CN112201812A - 燃料电池系统及其气体供给方法和气体供给装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统及其气体供给方法和气体供给装置，其中，燃料电池系统的气体供给方法，通过启动时检测氢气侧的压力pa，并根据氢气侧的压力pa来供给氢气，具体地，若pa不小于目标压力值，则直接向氢气侧供给氢气；若pa小于目标压力值，则用氢气置换氢气侧的气体，有效适应了在不同状态下启动燃料电池系统，提高了适应性；同时，根据氢气侧的压力pa来供给氢气，避免了启动过程中电池内部局部欠气或出现严重氢氧界面，有效提升了电堆的性能和耐久性；而且，对于某些停机后不久便再次启动、且启动前氢气侧的压力pa较大的燃料电池系统，有效缩短了启动时长，提升了响应速度。

Description

燃料电池系统及其气体供给方法和气体供给装置
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，更具体地说，涉及一种燃料电池系统及其气体供给方法和气体供给装置。
背景技术
燃料电池系统启动过程中，需要先向氢气路供入高浓度氢气或将氢气路内的气体置换为高浓度氢气，再对电堆加载电流，以避免启动过程中电池内部局部欠气或出现严重氢氧界面而影响电堆的性能和耐久性。
当燃料电池系统停机后，在气体扩散作用下，电堆的氢气腔和空气腔内的气体成分发生变化，因此，在不同状态下燃料电池系统启动时电堆内部的气体成分存在较大差异，现有氢腔气体供给方法无法适应在不同状态下启动燃料电池系统。
综上所述，如何向氢腔供给氢气，以适应在不同状态下启动燃料电池系统，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池系统的气体供给方法，向氢腔供给氢气，以适应在不同状态下启动燃料电池系统。本发明的另一目的是提供一种燃料电池系统的气体供给装置、以及一种燃料电池系统。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种燃料电池系统的气体供给方法，包括步骤：
启动时检测电堆的氢气侧的压力pa；
若pa不小于目标压力值，则直接向所述氢气侧供给氢气；若pa小于所述目标压力值，则用氢气置换所述氢气侧的气体。
优选地，在所述步骤：启动时检测电堆的氢气侧的压力pa之前，还包括步骤：
停机后，将所述电堆的氢气侧和空气侧与外界环境隔离；
向所述氢气侧补给氢气；
其中，所述目标压力值为
Figure BDA0002717831030000021
Tsu为启动时所述电堆的温度，pa_su为启动时所述氢气侧的供给压力，pa0为氢气补给完成时所述氢气侧的压力，T0为氢气补给完成时所述电堆的温度,x为氢气渗透速率相对于氮气渗透速率的倍数，C为启动时所述氢气侧所需的最低氢气浓度。
优选地，所述步骤：用氢气置换所述氢气侧的气体，其中，排至外界环境的气体中氢气的浓度不超过设定浓度值。
优选地，所述步骤：用氢气置换所述氢气侧的气体，具体包括步骤：
向所述氢气侧供给压力为ppurge的氢气；
打开所述氢气侧的氢腔排气管，将外界空气引入与所述氢腔排气管连通的混合排气管；
若置换时长到达设定时长，则关闭所述氢腔排气管；
关闭所述氢腔排气管后向所述氢气侧供给压力为pa_su的氢气。
优选地，通过系统模型仿真或台架实验，确定不同pa下所需的所述置换时长；并利用空压机将外界空气引入所述混合排气管。
优选地，所述步骤：将外界空气引入混合排气管，具体包括步骤：
调节空气组合阀，打开空气旁通管；
其中，所述空气旁通管与所述混合排气管连通，所述空气侧的空气进气管通过所述空气组合阀与所述空气旁通管连接。
本发明提供的燃料电池系统的气体供给方法，通过启动时检测氢气侧的压力pa，并根据氢气侧的压力pa来供给氢气，具体地，若pa不小于目标压力值，则直接向氢气侧供给氢气；若pa小于目标压力值，则用氢气置换氢气侧的气体，有效适应了在不同状态下启动燃料电池系统，提高了适应性；同时，根据氢气侧的压力pa来供给氢气，避免了启动过程中电池内部局部欠气或出现严重氢氧界面，有效提升了电堆的性能和耐久性；而且，对于某些停机后不久便再次启动、且启动前氢气侧的压力pa较大的燃料电池系统，有效缩短了启动时长，提升了响应速度。
基于上述提供的燃料电池系统的气体供给方法，本发明还提供了一种燃料电池系统的气体供给装置，燃料电池系统的气体供给装置包括：
氢气压力传感器，用于检测电堆的氢气侧的压力pa；
氢气供给装置，用于向所述氢气侧供给氢气；
第一控制器，若启动时pa不小于目标压力值，则用于控制所述氢气供给装置向所述氢气侧供给氢气；若启动时pa小于所述目标压力值，则用于控制氢气置换所述氢气侧的气体。
优选地，所述燃料电池系统的气体供给装置还包括：
第二控制器，停机后用于控制所述电堆的氢气侧和空气侧与外界环境隔离；
第三控制器，用于控制所述氢气供给装置向所述氢气侧补给氢气；
其中，所述目标压力值为
Figure BDA0002717831030000031
Tsu为启动时所述电堆的温度，pa_su为启动时所述氢气侧的供给压力，pa0为氢气补给完成时所述氢气侧的压力，T0为氢气补给完成时所述电堆的温度,x为氢气渗透速率相对于氮气渗透速率的倍数，C为启动时所述氢气侧所需的最低氢气浓度。
优选地，若pa小于所述目标压力值，则所述第一控制器用于控制氢气置换所述氢气侧的气体，且，所述第一控制器用于控制排至外界环境的气体中氢气的浓度不超过设定浓度值。
优选地，所述燃料电池系统的气体供给装置还包括：
混合排气管，用于与所述氢气侧的氢腔排气管连通且具有外界空气入口；
其中，所述第一控制器具体为：若启动时pa小于所述目标压力值，用于控制所述氢气供给装置向所述氢气侧供给压力为ppurge的氢气，用于控制所述氢腔排气管打开，用于控制外界空气进入所述混合排气管，若置换时长到达设定时长用于控制所述氢腔排气管关闭，关闭所述氢腔排气管后用于控制所述氢气供给装置再向所述氢气侧供给压力为pa_su的氢气的控制器。
优选地，所述置换时长t＝f(pa)，所述第一控制器控制空压机将外界空气引入所述混合排气管。
优选地，所述燃料电池系统的气体供给装置还包括：
空气旁通管，用于与所述混合排气管连通；
空气组合阀，用于连接所述空气侧的空气进气管和所述空气旁通管；
其中，所述第一控制器用于控制空气组合阀打开所述空气旁通管。
优选地，所述燃料电池系统的气体供给装置还包括：
排气电磁阀，设置在所述氢腔排气管上且用于实现所述氢腔排气管的通断；
其中，所述第一控制器用于控制所述排气电磁阀打开和关闭所述氢腔排气管。
基于上述提供的燃料电池系统的气体供给装置，本发明还提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括上述任一项所述的气体供给装置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的燃料电池系统的示意图；
图2为本发明实施例提供的燃料电池系统的气体供给方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的燃料电池系统的气体供给方法包括步骤：
S11：启动时检测电堆的氢气侧的压力pa；
S12：若pa不小于目标压力值，则向氢气侧供给氢气；若pa小于目标压力值，则用氢气置换氢气侧的气体。
需要说明的是，用氢气置换氢气侧的气体具体包括步骤：向氢气侧供给氢气并排出氢气侧的气体，即利用氢气取代氢气侧原有的气体。
对于上述目标压力值的具体数值，根据实际需要进行设定和选择，本实施例对其不做限定。
本发明实施例提供的燃料电池系统的气体供给方法，通过启动时检测氢气侧的压力pa，并根据氢气侧的压力pa值来供给氢气，具体地，若pa不小于目标压力值，则直接向氢气侧供给氢气；若pa小于目标压力值，则用氢气置换氢气侧的气体，有效适应了在不同状态下启动燃料电池系统，提高了适应性；同时，根据氢气侧的压力pa来供给氢气，避免了启动过程中电池内部局部欠气或出现严重氢氧界面，有效提升了电堆的性能和耐久性；而且，对于某些停机后不久便再次启动、且启动前氢气侧的压力pa较大的燃料电池系统，有效缩短了启动时长，提升了响应速度。
为了进一步优化上述技术方案，当燃料电池系统完成上一次停机过程后，对电堆的氢气侧补给一定量的氢气，用于停放过程中与空气侧残余的氧气发生反应，从而实现电堆内部氢气、空气侧均无氧气的状态。
具体地，上述燃料电池系统的气体供给方法，在步骤S11之前，还包括步骤：
S01：停机后，将电堆的氢气侧和空气侧与外界环境隔离；
S02：向氢气侧补给氢气；
其中，目标压力值为
Figure BDA0002717831030000051
具体地，Tsu为启动时电堆的温度，pa_su为启动时氢气侧的供给压力，pa0为氢气补给完成时氢气侧的压力，T0为氢气补给完成时电堆的温度,x为氢气渗透速率相对于氮气渗透速率的倍数，C为启动时氢气侧所需的最低氢气浓度。
上述步骤S01中，将氢气侧和空气侧与外界环境隔离，具体地，将空气侧和氢气侧的阀门均关闭。
对于设计定型的燃料电池系统，氢气侧与外界隔绝部分的体积为Va、空气侧与外界隔绝部分的体积为Vc。当完成补氢动作的时刻，氢气侧的压力为pa0，空气侧压力为环境压力，记为pamb。由理想气体状态方程可得停机时刻氢气的物质的量
Figure BDA0002717831030000061
氧气的物质的量
Figure BDA0002717831030000062
补氢过程需保证氢气的物质的量不少于氧气的2倍。
其中，R为通用气体常数，R＝8.314J/mol·K，T0为氢气补给完成时电堆的温度。根据停放过程内部氢氧化学反应方程式：2H2+O2＝2H2O，可知反应过程消耗的氢氧物质的量的比例为2。
可以理解的是，燃料电池系统中设置有检测电堆温度的温度传感器，且燃料电池系统具有记录温度传感器的检测值的存储器。
根据燃料电池系统停放过程的气体扩散与化学反应，电堆内部主要气体成分可分为以下三个阶段：
阶段 氢气侧气体 空气侧气体
① 氢气、氮气 氧气、氮气
② 氢气、氮气 氮气
③ 氢气、氮气 氢气、氮气
补氢完成后，氢气侧的氢气通过扩散作用，逐渐与空气侧的氧气参与反应，电堆处于阶段①；当空气侧的氧气被氢气侧扩散过来的氢气消耗完毕，空气侧仅剩余氮气(忽略原空气中微少量的其他成分)，氢气侧存在部分剩余氢气和从空气侧扩散过来的氮气，电堆处于阶段②；氧气消耗完毕后，空气侧与氢气侧的气体在长期停放过程中，由于气体扩散作用，两侧气体最终平衡为相同压力和相同成分，即空气侧与氢气侧的气体均为氢气与氮气，电堆处于阶段③。
启动前对氢气侧的气体成分进行判断，即判断电堆处于上述三个阶段中的哪个阶段。
定义参量：启动前空气侧的压力为pc，氢气侧的压力为pa；对特定的系统和电堆，启动时氢气侧所需的最低氢气浓度为C；启动时电堆的温度为Tsu；启动时氢气侧的供给压力为pa_su；氢气补给完成时氢气侧的压力为pa0；氢气补给完成时电堆的温度为T0；在质子交换膜燃料电池中，氢气的跨膜传输速率远大于氮气的渗透速率，氢气渗透速率相对于氮气渗透速率的倍数为x。
根据pa_su和Tsu，可计算得到氢腔总物质的量
Figure BDA0002717831030000071
若电堆处于上述三个阶段中的阶段①，氢气侧氮气浓度较低，启动时可直接供给氢气后使氢气浓度不低于C。若电堆处于上述三个阶段中的阶段②或阶段③，氢气侧的氮气浓度较高，启动时无法直接供给氢后使氢气浓度达到C，从而需对氢气侧的气体进行置换。
具体地，停机后至启动前假定氮气传输至氢气侧的物质的量为nN2，则氢腔的压力为：
Figure BDA0002717831030000072
启动时供给氢气后氢气浓度为
Figure BDA0002717831030000073
可得到
Figure BDA0002717831030000074
代入上述公式，可得
Figure BDA0002717831030000075
其中，
Figure BDA0002717831030000076
Figure BDA0002717831030000077
则可获得
Figure BDA0002717831030000078
因此，定义目标压力值为
Figure BDA0002717831030000079
为了满足燃料电池系统的尾排管路的氢气浓度在设计要求范围内，上述步骤S12中，排至外界环境的气体中氢气的浓度不超过设定浓度值。
对于设定浓度值的具体数值，根据实际需要进行设定和选择，本实施例对此不做限定。
为了便于保证外排氢气的浓度不超过设定浓度值，上述步骤：用氢气置换氢气侧的气体，具体包括步骤：
S121：向氢气侧供给压力为ppurge的氢气；
S122：打开氢气侧的氢腔排气管，同时将外界空气引入与氢腔排气管连通的混合排气管；
S123：若置换时长到达设定时长，则关闭氢腔排气管；
S124：向氢气侧供给压力为pa_su的氢气。
对于上述设定时长，根据实际需要进行选择，本实施例对此不做限定。具体地，不同pa下，所对应的设定时长不同。在实际应用过程中，通过系统模型仿真或台架实验，确定在不同pa下所需的置换时长，即置换时长t＝f(pa)。对于具体地的对应关系，本实施例对此不做限定。
需要说明的是，通过系统模型仿真或台架实验，确定在不同pa下所需的置换时长，这是本领域技术人员所熟知的技术，本文不再赘述。
为了便于将外界空气引入混合排气管，优先选择利用空压机将外界空气引入混合排气管。
为了便于打开和关闭氢腔排气管，上述氢腔排气管上设置有排气电磁阀，通过打开和关闭排气电磁阀来打开和关闭氢腔排气管。对于排气电磁阀的类型，根据实际需要进行选择，本实施例对此不做限定。
优选地，上述步骤：将外界空气引入混合排气管，具体包括步骤：调节空气组合阀，打开空气旁通管；其中，空气旁通管与混合排气管连通，空气侧的空气进气管通过空气组合阀与空气旁通管连接。
当然，也可通过其他方式来将外界空气引入混合排气管，并不局限于上述实施例。
为了更为具体地体现本实施例提供的技术方案，下面提供一种具体的实施例。
具体地，如图2所示，上述实施例提供的燃料电池系统的气体供给方法包括步骤：
S21：停机后将电堆的氢气侧和空气侧与外界环境隔离；
S22：向氢气侧补给氢气；
S23：启动时检测电堆的氢气侧的压力pa；
S24：判断pa是否小于目标压力值，若是，则进入步骤S25，若否，则进入步骤S28，其中，目标压力值为
Figure BDA0002717831030000081
S25：向氢气侧供给压力为ppurge的氢气；
S26：打开氢气侧的氢腔排气管，将外界空气引入与氢腔排气管连通的混合排气管；
S27：若氢气置换氢气侧气体的时长到达设定时长，则关闭氢腔排气管；
S28：向氢气侧供给压力为pa_su的氢气。
基于上述实施例提供的燃料电池系统的气体供给方法，本实施例还提供了一种燃料电池系统的气体供给装置，如图1所示，该燃料电池系统的气体供给装置包括：氢气压力传感器2，氢气供给装置4，以及第一控制器；其中氢气压力传感器2用于检测电堆1的氢气侧12的压力pa；氢气供给装置4用于向氢气侧12供给氢气；若启动时pa不小于目标压力值，第一控制器用于控制氢气供给装置4向氢气侧12供给氢气；若启动时pa小于目标压力值，第一控制器用于控制氢气置换氢气侧12的气体。
上述第一控制器用于控制氢气置换氢气侧12的气体，具体地，上述第一控制器用于控制氢气供给装置4向氢气侧12供给氢气、并控制氢气侧的氢腔排气管5打开以排出氢气侧12的气体，即利用氢气取代氢气侧12原有的气体。
对于上述目标压力值的具体数值，根据实际需要进行设定和选择，本实施例对其不做限定。
本发明提供的燃料电池系统的气体供给装置，通过氢气压力传感器2检测氢气侧12的压力pa，并根据启动时氢气侧12的压力pa来供给氢气，具体地，若启动时pa不小于目标压力值，则直接向氢气侧12供给氢气；若启动时pa小于目标压力值，则用氢气置换氢气侧12的气体，则有效适应了在不同状态下启动燃料电池系统，提高了适应性；同时，根据氢气侧12的压力pa来供给氢气，避免了启动过程中电池内部局部欠气或出现严重氢氧界面，有效提升了电堆1的性能和耐久性；而且，对于启动前氢气侧12的压力pa较大的燃料电池系统，有效缩短了启动时长，提升了响应速度。
进一步地，当燃料电池系统完成上一次停机过程后，对电堆1的氢气侧12补给一定量的氢气，用于停放过程中与空气侧11残余的氧气发生反应，从而实现电堆1内部氢气、空气侧11均无氧气的状态。
具体地，上述燃料电池系统的气体供给装置还包括第二控制器和第三控制器。
其中，停机后上述第二控制器用于控制电堆1的氢气侧12和空气侧11与外界环境隔离，具体地，上述第二控制器用于控制空气侧11和氢气侧12的阀门均关闭。上述第三控制器用于控制氢气供给装置4向氢气侧12补给氢气；其中，目标压力值为
Figure BDA0002717831030000103
具体地，Tsu为启动时电堆1的温度，pa_su为启动时氢气侧12的供给压力，pa0为氢气补给完成时氢气侧12的压力，T0为氢气补给完成时电堆1的温度,x为氢气渗透速率相对于氮气渗透速率的倍数，C为启动时氢气侧12所需的最低氢气浓度。
对于设计定型的燃料电池系统，氢气侧12与外界隔绝部分的体积为Va、空气侧11与外界隔绝部分的体积为Va。当完成补氢动作的时刻，氢气侧12的压力为pa0，空气侧压力为环境压力，记为pamb。由理想气体状态方程可得停机时刻氢气的物质的量
Figure BDA0002717831030000101
氧气的物质的量
Figure BDA0002717831030000102
补氢过程需保证氢气的物质的量不少于氧气的2倍。
其中，R为通用气体常数，R＝8.314J/mol·K，T0为氢气补给完成时电堆1的温度。根据停放过程内部氢氧化学反应方程式：2H2+O2＝2H2O，可知反应过程消耗的氢氧物质的量的比例为2。
可以理解的是，燃料电池系统中设置有检测电堆1温度的温度传感器，且燃料电池系统具有记录温度传感器的检测值的存储器。
根据燃料电池系统停放过程的气体扩散与化学反应，电堆1内部主要气体成分可分为以下三个阶段：
阶段 氢气侧气体 空气侧气体
① 氢气、氮气 氧气、氮气
② 氢气、氮气 氮气
③ 氢气、氮气 氢气、氮气
补氢完成后，氢气侧12的氢气通过扩散作用，逐渐与空气侧11的氧气参与反应，电堆1处于阶段①；当空气侧11的氧气被氢气侧12扩散过来的氢气消耗完毕，空气侧11仅剩余氮气(忽略原空气中微少量的其他成分)，氢气侧12存在部分剩余氢气和从空气侧11扩散过来的氮气，电堆1处于阶段②；氧气消耗完毕后，空气侧11与氢气侧12的气体在长期停放过程中，由于气体扩散作用，两侧气体最终平衡为相同压力和相同成分，即空气侧11与氢气侧12的气体均为氢气与氮气，电堆1处于阶段③。
启动前对氢气侧12的气体成分进行判断，即判断电堆1处于上述三个阶段中的哪个阶段。
根据pa_su和Tsu，可计算得到氢腔总物质的量
Figure BDA0002717831030000111
若电堆1处于上述三个阶段中的阶段①，氢气侧12氮气浓度较低，启动时可直接供给氢气后使氢气浓度不低于C。若电堆1处于上述三个阶段中的阶段②或阶段③，氢气侧12的氮气浓度较高，启动时无法直接供给氢后使氢气浓度达到C，从而需对氢气侧12的气体进行置换。
具体地，停机后至启动前假定氮气传输至氢气侧12的物质的量为nN2，则氢腔的压力为：
Figure BDA0002717831030000112
启动时供给氢气后氢气浓度为
Figure BDA0002717831030000113
可得到
Figure BDA0002717831030000114
代入上述公式，可得
Figure BDA0002717831030000115
其中
Figure BDA0002717831030000116
Figure BDA0002717831030000117
则可获得
Figure BDA0002717831030000118
因此，定义目标压力值为
Figure BDA0002717831030000119
为了满足燃料电池系统的尾排管路的氢气浓度在设计要求范围内，若pa小于目标压力值，则第一控制器用于控制氢气置换氢气侧12的气体，且，第一控制器用于控制排至外界环境的气体中氢气的浓度不超过设定浓度值。
对于设定浓度值的具体数值，根据实际需要进行设定和选择，本实施例对此不做限定。
为了便于保证外排氢气的浓度不超过设定浓度值，上述燃料电池系统的气体供给装置还包括混合排气管6，该混合排气管6用于与氢气侧12的氢腔排气管5连通且具有外界空气入口。
第一控制器具体为：若启动时pa小于所述目标压力值，用于控制氢气供给装置4向氢气侧12供给压力为ppurge的氢气，用于控制氢腔排气管5打开，用于控制外界空气进入混合排气管6，若置换时长到达设定时长用于控制氢腔排气管5关闭，关闭氢腔排气管5后用于控制氢气供给装置4再向氢气侧12供给压力为pa_su的氢气的控制器。
对于上述设定时长，根据实际需要进行选择，本实施例对此不做限定。具体地，不同pa下，所对应的设定时长不同。在实际应用过程中，通过系统模型仿真或台架实验，以确定在不同的pa下所需的置换时长t＝f(pa)。对于具体地的对应关系，本实施例对此不做限定。
为了便于将外界空气引入混合排气管6，优先选择第一控制器控制空压机将外界空气引入混合排气管6。
优选地，上述燃料电池系统的气体供给装置还包括：空气旁通管7和空气组合阀9；其中，空气旁通管7用于与混合排气管6连通；空气组合阀9用于连接空气侧11的空气进气管和空气旁通管7；上述第一控制器用于控制空气组合阀9打开空气旁通管7。
当然，也可通过其他方式来将外界空气引入混合排气管6，并不局限于上述实施例。
为了便于打开和关闭氢腔排气管5，上述燃料电池系统的气体供给装置还包括排气电磁阀3，该排气电磁阀3用于设置在氢腔排气管5上且用于实现氢气排气管5的通断，第一控制器用于控制排气电磁阀3打开和关闭氢腔排气管5。
上述燃料电池系统的气体供给装置还包括空气压力传感器10，该空气压力传感器10设置在空气侧11的进气管上。上述空气侧11的排气管上设置有空气背压阀8，将空气侧11与外界环境隔离，则需要关闭空气组合阀9和空气背压阀8。
基于上述实施例提供的燃料电池系统的气体供给装置，本实施例还提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括上述实施例所述的燃料电池系统的气体供给装置。
由于上述实施例提供的燃料电池系统的气体供给装置具有上述技术效果，上述燃料电池系统包括上述燃料电池系统的气体供给装置，则上述燃料电池系统也具有相应的技术效果，本文不再赘述。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (14)

1.一种燃料电池系统的气体供给方法，其特征在于，包括步骤：
启动时检测电堆的氢气侧的压力pa；
若pa不小于目标压力值，则直接向所述氢气侧供给氢气；若pa小于所述目标压力值，则用氢气置换所述氢气侧的气体。
2.根据权利要求1所述的气体供给方法，其特征在于，在所述步骤：启动时检测电堆的氢气侧的压力pa之前，还包括步骤：
停机后，将所述电堆的氢气侧和空气侧与外界环境隔离；
向所述氢气侧补给氢气；
其中，所述目标压力值为
Figure FDA0002717831020000011
Tsu为启动时所述电堆的温度，pa_su为启动时所述氢气侧的供给压力，pa0为氢气补给完成时所述氢气侧的压力，T0为氢气补给完成时所述电堆的温度,x为氢气渗透速率相对于氮气渗透速率的倍数，C为启动时所述氢气侧所需的最低氢气浓度。
3.根据权利要求1或2的所述的气体供给方法，其特征在于，所述步骤：用氢气置换所述氢气侧的气体，其中，排至外界环境的气体中氢气的浓度不超过设定浓度值。
4.根据权利要求3所述的气体供给方法，其特征在于，所述步骤：用氢气置换所述氢气侧的气体，具体包括步骤：
向所述氢气侧供给压力为ppurge的氢气；
打开所述氢气侧的氢腔排气管，将外界空气引入与所述氢腔排气管连通的混合排气管；
若置换时长到达设定时长，则关闭所述氢腔排气管；
关闭所述氢腔排气管后向所述氢气侧供给压力为pa_su的氢气。
5.根据权利要求4所述的气体供给方法，其特征在于，通过系统模型仿真或台架实验，确定不同pa下所需的所述置换时长；并利用空压机将外界空气引入所述混合排气管。
6.根据权利要求4所述的气体供给方法，其特征在于，所述步骤：将外界空气引入混合排气管，具体包括步骤：
调节空气组合阀，打开空气旁通管；
其中，所述空气旁通管与所述混合排气管连通，所述空气侧的空气进气管通过所述空气组合阀与所述空气旁通管连接。
7.一种燃料电池系统的气体供给装置，其特征在于，包括：
氢气压力传感器，用于检测电堆的氢气侧的压力pa；
氢气供给装置，用于向所述氢气侧供给氢气；
第一控制器，若启动时pa不小于目标压力值，则用于控制所述氢气供给装置向所述氢气侧供给氢气；若启动时pa小于所述目标压力值，则用于控制氢气置换所述氢气侧的气体。
8.根据权利要求7所述的气体供给装置，其特征在于，还包括：
第二控制器，停机后用于控制所述电堆的氢气侧和空气侧与外界环境隔离；
第三控制器，用于控制所述氢气供给装置向所述氢气侧补给氢气；
其中，所述目标压力值为
Figure FDA0002717831020000021
Tsu为启动时所述电堆的温度，pa_su为启动时所述氢气侧的供给压力，pa0为氢气补给完成时所述氢气侧的压力，T0为氢气补给完成时所述电堆的温度,x为氢气渗透速率相对于氮气渗透速率的倍数，C为启动时所述氢气侧所需的最低氢气浓度。
9.根据权利要求7或8的所述的气体供给装置，其特征在于，若pa小于所述目标压力值，则所述第一控制器用于控制氢气置换所述氢气侧的气体，且，所述第一控制器用于控制排至外界环境的气体中氢气的浓度不超过设定浓度值。
10.根据权利要求9所述的气体供给装置，其特征在于，还包括：
混合排气管，用于与所述氢气侧的氢腔排气管连通且具有外界空气入口；
其中，所述第一控制器具体为：若启动时pa小于所述目标压力值，用于控制所述氢气供给装置向所述氢气侧供给压力为ppurge的氢气，用于控制所述氢腔排气管打开，用于控制外界空气进入所述混合排气管，若置换时长到达设定时长用于控制所述氢腔排气管关闭，关闭所述氢腔排气管后用于控制所述氢气供给装置再向所述氢气侧供给压力为pa_su的氢气的控制器。
11.根据权利要求10所述的气体供给装置，其特征在于，所述置换时长t＝f(pa)，所述第一控制器控制空压机将外界空气引入所述混合排气管。
12.根据权利要求10所述的气体供给装置，其特征在于，还包括：
空气旁通管，用于与所述混合排气管连通；
空气组合阀，用于连接所述空气侧的空气进气管和所述空气旁通管；
其中，所述第一控制器用于控制空气组合阀打开所述空气旁通管。
13.根据权利要求10所述的气体供给装置，其特征在于，还包括：
排气电磁阀，设置在所述氢腔排气管上且用于实现所述氢腔排气管的通断；
其中，所述第一控制器用于控制所述排气电磁阀打开和关闭所述氢腔排气管。
14.一种燃料电池系统，其特征在于，包括如权利要求7-13中任一项所述的气体供给装置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112952154A (zh) * 2021-01-29 2021-06-11 上海捷氢科技有限公司 燃料电池的氢腔气体置换控制方法及其氢腔置换系统
CN115051000A (zh) * 2022-07-07 2022-09-13 玉柴芯蓝新能源动力科技有限公司 燃料电池系统及其起动前氢氧界面状态的判断方法

Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS607065A (ja) * 1983-06-24 1985-01-14 Toshiba Corp 燃料電池装置
WO2003006885A1 (en) * 2001-07-13 2003-01-23 Pratt & Whitney Canada Corp. Premixing chamber for turbine combustor
CN1444666A (zh) * 2000-07-26 2003-09-24 神钢汎技术股份有限公司 氢·氧供给系统
WO2003099424A1 (en) * 2002-05-24 2003-12-04 Bp Corporation North America Inc. Membrane systems containing an oxygen transport membrane and catalyst
CN1523259A (zh) * 2003-02-19 2004-08-25 亚太燃料电池科技股份有限公司 储氢罐使用性能测试装置
JP2006331850A (ja) * 2005-05-26 2006-12-07 Toyota Motor Corp 燃料電池の反応ガス供給装置
JP2009121557A (ja) * 2007-11-13 2009-06-04 Toyota Motor Corp 燃料ガス供給システム及び燃料電池システム
CN101764238A (zh) * 2008-12-26 2010-06-30 上海神力科技有限公司 一种安全高效的燃料电池氢气或氧气循环方法
CN101887981A (zh) * 2009-05-13 2010-11-17 上海神力科技有限公司 用于燃料电池的氢气密闭循环系统
CN102034970A (zh) * 2009-10-08 2011-04-27 通用汽车环球科技运作公司 燃料电池中的补救启动方法
CN102217128A (zh) * 2008-09-17 2011-10-12 贝伦诺斯清洁电力控股有限公司 停止和启动燃料电池的方法
CN107949944A (zh) * 2015-01-21 2018-04-20 美国电化学动力公司 自加热燃料电池系统
CN109435779A (zh) * 2018-12-06 2019-03-08 北京亿华通科技股份有限公司 燃料电池车的启动方法和系统
CN109830711A (zh) * 2019-02-26 2019-05-31 中国科学技术大学 一种燃料电池系统及控制系统
CN110010931A (zh) * 2019-03-25 2019-07-12 嘉兴德燃动力系统有限公司 一种燃料电池发动机供氢子系统的控制策略方法及系统
CN111029619A (zh) * 2019-11-27 2020-04-17 中国第一汽车股份有限公司 一种燃料电池氢气循环系统、氢气回路控制方法及排氢排水方法
CN111212810A (zh) * 2017-10-05 2020-05-29 海德鲁基尼斯Lohc技术有限公司 用于供应和进一步使用氢气的系统和方法

Patent Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS607065A (ja) * 1983-06-24 1985-01-14 Toshiba Corp 燃料電池装置
CN1444666A (zh) * 2000-07-26 2003-09-24 神钢汎技术股份有限公司 氢·氧供给系统
WO2003006885A1 (en) * 2001-07-13 2003-01-23 Pratt & Whitney Canada Corp. Premixing chamber for turbine combustor
WO2003099424A1 (en) * 2002-05-24 2003-12-04 Bp Corporation North America Inc. Membrane systems containing an oxygen transport membrane and catalyst
CN1523259A (zh) * 2003-02-19 2004-08-25 亚太燃料电池科技股份有限公司 储氢罐使用性能测试装置
JP2006331850A (ja) * 2005-05-26 2006-12-07 Toyota Motor Corp 燃料電池の反応ガス供給装置
JP2009121557A (ja) * 2007-11-13 2009-06-04 Toyota Motor Corp 燃料ガス供給システム及び燃料電池システム
CN102217128A (zh) * 2008-09-17 2011-10-12 贝伦诺斯清洁电力控股有限公司 停止和启动燃料电池的方法
CN101764238A (zh) * 2008-12-26 2010-06-30 上海神力科技有限公司 一种安全高效的燃料电池氢气或氧气循环方法
CN101887981A (zh) * 2009-05-13 2010-11-17 上海神力科技有限公司 用于燃料电池的氢气密闭循环系统
CN102034970A (zh) * 2009-10-08 2011-04-27 通用汽车环球科技运作公司 燃料电池中的补救启动方法
CN107949944A (zh) * 2015-01-21 2018-04-20 美国电化学动力公司 自加热燃料电池系统
CN111212810A (zh) * 2017-10-05 2020-05-29 海德鲁基尼斯Lohc技术有限公司 用于供应和进一步使用氢气的系统和方法
CN109435779A (zh) * 2018-12-06 2019-03-08 北京亿华通科技股份有限公司 燃料电池车的启动方法和系统
CN109830711A (zh) * 2019-02-26 2019-05-31 中国科学技术大学 一种燃料电池系统及控制系统
CN110010931A (zh) * 2019-03-25 2019-07-12 嘉兴德燃动力系统有限公司 一种燃料电池发动机供氢子系统的控制策略方法及系统
CN111029619A (zh) * 2019-11-27 2020-04-17 中国第一汽车股份有限公司 一种燃料电池氢气循环系统、氢气回路控制方法及排氢排水方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
肖坤: "燃料电池气体供给系统控制研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112952154A (zh) * 2021-01-29 2021-06-11 上海捷氢科技有限公司 燃料电池的氢腔气体置换控制方法及其氢腔置换系统
CN115051000A (zh) * 2022-07-07 2022-09-13 玉柴芯蓝新能源动力科技有限公司 燃料电池系统及其起动前氢氧界面状态的判断方法
CN115051000B (zh) * 2022-07-07 2024-02-27 玉柴芯蓝新能源动力科技有限公司 燃料电池系统及其起动前氢氧界面状态的判断方法

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