CN113036181B - 氢气排放控制方法及系统、燃料电池发动机系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种氢气排放控制方法及系统、燃料电池发动机系统及其控制方法，所述氢气排放控制方法包括：获取或/和测算氢燃料电池电堆的实际的产水量；根据获取或/和测算的实际产水量判断是否达到氢气排放标准，进而控制氢气排放阀的开启及关闭。本发明提出的氢气排放控制方法及系统、燃料电池发动机系统及其控制方法，可提高氢气利用率，提高系统稳定性。

Description

氢气排放控制方法及系统、燃料电池发动机系统及其控制 方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种控制系统，尤其涉及一种氢气排放控制方法及系统、燃料电池发动机系统及其控制方法。

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。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的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，因此效率高；另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料；同时没有机械传动部件，故没有噪声污染，排放出的有害气体极少。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。

燃料电池运行产物为水和热。电堆运行时，质子交换膜需要保持一定的湿度，反应生成的水需要排除。不同形态的水的迁移、传输、生成、凝结对电堆的稳定运行都有很大影响，这就产生了PEMFC发电系统的水、热管理问题。通常情况下，电堆均需增湿质子交换膜，以免电极“干死”(质子交换膜传导质子能力下降，甚至损坏)；同时又必须及时将生成的水排出，以防电极“淹死”。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的氢气排放控制方式，以便克服现有氢气排放控制方式存在的上述至少部分缺陷。

发明内容

本发明提供一种氢气排放控制方法及系统、燃料电池发动机系统及其控制方法，可提高氢气利用率，提高系统稳定性。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，采用如下技术方案：

一种氢气排放控制方法，所述氢气排放控制方法包括：

获取或/和测算氢燃料电池电堆的实时产水量；

根据获取或/和测算的实际产水量判断是否达到氢气排放标准，进而控制氢气排放阀的开启及关闭。

作为本发明的一种实施方式，所述获取氢燃料电池电堆的实际产水量包括：获取氢燃料电池电堆的实时运行状态，根据氢燃料电池电堆实时的运行状态测算；或者，通过测量设定储水容器内水量变化获取实际产水量。

作为本发明的一种实施方式，所述氢气排放控制方法用于燃料电池发动机系统阳极侧尾气排放控制。

作为本发明的一种实施方式，所述根据氢燃料电池电堆实时的运行状态测算实际的产水量步骤中，计算电堆运行过程中产水量的公式为：

其中，

为产水量，δ为产水换算系数，I为电流，N为片数，F为常数；

为产水总量。

作为本发明的一种实施方式，所述氢气排放控制方法具体包括：

步骤1：检测系统的运行状态，执行步骤2；

步骤2：判断系统状态运行状态或氢水分离器内液位是否需要强制控制排氢；若否，执行步骤3；若是，执行步骤8；

步骤3：检测电堆的状态，执行步骤4；

步骤4：判断电堆状态是否需要强制控制排氢，若否，执行步骤8；若是，执行步骤5；

步骤5：实时监测当前电堆电流，执行步骤6；

步骤6：基于实时的电堆电流，执行步骤计算电堆运行过程中产生的水的总量，基于以下产水公式：

其中：δ＝0.004005，δ为产水换算系数，I为电流，N为片数，F为常数，取96485.3；执行步骤7；

步骤7：统计产水的总量，

为产水总量；执行步骤8；

步骤8：根据液态水的总量判断是否达到氢气排放的要求，若否，执行步骤7；若是，执行步骤10；

步骤9：基于实时状态及需求强制尾排阀控制，执行步骤11；

步骤10：控制尾排阀开启，氢气侧排放液态水及废气，执行步骤11；

步骤11：判断是否完成了氢气尾排需求，若是，返回执行步骤1。

作为本发明的一种实施方式，所述氢气排放控制系统用于燃料电池发动机系统阳极侧尾气排放控制。

根据本发明的另一个方面，采用如下技术方案：一种氢气排放控制系统，所述氢气排放控制系统包括：

产水量获取模块，用以获取氢燃料电池电堆的实际产水量；

氢气排放阀控制模块，连接所述产水量获取模块，根据产水量控制氢气排放阀的开启及关闭。

作为本发明的一种实施方式，所述氢气排放控制系统进一步包括：实时运行状态获取模块，用以获取氢燃料电池电堆的实时运行状态；所述产水量获取模块连接所述实时运行状态获取模块，用以根据氢燃料电池电堆实时的运行状态测算实际的产水量；或者/并且，

所述产水量获取模块包括：产水量测量单元，用以通过测量设定储水容器内水量变化获取实际产水量。

作为本发明的一种实施方式，所述产水量测算模块测算电堆运行过程中产水量的公式为：

其中，

为产水量，δ为产水换算系数，I为电流，N为片数，F为常数，

为产水总量。

根据本发明的又一个方面，采用如下技术方案：一种燃料电池发动机系统控制方法，其特征在于：包括上述的氢气排放控制方法。

根据本发明的又一个方面，采用如下技术方案：一种燃料电池发动机系统，包括上述的氢气排放控制系统。

本发明的有益效果在于：本发明提出的氢气排放控制方法及系统、燃料电池发动机系统及其控制方法，可提高氢气利用率，提高系统稳定性。

本发明可以根据当前电堆实时的运行状态测算实际的产水量，再根据产水量控制尾排阀的开启时间，已到达电堆阳极侧排水排废气同时提高氢气利用率的双重目标。

在本发明的一种使用场景中，本发明增加了系统运行状态的监控，可以在特殊状态下强制控制氢气尾排，保护系统安全或提升系统性能或维持系统正常运行。

本发明还可以增加电堆运行状态的监控，可以在电堆处于非正常状态下强制控制氢气尾排，保护电堆性能或恢复电堆的工作状态。

本发明提供的燃料电池发动机系统阳极侧尾排控制方式，经过实际验证，能够较为准确的计算燃料电池电堆运行过程的产水量。本发明具有极佳的阳极侧排水效果，同时能够大大提高系统的氢气利用率。

附图说明

图1为本发明一实施例中氢气排放控制方法的流程图。

图2为本发明一实施例中氢气排放控制系统的组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。

说明书中各个实施例中的步骤的表述只是为了方便说明，本申请的实现方式不受步骤实现的顺序限制。说明书中的“连接”既包含直接连接，也包含间接连接。

本发明揭示了一种氢气排放控制方法，所述氢气排放控制方法包括：获取或/和测算氢燃料电池电堆的实际产水量；根据获取或/和测算的实际产水量判断是否达到氢气排放标准，进而控制氢气排放阀的开启及关闭。

在本发明的一实施例中，所述根据氢燃料电池电堆实时的运行状态测算实际的产水量步骤中，计算电堆运行过程中产水量的公式为：

其中，

为产水量，δ为产水换算系数，I为电流，N为片数，F为常数，

为产水总量。

图1为本发明一实施例中氢气排放控制方法的流程图；请参阅图1，在本发明的一实施例中，所述氢气排放控制方法具体包括：

步骤1：检测系统的运行状态，执行步骤2；

步骤2：判断系统状态运行状态或氢水分离器内液位是否需要强制控制排氢；若否，执行步骤3；若是，执行步骤8；

步骤3：检测电堆的状态，执行步骤4；

步骤4：判断电堆状态是否需要强制控制排氢，若否，执行步骤8；若是，执行步骤5；

步骤5：实时监测当前电堆电流，执行步骤6；

步骤6：基于实时的电堆电流，执行步骤计算电堆运行过程中产生的水的总量，基于以下产水公式：

其中：δ＝0.004005，δ为产水换算系数，I为电流，N为片数，F为常数，取96485.3；执行步骤7；

步骤7：统计产水的总量，，

为产水总量；执行步骤8；

步骤8：根据液态水的总量判断是否达到氢气排放的要求，若否，执行步骤7；若是，执行步骤10；

步骤9：基于实时状态及需求强制尾排阀控制，执行步骤11；

步骤10：控制尾排阀开启，氢气侧排放液态水及废气，执行步骤11；

步骤11：判断是否完成了氢气尾排需求，若是，返回执行步骤1。

本发明还揭示一种氢气排放控制系统，所述氢气排放控制系统产水量获取模块及氢气排放阀控制模块，所述氢气排放阀控制模块连接所述产水量获取模块。所述产水量获取模块用以获取氢燃料电池电堆的实际产水量；所述氢气排放阀控制模块连接所述产水量获取模块，根据产水量控制氢气排放阀的开启及关闭。

图2为本发明一实施例中氢气排放控制系统的组成示意图；请参阅图2，所述氢气排放控制系统包括：实时运行状态获取模块1、产水量测算模块2(作为所述产水量获取模块)及氢气排放阀控制模块3。

所述实时运行状态获取模块1用以获取氢燃料电池电堆的实时运行状态；所述产水量测算模块2连接所述实时运行状态获取模块1，用以根据氢燃料电池电堆实时的运行状态测算实际的产水量；所述氢气排放阀控制模块3连接所述产水量测算模块2，根据产水量控制氢气排放阀的开启及关闭。

在另一实施例中，所述产水量获取模块包括产水量测量单元，用以通过测量设定储水容器内水量变化获取实际产水量。所述产水量测量单元可以为液位传感器，所述液位传感器可以设置于氢水分离器，用来测量氢水分离器内蓄水槽的液位数据。而后，可以根据设定时间段内的液位差，得到实际产生量。

在本发明的一实施例中，所述产水量测算模块2测算电堆运行过程中产水量的公式为：

其中，

为产水量，δ为产水换算系数，I为电流，N为片数，F为常数，

为产水总量。

本发明还揭示一种燃料电池发动机系统控制方法，包括上述的氢气排放控制方法。

本发明进一步揭示一种燃料电池发动机系统，包括上述的氢气排放控制系统。

综上所述，本发明提出的氢气排放控制方法及系统、燃料电池发动机系统及其控制方法，可提高氢气利用率，提高系统稳定性。

需要注意的是，本申请可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施；例如，可采用专用集成电路(ASIC)、通用目的计算机或任何其他类似硬件设备来实现。在一些实施例中，本申请的软件程序可以通过处理器执行以实现上文步骤或功能。同样地，本申请的软件程序(包括相关的数据结构)可以被存储到计算机可读记录介质中；例如，RAM存储器，磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。另外，本申请的一些步骤或功能可采用硬件来实现；例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。实施例中所涉及的效果或优点可因多种因素干扰而可能不能在实施例中体现，对于效果或优点的描述不用于对实施例进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (5)

1.一种氢气排放控制方法，其特征在于，所述氢气排放控制方法包括：

获取或测算氢燃料电池电堆的实际产水量；

根据获取或测算实际的产水量判断是否达到氢气排放标准，进而控制氢气排放阀的开启及关闭；

所述氢气排放控制方法具体包括：

步骤1：检测系统的运行状态，执行步骤2；

步骤2：判断系统状态运行状态或氢水分离器内液位是否需要强制控制排氢；若否，执行步骤3；若是，执行步骤8；

步骤3：检测电堆的状态，执行步骤4；

步骤4：判断电堆状态是否需要强制控制排氢，若否，执行步骤8；若是，执行步骤5；

步骤5：实时监测当前电堆电流，执行步骤6；

步骤6：基于实时的电堆电流，执行步骤计算电堆运行过程中产生的水的总量，基于以下产水公式：

其中，

为产水速率，δ＝0.004005，δ为产水换算系数，I为电流，N为片数，F为常数，取96485.3；执行步骤7；

步骤7：统计产水的总量，

为产水总量，执行步骤8；

步骤8：根据液态水的总量判断是否达到氢气排放的要求，若否，执行步骤7；若是，执行步骤10；

步骤9：基于实时状态及需求强制尾排阀控制，执行步骤11；

步骤10：控制尾排阀开启，氢气侧排放液态水及废气，执行步骤11；

步骤11：判断是否完成了氢气尾排需求，若是，返回执行步骤1。

2.根据权利要求1所述的氢气排放控制方法，其特征在于：

所述获取或测算氢燃料电池电堆的实际产水量步骤中，获取氢燃料电池电堆的实时运行状态，根据氢燃料电池电堆实时的运行状态测算；或者，通过测量设定储水容器内水量变化获取实际产水量。

3.根据权利要求1所述的氢气排放控制方法，其特征在于：

所述氢气排放控制方法用于燃料电池发动机系统阳极侧尾气排放控制。

4.根据权利要求1所述的氢气排放控制方法，其特征在于：

所述根据氢燃料电池电堆实时的运行状态测算实际的产水量步骤中，计算电堆运行过程中产水量的公式为：

其中，

为产水速率，δ为产水换算系数，I为电流，N为片数，F为常数，

为产水总量。

5.一种燃料电池发动机系统控制方法，其特征在于：包括权利要求1至4任一所述的氢气排放控制方法。

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