CN112697639B - 组分浓度估计装置、阳极组分的估计方法和燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种组分浓度估计装置，以及利用该组分浓度估计装置进行燃料电池系统阳极组分的估计方法和燃料电池系统。所述组分浓度估计装置包括：截断阀，与待检测气体装置的排出口通过管路连通；组分容腔，与截断阀的出口连通，其腔体内设置压力传感器和温度传感器；排气阀，其接口与组分容腔的出口连通；第一控制器，与压力传感器和温度传感器通讯连接，用于根据浓度估计原理计算出待检测气体装置中各组分的浓度。本申请中的组分浓度估计装置位于燃料电池系统之外，不受高湿度环境的影响，且通过建立组分‑压差Map图，并将Map图应用在实际燃料电池系统中，进行插值识别，计算出阳极组分的体积分数，具有结构简单、组分辨识度高的优点。

Description

组分浓度估计装置、阳极组分的估计方法和燃料电池系统

技术领域

本申请涉及车辆能源技术领域，具体而言，涉及一种组分浓度估计装置，以及利用该组分浓度估计装置进行燃料电池系统阳极组分的估计方法和燃料电池系统。

背景技术

燃料电池系统(又称燃料电池发动机)是一种不经过燃料燃烧，直接通过燃料电池发生电化学反应将燃料和氧化物中的化学能转换成电能来驱动电机的新能源动力装置。车用燃料电池系统通常包含燃料电池堆、空气供给系统、氢气供给系统、冷却液系统。其中，燃料电池阳极氢气浓度的优化控制是影响燃料电池发动机效率和耐久性的关键性能参数之一。

在燃料电池系统的阳极路安装氢气浓度传感器是燃料电池系统阳极氢气浓度管理的惯常思路，但目前氢气浓度传感器芯片尚未克服高湿度及水分的侵袭影响、技术成熟度不够，因此在工程化使用过程中，氢气浓度传感器使用极其受限，不能得到大规模量产应用。为在燃料电池运行期间维持氢气浓度在一定水平，广泛采用的方法是等效Q值(EQV)方法。当等效Q值高于目标水平，阳极执行吹扫操作以增加氢气浓度。但等效Q值法是维持氢气浓度在一定区间的间接方法，受环境条件和行驶工况的影响较大。为应对这些不确定性，需要做大量工作来修正等效Q值法中的加权因子，这就导致计算复杂，但也依然不能很好地解决行驶工况下效率及耐久性的提升。

因此，如何设计出一种不受限于高湿度的环境影响，并能够对燃料电池系统阳极处的组分浓度进行直接估计的估算方法或估计装置，成为业内研究的热点。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种组分浓度估计装置及利用组分浓度估计装置进行燃料电池系统阳极组分的估计方法，其不受限于高湿度的环境影响，具有结构简单、组分辨识度高的优点。

本申请实施例的另一目的还在于提供一种使用上述组分浓度估计装置和估计方法的燃料电池系统。

第一方面，提供了一种组分浓度估计装置，包括：

截断阀，与待检测气体装置的排出口通过管路连通；

组分容腔，与所述截断阀的出口连通，其腔体内设置压力传感器和温度传感器；

排气阀，其接口与所述组分容腔的出口连通；

第一控制器，与所述压力传感器和温度传感器通讯连接，用于根据浓度估计原理计算出所述待检测气体装置中各组分的浓度。

在一种可实施的方案中，所述截断阀的流量系数大于排气阀的流量系数。

在一种可实施的方案中，连接所述截断阀、所述组分容腔和所述排气阀的管路具有与所述截断阀相同流量系数的直径。

根据本申请的另一方面，还提供了一种利用上述的组分浓度估计装置进行燃料电池系统阳极组分的估计方法，包括：

利用所述组分浓度估计装置绘制特征参数-干气中N2的体积分数图；其中，所述组分浓度估计装置的温度环境与燃料电池系统的阳极子系统的温度环境相同；

将所述组分浓度估计装置接入所述待检测燃料电池系统的阳极子系统，使所述阳极子系统的气体进入所述组分容腔；

在所述阳极子系统的气体充满所述组分容腔后，关闭所述排气阀；在所述组分容腔内的环境参数与所述阳极子系统的环境参数相同后，关闭所述截断阀；

打开所述排气阀，维持Xs后关闭,采集打开所述排气阀前后所述组分容腔的环境参数值；

根据所述组分容腔的特征参数变化，对照所述特征参数-干气中N2的体积分数图进行插值识别，得到所述组分容腔内各组分的浓度，根据等同原理得到所述阳极子系统内各组分的浓度。

在一种可实施的方案中，所述环境参数包括温度和压力，所述特征参数包括压差、温差、压力、温度、或温度随时间积分、压力随时间积分、温度随时间微分、压力随时间微分等参数其中一种。

在一种可实施的方案中，建立所述组分浓度估计装置的特征参数-干气中N2的体积分数图包括：

向所述组分容腔通入饱和湿气，所述饱和湿气包括水蒸汽H2O、氮气N2和氢气H2；所述水蒸汽H2O、氮气N2和氢气H2的体积分数已预先设定；

对于不同体积分数和不同初始温度的饱和湿气，获取不同初始压力条件下所述组分容腔排气前后的特征参数，绘制成所述特征参数-干气中N2的体积分数图。

在一种可实施的方案中，所述组分浓度估计装置中组分容腔的体积V₀和排气阀流量系数Cv的选取方法包括：

通过仿真设定不同体积分数的饱和湿气，所述饱和湿气包括水蒸汽H2O、氮气N2和氢气H2；

设置相同的初始温度和压力，获取不同排气阀流量系数值对应的排气前后所述组分容腔的压力差，绘制Cv-△P图；

设置相同的初始温度和压力，获取不同组分容腔体积对应的排气前后容腔压力差，绘制V₀-△P图；

在Cv-△P图和V₀-△P图中分别选取压差值变化率较大位置处的数值作为Cv值和V₀值。

在一种可实施的方案中，在建立所述组分浓度估计装置的特征参数-干气中N2的体积分数图、且所述组分容腔与所述阳极子系统接入后，所述组分容腔内水蒸汽H2O、氮气N2和氢气H2的体积分数的计算方法为：

其中，在所述组分容腔中，氮气和氢气构成干气，所述水蒸汽、氮气和氢气构成混合湿气；

通过所述组分容腔的初始温度和压力值，及公式X_H2O＝Psat(T)/P₀*100％获得水蒸汽H2O的体积分数；其中，P₀为所述组分浓度估计装置的接入管路处于阳极子系统的位置处的压力；

打开所述排气阀维持Xs秒后关闭，采集所述排气阀关闭前后的温度和压力值，计算出压力差值并通过在所述特征参数-干气中N2的体积分数图进行插值识别得到所述组分容腔内干气中氮气N2的体积分数X_N2_dry；干气中氢气的体积分数根据公式X_H2_dry＝1-X_N2_dry计算得出；

所述组分容腔内混合湿气中，氮气N2的体积分数为X_N2＝(1-X_H2O)*X_N2_dry，氢气的H2的体积分数为X_H2＝(1-X_H2O)*X_H2_dry。

根据本申请的再一方面，还提供了一种燃料电池系统，包括阳极子系统、第二控制器和如上所述的组分浓度估计装置；

所述组分浓度估计装置通过所述截断阀与所述阳极子系统的排出口通过管路连通；

所述第二控制器用于设定所述阳极子系统的组分边界，并根据上述估计方法估算出的阳极子系统组分浓度，确定监测组分的实时浓度是否处于边界范围。

在一种可实施的方案中，所述监测组分为氢气。

在一种可实施的方案中，燃料电池系统还包括排氮阀、比例阀和循环泵；

所述排氮阀与所述阳极子系统的进气口连通，所述比例阀和循环泵设置在所述排氮阀和氮气储罐之间的管路上；

所述第二控制器分别与所述排氮阀、比例阀和循环泵电连接，用于控制进入所述阳极子系统中氮气的进入量，以对所述阳极子系统的组分进行调节。

由以上技术方案可知，本申请通过选取适当的组分容腔体积V，排气阀流量系数Cv，以及相应的排气时长等，通过零部件试验建立用于实际测试的组分-压差等Map，然后基于该Map应用在实际燃料电池系统中，进行插值识别，即可达到相应的阳极组分体积分数，进而基于组分的体积分数，通过系统排氮阀、比例阀以及循环泵控制，对阳极组分进行调节控制，以达到适宜的电堆组分工作区域，以提高燃料电池系统运行过程中的效率、可靠性和耐久性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为根据本申请实施例示出的一种组分浓度估计装置的结构示意图；

图2为相同初始温度压力下，不同排气阀流量系数Cv对应的排气前后组分容腔的压力差图；

图3为相同初始温度压力下，不同组分容腔体积对应的排气前后容腔内的压力差图；

图4为根据本申请实施例示出的一种接入组分浓度估计装置的燃料电池系统的结构示意图；

图5为根据本申请实施例示出的一种燃料电池系统阳极组分的估计方法流程图；

图6为不同初始压力条件下的排气前后组分容腔的压力差-组分map图；

图7为燃料电池系统中不同电堆温度和压力下对应的排气组分特性表。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为获得更接近氢气传感器测量的真实阳极氢气浓度，现有厂商在燃料电池系统上进行了大量实验，根据热力学、流体力学、数学建模及燃料电池系统内的传感器开发了氢气浓度估算器(HCE)，氢气浓度估算器涉及的零部件模型包含电堆(水传输及氮气渗透等)，比例阀，排水-排氮阀，引射器等，属于一个经过大量实验标定的零维系统模型，与传统的等效Q值方法相比，氢气浓度估算器可实现组合行驶工况下效率及耐久性的提升。

氢气浓度估算器为精确评估氢气浓度，需对带有引射器、管路和阳极流道和供氢阀等部分进行建模，将复杂的各零部件模型简化及降维，以及相应的初始-边界条件假设等，需要大量的零部件及系统数据进行验证，由于涉及的零部件较多，当更换某一零部件后，也需要对估算器进行重新标定；从模型应用的兼容-鲁棒性来讲，其鲁棒性较低。由此可知，定制化的零维系统模型受限于系统本身部件的影响，只能应用于特定的系统。

而本申请中，跳脱出必须在燃料电池系统阳极子系统的内部设置传感器的思路，而是在阳极子系统的外部设置一个与阳极子系统排出口连通的容腔，由于该容腔与阳极子系统连通，相当于在阳极子系统的外部构建一个与阳极子系统环境相同的空间，然后通过浓度估计原理测算出容腔内的各种组分，根据等同原理，容腔内的组分构成即等同为阳极子系统内部的组分构成。由于仅需要测试容腔内的各种组分构成，不需要考虑其他零部件的影响，也不需要进行零部件的建模，因此本申请中的方案不受限于高湿度的环境影响，具有结构简单、组分辨识度高的优点。

为了构建与阳极子系统相同的测试环境，本申请实施例提供了一种组分浓度估计装置。图1为根据本申请实施例示出的一种组分浓度估计装置的结构示意图。参见图1，组分浓度估计装置100包括截断阀110、组分容腔120、排气阀130和第一控制器(图中未示出)。

截断阀110与待检测气体装置的排出口通过管路连通。组分容腔120与截断阀110的出口连通，组分容腔120的腔体内设置压力传感器140和温度传感器150。排气阀130的接口与组分容腔120的出口连通。第一控制器与压力传感器140和温度传感器150通讯连接，用于根据浓度估计原理计算出待检测气体装置中各组分的浓度。

本申请中的组分浓度估计装置100所依据的工作原理为浓度估计原理。浓度估计原理具体为：由于不同组分气体在相同温度和压力下的粘度、密度等物性不同，当不同组分气体通过特定节流件时会表现出不同的节流特性，而由于节流特性不同，当一定容腔内有相同温度和压力的不同组分气体时，通过相同口径节流件(即本申请中的排气阀130)去排放时，在相同时间下排放的气体总摩尔量会存在差异，那剩余在容腔内的气体摩尔量也会存在差异，又由理想气体状态方程PV＝NRT可知N＝PV/RT，对于一定容积的容腔，当容腔内的气体摩尔量发生改变后，其对应的压力和温度也会发生相应变化。那么当容腔在一定的初始温度压力下，通过检测在相同排气时间内，最后剩余容腔中的温度和压力，或者检测在这个过程中温度和压力的变化(可以是数值，差值，或者积分，微分等，不限于本申请描述的计算方法)，便可以识别出其组分的差异性，从而可利用来进行燃料电池系统阳极子系统中氢气等组分的浓度估计。

下面对如何利用上述组分浓度估计装置100进行燃料电池系统阳极子系统各组分进行估计的方法进行详细阐述。

对于不同容积的燃料电池系统的阳极子系统，需要选取不同体积的组分容腔120，排气阀130，截断阀110和相应的连接管路。其中，组分容腔120的体积V₀、排气阀130的流量系数Cv值的选取至关重要。这两个参数决定了后续Map测试时的组分辨识精度。

在本申请中，对于测试阳极子系统的组分浓度估计装置100，组分容腔120的体积V₀、排气阀130的流量系数Cv值的选取采用下述方法：

通过仿真设定不同体积分数的饱和湿气，饱和湿气包括水蒸汽H2O、氮气N2和氢气H2。

设置相同的初始温度和压力，获取不同排气阀130流量系数值对应的排气前后组分容腔120的压力差，绘制Cv-△P图，参见图2。图2为相同初始温度压力下，不同排气阀流量系数Cv对应的排气前后组分容腔的压力差图。

设置相同的初始温度和压力，获取不同组分容腔120体积对应的排气前后容腔压力差，绘制V₀-△P图，参见图3。图3为相同初始温度压力下，不同组分容腔体积对应的排气前后容腔内的压力差图。

在Cv-△P图和V₀-△P图中分别选取压差值变化率较大位置处的数值作为Cv值和V₀值。通过图2和图3，选取适宜的组分容腔120体积V₀和排气阀130Cv值，确定这两个零部件。截断阀110选取时，选取3倍的排气阀130Cv即可，连接管路用和截断阀110相同流量系数的直径。截断阀110的流量系数为排气阀130流量系数的3倍。连接截断阀110、组分容腔120和排气阀130的管路具有与截断阀110相同流量系数的直径。

图4为根据本申请实施例示出的一种接入组分浓度估计装置的燃料电池系统的结构示意图。参见图4，组分浓度估计装置100通过截断阀110与燃料电池系统200中的阳极子系统的排出口通过管路连通。

下面对利用上述组分浓度估计装置100进行燃料电池系统阳极组分的估计方法进行详细阐述。图5为根据本申请实施例示出的一种燃料电池系统阳极组分的估计方法流程图。参见图5，该估计方法包括如下步骤：

S501：将组分浓度估计装置设置为与待检测燃料电池系统的阳极子系统相同的温度环境后建立特征参数-干气中N2的体积分数图。

在本申请中，所述特征参数包括包括压差、温差、压力、温度、或温度随时间积分、压力随时间积分、温度随时间微分、压力随时间微分等参数的其中一种。在该步骤及以下步骤中，特征参数以压差为例，进行举例说明。

在该步骤中，建立组分浓度估计装置100的压差-组分MAP图包括：

向组分容腔120通入饱和湿气，饱和湿气包括水蒸汽H2O、氮气N2和氢气H2；水蒸汽H2O、氮气N2和氢气H2的体积分数已预先设定；

对于不同体积分数和不同初始温度的饱和湿气，获取不同初始压力条件下组分容腔120排气前后的容腔压力差，绘制成压差-组分MAP图，参见图6。

在实际测试压差-组分Map图时，可以在零部件台架上进行，先保证进入组分容腔120的是特定温度和压力的饱和湿气，通过该干气(不包含水蒸气的气体)中N2的体积分数，然后给特定的排气时间，得到其对应的压力差，即可以得到一张适用于组分辨识的Map图，如图7。

S502：在特征参数-干气中N2的体积分数图绘制完毕后，将组分浓度估计装置100接入待检测燃料电池系统的阳极子系统，截断阀110和排气阀130均打开，阳极子系统的气体通过截断阀110进入到组分容腔120。

S503：在阳极子系统的气体至少充满组分容腔120后，关闭排气阀130；在组分容腔120内的环境参数，如温度和压力，与阳极子系统的环境参数相同后，关闭截断阀110。

对燃料电池系统阳极子系统而言，其电堆出口的组分主要包括H2O,N2,H2，其他微量成分在做浓度估计时可忽略；而由于是处在电堆出口，因此其混合气的湿度通常是饱和的状态，也即湿度RH＝100％。在阳极子系统内部的气体通过组分浓度估计装置100的接入管路进入到组分容腔120并充满组分容腔120后，在截断阀110和排气阀130均打开的情况下，进行组分容腔120各组分体积分数的计算。需要说明的是，在组分容腔中，氮气和氢气构成干气，水蒸汽、氮气和氢气构成混合湿气。

组分容腔内水蒸汽H2O的计算方法为：

通过组分容腔120的初始温度和压力值，及公式X_H2O＝Psat(T)/P₀*100％获得水蒸汽H2O的体积分数。其中，P₀是指组分浓度估计装置100的接入管路处于阳极子系统的位置处的压力，即测点压力。

S504：打开排气阀130，维持Xs后关闭,采集打开排气阀130前后组分容腔120的温度和压力值。

S505：根据组分容腔120的环境参数(如压力差等)的变化，对照特征参数-干气中N2的体积分数图进行插值识别，得到组分容腔120内各组分的浓度，根据等同原理得到阳极子系统内各组分的浓度。

对燃料电池系统特定的电流工况来说，其堆出温度一般是固定，因此只需要对堆出干气中的N2进行控制，即可控制阳极子系统组分。

具体地，氮气N2和氢气H2的体积分数的计算方法为：

打开排气阀130维持Xs秒后关闭，采集排气阀130关闭前后的温度和压力值，计算出压力差值并通过在压差-组分Map图插值得到组分容腔120内干气中氮气N2的体积分数X_N2_dry；以及干气中氢气的体积分数X_H2_dry＝1-X_N2_dry。

在知道组分容腔120内水蒸汽H2O的体积分数X_H2O后，则组分容腔120内氮气N2的体积分数为X_N2＝(1-X_H2O)*X_N2_dry，氢气的H2的体积分数为X_H2＝(1-X_H2O)*X_H2_dry。

需要说明的是，上述特征参数-MAP图利用压差-组分MAP图进行说明只是示例性的，压差-组分MAP图可使用压力-组分MAP图，温度-组分MAP图或温度差-组分MAP图中任一中进行替换，而对应的组分容腔内各组分浓度的计算方法与使用压差-组分MAP图时的计算方法相同，此处不再赘述。

其中，压力-组分MAP图通过获取不同初始压力条件下组分容腔120排气前后的容腔压力绘制而成；

温度-组分MAP图通过获取不同初始压力条件下组分容腔120排气终止后的容腔温度绘制而成；

温度差-组分MAP图通过获取不同初始压力条件下组分容腔120排气前后的容腔温度差绘制而成；

压力-组分MAP图，温度-组分MAP图和温度差-组分MAP图与压差-组分MAP图相似，仅纵坐标对应的特征参数不同。

根据本申请的另一方面，还提供了一种燃料电池系统，参见图4，燃料电池系统200包括阳极子系统、第二控制器(图中未示出)和如上所述的组分浓度估计装置100。如上述内容可知，组分浓度估计装置100可对阳极子系统中的组分进行监测。第二控制器用于设定阳极子系统的组分边界，并根据图5所述的估计方法估算出的阳极子系统组分浓度，确定监测组分的实时浓度是否处于边界范围。

参见图7，划定燃料电池系统最大允许的组分操作边界，在实际运行时，通过排氮或提高堆入压力，让其组分处于边界左侧，最好是能达到电堆需求组分的最优工作区，即可保证电堆的效率、可靠性和耐久。

在对燃料电池系统的组分浓度进行估计时，其监测组分可为氢气。通过饱和水蒸气的体积分数和堆出干气中的N2体积分数，对氢气的体积分数进行监测。

在一种实施方案中，参见图4燃料电池系统还包括排氮阀210、比例阀220和循环泵230。排氮阀210与阳极子系统的进气口连通，比例阀220和循环泵230设置在排氮阀210和氮气储罐之间的管路上。第二控制器分别与排氮阀210、比例阀220和循环泵230电连接，用于控制进入阳极子系统中氮气的进入量，以对阳极子系统的组分进行调节。

在一种实施方案中，第二控制器通过控制排氮阀的开启频率、比例阀的开度以及循环泵的转速，来调节阳极子系统中氮气的体积分数，以对阳极子系统的组分进行调节。

由以上技术方案可知，本申请通过选取适当的组分容腔120体积V₀，排气阀130流量系数Cv，以及相应的排气时长等，通过零部件试验建立用于实际测试的组分-压差等Map，然后基于该Map应用在实际燃料电池系统中，进行插值识别，即可达到相应的阳极组分体积分数，进而基于组分的体积分数，通过系统排氮阀210、比例阀220以及循环泵230控制，对阳极组分进行调节控制，以达到适宜的电堆组分工作区域，以提高燃料电池系统运行过程中的效率、可靠性和耐久性。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种组分浓度估计装置，用于燃料电池阳极子系统，其特征在于，包括：

截断阀，与所述燃料电池阳极子系统的排出口通过管路连通；

组分容腔，与所述截断阀的出口连通，其腔体内设置压力传感器和温度传感器；

排气阀，其接口与所述组分容腔的出口连通；

第一控制器，与所述压力传感器和温度传感器通讯连接，用于计算出所述燃料电池阳极子系统中各组分的浓度；具体的算法为：先绘制特征参数-干气中N2的体积分数图，采集排气阀打开前后组分容腔的环境参数值，根据组分容腔的特征参数变化，对照特征参数-干气中N2的体积分数图进行插值识别，得到组分容腔中的干气中N2的体积分数X_N2_dry，干气中H2的体积分数根据公式X_H2_dry＝1-X_N2_dry，通过组分容腔的初始温度和压力值以及公式X_H2O＝Psat(T)/P₀*100％计算水蒸气的体积分数X_H2O，其中，P₀为组分浓度估计装置的接入管路处于阳极子系统的位置处的压力，Psat(T)为当前温度下的饱和蒸汽压；利用公式X_N2＝(1-X_H2O)*X_N2_dry计算得到组分容腔内混合湿气中氮气的体积分数，利用公式X_H2O＝(1-X_H2O)*X_H2_dry计算得到组分容腔内混合湿气中氢气的体积分数，最后根据等同原理得到燃料电池阳极子系统内各组分的浓度：其中，环境参数值包括温度和压力，特征参数包括压差、温差、压力、温度，或温度随时间积分、压力随时间积分、温度随时间微分、压力随时间微分的其中一种。

2.根据权利要求1所述的估计装置，其特征在于，所述截断阀的流量系数大于排气阀流量系数。

3.根据权利要求1所述的估计装置，其特征在于，连接所述截断阀、所述组分容腔和所述排气阀的管路的流量系数与所述截断阀的流量系数相同。

4.一种利用如权利要求1至3中任一项所述的组分浓度估计装置进行燃料电池系统阳极组分的估计方法，其特征在于，包括：

利用所述组分浓度估计装置绘制特征参数-干气中N2的体积分数图；其中，所述组分浓度估计装置的温度环境与燃料电池系统的阳极子系统的温度环境相同；所述环境参数包括温度和压力，所述特征参数包括压差、温差、压力、温度、或温度随时间积分、压力随时间积分、温度随时间微分、压力随时间微分中的其中一种；

将所述组分浓度估计装置接入所述燃料电池系统的阳极子系统，使所述阳极子系统的气体进入所述组分容腔；

在所述阳极子系统的气体至少充满所述组分容腔后，关闭所述排气阀；在所述组分容腔内的环境参数与所述阳极子系统的环境参数相同后，关闭所述截断阀；

打开所述排气阀，维持Xs后关闭,采集所述排气阀打开前后组分容腔的环境参数值；

根据所述组分容腔的特征参数变化，对照所述特征参数-干气中N2的体积分数图进行插值识别，得到所述组分容腔内各组分的浓度，根据等同原理得到所述阳极子系统内各组分的浓度。

5.根据权利要求4所述的估计方法，其特征在于，建立所述组分浓度估计装置的特征参数-干气中N2的体积分数图包括：

向所述组分容腔通入饱和湿气，所述饱和湿气包括水蒸汽H2O、氮气N2和氢气H2；所述水蒸汽H2O、氮气N2和氢气H2的体积分数已预先设定；

对于各组分体积分数不同和初始温度不同的饱和湿气，获取不同初始压力条件下所述组分容腔排气前后的特征参数，绘制成所述特征参数-干气中N2的体积分数图。

6.根据权利要求4所述的估计方法，其特征在于，所述组分浓度估计装置中组分容腔的体积V₀和排气阀流量系数Cv的选取方法包括：

通过仿真设定组分体积分数不同的饱和湿气，所述饱和湿气包括水蒸汽H2O、氮气N2和氢气H2；

设置相同的初始温度和压力，获取不同排气阀流量系数值对应的排气前后所述组分容腔的压力差，绘制Cv-△P图；

设置相同的初始温度和压力，获取不同容腔体积对应的排气前后容腔压力差，绘制V₀-△P图；

在Cv-△P图和V₀-△P图中分别选取压差值变化率较大位置处的数值作为Cv值和V₀值。

7.根据权利要求5所述的估计方法，其特征在于，在建立所述组分浓度估计装置的特征参数-干气中N2的体积分数图、且所述组分容腔与所述阳极子系统接入后，所述组分容腔内水蒸汽H2O、氮气N2和氢气H2的体积分数的计算方法为：

其中，在所述组分容腔中，氮气和氢气构成干气，所述水蒸汽、氮气和氢气构成混合湿气；

通过所述组分容腔的初始温度和压力值，及公式X_H2O＝Psat(T)/P₀*100％获得水蒸汽H2O的体积分数X_H2O；其中，P₀为所述组分浓度估计装置的接入管路处于阳极子系统的位置处的压力，Psat(T)为当前温度下的饱和蒸汽压；

打开所述排气阀维持Xs秒后关闭，采集所述排气阀关闭前后的温度和压力值，计算出特征参数值并通过在所述特征参数-干气中N2的体积分数图进行插值识别得到所述组分容腔内干气中氮气N2的体积分数X_N2_dry；干气中氢气的体积分数根据公式X_H2_dry＝1-X_N2_dry计算得出；

则所述组分容腔内混合湿气中，氮气N2的体积分数为X_N2＝(1-X_H2O)*X_N2_dry，氢气的H2的体积分数为X_H2＝(1-X_H2O)*X_H2_dry。

8.一种燃料电池系统，其特征在于，包括阳极子系统、第二控制器和如权利要求1至3中任一项所述的组分浓度估计装置；

所述组分浓度估计装置通过所述截断阀与所述阳极子系统的排出口通过管路连通；

所述第二控制器用于设定所述阳极子系统的组分边界，并根据权利要求4-7中任一项所述的估计方法估算出的阳极子系统组分浓度，确定监测组分的实时浓度是否处于边界范围。

9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，所述监测组分为氢气。

10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括排氮阀、比例阀和循环泵；

所述排氮阀与所述阳极子系统的进气口连通，所述比例阀和循环泵设置在所述排氮阀和氮气储罐之间的管路上；

所述第二控制器分别与所述排氮阀、比例阀和循环泵电连接，用于控制进入所述阳极子系统中氮气的进入量，以对所述阳极子系统的组分进行调节。

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