CN112510229A - 一种燃料电池系统、及其氢气计量比的计算方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池系统、及其氢气计量比的计算方法及装置，所述计算方法包括：计算干燥氢气的第一质量流量参数；计算混合前氢气的第二质量流量参数；依据所述第一质量流量参数和所述第二质量流量参数，计算氢气计量比。该计算方法基于燃料电池系统的参数数据，即可直接计算出氢气计算比，计算方法简单，相比较与流量计和湿度传感器的方法，可以完全避免上述部分对燃料电池系统流阻特性的干扰。

Description

一种燃料电池系统、及其氢气计量比的计算方法及装置
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、及其氢气计量比的计算方法及装置。
背景技术
燃料电池是一种可以把燃料所具有的化学能直接转换成电能的一种发电装置，具有能量转换效率高、清洁无污染等优点，是一种理想的能源利用技术，商业化应用存在着广阔的发展前景。
其中，燃料电池系统工作时往往需要将过量的氢气通过循环的方式通入阳极，其主要目的是为了提高氢气利用率以及满足燃料电池的水管理平衡。
但是，经过燃料电池内部循环的氢气，其相对湿度较高且含有部分从阴极渗透到阳极的氮气，显然，对于循环的氢气流量以及氢气计量比的计算带来了很大的困难。
一般的气体流量计只能测试某种特定干气体的流量，对于存在湿气体以及湿度变化气体的流量测量存在较大误差。并且，流量计的介入会改变循环系统的流阻特性，无法获得系统真实的流量值。
采用温湿度传感器测量混合前后的气体湿度，计算氢气的计量比，虽然可以测量氢气的计量比，但是成本相对较高且测量精度受液态水的影响较大，难以实现车载应用以及商业化。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种燃料电池系统、及其氢气计量比的计算方法及装置，技术方案如下：
一种燃料电池系统的氢气计量比的计算方法，所述计算方法包括：
计算干燥氢气的第一质量流量参数；
计算混合前氢气的第二质量流量参数；
依据所述第一质量流量参数和所述第二质量流量参数，计算氢气计量比。
可选的，在上述计算方法中，所述计算混合前氢气的第二质量流量参数，包括：
获取氢气比热容参数、干燥氢气的干燥温度参数、混合后混合气体的混合温度参数、水比热容参数、混合前氮气的氮气温度参数、氮气比热容参数；
计算混合前水蒸气的第三质量流量参数、以及混合前氮气的第四质量流量参数；
依据所述氢气比热容参数、所述干燥温度参数、所述混合温度参数、所述水比热容参数、所述氮气温度参数、所述氮气比热容参数、所述第一质量流量参数、所述第三流量参数和所述第四流量参数，计算所述第二质量流量参数。
可选的，在上述计算方法中，所述计算方法还包括：
获取混合前氮气对计算结果的影响系数；
依据所述影响系数和所述第二质量流量参数，计算目标第二质量流量参数；
依据所述第一质量流量参数和所述目标第二质量流量参数，计算氢气计量比。
可选的，在上述计算方法中，所述计算方法还包括：
获取混合前湿气体的相对湿度参数，以及混合前后气体的氢气体积分数；
计算所述第三流量参数。
一种燃料电池系统的氢气计量比的计算装置，所述计算装置包括：
第一计算模块，用于计算干燥氢气的第一质量流量参数；
第二计算模块，用于计算混合前氢气的第二质量流量参数；
第三计算模块，用于依据所述第一质量流量参数和所述第二质量流量参数，计算氢气计量比。
可选的，在上述计算装置中，所述第二计算模块具体用于：
获取氢气比热容参数、干燥氢气的干燥温度参数、混合后混合气体的混合温度参数、水比热容参数、混合前氮气的氮气温度参数、氮气比热容参数；
计算混合前水蒸气的第三质量流量参数、以及混合前氮气的第四质量流量参数；
依据所述氢气比热容参数、所述干燥温度参数、所述混合温度参数、所述水比热容参数、所述氮气温度参数、所述氮气比热容参数、所述第一质量流量参数、所述第三流量参数和所述第四流量参数，计算所述第二质量流量参数。
可选的，在上述计算装置中，所述计算装置还包括：
第一获取模块，用于获取混合前氮气对计算结果的影响系数；
第四计算模块，用于依据所述影响系数和所述第二质量流量参数，计算目标第二质量流量参数；
第五计算模块，用于依据所述第一质量流量参数和所述目标第二质量流量参数，计算氢气计量比。
可选的，在上述计算装置中，所述计算装置还包括：
第二获取模块，用于获取混合前湿气体的相对湿度参数，以及混合前后气体的氢气体积分数；
第六计算模块，用于计算所述第三流量参数。
一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括：高压氢瓶、氢瓶温度传感器、减压阀、中压压力传感器、喷射器、氢进温度传感器、氢进压力传感器、燃料电池、分水器、氢出温度传感器、排水电磁阀、氢气循环泵、排气管和氢出压力传感器；
其中，所述氢瓶温度传感器与所述高压氢瓶的出口管路连接，再依次通过所述减压阀和所述中压压力传感器与所述喷射器的入口连接；
所述喷射器依次通过所述氢进温度传感器和所述氢进压力传感器，与所述燃料电池的阳极进口连接；
所述燃料电池的阴极出口集成设置有所述分水器，并分别与所述氢气循环泵和所述排水电磁阀连接；
所述排水电磁阀连接所述排气管；
所述氢气循环泵的出口依次通过所述氢出温度传感器和所述氢出压力传感器与所述喷射器的出口连接。
可选的，在上述燃料电池系统中，所述燃料电池系统还包括：
设置在所述循环泵出口管路上的湿度传感器；
设置在所述循环泵出口分支管路上的调节阀和质谱仪。
相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
本发明提供的一种燃料电池系统的氢气计量比的计算方法包括：计算干燥氢气的第一质量流量参数；计算混合前氢气的第二质量流量参数；依据所述第一质量流量参数和所述第二质量流量参数，计算氢气计量比。
该计算方法基于燃料电池系统的参数数据，即可直接计算出氢气计算比，计算方法简单，相比较与流量计和湿度传感器的方法，可以完全避免上述部分对燃料电池系统流阻特性的干扰。
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一种燃料电池系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种燃料电池系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种燃料电池系统的氢气计量比的计算方法的流程示意图；
图4为本发明实施例提供的一种燃料电池系统的氢气计量比的计算装置的结构示意图。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种燃料电池系统的结构示意图。
所述燃料电池系统包括：高压氢瓶1、氢瓶温度传感器2、减压阀3、中压压力传感器4、喷射器5、氢进温度传感器6、氢进压力传感器7、燃料电池8、分水器9、氢出温度传感器10、排水电磁阀11、氢气循环泵12、排气管13和氢出压力传感器15；
其中，所述氢瓶温度传感器2与所述高压氢瓶1的出口管路连接，再依次通过所述减压阀3和所述中压压力传感器4与所述喷射器5的入口连接；
所述喷射器5依次通过所述氢进温度传感器6和所述氢进压力传感器7，与所述燃料电池8的阳极进口连接；
所述燃料电池8的阴极出口集成设置有所述分水器9，并分别与所述氢气循环泵12和所述排水电磁阀11连接；
所述排水电磁阀11连接所述排气管13；
所述氢气循环泵12的出口依次通过所述氢出温度传感器10和所述氢出压力传感器15与所述喷射器5的出口连接。
进一步的，如图1所示，所述燃料电池系统还包括：控制器14，所述控制器14用于执行本发明下述实施例所述的燃料电池系统的氢气计量比的计算方法。
进一步的，基于本发明上述实施例，为了提高氢气计量比的计算精度，参考图2，图2为本发明实施例提供的另一种燃料电池系统的结构示意图。
所述燃料电池系统还包括：
设置在所述循环泵出口管路上的湿度传感器16；
设置在所述循环泵出口分支管路上的调节阀17和质谱仪18。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图3，图3为本发明实施例提供的一种燃料电池系统的氢气计量比的计算方法的流程示意图。
所述计算方法包括：
S101：计算干燥氢气的第一质量流量参数。
在该步骤中，所述干燥氢气的第一质量流量参数
Figure BDA0002816929160000061
即图1中喷射器5处的氢气的质量流量参数。
所述第一质量流量参数
Figure BDA0002816929160000062
可以根据燃料电池负载电流计算得到，具体如下：
Figure BDA0002816929160000063
其中，n表示燃料电池单体片数；
I表示燃料电池负载电流；
NA表示氢气的摩尔质量；
F表示法拉第常数。
S102：计算混合前氢气的第二质量流量参数
Figure BDA0002816929160000064
即氢气循环泵12出口处的氢气的质量流量参数。
S103：依据所述第一质量流量参数
Figure BDA0002816929160000065
和所述第二质量流量参数
Figure BDA0002816929160000066
计算氢气计量比
Figure BDA0002816929160000067
具体的，
Figure BDA0002816929160000068
进一步的，基于本发明上述实施例，步骤S102计算混合前氢气的第二质量流量参数
Figure BDA0002816929160000071
包括：
获取氢气比热容参数、干燥氢气的干燥温度参数、混合后混合气体的混合温度参数、水比热容参数、混合前氮气的氮气温度参数、氮气比热容参数；
计算混合前水蒸气的第三质量流量参数、以及混合前氮气的第四质量流量参数；
依据所述氢气比热容参数、所述干燥温度参数、所述混合温度参数、所述水比热容参数、所述氮气温度参数、所述氮气比热容参数、所述第一质量流量参数、所述第三流量参数和所述第四流量参数，计算所述第二质量流量参数。
在该实施例中，根据循环氢气与干燥氢气混合前后的热平衡，有以下平衡关系：
Figure BDA0002816929160000072
其中，
Figure BDA0002816929160000073
表示氢气比热容参数；
T1表示干燥氢气的干燥温度参数；即，高压氢瓶1出口的氢气温度；
T2表示混合后混合气体的混合温度参数；即，靠近燃料电池8阳极进口处混合后混合气体的温度；
Figure BDA0002816929160000074
表示水比热容参数；
T3表示混合前氮气的氮气温度参数；即，氢气循环泵12出口处的氮气的温度参数；
Figure BDA0002816929160000075
表示氮气比热容参数；
Figure BDA0002816929160000076
表示混合前水蒸气的第三质量流量参数；即，氢气循环泵12出口处的水蒸气的质量流量参数；
Figure BDA0002816929160000077
表示混合前氮气的第四质量流量参数，氢气循环泵12出口处的氮气的质量流量参数。。
通过上述换算，可得混合前氢气的第二质量流量参数
Figure BDA0002816929160000078
Figure BDA0002816929160000079
其中，通过上述描述可知，所述第一质量流量参数
Figure BDA0002816929160000081
可以根据燃料电池负载电流计算得到，具体如下：
Figure BDA0002816929160000082
其中，混合前水蒸气的第三质量流量参数
Figure BDA0002816929160000083
的计算可以假设混合前的气体为饱和湿气体，通过计算或者查表的方式可以求得混合前气体的饱和蒸气压P30，则：
Figure BDA0002816929160000084
其中，NB表示水的摩尔质量；
P3表示混合前气体的压力。
需要说明的是，由于氮气的流量相对较小，在此忽略不计，因此混合前氢气的第二质量流量参数
Figure BDA0002816929160000085
Figure BDA0002816929160000086
依据所述第一质量流量参数
Figure BDA0002816929160000087
和所述第二质量流量参数
Figure BDA0002816929160000088
计算氢气计量比
Figure BDA0002816929160000089
具体的，
Figure BDA00028169291600000810
通过上述描述可知，该计算方法基于燃料电池系统的参数数据，即可直接计算出氢气计算比，计算方法简单，相比较与流量计和湿度传感器的方法，可以完全避免上述部分对燃料电池系统流阻特性的干扰。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述计算方法还包括：
获取混合前氮气对计算结果的影响系数；
依据所述影响系数和所述第二质量流量参数，计算目标第二质量流量参数；
依据所述第一质量流量参数和所述目标第二质量流量参数，计算氢气计量比。
在该实施例中，考虑到混合前氮气组分以及管路的热损失对计算结构有一定的影响，对于氮气组分，受系统的排氢策略以及质子交换膜的特性以及温湿度和压力等因素相关。
氮气对混合前氢气的第二质量流量参数
Figure BDA0002816929160000091
的影响，可以通过影响系数α来等效，即考虑氮气组分影响的混合前氢气的第二质量流量为
Figure BDA0002816929160000092
同样，管路的热损失可以通过修正温度来等效。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述计算方法还包括：
获取混合前湿气体的相对湿度参数，以及混合前后气体的氢气体积分数；
计算所述第三流量参数。
在该实施例中，为了确定混合前湿气体的相对湿度参数(上述实施例中假设混合前为饱和湿气体)，可以在循环泵12后端增加标定用的湿度传感器16，标定系统在不同工况下，混合前气体的相对湿度RH3，最终形成相对湿度与不同工况下的标定表，则混合前水蒸气的第三质量流量参数
Figure BDA0002816929160000093
的计算如下：
Figure BDA0002816929160000094
同时，为了确定混合前湿气体的氮气的浓度(即上述实施例给出氮气浓度的影响)，可以在循环泵12出口端通过支路管路增加调节阀17，引入少量的混合后的湿气体到质谱仪18，标定系统在不同工况下，混合前后气体的氢气体积分数，最终形成相对湿度与不同工况下的标定表，则混合前水蒸气的第三质量流量参数
Figure BDA0002816929160000095
的计算如下：
Figure BDA0002816929160000096
则混合前氢气的第二质量流量参数
Figure BDA0002816929160000097
Figure BDA0002816929160000098
进一步的，基于本发明上述全部实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种燃料电池系统的氢气计量比的计算装置，参考图4，图4为本发明实施例提供的一种燃料电池系统的氢气计量比的计算装置的结构示意图。
所述计算装置包括：
第一计算模块11，用于计算干燥氢气的第一质量流量参数；
第二计算模块12，用于计算混合前氢气的第二质量流量参数；
第三计算模块13，用于依据所述第一质量流量参数和所述第二质量流量参数，计算氢气计量比。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述第二计算模块12具体用于：
获取氢气比热容参数、干燥氢气的干燥温度参数、混合后混合气体的混合温度参数、水比热容参数、混合前氮气的氮气温度参数、氮气比热容参数；
计算混合前水蒸气的第三质量流量参数、以及混合前氮气的第四质量流量参数；
依据所述氢气比热容参数、所述干燥温度参数、所述混合温度参数、所述水比热容参数、所述氮气温度参数、所述氮气比热容参数、所述第一质量流量参数、所述第三流量参数和所述第四流量参数，计算所述第二质量流量参数。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述计算装置还包括：
第一获取模块，用于获取混合前氮气对计算结果的影响系数；
第四计算模块，用于依据所述影响系数和所述第二质量流量参数，计算目标第二质量流量参数；
第五计算模块，用于依据所述第一质量流量参数和所述目标第二质量流量参数，计算氢气计量比。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述计算装置还包括：
第二获取模块，用于获取混合前湿气体的相对湿度参数，以及混合前后气体的氢气体积分数；
第六计算模块，用于计算所述第三流量参数。
需要说明的是，本发明实施例提供的一种燃料电池系统的氢气计量比的计算装置，与本发明上述实施例提供的燃料电池系统的氢气计量比的计算方法的原理相同，在此不再赘述。
以上对本发明所提供的一种燃料电池系统、及其氢气计量比的计算方法及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业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的专业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 (10)

1.一种燃料电池系统的氢气计量比的计算方法，其特征在于，所述计算方法包括：
计算干燥氢气的第一质量流量参数；
计算混合前氢气的第二质量流量参数；
依据所述第一质量流量参数和所述第二质量流量参数，计算氢气计量比。
2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述计算混合前氢气的第二质量流量参数，包括：
获取氢气比热容参数、干燥氢气的干燥温度参数、混合后混合气体的混合温度参数、水比热容参数、混合前氮气的氮气温度参数、氮气比热容参数；
计算混合前水蒸气的第三质量流量参数、以及混合前氮气的第四质量流量参数；
依据所述氢气比热容参数、所述干燥温度参数、所述混合温度参数、所述水比热容参数、所述氮气温度参数、所述氮气比热容参数、所述第一质量流量参数、所述第三流量参数和所述第四流量参数，计算所述第二质量流量参数。
3.根据权利要求2所述的计算方法，其特征在于，所述计算方法还包括：
获取混合前氮气对计算结果的影响系数；
依据所述影响系数和所述第二质量流量参数，计算目标第二质量流量参数；
依据所述第一质量流量参数和所述目标第二质量流量参数，计算氢气计量比。
4.根据权利要求3所述的计算方法，其特征在于，所述计算方法还包括：
获取混合前湿气体的相对湿度参数，以及混合前后气体的氢气体积分数；
计算所述第三流量参数。
5.一种燃料电池系统的氢气计量比的计算装置，其特征在于，所述计算装置包括：
第一计算模块，用于计算干燥氢气的第一质量流量参数；
第二计算模块，用于计算混合前氢气的第二质量流量参数；
第三计算模块，用于依据所述第一质量流量参数和所述第二质量流量参数，计算氢气计量比。
6.根据权利要求5所述的计算装置，其特征在于，所述第二计算模块具体用于：
获取氢气比热容参数、干燥氢气的干燥温度参数、混合后混合气体的混合温度参数、水比热容参数、混合前氮气的氮气温度参数、氮气比热容参数；
计算混合前水蒸气的第三质量流量参数、以及混合前氮气的第四质量流量参数；
依据所述氢气比热容参数、所述干燥温度参数、所述混合温度参数、所述水比热容参数、所述氮气温度参数、所述氮气比热容参数、所述第一质量流量参数、所述第三流量参数和所述第四流量参数，计算所述第二质量流量参数。
7.根据权利要求6所述的计算装置，其特征在于，所述计算装置还包括：
第一获取模块，用于获取混合前氮气对计算结果的影响系数；
第四计算模块，用于依据所述影响系数和所述第二质量流量参数，计算目标第二质量流量参数；
第五计算模块，用于依据所述第一质量流量参数和所述目标第二质量流量参数，计算氢气计量比。
8.根据权利要求7所述的计算装置，其特征在于，所述计算装置还包括：
第二获取模块，用于获取混合前湿气体的相对湿度参数，以及混合前后气体的氢气体积分数；
第六计算模块，用于计算所述第三流量参数。
9.一种燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括：高压氢瓶、氢瓶温度传感器、减压阀、中压压力传感器、喷射器、氢进温度传感器、氢进压力传感器、燃料电池、分水器、氢出温度传感器、排水电磁阀、氢气循环泵、排气管和氢出压力传感器；
其中，所述氢瓶温度传感器与所述高压氢瓶的出口管路连接，再依次通过所述减压阀和所述中压压力传感器与所述喷射器的入口连接；
所述喷射器依次通过所述氢进温度传感器和所述氢进压力传感器，与所述燃料电池的阳极进口连接；
所述燃料电池的阴极出口集成设置有所述分水器，并分别与所述氢气循环泵和所述排水电磁阀连接；
所述排水电磁阀连接所述排气管；
所述氢气循环泵的出口依次通过所述氢出温度传感器和所述氢出压力传感器与所述喷射器的出口连接。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括：
设置在所述循环泵出口管路上的湿度传感器；
设置在所述循环泵出口分支管路上的调节阀和质谱仪。
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