CN112952154B - 燃料电池的氢腔气体置换控制方法及其氢腔置换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池的氢腔气体置换控制方法，包括步骤：在燃料电池启动前估计氢腔内初始非氢气体量；根据初始非氢气体量与电堆电流加载时氢腔所能允许的最大非氢气体量之差得到置换时所需排出的最小非氢气体排出量；开启排氢阀对氢腔进行排气操作，直到非氢排气气体量大于或等于最小非氢气体排出量。本申请在提高燃料电池使用性能的同时，保证电堆输出性能以及快速变载能力；同时延长电堆使用寿命；提高燃料电池整体的环境适应性；缩短系统的启动时长。

Description

燃料电池的氢腔气体置换控制方法及其氢腔置换系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池的氢腔气体置换控制方法。本发明还涉及一种燃料电池的氢腔置换系统。
背景技术
燃料电池由于其环境友好、能量转换效率高等优点，而被广泛应用于新能源汽车领域。在燃料电池系统中，电堆作为系统中唯一动力源，如何提高其使用寿命以及性能一直是人们研究的重点。现有的大量研究表明，当电堆在输出功率时，如果电堆膜电极上出现氢气欠气的情况会导致催化层上的碳载体发生腐蚀，从而影响电堆的使用寿命以及性能。
在燃料电池系统在关机以及停放的过程中，空腔中氮气会在压差以及浓差扩散的作用下逐渐渗透到氢腔，并且系统在停放过程中由于电堆腔体中产生氢氧反应，使得系统氢空腔体处于负压状态，这导致外界环境中的空气逐渐通过系统氢空路密封阀件流入到系统氢空腔体中，让氢空腔体中的非氢气体量进一步增加。进而使得从启动进入运行过程中，系统氢腔中非氢气体含量过高导致电堆膜电极局部氢气欠气，而出现催化层碳载体腐蚀的情况，影响燃料电池的使用性能。
因此，如何提高燃料电池的使用性能，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池的氢腔气体置换控制方法，以提高燃料电池的使用性能。本发明的另一目的是提供一种燃料电池的氢腔置换系统。
为实现上述目的，本发明提供一种燃料电池的氢腔气体置换控制方法，包括步骤：
燃料电池的氢腔气体置换控制方法，包括步骤：
在燃料电池启动估计氢腔内初始非氢气体量；
根据初始非氢气体量与电堆电流加载时氢腔所能允许的最大非氢气体量之差得到置换时所需排出的最小非氢气体排出量；
开启排氢阀对氢腔进行排气操作，直到非氢排气气体量大于或等于最小非氢气体排出量。
优选地，所述在燃料电池启动估计氢腔内初始非氢气体量包括：在燃料电池启动前通过空腔压力和氢腔压力得出系统氢腔初始气体成分和初始非氢气体量。
优选地：包括步骤：计算本次的非氢气体量；根据氢腔压力和环境压力的压差，得到排氢阀当前开度下的排气流量，并根据排氢阀的开启时间和排气流量得到本次排氢阀开启时排出的单次非氢气体量；
开启电磁阀进行排气操作，并在排气过程中统计气体排出量；
并记录历史累积值；
判断历史累加值是否大于最小非氢气体排出量时，
若是，本次氢腔置换结束；
若否的话，则进入所述开启电磁阀进行排气操作，并在排气过程中统计气体排出量的步骤。
优选地，所述在燃料电池启动前通过空腔压力和氢腔压力得出系统氢腔初始气体成分和初始非氢气体量包括步骤：
计算Δn_氢；
Figure GDA0003629592980000021
式中：
P1_空为系统关机完成后，电堆空腔压力；
P1_氢为系统关机完成后，电堆氢腔压力；
V_空为系统空腔的密闭体积；
V_氢为系统氢腔的密闭体积；
R为气体常数，8.314J/mol·K；
T1_空为系统关机完成后，电堆空腔温度；
Δn_氢为系统停机完成时电堆氢腔氢气将电堆空腔中氧气消耗完后所剩氢气；
如果Δn_氢≤0时，则系统停机完成时，电堆腔体内氢气先被消耗完，启动时氢腔成分为氮气和氧气；
计算启动前氢腔内氧气的物质的量为n1_氧：
Figure GDA0003629592980000031
计算氢气消耗完时，临界平衡压力：
Figure GDA0003629592980000032
T2_空为系统启动初始时，电堆空腔中的空气温度；
启动时氢腔成分估计：
Figure GDA0003629592980000033
Figure GDA0003629592980000034
式中：P_氢_启动为系统启动初始时，电堆氢腔中的压力；
n_氮_启动为系统启动初始时，电堆氢腔中的氮气；
n_氧_启动为系统启动初始时，电堆氢腔中的氧气；
如果Δn_氢＞0时，则系统停机完成时，电堆腔体内氧气被消耗完，如果系统启动时氢腔压力P_氢_启动＞临界平衡压力P2_平衡，则电堆氢腔成分为氮气和氧气；
Figure GDA0003629592980000041
如果系统启动时氢腔压力P_氢_启动＞临界平衡压力P2_平衡，则氢腔成分为氮气和氧气；
Figure GDA0003629592980000042
Figure GDA0003629592980000043
如果系统启动时氢腔压力P_氢_启动≤平衡压力P2_平衡，则电堆氢腔成分为氮气和氢气；
此时氢腔成分为氮气和氢气；
Figure GDA0003629592980000044
n_氧_启动＝0。
优选地，计算系统氢腔置换时所需排出的非氢气体量n_非氢_排：
n_非氢_启动＝n_氮_启动+n_氧_启动；
n_非氢_排＝n_非氢_启动－n_非氢_允许；
其中n_非氢_允许为电堆功率输出时，氢腔所能允许的最大非氢气体量。
优选地，所述开启排氢阀对氢腔进行排气操作包括：
启动初始值系统氢腔中非氢气含量占比W_非氢:
Figure GDA0003629592980000045
系统累积排气量n_非氢_计算＝0。
一种燃料电池的氢腔置换系统，包括：
排氢阀；
控制器，在燃料电池启动前通过空腔压力和氢腔压力得出系统氢腔初始气体成分和初始非氢气体量；根据初始非氢气体量与电堆电流加载时氢腔所能允许的最大非氢气体量之差得到置换时所需排出的最小非氢气体排出量；开启排氢阀对氢腔进行排气操作，直到非氢排气气体量大于或等于最小非氢气体排出量。
优选地，所述排氢阀为电磁阀。
优选地，还包括；
与所述控制器连接，且用于测量氢腔压力的氢腔压力传感器；
与所述控制器连接，且用于测量空腔压力的空腔压力传感器；
与所述控制器连接，且用于测量氢腔温度的氢腔温度传感器；
与所述控制器连接，且用于测量空腔温度的空腔温度传感器；
与所述控制器连接，且用于测量外界环境压力的外界环境压力传感器；
所述控制器计算本次的非氢气体量；根据氢腔压力和环境压力的压差，得到排氢阀当前开度下的排气流量，并根据排氢阀的开启时间和排气流量得到本次排氢阀开启时排出的单次非氢气体量；
开启电磁阀进行排气操作，并在排气过程中统计气体排出量；
并记录历史累积值；
判断历史累加值是否大于最小非氢气体排出量时，
若是，本次氢腔置换结束；
若否的话，则进入所述开启电磁阀进行排气操作，并在排气过程中统计气体排出量的步骤。
优选地，所述排氢阀设置于氢气出口通道上，所述燃料电池包括：
燃料电池堆；
与所述燃料电池堆连接的空气入口通道，所述空气入口通道上设有进气阀；
与所述燃料电池堆连接的空气出口通道，所述空气出口通道上设有背压阀；
与所述燃料电池堆连接的氢气入口通道。
在上述技术方案中，本发明提供的燃料电池的氢腔气体置换控制方法包括步骤：在燃料电池启动估计氢腔内初始非氢气体量；根据初始非氢气体量与电堆电流加载时氢腔所能允许的最大非氢气体量之差得到置换时所需排出的最小非氢气体排出量；开启排氢阀对氢腔进行排气操作，直到非氢排气气体量大于或等于最小非氢气体排出量。
通过上述描述可知，在本申请提供的燃料电池的氢腔气体置换控制方法，通过初始非氢气体量与电堆电流加载时氢腔所能允许的最大非氢气体量之差得到置换时所需排出的最小非氢气体排出量；开启排氢阀对氢腔进行排气操作，直到非氢排气气体量大于或等于最小非氢气体排出量，进而避免电堆氢腔非氢气体量过高导致膜电极局部氢气欠气引起的电堆单体电压过低，保证电堆输出性能以及快速变载能力，燃料电池的使用性能提高。保证电堆输出性能以及快速变载能力；同时延长电堆使用寿命；提高燃料电池整体的环境适应性；缩短系统的启动时长。
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为本发明实施例所提供的燃料电池系统局部结构图的结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的一种燃料电池的氢腔气体置换控制方法的流程图；
图3为本发明实施例所提供的另一种燃料电池的氢腔气体置换控制方法的流程图。
其中图1中：1、空气入口通道；2、进气阀；3、空腔温度传感器；4、空腔压力传感器；5、燃料电池堆；6、氢腔压力传感器；7、氢气喷射器；8、氢气入口通道；9、空气出口通道；10、背压阀；11、排氢阀；12、氢气出口通道。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种燃料电池的氢腔气体置换控制方法，以提高燃料电池的使用性能。本发明的另一核心是提供一种燃料电池的氢腔置换系统。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1至图3。
在一种具体实施方式中，本发明具体实施例提供燃料电池的氢腔气体置换控制方法燃料电池的氢腔气体置换控制方法，其特征在于，包括步骤：
A01、在燃料电池前启动估计氢腔内初始非氢气体量。
具体的，可以通过传统气体测量装置测量氢腔内初始非氢气体量。
优选的，可以在燃料电池启动前通过空腔压力和氢腔压力得出系统氢腔初始气体成分和初始非氢气体量。
A02、根据初始非氢气体量与电堆电流加载时氢腔所能允许的最大非氢气体量之差得到置换时所需排出的最小非氢气体排出量。
A03、开启排氢阀对氢腔进行排气操作，直到非氢排气气体量大于或等于最小非氢气体排出量。具体的，可以通过气体排量监测装置，对排氢阀打开时排出非氢气体统计，
在一种具体实施方式中，可以计算本次的非氢气体量；根据氢腔压力和环境压力的压差，得到排氢阀当前开度下的排气流量，并根据排氢阀的开启时间和排气流量得到本次排氢阀开启时排出的单次非氢气体量。
开启电磁阀进行排气操作，并在排气过程中统计气体排出量。
并记录历史累积值。
判断历史累加值是否大于最小非氢气体排出量时。
若是本次氢腔置换结束。
若否的话，则进入所述开启电磁阀进行排气操作，并在排气过程中统计气体排出量的步骤。
燃料电池包括：燃料电池堆5、空气入口通道1、空气出口通道9、氢气入口通道8和氢气出口通道12；空气入口通道1与燃料电池堆5连接，空气入口通道1上设有进气阀2。空气出口通道9与燃料电池堆5连接，空气出口通道9上设有背压阀10。氢气入口通道8与燃料电池堆5连接。氢气出口通道12与燃料电池堆5连接，氢气出口通道12上设有排氢阀11。其中氢气喷射器7通过控制其开度来达到控制其前端氢气进入系统氢腔中的流量。排氢阀11通过控制其开闭来达到控制氢腔中气体排出的作用。
由于传统燃料电池具有监测功能的零部件-氢腔压力传感器6、空腔压力传感器4、系统氢腔温度传感器和/或空腔温度传感器和外界环境压力传感器。同时具有计算以及数据存储功能的零部件-控制器，控制器具有能够进行累积计算系统排出非氢气体量以及记录系统上一次关机时传感器数值的能力。实现该方法所需的零部件为一般燃料电池所具备，不需要为实现本控制方法额外增加零部件。
在一种具体实施方式中，如图3所示：
B01、控制系统接受信号进行氢腔置换操作。
B02、计算Δn_氢。Δn_氢为系统停机完成时电堆氢腔氢气将电堆空腔中氧气消耗完后所剩氢气。
具体的，通过控制器在燃料电池启动时通过启动时刻压力估计系统氢腔初始气体成分。
具体的，根据系统氢空腔密闭体积、系统前一次关机时测量参数(氢腔压力/氢空腔温度)以及本次上电时状态(氢空腔温度)，计算达到系统氢空两腔中氢气被完全消耗时临界平衡压力，然后根据上电时氢腔压力与上述临界平衡压力差，估计系统氢腔成分(氮气+氢气)或(氮气+氧气)，以及计算出氢腔氮气/氧气量。
具体的，假设系统启动前，氢空腔中的气体已经充分混合并且氢空腔压力达到平衡以及在系统启动和关机过程中，系统氢空腔中的温度相同且在腔体内分布均匀。
其中系统启动时刻，氢气空腔和空气腔体临界平衡压力值计算按照如下计算：
Figure GDA0003629592980000081
式中：
P1_空为系统关机完成后，电堆空腔压力；
P1_氢为系统关机完成后，电堆氢腔压力；
V_空为系统空腔的密闭体积；
V_氢为系统氢腔的密闭体积；
R为气体常数，8.314J/mol·K；
T1_空为系统关机完成后，电堆空腔温度；
Δn_氢为系统停机完成时电堆氢腔氢气将电堆空腔中氧气消耗完后所剩氢气；
B03、判断Δn_氢≤0，如果是进入步骤B04，如果否进入步骤B05。
B04、计算得到P1_平衡，此时系统停放过程中，电堆内氢气先被消耗完，启动时氢腔成分为氮气和氧气，并且判断启动时氢腔压力与临界平衡压力差为外界空气进入系统造成的。
计算启动前氢腔内氧气的物质的量为n1_氧：
Figure GDA0003629592980000091
计算氢气消耗完时，临界平衡压力：
Figure GDA0003629592980000092
式中，T2_空为系统启动初始时，电堆空腔中的空气温度。
步骤B05、计算P2_平衡，此时系统停机完成时，电堆腔体内氧气被消耗完。
Figure GDA0003629592980000093
步骤B06，计算得到n_氮_启动和n_氧_启动：
启动时氢腔成分估计；
Figure GDA0003629592980000101
Figure GDA0003629592980000102
式中：P_氢_启动为系统启动初始时，电堆氢腔中的压力；
n_氮_启动为系统启动初始时，电堆氢腔中的氮气；
n_氧_启动为系统启动初始时，电堆氢腔中的氧气；
步骤B07、比较P_氢_启动和P2_平衡。
如果系统启动时氢腔压力P_氢_启动＞临界平衡压力P2_平衡，则电堆氢腔成分为氮气和氧气，如果系统启动时氢腔压力P_氢_启动≤平衡压力P2_平衡，则电堆氢腔成分为氮气和氢气。
B08、计算n_氮_启动和n_氧_启动：
Figure GDA0003629592980000103
Figure GDA0003629592980000104
B09、计算n_氮_启动和n_氧_启动：如果系统启动时氢腔压力P_氢_启动≤平衡压力P2_平衡，则氢腔成分为氮气和氢气
Figure GDA0003629592980000111
n_氧_启动＝0 公式10
B010、计算系统氢腔置换时所需排出的非氢气体量n_非氢_排；
n_非氢_启动＝n_氮_启动+n_氧_启动； 公式11
n_非氢_排＝n_非氢_启动－n_非氢_允许； 公式12
其中n_非氢_允许为电堆功率输出时，即电堆电流加载时氢腔所能允许的最大非氢气体量。
B011、计算W_非氢和n_非氢_累积。
由于排氢阀为简单的节流孔形式，所以在流过单一介质气体的情况下，其工作特性可表示为V_气体＝f(ΔP)(排氢阀工作特性考虑为纯氮气特性(该特性相对于系统氢腔为氢气和氮气或者氧气和氮气的混合气体时，排出的体积量更少，其置换要求也更为严格))，其中ΔP表示为排氢阀前后端的压差，V_气体表示为排氢阀在该压差作用下出口端气体在标准状态下的体积量。考虑到不同实际温度下排氢阀在相同压差下，排出氮气气体的体积流量存在不同，并且温度越高排出的氮气越少，所以在计算排氢阀V_气体＝f(ΔP)特性时，应该将其温度设置为电堆所能允许的最高温度，然后再将得到的体积流量折算到标准工况。
在下述计算过程中，假设系统氢腔压力等于排氢阀入口压力(因为系统启动时，氢腔中流动的氢气量较少，由气体流动造成的压力损失可忽略)。
系统在启动过程中，系统控制器中关于累积排非氢量的计算方法以及判断氢腔置换是否完成的大致过程如下：
启动初始值系统氢腔中非氢气含量占比W_非氢:
Figure GDA0003629592980000112
系统累积排气量n_非氢_计算＝0 公式14
初始时，n_非氢_累积＝0。
循环执行过程时：
Figure GDA0003629592980000121
Figure GDA0003629592980000122
式中，t_排氢为单位排氢时间周期；
P2_氢为系统启动过程中，氢腔实时压力值；
P_标为标准大气压力，101kPaA；
T_标为标准环境温度，25℃；
其中，f(P2_氢-P_环)的具体函数公式，不同排氢阀的该特性曲线不一样，本申请不做具体限定。
步骤B013，当累积排出非氢气体量≥系统所需排出非氢气体量时进入步骤B014氢腔置换结束。即当n_非氢_累积≥n_非氢_排时，系统氢腔置换完成；如果否，则返回B012。其中：n_非氢_排为最小非氢气体排出量。
本申请提供的燃料电池的氢腔气体置换控制方法节省系统启动时氢腔置换时所需的氢气量以及缩短某些工况下的系统启动时长。同时该燃料电池的氢腔气体置换控制方法可以防止电堆膜电极局部氢气欠气导致的电堆氢气侧催化层碳载体腐蚀，提高电堆使用寿命，且相对于传统采用启动定时长的氢腔置换方法更具有环境适应性。该方法可以在系统从启动进入运行的过程中，防止电堆膜电极局部氢气欠气导致电堆出现单体电压过低，保证电堆输出性能以及快速变载能力；
本申请提供的燃料电池的氢腔气体置换控制方法控制过程简单，易于在燃料电池控制器中实现，便于广泛推广使用。
本申请提供的燃料电池的氢腔置换系统，包括：
排氢阀，其中排氢阀可以为电控阀。
控制器，在燃料电池启动前通过空腔压力和氢腔压力得出系统氢腔初始气体成分和初始非氢气体量；根据初始非氢气体量与电堆电流加载时氢腔所能允许的最大非氢气体量之差得到置换时所需排出的最小非氢气体排出量；开启排氢阀对氢腔进行排气操作，直到非氢排气气体量大于或等于最小非氢气体排出量。
优选，排氢阀为电磁阀。
在一种具体实施方式中，该燃料电池的氢腔置换系统还包括；
与控制器连接，且用于测量氢腔压力的氢腔压力传感器6；
与控制器连接，且用于测量空腔压力的空腔压力传感器4；
与控制器连接，且用于测量氢腔温度的氢腔温度传感器；
与控制器连接，且用于测量空腔温度的空腔温度传感器3；
与控制器连接，且用于测量外界环境压力的外界环境压力传感器；
控制器计算本次的非氢气体量；根据氢腔压力和环境压力的压差，得到排氢阀当前开度下的排气流量，并根据排氢阀的开启时间和排气流量得到本次排氢阀开启时排出的单次非氢气体量；
开启电磁阀进行排气操作，并在排气过程中统计气体排出量；
并记录历史累积值；
判断历史累加值是否大于最小非氢气体排出量时，
若是本次氢腔置换结束；
若否的话，则进入开启电磁阀进行排气操作，并在排气过程中统计气体排出量的步骤。
其中控制器的控制方法需要计算参数通过上述燃料电池的氢腔气体置换控制方法计算所得。
在上述方案的基础上，优选燃料电池包括：燃料电池堆5、空气入口通道1、空气出口通道9、氢气入口通道8和氢气出口通道12；空气入口通道1与燃料电池堆5连接，空气入口通道1上设有进气阀2。空气出口通道9与燃料电池堆5连接，空气出口通道9上设有背压阀10。氢气入口通道8与燃料电池堆5连接。氢气出口通道12与燃料电池堆5连接，氢气出口通道12上设有排氢阀11。其中氢气喷射器7通过控制其开度来达到控制其前端氢气进入系统氢腔中的流量。排氢阀11通过控制其开闭来达到控制氢腔中气体排出的作用。
由于传统燃料电池具有监测功能的零部件-氢腔压力传感器6、空腔压力传感器4、系统氢腔温度传感器和/或空腔温度传感器和外界环境压力传感器。同时具有计算以及数据存储功能的零部件-控制器，控制器具有能够进行累积计算系统排出非氢气体量以及记录系统上一次关机时传感器数值的能力。实现该方法所需的零部件为一般燃料电池所具备，不需要为实现本控制方法额外增加零部件。
本申请燃料电池的氢腔置换系统提供的通过初始非氢气体量与电堆电流加载时氢腔所能允许的最大非氢气体量之差得到置换时所需排出的最小非氢气体排出量；开启排氢阀对氢腔进行排气操作，直到非氢排气气体量大于或等于最小非氢气体排出量，进而避免电堆氢腔非氢气体量过高导致膜电极局部氢气欠气引起的电堆单体电压过低，保证电堆输出性能以及快速变载能力，燃料电池的使用性能提高。保证电堆输出性能以及快速变载能力；提高燃料电池整体的环境适应性；缩短系统的启动时长。
本说明书中各个实施例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部分互相参见即可。
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)

1.一种燃料电池的氢腔气体置换控制方法，其特征在于，包括步骤：
在燃料电池启动前估计氢腔内初始非氢气体量；
根据初始非氢气体量与电堆电流加载时氢腔所能允许的最大非氢气体量之差得到置换时所需排出的最小非氢气体排出量；
开启排氢阀对氢腔进行排气操作，直到非氢排气气体量大于或等于最小非氢气体排出量。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的氢腔气体置换控制方法，其特征在于，所述在燃料电池启动前估计氢腔内初始非氢气体量包括：在燃料电池启动前通过空腔压力和氢腔压力得出系统氢腔初始气体成分和初始非氢气体量。
3.根据权利要求2所述的燃料电池的氢腔气体置换控制方法，其特征在于：包括步骤：计算本次的非氢气体量；根据氢腔压力和环境压力的压差，得到排氢阀当前开度下的排气流量，并根据排氢阀的开启时间和排气流量得到本次排氢阀开启时排出的单次非氢气体量；
开启电磁阀进行排气操作，并在排气过程中统计气体排出量；
并记录历史累积值；
判断历史累加值是否大于最小非氢气体排出量时，
若是，本次氢腔置换结束；
若否的话，则进入所述开启电磁阀进行排气操作，并在排气过程中统计气体排出量的步骤。
4.根据权利要求3所述的燃料电池的氢腔气体置换控制方法，其特征在于，所述在燃料电池启动前通过空腔压力和氢腔压力得出系统氢腔初始气体成分和初始非氢气体量包括步骤：
计算Δn_氢；
Figure FDA0003629592970000011
式中：
P1_空为系统关机完成后，电堆空腔压力；
P1_氢为系统关机完成后，电堆氢腔压力；
V_空为系统空腔的密闭体积；
V_氢为系统氢腔的密闭体积；
R为气体常数，8.314J/mol·K；
T1_空为系统关机完成后，电堆空腔温度；
Δn_氢为系统停机完成时电堆氢腔氢气将电堆空腔中氧气消耗完后所剩氢气；
如果Δn_氢≤0时，则系统停机完成时，电堆腔体内氢气先被消耗完，启动时氢腔成分为氮气和氧气；
计算启动前氢腔内氧气的物质的量为n1_氧：
Figure FDA0003629592970000021
计算氢气消耗完时，临界平衡压力：
Figure FDA0003629592970000022
T2_空为系统启动初始时，电堆空腔中的空气温度；
启动时氢腔成分估计：
Figure FDA0003629592970000023
Figure FDA0003629592970000024
式中：P_氢_启动为系统启动初始时，电堆氢腔中的压力；
n_氮_启动为系统启动初始时，电堆氢腔中的氮气；
n_氧_启动为系统启动初始时，电堆氢腔中的氧气；
如果Δn_氢＞0时，则系统停机完成时，电堆腔体内氧气被消耗完，如果系统启动时氢腔压力P_氢_启动＞临界平衡压力P2_平衡，则电堆氢腔成分为氮气和氧气；
Figure FDA0003629592970000031
如果系统启动时氢腔压力P_氢_启动＞临界平衡压力P2_平衡，则氢腔成分为氮气和氧气；
Figure FDA0003629592970000032
Figure FDA0003629592970000033
如果系统启动时氢腔压力P_氢_启动≤平衡压力P2_平衡，则电堆氢腔成分为氮气和氢气；
此时氢腔成分为氮气和氢气；
Figure FDA0003629592970000034
n_氧_启动＝0。
5.根据权利要求4所述的燃料电池的氢腔气体置换控制方法，其特征在于，计算系统氢腔置换时所需排出的非氢气体量n_非氢_排：
n_非氢_启动＝n_氮_启动+n_氧_启动；
n_非氢_排＝n_非氢_启动－n_非氢_允许；
其中n_非氢_允许为电堆功率输出时，氢腔所能允许的最大非氢气体量。
6.根据权利要求1所述的燃料电池的氢腔气体置换控制方法，其特征在于，所述开启排氢阀对氢腔进行排气操作包括：
启动初始值系统氢腔中非氢气含量占比W_非氢:
Figure FDA0003629592970000041
系统累积排气量n_非氢_计算＝0。
7.一种燃料电池的氢腔置换系统，其特征在于，包括：
排氢阀；
控制器，在燃料电池启动前通过空腔压力和氢腔压力得出系统氢腔初始气体成分和初始非氢气体量；根据初始非氢气体量与电堆电流加载时氢腔所能允许的最大非氢气体量之差得到置换时所需排出的最小非氢气体排出量；开启排氢阀对氢腔进行排气操作，直到非氢排气气体量大于或等于最小非氢气体排出量。
8.根据权利要求7所述的燃料电池的氢腔置换系统，其特征在于，所述排氢阀为电磁阀。
9.根据权利要求7所述的燃料电池的氢腔置换系统，其特征在于，还包括：
与所述控制器连接，且用于测量氢腔压力的氢腔压力传感器；
与所述控制器连接，且用于测量空腔压力的空腔压力传感器；
与所述控制器连接，且用于测量氢腔温度的氢腔温度传感器；
与所述控制器连接，且用于测量空腔温度的空腔温度传感器；
与所述控制器连接，且用于测量外界环境压力的外界环境压力传感器；
所述控制器计算本次的非氢气体量；根据氢腔压力和环境压力的压差，得到排氢阀当前开度下的排气流量，并根据排氢阀的开启时间和排气流量得到本次排氢阀开启时排出的单次非氢气体量；
开启电磁阀进行排气操作，并在排气过程中统计气体排出量；
并记录历史累积值；
判断历史累加值是否大于最小非氢气体排出量时，
若是，本次氢腔置换结束；
若否的话，则进入所述开启电磁阀进行排气操作，并在排气过程中统计气体排出量的步骤。
10.根据权利要求7所述的燃料电池的氢腔置换系统，其特征在于，所述排氢阀设置于氢气出口通道上，所述燃料电池包括：
燃料电池堆；
与所述燃料电池堆连接的空气入口通道，所述空气入口通道上设有进气阀；
与所述燃料电池堆连接的空气出口通道，所述空气出口通道上设有背压阀；
与所述燃料电池堆连接的氢气入口通道。
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