CN111313055B - 一种质子交换膜燃料电池阳极气体净化控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池阳极气体净化控制方法。构建阳极水管理结构，利用阳极氮气浓度观测器控制阳极水管理结构工作；通过氢气循环泵控制氢气流量将燃料电池电堆内的气体含有的液态水带出并通过第二水汽分离器除去，气体凝结析出的液态水通过第一水汽分离器除去；利用阳极氮气浓度观测器处理得到氮气浓度观测值，利用净化持续过程模型得到净化持续时间，当氮气浓度观测值达到氮气浓度阈值，开启净化阀，排出氮气；经历净化持续时间后关闭净化阀，进入下周期。本发明解决了质子交换膜燃料电池发动机系统的阳极回路的气体净化过程的优化问题，可在保证电堆寿命的基础上极大地提升燃料电池系统的氢气利用率。

Description

一种质子交换膜燃料电池阳极气体净化控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池应用的领域的一种燃料电池处理控制方法，尤其是涉及了一种基于氮气浓度在线观测的质子交换膜燃料电池阳极气体净化的方法。
背景技术
为了提高质子交换膜燃料电池系统的氢气利用率，阳极系统采用死端模式工作。然而，在这种工作模式下随着燃料电池系统的运行，阴极的氮气和产生的液态水会通过跨膜运输的方式渗透过阳极，一方面过多的水会造成阳极局部欠气从而引起反极，另一方面过多的氮气会降低阳极氢气的分压而影响电堆的整体性能。所以，需要周期性的净化处理排出阳极多余的水和氢气。
目前，发动机系统所采用的净化触发方式是基于时间的，在不同电流输出下确定的时间周期进行阳极净化。但是，在此技术方案下，一方面标定过程中会兼顾排除水淹和氮气浓度，很多时候为了排水即使在氮气浓度很低的情况下也会开启净化，造成了氢气不必要的浪费；另一方面，在电堆电流输出变化的时候会导致净化时间难以选取等问题。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了于氮气浓度在线观测的质子交换膜燃料电池阳极气体净化的方法。
本发明在有效的水管理前提下，基于浓度触发的阳极净化过程可避免以上的问题，在燃料电池发动机运行的过程中，阳极内的氮气浓度不通过传感器直接测量，而是借助模型设计观测器对阳极的气体浓度进行实时估计。
本发明采用的技术方案是：
首先，构建带有两个水汽分离器和一个氢气循环泵的质子交换膜燃料电池的阳极水管理结构，解耦因水淹和氮气浓度积累引起的电堆性能退化；利用阳极氮气浓度观测器控制阳极水管理结构进行工作实现阳极气体净化，进行氮气浓度触发的阳极系统气体净化的控制，极大提升了氢气利用率。
如图1所示，所述的阳极水管理结构包含位于燃料电池电堆入口的第一水汽分离器、位于燃料电池电堆出口的第二水汽分离器、氢气循环泵、氢气供给阀、压力调节阀和净化阀；氢气供给阀的入口连接氢气源，氢气供给阀的出口经压力调节阀连接到第一水汽分离器的入口，第一水汽分离器的出口连接到燃料电池电堆阳极入口，燃料电池电堆阳极出口连接到第二水汽分离器的入口，第二水汽分离器的出口经净化阀排出；第一水汽分离器和第二水汽分离器之间连接有氢气循环泵，第二水汽分离器的出口和净化阀之间管道引出连接到氢气循环泵的入口，第一水汽分离器入口和压力调节阀之间管道引出连接到氢气循环泵的出口；通过氢气循环泵驱动带出燃料电池电堆产生的气体并循环回入到燃料电池电堆中，经由第二水汽分离器除去从燃料电池电堆出来的气体中的液态水，且经由第一水汽分离器处进一步除去将进入燃料电池电堆的气体中析出的液态水。
根据燃料电池电堆的需求通过氢气循环泵控制氢气流量将燃料电池电堆内的气体含有的液态水带出来并通过第二水汽分离器2除去，而气体凝结析出的液态水通过第一水汽分离器1除去。
其中氢气供给阀控制从储氢装置出来的氢气的通断；压力调节阀用来控制燃料电池电堆阳极入口处氢气的压力；氢气循环泵可以使阳极回路形成内循环，基于不同的电堆输出得到氢气计量比，带出电堆产生的液态水，从而避免了用于液态水积累造成的电堆性能退化，如图1上半部分所示；电堆出口端的第二水汽分离器2用于除去从电堆出来的气体中的液态水；而在入口端由于高温高湿度的氢气与供给的低温氢气混合会有液态水析出，为了避免液态水进入电堆而影响电堆性能，在进入电堆入口前端放入第一水汽分离器1用来除去凝结的液态水。
由此通过上述的主要由两个水汽分离器和一个氢气循环泵组成的阳极水管理结构能有效解耦因水淹和氮气浓度积累引起的电堆性能退化。
方法利用阳极氮气浓度观测器处理得到氮气浓度观测值，并且利用净化持续过程模型得到净化持续时间，当氮气浓度观测值达到氮气浓度阈值，开启净化阀，排出氮气；经历净化持续时间后关闭净化阀，进入下一个周期。
所述的质子交换膜燃料电池的单片电池均连接有单片电压采集板，净化阀连接到净化控制器；如图2所示，方法是首先根据电堆在不同电流下的参数需求确定电堆的阳极工作气压和该电流下氮气跨膜穿透速率，且按照电堆的阳极工作气压，建立净化持续过程模型确定净化持续时间t；按照氮气跨膜穿透速率建立阳极氮气浓度观测器，阳极氮气浓度观测器采用电堆电压模型计算的单片电压衰减估计值与单片电压采集板采集到的平均单片电池电压衰减做差，作为观测器的观测误差反馈，作为氮气浓度观测值；基于以上的阳极氮气浓度观测器，当氮气浓度观测值达到预设氮气浓度阈值，则通过净化控制器让净化阀开启并保持净化持续时间t后关闭。
所述的净化持续过程模型是指，依照理想气体的动态方程与物料守恒方程建立的阳极气体净化过程中阳极内气体压力与气体中氮气浓度的模型。
所述的电堆电压模型是指根据能斯特方程建立起来的阳极氢气浓度与电堆电压关系之间的模型方程：
Figure BDA0002389317450000031
其中，Vavgcell为单片电池电压，E0为理想状态下的可逆电压，b0为与气体压力有关的参数，Pan为阳极压力，
Figure BDA0002389317450000032
为阳极氮气的分压，
Figure BDA0002389317450000033
为阴极氧气分压，P0为大气压，vohm为欧姆损耗电压，vact为极化损耗电压，vcon为浓度损耗电压。
依照上述方式，将阳极气体净化过程分为净化等待周期和净化执行周期两个部分。
净化等待周期：上述净化阀由开启状态变为关闭状态直至氮气浓度观测值达到氮气浓度阈值的这段时间，在净化等待周期内，阳极出口的净化控制阀关闭，阳极腔体处于闭合状态，氮气在阳极端不断的积累，浓度逐渐升高。
净化执行周期：从上述氮气浓度观测值达到氮气浓度阈值开始净化阀开启，至经历了净化持续时间t后净化阀关闭的这段时间。在净化执行周期内，阳极出口的净化电磁阀被开启，阳极腔体内的氮气被排出。
在完成阳极净化执行期后，阳极出口的净化阀关闭，整个系统进入下一个净化等待周期。
本发明的有益效果是：
本发明提出的方法。基于所特殊设计的阳极水管理结构，可有效解耦因水淹和氮气浓度积累引起的电堆性能退化。
本发明利用在线氮气浓度观测器确定净化等待周期，可实现在一个净化周期内多次变换负载，并且可以精确的控制净化持续时间，减少净化过程中氢气的浪费。
因此，本发明提出的技术方案可以在保证电堆耐久性和寿命的约束条件下，极大地延长净化时间间隔，减少净化次数，解决了质子交换膜燃料电池发动机系统的阳极回路的气体净化过程的优化问题，可以在保证电堆寿命的基础上极大地提升燃料电池系统的氢气利用率，从而提高整体的氢气利用率。
附图说明
图1是本发明中涉及到的阳极水管理结构示意图。
图2是本发明中的阳极净化控制过程。
图3是本发明实施例中一个工况循环内气体浓度和净化时氢气流量的变化。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
依照图1所示的结构原理图搭建了实验平台。并依照发明内容中所描述的阳极净化过程在实验台架的程序中实现。
按照本发明发明内容的方法完整实施的实施例如下：
本实施例采用的电堆采用3kW质子交换膜燃料电池电堆。
实验过程中阴极给定2.5的恒定计量比，测试环境氧气含量为21％，阴阳极压力依照电堆生产商的参考值设定，电堆冷却剂入口温度被控制在60℃±0.5℃，出口温度被控制在65℃±0.5℃。
实例实施结果如图3所示。在一个工况循环内用本发明后系统的运行情况，分别对在一个周期内保持电流不变和动态变化电堆电流输出两种情况进行了测试，示例中将氮气的浓度的阈值设定为25％。图3中展示了在本发明所述实现方法下系统运行的情况，本方法除了在恒电流输出下完成周期净化外，在以氮气浓度作为净化的触发阈值的条件下还能够处理在一个净化周期内电流多次变化的工况。
进一步验证本方法的优越性，氢气利用率
Figure BDA0002389317450000042
定义为在电堆运行过程中参与电化学发电反应的氢气(mreaction)与消耗氢气总量的比值，其中消耗氢气总量包括参与电化学反应的氢气、在净化过程中排放的氢气(mpurge)和穿透过膜电极扩散到阴极的氢气(mcross)：
Figure BDA0002389317450000041
基于以上公式可以计算得到，在本发明的系统实现过程中氢气利用率可以超过99％，远超过现有文献中的数据。

Claims (1)

1.一种质子交换膜燃料电池阳极气体净化控制方法，其特征在于：首先，构建带有两个水汽分离器和一个氢气循环泵的质子交换膜燃料池的阳极水管理结构，再利用阳极氮气浓度观测器控制阳极水管理结构进行工作实现阳极气体净化；
所述的阳极水管理结构包含位于燃料电池电堆入口的第一水汽分离器(1)、位于燃料电池电堆出口的第二水汽分离器(2)、氢气循环泵、氢气供给阀、压力调节阀和净化阀；氢气供给阀的入口连接氢气源，氢气供给阀的出口经压力调节阀连接到第一水汽分离器(1)的入口，第一水汽分离器(1)的出口连接到燃料电池电堆阳极入口，燃料电池电堆阳极出口连接到第二水汽分离器(2)的入口，第二水汽分离器(2)的出口经净化阀排出；第一水汽分离器(1)和第二水汽分离器(2)之间连接有氢气循环泵，第二水汽分离器(2)的出口和净化阀之间管道引出连接到氢气循环泵的入口，第一水汽分离器(1)入口和压力调节阀之间管道引出连接到氢气循环泵的出口；通过氢气循环泵驱动带出燃料电池电堆产生的气体并循环回入到燃料电池电堆中，经由第二水汽分离器(2)除去从燃料电池电堆出来的气体中的液态水，且经由第一水汽分离器(1)处进一步除去将进入燃料电池电堆的气体中析出的液态水；
方法利用阳极氮气浓度观测器处理得到氮气浓度观测值，并且利用净化持续过程模型得到净化持续时间，当氮气浓度观测值达到氮气浓度阈值，开启净化阀，排出氮气；经历净化持续时间后关闭净化阀，进入下一个周期；
所述的质子交换膜燃料电池的单片电池均连接有单片电压采集板，净化阀连接到净化控制器；
方法是首先根据电堆在不同电流下的参数需求确定电堆的阳极工作气压和该电流下氮气跨膜穿透速率，且按照电堆的阳极工作气压，建立净化持续过程模型确定净化持续时间t；
按照氮气跨膜穿透速率建立阳极氮气浓度观测器，阳极氮气浓度观测器采用电堆电压模型计算的单片电压衰减估计值与单片电压采集板采集到的平均单片电池电压衰减做差，作为观测器的观测误差反馈，以观测器的输出作为氮气浓度观测值；
当氮气浓度观测值达到预设氮气浓度阈值，则通过净化控制器让净化阀开启并保持净化持续时间t后关闭。
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