对燃料电池进气压力调节装置和排气压力调节装置的控制包括：当当前入堆空气压力与所需入堆空气压力之间差值的绝对值大于设定压力误差，或者当前入堆空气流量与所需入堆空气流量之间差值的绝对值大于设定流量误差时：如果当前入堆空气压力大于所需入堆空气压力，且入堆空气流量小于所需入堆空气流量，则增加排气压力调节装置的开度。
方法方案4：在方法方案1的基础上，所述步骤(3)中对燃料电池进气压力调节装置和排气压力调节装置的控制包括：当当前入堆空气压力与所需入堆空气压力之间差值的绝对值大于设定压力误差，或者当前入堆空气流量与所需入堆空气流量之间差值的绝对值大于设定流量误差时：如果当前入堆空气压力小于所需入堆空气压力，且入堆空气流量大于所需入堆空气流量，则减小排气压力调节装置的开度。
方法方案5：在方法方案1的基础上，所述步骤(3)中对燃料电池进气压力调节装置和排气压力调节装置的控制包括：当当前入堆空气压力与所需入堆空气压力之间差值的绝对值大于设定压力误差，或者当前入堆空气流量与所需入堆空气流量之间差值的绝对值大于设定流量误差时：如果当前入堆空气压力小于所需入堆空气压力，且入堆空气流量小于所需入堆空气流量，则增加进气压力调节装置的功率。
方法方案6：在方法方案1-5任意一项的基础上，所述步骤(1)中，首先在各环境气压下对燃料电池的电堆进行标定，得到在各环境下燃料电池电堆输出最大电压时所需的入堆空气压力和入堆空气流量，并将其存储到标定表中；当检测到当前的环境气压后，通过查标定表得到当前环境气压下燃料电池所需的进气入堆压力和所需的入堆空气流量。
通过查表的方式获取当前环境气压下燃料电池所需的进气入堆压力和所需的入堆流量，方法简单，效率高。
方法方案7：在方法方案1-5任意一项的基础上，所述进气压力调节装置为空压机或鼓风机。
方法方案8：在方法方案1-5任意一项的基础上，所述排气压力调节装置为背压阀。
系统方案1：一种燃料电池系统，包括电堆，控制器，空气供应管道和空气排气管道，在空气供应管道上设置有进气压力调节装置，在空气排气管道上设有排气压力调节装置；所述控制器连接进气调节装置和排气压力调节装置的控制端；所述控制器连接有用于检测燃料电池空气管道中空气压力的压力传感器，以及用于检测燃料电池空气管道中空气流量的流量传感器；所述控制器用于实现如下步骤：
(1)检测当前的环境气压，并得到当前的环境气压得到燃料电池电堆输出最大电压时所需的入堆空气压力和入堆空气流量；
(2)检测燃料电池的当前入堆空气压力和实际入堆空气流量；
(3)根据燃料电池所需入堆空气压力与当前入堆空气压力之间的差值，以及燃料电池所需入堆流量与当前入堆空气流量之间的差值，控制燃料电池的进气压力调节装置或排气压力调节装置的工作状态。
系统方案2：在系统方案1的基础上，所述步骤(3)中对燃料电池进气压力调节装置和排气压力调节装置的控制包括：当当前入堆空气压力与所需入堆空气压力之间差值的绝对值大于设定压力误差，或者当前入堆空气流量与所需入堆空气流量之间差值的绝对值大于设定流量误差时：如果当前入堆空气压力大于所需入堆空气压力，且入堆空气流量大于所需入堆空气流量，则减小进气压力调节装置的功率。
系统方案3：在系统方案1的基础上，所述步骤(3)中对燃料电池进气压力调节装置和排气压力调节装置的控制包括：当当前入堆空气压力与所需入堆空气压力之间差值的绝对值大于设定压力误差，或者当前入堆空气流量与所需入堆空气流量之间差值的绝对值大于设定流量误差时：如果当前入堆空气压力大于所需入堆空气压力，且入堆空气流量小于所需入堆空气流量，则增加排气压力调节装置的开度。
系统方案4：在系统方案1的基础上，所述步骤(3)中对燃料电池进气压力调节装置和排气压力调节装置的控制包括：当当前入堆空气压力与所需入堆空气压力之间差值的绝对值大于设定压力误差，或者当前入堆空气流量与所需入堆空气流量之间差值的绝对值大于设定流量误差时：如果当前入堆空气压力小于所需入堆空气压力，且入堆空气流量大于所需入堆空气流量，则减小排气压力调节装置的开度。
系统方案5：在系统方案1的基础上，所述步骤(3)中对燃料电池进气压力调节装置和排气压力调节装置的控制包括：当当前入堆空气压力与所需入堆空气压力之间差值的绝对值大于设定压力误差，或者当前入堆空气流量与所需入堆空气流量之间差值的绝对值大于设定流量误差时：如果当前入堆空气压力小于所需入堆空气压力，且入堆空气流量小于所需入堆空气流量，则增加进气压力调节装置的功率。
系统方案6：在系统方案1-5任意一项的基础上，所述步骤(1)中，首先在各环境气压下对燃料电池的电堆进行标定，得到在各环境下燃料电池电堆输出最大电压时所需的入堆空气压力和入堆空气流量，并将其存储到标定表中；当检测到当前的环境气压后，通过查标定表得到当前环境气压下燃料电池所需的进气入堆压力和所需的入堆空气流量。
系统方案7：在系统方案1-5任意一项的基础上，所述进气压力调节装置为空压机或鼓风机。
系统方案8：在系统方案1-5任意一项的基础上，所述排气压力调节装置为背压阀。
附图说明
图1为实施例中空气供应的示意图；
图2为实施例中燃料电池空气供应的控制流程图。
具体实施方式
本发明提供一种燃料电池系统及其空气供应控制方法，用于解决现有技术中由于供氧不足而导致燃料电池性能下降的问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种燃料电池的空气供应控制方法，包括如下步骤：
(1)检测当前的环境气压，并得到当前的环境气压得到燃料电池电堆输出最大电压时所需的入堆空气压力和入堆空气流量；
(2)检测燃料电池的当前入堆空气压力和实际入堆空气流量；
(3)根据燃料电池所需入堆空气压力与当前入堆空气压力之间的差值，以及燃料电池所需入堆流量与当前入堆空气流量之间的差值，控制燃料电池的进气压力调节装置或排气压力调节装置的工作状态。
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
本实施例提供一种燃料电池系统，包括电堆，在电堆处设置有氢气供应管道和空气供应管道和排气管道；氢气供应管道用于输入氢气，空气供应管道用于输入空气，氢气和空气中的氧气在电堆处反映，产生能量，输出功率；经过电堆反映后的空气从排气管道排出。
本实施例所提供的燃料电池系统，其空气供应的示意图如图1所示，包括控制器，并且在空气供应管道上设置有空压机，在排气管道上设置有背压阀，控制器连接空压机和背压阀，控制空压机电机的转速和背压阀的阀门开度。在空气供应管道上设置有流量传感器，在电堆处设置有压力传感器，控制器连接流量传感器和压力传感器的信号输出端；根据流量传感器的信息得到空气供应管道中气体的流量，将其作为电堆的入堆空气流量；根据压力传感器检测到的信息得到电堆处空气的压力，将其作为入堆空气压力。作为其他实施方式，可以采用鼓风机代替空压机，作为电堆的进气压力调节装置。
控制器根据流量传感器和压力传感器检测到的数据，对空压机电机的转速和背压阀阀门的开度进行调节，从而实现对燃料电池空气供应的控制；控制的流程如图2所示，包括如下步骤：
(1)根据燃料电池电堆的特性，在各环境气压下对燃料电池的电堆进行标定，得到在各环境气压下电堆输出最大电压时需要的入堆空气压力和入堆空气流量，并将标定结果存储在标定表中；
(2)检测当前的环境气压，并从标定表中查找出当前环境气压下电堆输出最大电压所需的入堆空气压力和入堆空气流量；
(3)检测当前的入堆空气流量和入堆空气压力，当当前入堆空气压力与所需入堆空气压力之间差值的绝对值小于设定压力误差，且当前入堆空气流量与所需入堆空气流量之间的差值小于设定流量误差时，表明燃料电池工作在理想状态下，不需要做任何调节，否则：
如果当前入堆空气压力大于所需入堆空气压力，且当前入堆空气流量大于所需空气流量，则控制空压机的转速降低，背压阀的开度不变，此时入堆空气压力和入堆空气流量都相应的减少；当当前入堆空气压力与所需入堆空气压力之间差值的绝对值小于设定压力误差，且当前入堆空气流量与所需入堆空气流量之间的差值小于设定流量误差时，停止调节；
如果实际入堆空气压力大于所需入堆空气压力，且入堆空气流量小于所需空气流量，则控制背压阀的开度增加，空压机电机的转速不变，此时入堆空气压力降低，入堆空气流量增大；当当前入堆空气压力与所需入堆空气压力之间差值的绝对值小于设定压力误差，且当前入堆空气流量与所需入堆空气流量之间的差值小于设定流量误差时，停止调节；
如果实际入堆空气压力小于所需入堆空气压力，且入堆空气流量大于所需空气流量，则控制背压阀的开度减小，空压机电机的转速不变，此时入堆空气压力增加，入堆空气流量降低；当当前入堆空气压力与所需入堆空气压力之间差值的绝对值小于设定压力误差，且当前入堆空气流量与所需入堆空气流量之间的差值小于设定流量误差时，停止调节；
如果实际入堆空气压力小于所需入堆空气压力，且入堆空气流量小于所需空气流量，则控制空压机的电机转速增加，背压阀的开度不变，此时入堆空气压力增加，入堆流量不变；当当前入堆空气压力与所需入堆空气压力之间差值的绝对值小于设定压力误差，且当前入堆空气流量与所需入堆空气流量之间的差值小于设定流量误差时，停止调节。
本实施例中，采用背压阀作为排气压力调节装置；作为其他实施方式，可以采用其他的能够进行开度调节的阀门作为排气压力调节装置。

Claims (16)

1.一种燃料电池的空气供应控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)检测当前的环境气压，并得到当前的环境气压得到燃料电池电堆输出最大电压时所需的入堆空气压力和入堆空气流量；
(2)检测燃料电池的当前入堆空气压力和实际入堆空气流量；
(3)根据燃料电池所需入堆空气压力与当前入堆空气压力之间的差值，以及燃料电池所需入堆流量与当前入堆空气流量之间的差值，控制燃料电池的进气压力调节装置或排气压力调节装置的工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池的空气供应控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中对燃料电池进气压力调节装置和排气压力调节装置的控制包括：当当前入堆空气压力与所需入堆空气压力之间差值的绝对值大于设定压力误差，或者当前入堆空气流量与所需入堆空气流量之间差值的绝对值大于设定流量误差时：如果当前入堆空气压力大于所需入堆空气压力，且入堆空气流量大于所需入堆空气流量，则减小进气压力调节装置的功率。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池的空气供应控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中对燃料电池进气压力调节装置和排气压力调节装置的控制包括：当当前入堆空气压力与所需入堆空气压力之间差值的绝对值大于设定压力误差，或者当前入堆空气流量与所需入堆空气流量之间差值的绝对值大于设定流量误差时：如果当前入堆空气压力大于所需入堆空气压力，且入堆空气流量小于所需入堆空气流量，则增加排气压力调节装置的开度。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池的空气供应控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中对燃料电池进气压力调节装置和排气压力调节装置的控制包括：当当前入堆空气压力与所需入堆空气压力之间差值的绝对值大于设定压力误差，或者当前入堆空气流量与所需入堆空气流量之间差值的绝对值大于设定流量误差时：如果当前入堆空气压力小于所需入堆空气压力，且入堆空气流量大于所需入堆空气流量，则减小排气压力调节装置的开度。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池的空气供应控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中对燃料电池进气压力调节装置和排气压力调节装置的控制包括：当当前入堆空气压力与所需入堆空气压力之间差值的绝对值大于设定压力误差，或者当前入堆空气流量与所需入堆空气流量之间差值的绝对值大于设定流量误差时：如果当前入堆空气压力小于所需入堆空气压力，且入堆空气流量小于所需入堆空气流量，则增加进气压力调节装置的功率。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种燃料电池的空气供应控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，首先在各环境气压下对燃料电池的电堆进行标定，得到在各环境下燃料电池电堆输出最大电压时所需的入堆空气压力和入堆空气流量，并将其存储到标定表中；当检测到当前的环境气压后，通过查标定表得到当前环境气压下燃料电池所需的进气入堆压力和所需的入堆空气流量。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的一种燃料电池的空气供应控制方法，其特征在于，所述进气压力调节装置为空压机或鼓风机。
8.根据权利要求1-5任意一项所述的一种燃料电池的空气供应控制方法，其特征在于，所述排气压力调节装置为背压阀。
9.一种燃料电池系统，包括电堆，控制器，空气供应管道和空气排气管道，在空气供应管道上设置有进气压力调节装置，在空气排气管道上设有排气压力调节装置；所述控制器连接进气调节装置和排气压力调节装置的控制端；所述控制器连接有用于检测燃料电池空气管道中空气压力的压力传感器，以及用于检测燃料电池空气管道中空气流量的流量传感器；其特征在于，所述控制器用于实现如下步骤：
(1)检测当前的环境气压，并得到当前的环境气压下燃料电池电堆输出目标电压时所需的入堆空气压力和入堆空气流量；
(2)检测燃料电池的当前入堆空气压力和实际入堆空气流量；
(3)根据燃料电池所需入堆空气压力与当前入堆空气压力之间的差值，以及燃料电池所需入堆流量与当前入堆空气流量之间的差值，控制燃料电池的进气压力调节装置或排气压力调节装置的工作状态。
10.根据权利要求9所述的一种燃料电池系统，其特征在于，所述步骤(3)中对燃料电池进气压力调节装置和排气压力调节装置的控制包括：当当前入堆空气压力与所需入堆空气压力之间差值的绝对值大于设定压力误差，或者当前入堆空气流量与所需入堆空气流量之间差值的绝对值大于设定流量误差时：如果当前入堆空气压力大于所需入堆空气压力，且入堆空气流量大于所需入堆空气流量，则减小进气压力调节装置的功率。
11.根据权利要求9所述的一种燃料电池系统，其特征在于，所述步骤(3)中对燃料电池进气压力调节装置和排气压力调节装置的控制包括：当当前入堆空气压力与所需入堆空气压力之间差值的绝对值大于设定压力误差，或者当前入堆空气流量与所需入堆空气流量之间差值的绝对值大于设定流量误差时：如果当前入堆空气压力大于所需入堆空气压力，且入堆空气流量小于所需入堆空气流量，则增加排气压力调节装置的开度。
12.根据权利要求9所述的一种燃料电池系统，其特征在于，所述步骤(3)中对燃料电池进气压力调节装置和排气压力调节装置的控制包括：当当前入堆空气压力与所需入堆空气压力之间差值的绝对值大于设定压力误差，或者当前入堆空气流量与所需入堆空气流量之间差值的绝对值大于设定流量误差时：如果当前入堆空气压力小于所需入堆空气压力，且入堆空气流量大于所需入堆空气流量，则减小排气压力调节装置的开度。
13.根据权利要求9所述的一种燃料电池系统，其特征在于，所述步骤(3)中对燃料电池进气压力调节装置和排气压力调节装置的控制包括：当当前入堆空气压力与所需入堆空气压力之间差值的绝对值大于设定压力误差，或者当前入堆空气流量与所需入堆空气流量之间差值的绝对值大于设定流量误差时：如果当前入堆空气压力小于所需入堆空气压力，且入堆空气流量小于所需入堆空气流量，则增加进气压力调节装置的功率。
14.根据权利要求9-13任意一项所述的一种燃料电池系统，其特征在于，所述步骤(1)中，首先在各环境气压下对燃料电池的电堆进行标定，得到在各环境下燃料电池电堆输出最大电压时所需的入堆空气压力和入堆空气流量，并将其存储到标定表中；当检测到当前的环境气压后，通过查标定表得到当前环境气压下燃料电池所需的进气入堆压力和所需的入堆空气流量。
15.根据权利要求9-13任意一项所述的一种燃料电池系统，其特征在于，所述进气压力调节装置为空压机或鼓风机。
16.根据权利要求9-13任意一项所述的一种燃料电池系统，其特征在于，所述排气压力调节装置为背压阀。
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