CN110416578A - 燃料电池的增湿方法、计算机设备和存储介质 - Google Patents

燃料电池的增湿方法、计算机设备和存储介质 Download PDF

Info

Publication number
CN110416578A
CN110416578A CN201910105311.7A CN201910105311A CN110416578A CN 110416578 A CN110416578 A CN 110416578A CN 201910105311 A CN201910105311 A CN 201910105311A CN 110416578 A CN110416578 A CN 110416578A
Authority
CN
China
Prior art keywords
current density
cathode
fuel cell
humidified
anode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910105311.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110416578B (zh
Inventor
徐梁飞
张健珲
李建秋
欧阳明高
胡尊严
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tsinghua University
Original Assignee
Tsinghua University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tsinghua University filed Critical Tsinghua University
Priority to CN201910105311.7A priority Critical patent/CN110416578B/zh
Publication of CN110416578A publication Critical patent/CN110416578A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110416578B publication Critical patent/CN110416578B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04141—Humidifying by water containing exhaust gases
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04835—Humidity; Water content of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04992—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

本发明提供了一种燃料电池的增湿方法、计算机设备和存储介质。增湿方法包括：周期性获取燃料电池的输出电流密度；对输出电流密度与第一电流密度阈值和第二电流密度阈值进行比较，判断输出电流密度所处的电流密度区间；当输出电流密度小于或等于第一电流密度阈值时，利用阴极再循环系统对燃料电池进行增湿；当输出电流密度大于第一电流密度阈值且小于第二电流密度阈值时，利用阳极再循环系统对燃料电池进行增湿，当输出电流密度大于或等于第二电流密度阈值时，利用增湿器对燃料电池的阴极进行增湿，以及利用阳极再循环系统对燃料电池的阳极进行增湿；其中，第一电流密度阈值小于第二电流密度阈值。

Description

燃料电池的增湿方法、计算机设备和存储介质
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池的增湿方法、计算机设备和存储介质。
背景技术
目前全球石油资源日益枯竭，温室效应等环境问题愈加严峻。与传统内燃机、电动机等动力源相比，燃料电池在功率密度和环境友好程度上有很大优势。燃料电池是一种电化学装置，能将化学能直接转换为电能。由于燃料电池的能量转换过程不受卡诺循环限制，其能量转换效率较高。燃料电池工作过程中，消耗的燃料为氢气，反应产物是水，有害排放物为零，所以是最清洁的能源之一。
只有燃料电池本体还不能工作，燃料电池本体必须有一套相应的辅助系统。燃料电池本体与其辅助系统共同组成的系统称为燃料电池发动机。燃料电池发动机除了燃料电池本体外，还包括氢气系统、空气系统、冷却系统、功率输出系统和控制系统等附件系统。氢气系统主要负责为燃料电池本体中的反应电堆提供氢气供应，需要根据运行工况调节进入反应电堆的氢气压力、湿度和流量等。空气系统则是为反应电堆提供适量的氧化剂即空气，需要根据工况调节进入反应电堆的空气的温度、压力和流量等。冷却系统则通过冷却剂循环的方式使电堆温度保持合适水平，保证反应电堆稳定可靠工作。功率输出系统则是通过DC/DC装置来调节反应电堆的输出电压和电流的大小和变化速率。控制系统是整个燃料电池动力系统的“大脑”，由其对反应电堆外围的各个子系统进行优化控制，使得反应电堆处于最佳工作状态，保证反应电堆长期稳定可靠运行。
进入燃料电池反应电堆的空气或者氢气，过干或过湿对质子交换膜和燃料电池本体都会产生不利的影响，因此增湿对于燃料电池的效率和性能来说至关重要。目前燃料电池的增湿主要分为两大类：一类是利用外部增湿器增湿；另一类是自增湿。自增湿在小电流密度下能保证膜的合理润湿，但是在大电流密度下，容易出现增湿能力不足，导致膜干的现象。外部增湿器能满足大电流密度下膜的润湿，但是体积较大，功耗较高，响应速度也较慢，冷启动性能较差。可见，无论是单独使用自增湿还是单独使用外部增湿器增湿，都无法实现燃料电池在任何情况下的最优增湿。
发明内容
基于此，有必要针对无法实现燃料电池在任何情况下的最优增湿的问题，提供一种燃料电池的增湿方法、计算机设备和存储介质。
本发明提供了一种燃料电池的增湿方法，包括：
周期性获取所述燃料电池的输出电流密度；
对所述输出电流密度与第一电流密度阈值和第二电流密度阈值进行比较，判断所述输出电流密度所处的电流密度区间；
当判定所述输出电流密度小于或等于所述第一电流密度阈值时，利用阴极再循环系统对所述燃料电池的阴极进行增湿；
当判定所述输出电流密度大于所述第一电流密度阈值且小于所述第二电流密度阈值时，利用阳极再循环系统对所述燃料电池的阳极进行增湿；
当判定所述输出电流密度大于或等于所述第二电流密度阈值时，利用增湿器对所述燃料电池的阴极进行增湿，以及利用所述阳极再循环系统对所述燃料电池的阳极进行增湿；
其中，所述第一电流密度阈值小于所述第二电流密度阈值。
在其中一个实施例中，所述利用所述阴极再循环系统对所述燃料电池的阴极进行增湿，包括：
通过所述阴极再循环系统中的阴极循环泵将通过阴极排气口排出的阴极反应气体泵入阴极进气口，以对所述燃料电池的阴极进行增湿。
在其中一个实施例中，在所述将通过阴极排气口排出的阴极反应气体泵入阴极进气口之前，所述增湿方法还包括：
根据当前输出电流密度下单片的平均参考电压，获取所述燃料电池的参考电流密度；
根据所述参考电流密度，确定与所述参考电流密度对应的参考新鲜空气过量系数；
根据所述参考新鲜空气过量系数、阴极再循环的空气量以及燃料电池需要的空气量，确定空压机的转速。
在其中一个实施例中，所述增湿方法还包括：根据所述参考电流密度，确定所述阴极循环泵中的电机的参考电机转速；
根据阴极出口压力参考值，确定背压阀的开度参考值。
在其中一个实施例中，所述增湿方法还包括：
根据所述参考电流密度以及所述燃料电池的单片数，计算参考阴极进气总流量；
计算所述参考新鲜空气过量系数和所述参考阴极进气总流量的乘积，并将所述乘积作为参考新鲜空气进气量。
在其中一个实施例中，所述利用阳极再循环系统对所述燃料电池的阳极进行增湿，包括：
根据氢气系统中提供的氢气流量、用于控制氢气尾排阀的吹扫控制信号的吹扫占空比以及所述燃料电池的阳极入口目标压力，确定用于控制氢气系统中的喷射电磁阀的喷射控制信号的喷射占空比；
通过控制所述阳极循环泵的转速和所述喷射控制信号的喷射占空比，对所述燃料电池的阳极进行加湿。
在其中一个实施例中，所述利用所述增湿器对所述燃料电池的阴极进行增湿，包括：
通过控制所述增湿器的水温进而控制所述燃料电池的阴极湿度。
在其中一个实施例中，所述增湿方法还包括：
根据获取的所述燃料电池的平均单片电压、温度和输出电流密度，确定所述燃料电池的阴极进气湿度参考值；
根据所述阴极进气湿度参考值，确定所述燃料电池的阴极进气总流量。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器及处理器，所述存储器上存储有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实现上述任一实施例所述的增湿方法的步骤。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一实施例所述的增湿方法的步骤。
综上，本发明提供了一种燃料电池的增湿方法、计算机设备和存储介质。所述增湿方法包括：周期性获取所述燃料电池的输出电流密度；对所述输出电流密度与第一电流密度阈值和第二电流密度阈值进行比较，判断所述输出电流密度所处的电流密度区间；当判定所述输出电流密度小于或等于所述第一电流密度阈值时，利用阴极再循环系统对所述燃料电池进行增湿；当判定所述输出电流密度大于所述第一电流密度阈值且小于所述第二电流密度阈值时，利用阳极再循环系统对所述燃料电池进行增湿，当判定所述输出电流密度大于或等于所述第二电流密度阈值时，利用增湿器对所述燃料电池的阴极进行增湿，以及利用所述阳极再循环系统对所述燃料电池的阳极进行增湿；其中，所述第一电流密度阈值小于所述第二电流密度阈值。本发明中，根据输出电流密度确定燃料电池的增湿模式，即当所述输出电流密度小于或等于所述第一电流密度阈值时利用阴极再循环系统对所述燃料电池进行增湿，当所述输出电流密度大于所述第一电流密度阈值且小于所述第二电流密度阈值时利用阳极再循环系统对所述燃料电池进行增湿，当所述输出电流密度大于或等于所述第二电流密度阈值时利用增湿器对所述燃料电池的阴极进行增湿，以及利用所述阳极再循环系统对所述燃料电池的阳极进行增湿。这种双循环和增湿器的协同控制方法，使双循环系统和外部增湿器，既可以独立工作，又可以协同工作，实现了燃料电池在任何情况下的最优增湿。
附图说明
图1为基于双循环系统和增湿器的燃料电池的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种燃料电池的增湿方法的流程示意图；
图3为不同电流密度下膜的最宜水含量；
图4为不同电流密度下双循环能使膜达到的水含量；
图5为本发明实施例中小电流密度下的控制算法的流程示意图；
图6为本发明实施例中大电流密度下的控制算法的流程示意图；
图7为不同电流密度下双循环和增湿器协同工作时膜的水含量；
图8为本发明实施例大电流密度下的控制算法的流程示意图；
图9为双循环系统和外部增湿器动态的特性对比示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
请参见图1，燃料电池动力系统除了燃料电池本体外，还包括氢气系统、空气系统、冷却系统、功率输出系统和控制系统等附件系统。氢气系统主要负责为燃料电池本体中的反应电堆提供氢气供应，需要根据运行工况调节进入反应电堆的氢气压力、湿度和流量等。空气系统则是为反应电堆提供适量的氧化剂即空气，需要根据工况调节进入反应电堆的空气的温度、压力和流量等。冷却系统则通过冷却剂循环的方式使电堆温度保持合适水平，保证电堆稳定可靠工作。功率输出系统则是通过DC/DC装置来调节反应电堆的输出电压和电流的大小和变化速率。控制系统是整个燃料电池动力系统的“大脑”，由其对电堆外围的各个子系统进行优化控制，使得电堆处于最佳工作状态，保证电堆长期稳定可靠运行。再循环系统包括阳极再循环系统和阴极再循环系统。增湿系统主要包括膜增湿器和水循环管路。
请参见图2，为解决自增湿方法在小电流密度下能保证膜的合理润湿，但是在大电流密度下，容易出现增湿能力不足，导致膜干的问题；以及，外部增湿器能满足大电流密度下膜的润湿，但是体积较大，功耗较高，响应速度也较慢，冷启动性能较差的问题，本发明实施例提供了一种燃料电池的增湿方法。所述燃料电池的增湿方法包括：
步骤S110，周期性获取所述燃料电池的输出电流密度。
步骤S120，对所述输出电流密度与预设的第一电流密度阈值和第二电流密度阈值进行比较，判断所述输出电流密度所处的电流密度区间。可见，在判定所述输出电流密度所处的电流区间密度后，则根据判断结果执行步骤S130、步骤S140或步骤S150。
步骤S130，当判定所述输出电流密度小于或等于所述第一电流密度阈值时，利用阴极再循环系统对所述燃料电池进行增湿。
步骤S140，当判定所述输出电流密度大于所述第一电流密度阈值且小于所述第二电流密度阈值时，利用阳极再循环系统对所述燃料电池进行增湿。
步骤S150，当判定所述输出电流密度大于或等于所述第二电流密度阈值时，利用增湿器对所述燃料电池的阴极进行增湿，以及利用所述阳极再循环系统对所述燃料电池的阳极进行增湿。
其中，所述第一电流密度阈值小于所述第二电流密度阈值。
所述燃料电池本体包括所述阳极进气口、所述阳极出气口、阴极进气口以及阴极出气口。所述阳极再循环系统包括所述阳极循环泵，所述阳极循环泵与所述阳极进气口及所述阳极出气口连通，保证了阳极反应气体从所述阳极出气口向着所述阳极进气口单方向流动。所述阴极再循环系统包括所述阴极循环泵，所述阴极循环泵与所述阴极进气口以及所述阴极出气口连通，保证了阴极反应气体从所述阴极出气口向着所述阴极进气口单方向流动。所述氢气系统包括氢气喷射装置、氢气尾排电磁阀和喷射电磁阀。
排出的阳极反应气体与通过所述阳极气体进气管输送过来的新鲜阳极反应气混合后，混合后的阳极反应气体又进入所述阳极进气口继续进行循环。通过再循环的方式，阳极反应气体的利用率显著提升，由于排出气体湿度较大，混合气的气体湿度被显著提高，从而解决了阳极反应气体增湿问题。
排出的阴极反应气体与通过所述阴极气体进气管输送过来的新鲜阴极反应气体混合，混合后的阴极反应气体又进入所述阴极进气口继续进行循环。通过再循环的方式，混合气进气湿度显著提高，解决了阴极增湿问题。同时，通过控制阴极气体循环量，可以调节阴极混合气中的氧气分压。
具备阴极再循环系统和阳极再循环系统的燃料电池系统，可以通过同时调节阴极空气供给量和阴极再循环率，同时控制阴极气体总流量和氧气浓度，从而更好地调节燃料电池电压，并改善阴极进出口氧气浓度分布不均匀的问题，在冷启动时降低发电率，提高产热量。另外，阴极再循环的气体温度比空气进气高，混合后可以提高阴极进气温度，进一步加快所述燃料电池系统的阴极温度的上升速度。
在燃料电池运行过程中，怠速或小负载工况(对应于输出电流密度小于或等于所述第一电流密度阈值的情况)下，利用所述阴极再循环系统中的阴极循环泵将通过阴极排气口排出的阴极反应气体泵入阴极进气口，提高燃料电池的阴极的湿度，缓解入口膜干。同时，通过阴极进气流量控制和再循环率控制，钳位燃料电池的输出电压，降低高电位导致的碳腐蚀速度，降低所述燃料电池的发电效率，以使所述燃料电池系统快速产热，实现低温快速启动。
本实施例中，所述第二电流密度阈值是预设的，所述第一电流密度阈值可以是预设的，也可以是查表获取的。查表获取所述第一电流密度的具体过程步骤包括：首先是确定钳位电压，然后根据钳位电压，查燃料电池的极化曲线，得到第一电流密度。
请参见图3和图4，针对每一个燃料电池，在每一个电流密度下，都存在一个最佳膜水含量值。对于双循环系统(包括所述阳极再循环系统和所述阴极再循环系统)来说，随着电流密度的增加，双循环的增湿能力也增加，但由于循环泵限制了再循环最大质量流率，故双循环的增湿能力不能随着电流密度的增加而一直增加，增湿能力有一定的上限，因此需要外部增湿器介入，进行辅助增湿。因此，本发明实施例中，当所述输出电流密度大于或等于所述第二电流密度阈值时，对所述燃料电池的因此采用外部增湿器进行增湿，以解决大电流密度下，单纯仅依靠双循环系统对膜进行增湿容易造成膜干现象的问题。
在其中一个实施例中，所述利用所述阴极再循环系统对所述燃料电池的阴极进行增湿，包括：
通过所述阴极再循环系统中的阴极循环泵将通过阴极排气口排出的阴极反应气体泵入阴极进气口，以对所述燃料电池的阴极进行增湿。
可以理解，排出的阳极反应气体与通过所述阳极气体进气管输送过来的新鲜阳极反应气混合后，混合后的阳极反应气体又进入所述阳极进气口继续进行循环。通过再循环的方式，阳极反应气体的利用率显著提升，由于排出气体湿度较大，混合气的气体湿度被显著提高，从而解决了阳极反应气体增湿问题。
排出的阴极反应气体与通过所述阴极气体进气管输送过来的新鲜阴极反应气体混合，混合后的阴极反应气体又进入所述阴极进气口继续进行循环。通过再循环的方式，混合气进气湿度显著提高，解决了阴极增湿问题。同时，通过控制阴极气体循环量，可以调节阴极混合气中的氧气分压。
具备阴极再循环系统和阳极再循环系统的燃料电池系统，可以通过同时调节阴极空气供给量和阴极再循环率，同时控制阴极气体总流量和氧气浓度，从而更好地调节燃料电池电压，并改善阴极进出口氧气浓度分布不均匀的问题，在冷启动时降低发电率，提高产热量。另外，阴极再循环的气体温度比空气进气高，混合后可以提高阴极进气温度，进一步加快所述燃料电池系统的阴极温度的上升速度，实现低温快速启动。
在其中一个实施例中，在所述将通过阴极排气口排出的阴极反应气体泵入阴极进气口之前，所述增湿方法还包括：
根据当前输出电流密度下单片的平均参考电压，获取所述燃料电池的参考电流密度；
根据所述参考电流密度，确定与所述参考电流密度对应的参考新鲜空气过量系数；
根据所述参考新鲜空气过量系数、阴极再循环的空气量以及燃料电池需要的空气量，确定空压机的转速。
可以理解，当通过限制阴极空气量的供给从而控制燃料电池电量时，其实质就是通过降低燃料电池系统阴极的氧分压来控制所述燃料电池系统的电压，因此本实施例中通过计算所述参考新鲜空气过量系数，然后再根据所述参考新鲜空气过量系数、阴极再循环的空气量以及燃料电池需要的空气量，确定空压机的转速，有利于精确控制燃料电池系统阴极的氧分压，从而使所述燃料电池系统的输出电压等于目标电压。
在其中一个实施例中，所述增湿方法还包括：根据所述参考电流密度，确定所述阴极循环泵中的电机的参考电机转速；
根据阴极出口压力参考值，确定背压阀的开度参考值。
可以理解，通过计算所述阴极循环泵中的电机的参考电机转速，可根据所述参考电机转速控制所述阴极循环泵，进而控制阴极气体循环量，进一步精确控制阴极混合气体中的氧分压。
在其中一个实施例中，根据所述参考电流密度以及所述燃料电池的单片数，计算参考阴极进气总流量；
计算所述参考新鲜空气过量系数和所述参考阴极进气总流量的乘积，并将所述乘积作为参考新鲜空气进气量。
可以理解，当通过限制阴极空气量的供给从而控制燃料电池电量时，其实质就是通过降低燃料电池系统阴极的氧分压来控制所述燃料电池系统的电压，因此本实施例中通过计算所述目标新鲜进气量，并根据所述目标新鲜进气量控制所述空气系统为所述燃料电池系统的阴极提供空气，有利于精确控制燃料电池系统阴极的氧分压，从而使所述燃料电池系统的输出电压等于目标电压。
请参见图5，怠速或小负载工况下(对应于小电流的情况)，通过FF(Feedforward，前馈)+PI(Proportion and Integral，比例和积分)控制算法，控制新鲜空气过量系数、阴极循环泵的转速以及背压阀的开度，使平均单片电压维持在目标电压(例如，0.8V)和电堆进气总流量不变，其中所述新鲜空气过量系数决定了空气流量控制真空阀的开度和空压机的转速。图5中，MAP为查表图，MAP-1的输入量为小电流密度下平均单片参考电压，例如0.8V，输出量为参考电流密度。MAP-2的输入量为参考电流密度，输出量为参考新鲜空气过量系数。MAP-3的输入量为参考电流密度，输出量为参考电机转速。MAP-7的输入量为实际电堆进气总流量，输出量为空压机转速。MAP-8的输入量为阴极出口压力参考值，输出量为所述背压阀的开度参考值。Vcell,ref为平均单片参考电压，Vfc为燃料电池实际平均单片电压，λfresh为实际新鲜空气过量系数，λfresh,ref为参考新鲜空气过量系数，Iref为参考电流密度，Qref为参考电堆进气总流量，Qtotal_air为实际电堆进气总流量，nair_pump,ref为参考阴极循环泵转速，nair_pump为实际阴极循环泵转速，npc为空压机的转速，Qdemand为燃料电池需要的空气量，Qre-air为阴极再循环的空气量，pca,ref为阴极出口压力参考值，pca为实际阴极出口压力，dca,ref为背压阀开度参考值，dca为实际背压阀开度。
在其中给一个实施例中，所述利用阳极再循环系统对所述燃料电池的阳极进行增湿，包括：
根据氢气系统中提供的氢气流量、用于控制氢气尾排电磁阀的吹扫控制信号的吹扫占空比以及所述燃料电池的阳极入口目标压力，确定用于控制氢气系统中的喷射电磁阀的喷射控制信号的喷射占空比；
通过控制所述阳极循环泵的转速和所述喷射控制信号的喷射占空比，对所述燃料电池的阳极进行加湿。
请参见图6，当所述输出电流密度大于所述第一电流密度阈值且小于第二电流密度阈值时(对应于中大电流密度的情况)，通过前馈+PI控制算法，控制阳极循环泵的转速和用于控制氢气系统中的喷射电磁阀的喷射控制信号的喷射占空比来控制阳极入口相对湿度和样机入口压力。MAP-4的输入量为燃料电池实际电流密度，输出量为氢气循环泵参考转速。利用FF算法进行计算的过程中，输入量为氢气流量、吹扫占空比和目标压力，输出量为喷射占空比。nH2_pump,ref为氢气循环泵参考转速，nH2_pump为氢气循环泵实际转速，RHan,ref为参考阳极入口相对湿度，RHan为阳极入口相对湿度，Ifc为燃料电池实际的输出电流密度，mH2为氢气流量，ψpurge为吹扫占空比，pan,ref为阳极入口目标压力，pan为阳极入口实际压力，uinj为喷射占空比。本实施例中，所述ψpurge的值有两种获取方法：第一种是根据燃料电池温度和燃料电池的电流密度，查表得到ψpurge的值。第二种是当检测到其中一个单片电压过低时，在现有值的基础上，增大ψpurge的值。
在其中一个实施例中，所述利用所述增湿器对所述燃料电池的阴极进行增湿，包括：
通过控制所述增湿器的水温进而控制所述燃料电池的阴极湿度。
请参见图7，本实施例中，当所述输出电流密度大于或等于所述第二电流密度阈值时(对应于大电流密度的情况)，通过控制所述阳极再循环系统来控制所述燃料电池阳极的湿度，以及通过控制外部的增湿器的温度来控制所述燃料电池阴极入口湿度，以解决依靠双循环系统对膜进行增湿容易造成膜干现象的问题。
请参见图8，当所述输出电流密度大于或等于第二电流密度阈值时，通过前馈+PI控制算法，通过控制增湿器的温度来控制所述燃料电池阴极的湿度。MAP-5的输入量为燃料电池单片的平均电压、燃料电池温度和燃料电池实际的输出电流密度，输出量为阴极进气湿度参考值。MAP-6的输入量为阴极进气湿度参考值和实际电堆进气总流量，输出量为增湿器温度参考值。Tfc为燃料电池实际温度，RHref为阴极入口相对湿度目标值，RHfc为阴极入口相对湿度实际值，Thum为增湿器温度参考值。
双循环的动态特性比较快，外部增湿器的动态特性比较慢，这是由于外部增湿器是通过控制流过增湿器的水温来控制的，而给水加热是一个较慢的过程。考虑到双循环系统和外部增湿器的动态特性不同这一特点，二者动态的协同配合也更为重要。
在刚启动时，反应电堆温度低，流过反应电堆的冷却水的温度也低，此时若只采用外部增湿器进行增湿，需要将增湿器内的水加热到较高的温度，浪费电能且响应时间慢。本发明的控制策略则是在启动时，反应电堆温度低的状态下，采用双循环(包括阳极再循环和阴极再循环)进行增湿，在工作一段时间后，电堆温度升高，允许的电流密度也可以升高，输出的功率也可以相应提高，此时反应电堆的冷却水温也处在较高水平，这时再开启外部增湿器，可以减小外部增湿器的响应时间，提高了系统的动态特性。
请参见图9，为了说明双循环系统和外部增湿器系统的动态特性，各举了一个例子。双循环系统使空气入口相对湿度0％升高到RH1，用时大约t1。外部增湿器使空气入口相对湿度0％升高到RH2，用时大约t2，RH1<RH2，t1<t2。故双循环系统的动态特性更好。
需要说明的是，当所述输出电流密度为中大电流密度或大电流密度时，本发明不采用阴极再循环进行加湿，是由于在中大以及大电流密度下阴极循坏泵功耗较高。若不考虑成本问题，在本发明提供的增湿方法的基础上，可同时启动阴极再循环系统进行增湿。
这种双循环系统和增湿器的协同控制方法，使双循环系统和外部增湿器既可以独立工作，又可以协同工作，实现了燃料电池在任何情况下的最优增湿，提高了环境适应性，又因为燃料电池不会出现膜干或水淹的情况，增强了燃料电池的耐久性，提高了燃料电池的使用寿命，同时又减小了外部增湿器的尺寸，降低了外部增湿器的功率，提高了燃料电池系统整体的效率。此外，由于外部增湿器体积的减小，在进行冷启动时，增湿器会更快地达到工作状态，有利于提高燃料电池系统的冷启动性能。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种计算机设备。所述计算机设备包括存储器及处理器，所述存储器上存储有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实现上述任一实施例所述燃料电池的增湿方法的步骤。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一实施例所述燃料电池的增湿方法的步骤。
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发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池的增湿方法，其特征在于，包括：
周期性获取所述燃料电池的输出电流密度；
对所述输出电流密度与第一电流密度阈值和第二电流密度阈值进行比较，判断所述输出电流密度所处的电流密度区间；
当判定所述输出电流密度小于或等于所述第一电流密度阈值时，利用阴极再循环系统对所述燃料电池进行增湿；
当判定所述输出电流密度大于所述第一电流密度阈值且小于所述第二电流密度阈值时，利用阳极再循环系统对所述燃料电池进行增湿；
当判定所述输出电流密度大于或等于所述第二电流密度阈值时，利用增湿器对所述燃料电池的阴极进行增湿，以及利用所述阳极再循环系统对所述燃料电池的阳极进行增湿；
其中，所述第一电流密度阈值小于所述第二电流密度阈值。
2.如权利要求1所述的增湿方法，其特征在于，所述利用所述阴极再循环系统对所述燃料电池的阴极进行增湿，包括：
通过所述阴极再循环系统中的阴极循环泵将通过阴极排气口排出的阴极反应气体泵入阴极进气口，以对所述燃料电池的阴极进行增湿。
3.如权利要求2所述的增湿方法，其特征在于，在所述将通过阴极排气口排出的阴极反应气体泵入阴极进气口之前，所述增湿方法还包括：
根据当前输出电流密度下单片的平均参考电压，获取所述燃料电池的参考电流密度；
根据所述参考电流密度，确定与所述参考电流密度对应的参考新鲜空气过量系数；
根据所述参考新鲜空气过量系数、阴极再循环的空气量以及燃料电池需要的空气量，确定空压机的转速。
4.如权利要求3所述的增湿方法，其特征在于，所述增湿方法还包括：根据所述参考电流密度，确定所述阴极循环泵中的电机的参考电机转速；
根据阴极出口压力参考值，确定背压阀的开度参考值。
5.如权利要求3所述的增湿方法，其特征在于，所述增湿方法还包括：
根据所述参考电流密度以及所述燃料电池的单片数，计算参考阴极进气总流量；
计算所述参考新鲜空气过量系数和所述参考阴极进气总流量的乘积，并将所述乘积作为参考新鲜空气进气量。
6.如权利要求1所述的增湿方法，其特征在于，所述利用阳极再循环系统对所述燃料电池的阳极进行增湿，包括：
根据氢气系统中提供的氢气流量、用于控制氢气尾排阀的吹扫控制信号的吹扫占空比以及所述燃料电池的阳极入口目标压力，确定用于控制氢气系统中的喷射电磁阀的喷射控制信号的喷射占空比；
通过控制所述阳极循环泵的转速和所述喷射控制信号的喷射占空比，对所述燃料电池的阳极进行加湿。
7.如权利要求1所述的增湿方法，其特征在于，所述利用所述增湿器对所述燃料电池的阴极进行增湿，包括：
通过控制所述增湿器的水温进而控制所述燃料电池的阴极湿度。
8.如权利要求7所述的增湿方法，其特征在于，还包括：
根据获取的所述燃料电池的平均单片电压、温度和输出电流密度，确定所述燃料电池的阴极进气湿度参考值；
根据所述阴极进气湿度参考值，确定所述燃料电池的阴极进气总流量。
9.一种计算机设备，包括存储器及处理器，所述存储器上存储有可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至8中任一权项所述方法的步骤。
10.一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，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一权项所述方法的步骤。
CN201910105311.7A 2019-02-01 2019-02-01 燃料电池的增湿方法、计算机设备和存储介质 Active CN110416578B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910105311.7A CN110416578B (zh) 2019-02-01 2019-02-01 燃料电池的增湿方法、计算机设备和存储介质

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910105311.7A CN110416578B (zh) 2019-02-01 2019-02-01 燃料电池的增湿方法、计算机设备和存储介质

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110416578A true CN110416578A (zh) 2019-11-05
CN110416578B CN110416578B (zh) 2020-04-28

Family

ID=68357511

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910105311.7A Active CN110416578B (zh) 2019-02-01 2019-02-01 燃料电池的增湿方法、计算机设备和存储介质

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110416578B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112952150A (zh) * 2021-02-01 2021-06-11 佛山仙湖实验室 燃料电池发动机用增湿器系统及增湿方法
CN113258102A (zh) * 2021-06-17 2021-08-13 潍柴动力股份有限公司 一种电池堆活化方法、装置和存储介质
CN113921859A (zh) * 2021-10-13 2022-01-11 上海重塑能源科技有限公司 一种燃料电池系统低温自启动方法
CN114824377A (zh) * 2022-06-01 2022-07-29 潍柴动力股份有限公司 燃料电池控制方法、发动机及非易失性存储介质
CN115360387A (zh) * 2022-10-20 2022-11-18 佛山市清极能源科技有限公司 一种燃料电池系统的阳极水量控制方法
WO2023247371A1 (de) * 2022-06-22 2023-12-28 Robert Bosch Gmbh Intermittierende abluftrückführung im betrieb eines brennstoffzellensystems

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007115490A (ja) * 2005-10-19 2007-05-10 Hitachi Maxell Ltd 燃料電池システム
CN101933186A (zh) * 2008-01-30 2010-12-29 丰田自动车株式会社 燃料电池系统
CN103563148A (zh) * 2011-06-06 2014-02-05 日产自动车株式会社 燃料电池的湿润状态控制装置
CN106129436A (zh) * 2016-06-22 2016-11-16 江苏绿遥燃料电池系统制造有限公司 一种紧凑型智能燃料电池加湿系统及其加湿方法
CN106784935A (zh) * 2017-03-10 2017-05-31 中国计量大学 一种燃料电池输出性能的寻优方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007115490A (ja) * 2005-10-19 2007-05-10 Hitachi Maxell Ltd 燃料電池システム
CN101933186A (zh) * 2008-01-30 2010-12-29 丰田自动车株式会社 燃料电池系统
CN103563148A (zh) * 2011-06-06 2014-02-05 日产自动车株式会社 燃料电池的湿润状态控制装置
CN106129436A (zh) * 2016-06-22 2016-11-16 江苏绿遥燃料电池系统制造有限公司 一种紧凑型智能燃料电池加湿系统及其加湿方法
CN106784935A (zh) * 2017-03-10 2017-05-31 中国计量大学 一种燃料电池输出性能的寻优方法

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112952150A (zh) * 2021-02-01 2021-06-11 佛山仙湖实验室 燃料电池发动机用增湿器系统及增湿方法
CN112952150B (zh) * 2021-02-01 2022-10-21 佛山仙湖实验室 燃料电池发动机用增湿器系统及增湿方法
CN113258102A (zh) * 2021-06-17 2021-08-13 潍柴动力股份有限公司 一种电池堆活化方法、装置和存储介质
CN113921859A (zh) * 2021-10-13 2022-01-11 上海重塑能源科技有限公司 一种燃料电池系统低温自启动方法
CN113921859B (zh) * 2021-10-13 2023-02-03 上海重塑能源科技有限公司 一种燃料电池系统低温自启动方法
CN114824377A (zh) * 2022-06-01 2022-07-29 潍柴动力股份有限公司 燃料电池控制方法、发动机及非易失性存储介质
WO2023247371A1 (de) * 2022-06-22 2023-12-28 Robert Bosch Gmbh Intermittierende abluftrückführung im betrieb eines brennstoffzellensystems
CN115360387A (zh) * 2022-10-20 2022-11-18 佛山市清极能源科技有限公司 一种燃料电池系统的阳极水量控制方法
CN115360387B (zh) * 2022-10-20 2023-03-24 佛山市清极能源科技有限公司 一种燃料电池系统的阳极水量控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110416578B (zh) 2020-04-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110416578A (zh) 燃料电池的增湿方法、计算机设备和存储介质
CN109904494B (zh) 燃料电池系统的低温启动方法、计算机设备和存储介质
US10122030B2 (en) Fuel cell system and method of controlling operation of fuel cell
CN103050723B (zh) 一种用于质子交换膜燃料电池的阴极排气再循环系统
CN113629277B (zh) 一种燃料电池系统及其停机吹扫方法
US8158293B2 (en) Fuel cell system
US20190267645A1 (en) Fuel cell system and control method of fuel cell system
CN112216853A (zh) 一种燃料电池系统及其湿度控制方法
US20130244125A1 (en) Fuel cell system
CN105186016A (zh) 一种燃料电池系统的电控喷氢压力调节装置
CA2433167C (en) Fuel cell and method of controlling same
JP2019129099A (ja) 燃料電池システム及び燃料電池車両
CN115360387B (zh) 一种燃料电池系统的阳极水量控制方法
CN113140749A (zh) 一种燃料电池低温快速启动控制方法及系统
CN208797107U (zh) 有助于燃料电池增湿和低温启动的辅助系统
CN110190307B (zh) 燃料电池系统、其湿度控制方法
KR20210129603A (ko) 연료 전지 시스템
CN115939449B (zh) 燃料电池系统及其增湿方法和补水方法
US11508978B2 (en) Fuel cell system
US11962048B2 (en) Fuel cell system with improved low temperature operation
JP3879409B2 (ja) 燃料電池システム
JP2006092801A (ja) 燃料電池システム
CN113889645A (zh) 一种燃料电池系统阳极加湿系统及其加湿方法
JP7137436B2 (ja) 燃料電池システム
CN114094149B (zh) 一种燃料电池增压控制系统及方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant