CN113013449B - 气体流场的控制方法、控制装置、燃料电池及交通工具 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于燃料电池气体流场的控制方法，包括：检测操作：检测气体流场入口处气体压力；判断操作：根据所述检测操作的检测结果，判断入口传感器是否发生故障；转换操作：当所述判断操作判断入口传感器发生故障时，转换检测气体流场出口处气体压力，并在预定时长内根据所述检测结果控制所述气体流场流量。本公开可以在通过气体出口处压力控制气体流场流量出现特殊情况时，通过测量出口处压力进行控制气体流场流量，从而保证燃料电池气体流场更好的闭环稳定性和安全性。

Description

气体流场的控制方法、控制装置、燃料电池及交通工具

技术领域

本公开涉及燃料电池领域，具体涉及气体流场的控制方法、控制装置、燃料电池及交通工具。

背景技术

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。燃料电池是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术，一般以氢气、碳、甲醇、硼氢化物、煤气或天然气为燃料，作为阳极/阴极，空气中的氧气作为阴极/阳极。其和一般电池的主要区别在于：一般电池的活性物质是预先放置在电池内部的，因而电池容量取决于活性物质的量，而燃料电池的活性物质是在反应的同时源源不断的供给的，因此，这类电池实际上是一种能量转换装置。由于燃料电池是通过化学反应把燃料化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此，效率极高。另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料，没有机械传动部件，故没有噪声污染，排出的有害气体极少。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开提供一种用于燃料电池气体流场的控制方法，该方法可以基于压力传感器错误反馈状态来切换选取使用气体流场入口处压力还是出口处压力来控制气体流场流量。

根据本公开一个方面，所述用于燃料电池气体流场的控制方法，包括：检测操作：检测气体流场入口处气体压力；判断操作：根据所述检测操作的检测结果，判断入口传感器是否发生故障；转换操作：当所述判断操作判断入口传感器发生故障时，转换检测气体流场出口处气体压力，并在预定时长内根据所述检测结果控制所述气体流场流量。

根据本公开一些实施例，还包括：根据气体流场入口处气体压力，控制燃料喷射阀开口，保持气体流场所需气体压力。

根据本公开一些实施例，所述判断操作，包括：

当传感器反馈电流或电压超过阈值时、当某些传感器发送失效信号时、当检测所述气体流场入口处的气体压力超出阈值时、当预定时间内未检测到所述气体流场入口处的气体压力时、或当所述气体流场工作电流变化同时检测到所述气体流场入口处的气体压力不变时中的至少一种情况发生，判定为所述入口传感器故障。

根据本公开一些实施例，还包括：在所述预定时长之后，执行检测操作至转换操作。

根据本公开一些实施例，还包括：当所述判断入口传感器故障时，将故障计数增加1。

根据本公开一些实施例，所述故障计数包括：当所述故障计数高于阈值，所述燃料电池系统进入紧急停机模式。

根据本公开一些实施例，所述转换操作还包括：判断所述出口传感器是否发生故障，包括：当传感器反馈电流或电压超过阈值时、当某些传感器发送失效信号时、当检测所述气体流场出口处的气体压力超出阈值时、当预定时间内未检测到所述气体流场出口处的气体压力时、或当所述气体流场工作电流变化同时检测到所述气体流场出口处的气体压力不变时中的至少一种情况发生，判定为所述出口传感器故障。

根据本公开一些实施例，所述转换操作还包括：所述操作1的检测判断出口传感器发生故障时，所述燃料电池系统进入紧急停机模式。

根据本公开另一方面，还提供一种燃料电池系统，包括如上所述的燃料电池气体流场的控制方法。

根据本公开另一方面，还提供一种交通工具，包括如上所述的燃料电池系统。

本公开各个实施例的方案的应用能够在燃料电池氢气流场控制中引用容错控制策略，优先使用氢气入口压力控制模式，然后在特殊情况下(比如氢气入口压力传感器失效时)，燃料电池气体流场依旧可以通过测量阳极出口处氢气压力来进行控制，保证燃料电池更好的闭环稳定性和安全性。

附图说明

构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：

图1示出根据本公开一个示例实施例的气体流场控制方法流程；

图2示出根据本公开另一示例实施例的气体流场控制方法流程；

图3示出根据本公开另一示例实施例的气体流场控制方法流场；

图4示出根据本公开一示例实施例的气体流场控制装置；

图5示出根据本公开一示例实施例的燃料电池系统。

附图标记列表：

410 检测模块

420 判断模块

430 转换模块

440 计数模块

501 氢气高压储气罐

503 燃料喷射阀FIV

505 燃料电池阳极气体流场控制装置

507 压力传感器

509 燃料电池电堆

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语"上"、"下"、"前"、"后"、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本公开的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"设置"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供许多不同的实施方式或例子用来实现本公开的不同结构。为简化本公开的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本公开。此外，本公开可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本公开提供的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

燃料电池通过氢气和氧气之间的电化学反应来产生电能，在燃料电池系统当中，氢气供应系统向阳极提供氢气，氢气和氧气反应产生电能并生成水。当燃料电池技术应用于汽车时，会将多片单电池结合起来以提供给电机和空调等附件足够的功率。其中，未消耗的过量的氢气通过循环泵或引射器来循环使用，水蒸气和从空气渗透过来的氮气在管路内积累，导致氢气浓度降低。当循环回路中的氢气浓度低于预先设定的值时，一定量的循环气体会通过排气阀FPV排到大气当中，为保证电堆可以良好的工作，短时间间隔的排气是必要的。

为保证电堆可以安全、良好的工作，电堆阳极进口压力需要被控制在一个相对较小的压力范围。阳极压力由燃料喷射阀FIV通过一个气体流场控制装置来调节阳极进口压力。通常，阳极进口压力和电堆电流相关，当负载变化时，这个气体流场控制装置会调节燃料喷射阀FIV的开度来是压力达到要求。现有技术中，当阳极入口压力传感器失效后，由于阳极入口压力控制器无法检测到实际入口压力，系统会进入紧急停机模式。这样的控制，会使燃料电池氢气流场经常处于不稳定的状态，对系统中其他模块的相互配合提出更高的要求，反而降低燃料电池系统的安全性。

为此，本公开提供一种用于燃料电池气体流场的控制方法，在氢气压力控制过程当中，引入容错控制策略。有限使用氢气入口压力控制模式，然后在特殊情况下(比如氢气入口压力传感器失效)，燃料电池阳极压力依旧可以通过测量阳极出口压力来进行控制。

以下结合附图对本公开的示例实施例进行说明，应当理解，此处所描述的示例实施例仅用于说明和解释本公开，并不用于限定本公开。

图1示出根据本公开一个示例实施例的气体流场控制方法流程。

参见图1，根据本公开示例实施例，在S101中，进行检测：检测气体流场入口处气体压力。在本实施例中，S101是检测氢氧燃料电池阳极入口处的氢气压力值。通过对应本实施例中燃料电池的使用说明，该压力值为一个范围。

如图1所示，根据本公开示例实施例，在S103中，判定气体流场入口传感器是否发生故障，在本公开一些实施例中，传感器失效或故障会体现在以下这几种情况中：传感器反馈电流或电压超过阈值、某些传感器发送失效信号、当检测所述气体流场入口处的气体压力超出阈值时、预定时间内未检测到气体流场入口处的气体压力、或气体流场工作电流变化同时检测到气体流场入口处的气体压力不变。在上述情况中的至少一种情况发生时，系统可以判定为入口传感器失效或故障。此外，需要说明的是，压力传感器的失效或故障状态，可以通过其他任何现有技术手段检测到。

判定入口传感器故障后，转入S105，检测气体流场出口处气体压力，再根据所检测气体流场出口处的气体压力，在S107中控制气体流场流量。通常，如图1所示，当判定气体流场入口处气体压力检测正常时，转入S107中。

根据本公开示例实施例，在S107中，根据上述S101的压力值，控制气体流场流量。在本实施例中，从查表中获得所需的压力阀，控制燃料喷射阀开口，保持氢气流场所需的氢气气体压力。由此可见，上述气体流场控制方法，不再单一的仅从入口处所检测的气体数据控制整个阳极气体流场的气体流量，亦可以通过出口处所检测的气体数据控制流场流量，这样可选择或可替代控制方法，使得气体流场可以长时间处于较为稳定的状态。

图2示出根据本公开另一示例实施例的气体流场控制方法流程。

参见图2，根据本公开示例实施例，在S201中，优先检测气体流场入口处气体压力。在S203中，与上一实施例同理，判定气体流场入口处气体压力传感器是否故障，当在这一步中，如果判定入口处压力传感器故障，则转入S205中。在本实施例中，当判定检测气体流场入口处气体压力传感器故障时，转为检测气体流场出口处气体压力，并且将故障计数增加1。这里需要说明的是，燃料电池开始启动工作状态时，故障计数为0，当第一次由检测气体流场入口处气体压力转换到检测气体流场出口处气体压力时，故障计数计为1。关闭燃料电池系统后，故障计数归零。

如图2所示，在本实施例中，开始检测气体流场出口处气体压力后，反馈控制器根据阳极出口处测得的压力值控制FIV的开口之前，在S207中需要进一步判定，采用气体流场出口压力数据持续的时间是否超过预定时间，如果超出预定时间，则燃料电池系统还是优先选择检测气体流场入口处气体压力，并通过检测结果以及堆栈工作电流从查找表获得相应的进气压力，从而控制FIV开口。因为在本实施例中，阳极入口处的气体压力可以直接量化出提供给燃料电池电堆工作的氢气流量，所得到的压力值相对干净，是控制FIV的理想选择。而出口处的气体压力受其他因素影响比较多，例如排气系统、氢气循环系统等影响，压力值会出现相对较大的波动，相较于入口处压力的精准度较差，所以在检测阳极出口处压力一段时间后，系统会切换回默认优先选择检测阳极入口压力反馈，再进行对氢气流量的控制，保证燃料电池电堆的安全性和准确性。

当检测控制模式从检测气体流场出口处气体压力控制模式切换回检测气体流场入口处气体压力控制模式时，通过引入上述预定时间来避免不必要的频繁地检测气体流场出口/入口处气体压力的模式转换，可以保证更高的闭环稳定性。

图3示出根据本公开另一示例实施例的气体流场控制方法流场。

参见图3，根据本公开示例实施例，S301与上述实施例同理，优先选择检测气体流场入口处气体压力。如图3所示，当在S303步骤中出现气体流场入口处气体压力传感器故障时，在本公开一些实施例中，这是对检测气体压力值反馈结果的一个判定，传感器失效或故障会体现在以下这几种情况中：传感器反馈电流或电压超过阈值、某些传感器发送失效信号、当检测所述气体流场出口处的气体压力超出阈值时、预定时间内未检测到气体流场出口处的气体压力、或气体流场工作电流变化同时检测到气体流场出口处的气体压力不变。在上述情况中的至少一种情况发生时，系统可以判定为出口传感器失效或故障。此外，需要说明的是，压力传感器的失效或故障状态，可以通过其他任何现有技术手段检测到。

在本公开示例实施例中，当出口气体压力传感器失效以及故障，转入S305，检测气体流场出口处气体压力，并且故障计数加1。接下来，当在S307中出现气体流场出口处气体压力传感器故障时，转入S315紧急停机，使燃料电池系统进入紧急制动模式，保证安全。

正常情况下，如图3所示，当在S307中没有出现气体流场出口处气体压力传感器故障，继续在S309中判定此时检测气体流场入口处气体压力故障计数是否超过阈值，超过阈值时，说明切换检测位置的次数过于频繁，使得系统进入不稳定状态，所以，防止系统在控件之间频繁转换非常重要，当出现频繁转换状态时，系统进行紧急制动，即转入S315燃料电池系统紧急制动模式，保证安全。

此外，如图3所示，在S309中判定切换检测位置的次数并没有超过阈值的时候，可以转入S311判定是否超过预定时长。该预定时长同理于上述实施例中S207，即通过检测气体流场出口处气体压力值，控制气体流场流量一段时间后，需要切换回检测气体流场入口处气体压力，从S311转回到S301步骤中。

在本公开实施例中，当在S311中判断时间未超出预定检测气体流场出口处气体压力的时间时，继续通过检测的出口压力控制气体流场流量，转入S313步骤中，根据阳极出口处气体压力值以及堆栈工作电流控制FIV开口控制气体流场流量。

图4示出根据本公开一示例实施例的气体流场控制装置。

参见图4，并参照前面的方法描述，本公开的控制装置包括有检测模块410：用于检测气体流场入口处或出口处气体压力；判断模块420：用于判断入口传感器是否发生故障；转换模块430：用于当判断操作判断入口传感器发生故障时，转换检测气体流场出口处气体压力，并在预定时长内根据检测结果控制气体流场流量；计数模块440：用于当判断入口传感器故障时，将故障计数加1。

上述控制装置执行与前面所提供的方法类似的功能，其他功能可参见前面的描述，此处不再赘述。

图5示出根据本公开一示例实施例的燃料电池系统。

下面根据图5来描述根据本公开的这种实施方式的燃料电池系统。图5显示燃料电池仅仅是一个示例，不应对本公开实施例的功能和使用范围带来任何限制。

参见图5，燃料电池中储氢存在氢气高压储气罐501中，并通过燃料喷射阀FIV 503对燃料电池电堆509提供氢气燃料。

如图5所示，燃料电池喷射阀503的下游燃料电池阳极入口处设有压力传感器507，以及燃料电池阳极出口处亦设有压力传感器507。以上两个传感器将氢气阳极流场入口以及出口出的压力数据传回，并通过燃料电池阳极气体流场控制装置505实现本公开以上各实施例的气体流场控制方法。使得气体流场在一个相对稳定的闭环内工作。

本公开所提供的燃料电池可以用在汽车、轮船等交通工具上。

以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

最后应说明的是：以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，尽管参照前述实施例对本公开进行详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于燃料电池气体流场的控制方法，其特征在于，包括：

检测操作：检测气体流场入口处气体压力；

判断操作：根据所述检测操作的检测结果，判断入口传感器是否发生故障；

转换操作：当所述判断操作判断入口传感器发生故障时，转换检测气体流场出口处气体压力，并在预定时长内根据所述检测结果控制所述气体流场流量；

在所述预定时长之后，执行检测操作至转换操作；

当所述判断入口传感器故障时，将故障计数增加1，其中当所述故障计数高于阈值，所述燃料电池系统进入紧急停机模式；

所述判断操作还判断出口传感器是否发生故障；

所述转换操作还包括：

当所述判断操作判断出所述出口传感器发生故障时，所述燃料电池系统进入紧急停机模式。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，还包括：

根据气体流场入口处气体压力，控制燃料喷射阀开口，保持气体流场所需气体压力。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述判断操作，包括：

当传感器反馈电流或电压超过阈值时、当某些传感器发送失效信号时、当检测所述气体流场入口处的气体压力超出阈值时、当预定时间内未检测到所述气体流场入口处的气体压力时、或当所述气体流场工作电流变化同时检测到所述气体流场入口处的气体压力不变时中的至少一种情况发生，判定为所述入口传感器故障。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述转换操作还包括：

判断所述出口传感器故障，包括：当传感器反馈电流或电压超过阈值时、当某些传感器发送失效信号时、当检测所述气体流场出口处的气体压力超出阈值时、当预定时间内未检测到所述气体流场出口处的气体压力时、或当所述气体流场工作电流变化同时检测到所述气体流场出口处的气体压力不变时中的至少一种情况发生，判定为所述出口传感器故障。

5.一种燃料电池系统，其特征在于，执行如权利要求1-4中任一所述的燃料电池气体流场的控制方法。

6.一种交通工具，其特征在于，包括如权利要求5所述的燃料电池系统。

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