CN113097533A - 一种燃料电池空气供应系统 - Google Patents
一种燃料电池空气供应系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113097533A CN113097533A CN202110339994.XA CN202110339994A CN113097533A CN 113097533 A CN113097533 A CN 113097533A CN 202110339994 A CN202110339994 A CN 202110339994A CN 113097533 A CN113097533 A CN 113097533A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- air
- humidity
- controller
- pressure
- fuel cell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 66
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 20
- 238000011217 control strategy Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 29
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 230000006870 function Effects 0.000 description 8
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 5
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 4
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 4
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 2
- YEHCICAEULNIGD-MZMPZRCHSA-N pergolide Chemical compound C1=CC([C@H]2C[C@@H](CSC)CN([C@@H]2C2)CCC)=C3C2=CNC3=C1 YEHCICAEULNIGD-MZMPZRCHSA-N 0.000 description 2
- 229940088507 permax Drugs 0.000 description 2
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
- H01M8/04126—Humidifying
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
本申请提供一种燃料电池空气供应系统，用于解决相关技术中对燃料电池的空气管理不能适应全工况的问题。本申请实施例中该系统包括：空气输入单元、压力控制单元、控制器和湿度控制单元，湿度控制单元包括进气旁通阀、湿度传感器和膜增湿器，其中：空气输入单元连接进气旁通阀和膜增湿器，用于将空气分别输入给膜增湿器和进气旁通阀；湿度传感器，用于检测燃料电池的电堆的电堆湿度并传输给控制器；控制器，用于根据电堆湿度和目标湿度调节进气旁通阀的开度；压力控制单元，用于基于控制器的压力控制策略调节燃料电池的空气入堆压力。能够全工况对电堆的空气湿度、压力和流量进行准确的控制，提高燃料电池的使用率和寿命。
Description
技术领域
本申请涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池空气供应系统。
背景技术
燃料电池的电堆对于空气湿度有着很高的要求，空气湿度对电堆反应性能影响很大。水是质子交换膜进行质子传输的必备工具，若增湿不够不利于电化学反应；过增湿会影响电堆排水负荷，造成水淹，也会影响电化学反应。
为了能够控制电堆的空气湿度，相关技术中主要采用增湿器，通过出给空气增湿来实现对电堆空气湿度的控制。
然而，增湿器的面积是一定的、增湿的效果也有限，该方案对湿度的控制难以满足全工况的要求。
发明内容
本申请的目的是提供一种燃料电池空气供应系统，用于解决相关技术中对电堆的空气湿度控制能力有限、难以满足全工况的要求的问题。
本申请提供一种燃料电池空气供应系统，所述系统包括：
空气输入单元、压力控制单元、控制器和湿度控制单元，所述湿度控制单元包括进气旁通阀、湿度传感器和膜增湿器，其中：
所述空气输入单元连接所述进气旁通阀和所述膜增湿器，用于将空气分别输入给所述膜增湿器和所述进气旁通阀；
所述湿度传感器，用于检测所述燃料电池的电堆的电堆湿度并传输给所述控制器；
所述控制器，用于根据所述电堆湿度和目标湿度调节所述进气旁通阀的开度；
所述压力控制单元，用于基于所述控制器的压力控制策略调节所述燃料电池的空气入堆压力。
在一些实施例中，所述空气输入单元包括空滤、空压机、中冷器、流量计，其中：
所述空滤设置在所述空压机的空气入口一侧，用于对进入所述空压机的空气进行过滤处理；
所述流量计，用于对所述空压机出口流量进行检测，得到空气流量检测结果并传输给所述控制器；
所述控制器，还用于基于所述空气流量检测结果和目标空气流量控制所述空压机的转速；
所述中冷器设置在所述空压机出口处，用于对所述空压机出口空气进行降温处理。
在一些实施例中，所述空气输入单元还包括直排阀和第一传感器：
所述第一传感器，用于采集所述空压机出口处的第一检测压力并传输给所述控制器；
所述控制器，用于在所述系统功率小于功率阈值时，基于所述第一检测压力和第一目标压力调节所述直排阀的开度；
所述直排阀连接在所述空压机后端，用于排空所述空压机出口的空气。
在一些实施例中，所述压力控制单元包括第二传感器和节气门，其中：
所述第二传感器，用于采集所述电堆周围环境的第二检测压力，并将所述第二检测压力传输出给所述控制器；
所述控制器，用于根据所述第二检测压力和第二目标压力，调节所述节气门的开度，以使所述节气门排出所述电堆周围的空气；
所述节气门的空气入口端还连接所述直排阀的空气出口端。
在一些实施例中，所述湿度控制单元还包括尾气旁通阀，所述尾气旁通阀的空气出口端接通所述节气门的空气入口端，所述尾气旁通阀用于将所述电堆周围的空气输出给所述节气门；
所述控制器还用于，当所述系统冷启动时，调整所述空压机的转速为最大转速、控制所述节气门的开度为最大开度、关闭所述进气旁通阀并打开所述尾气旁通阀。
在一些实施例中，所述控制器还用于：
基于以下目标流量确定公式，确定所述目标空气流量：
Fair_req＝电流*节数*a*空气计量比/(b*c*F)
其中，所述Fair_req表示所述目标空气流量；所述电流表示所述燃料电池的电流；所述a、所述b和所述c均为常量、所述空气计量比为预设值、所述节数标识所述燃料电池的总数量、所述F表示法拉第常数；
基于以下转速确定公式，确定所述空压机的转速：
AC_speed＝Kp(Fair_req-Fair_set)+ki(Fair_req-Fair_set)+Kd(Fair_req-Fair_set)
其中，所述AC_speed表示所述空压机的转速；所述Kp表示所述电流对应的第一系数；所述ki表示所述电流对应的第二系数；所述Kd表示所述电流对应的第三系数；所述Fair_req为所述目标空气流量；所述Fair_set为所述空气流量检测结果。
在一些实施例中，执行所述根据所述电堆湿度和目标湿度调节所述进气旁通阀的开度，所述控制器具体用于：
若所述电堆湿度高于所述目标湿度，则增大所述进气旁通阀的开度；
若所述电堆湿度低于所述目标湿度，则降低所述进气旁通阀的开度。
在一些实施例中，执行所述基于所述第一检测压力和第一目标压力调节所述直排阀的开度，所述控制器具体用于：
基于以下直排阀开度确定公式，确定所述直排阀的开度：
BPV1_per＝Kp(Pa1ir_req-P1air)+ki(P1air_req-P1air_set)
其中，所述BPV1_per表示所述直排阀的开度；所述Kp表示所述燃料电池的电流对应的第一参数；所述ki表示所述燃料电池的电流对应的第二参数；所述Pa1ir_req表示所述第一目标压力；所述P1air表示所述第一检测压力。
在一些实施例中，执行所述根据所述第二检测压力和第二目标压力，调节所述节气门的开度，所述控制器具体用于：
基于所述节气门的开度确定公式，确定所述节气门开度：
BPV2_per＝Kp(Pa2ir_req-P2air)+ki(P2air_req-P2air_set)
其中，BPV2_per表示所述节气门开度；Kp表示所述燃料电池的电流对应的第一参数；ki表示所述燃料电池的电流对应的第二参数；Pa2ir_req表示所述第二目标压力；P2air表示所述第二检测压力。
在一些实施例中，所述空气计量比为指定取值范围。
本申请实施例中，能够适应全工况调节燃料电池电堆的空气湿度和压力提高燃料电池的使用率和寿命。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所介绍的附图仅仅是本申请的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本申请一个实施例的燃料电池供应系统的结构示意图之一；
图2为根据本申请一个实施例的燃料电池供应系统的结构示意图之二；
图3为根据本申请一个实施例的工况-参数对照情况示意图；
其中，各图号即对于的部件为：
空气输入单元101、压力控制单元102、控制器103、湿度控制单元104、进气旁通阀1041、湿度传感器1042、膜增湿器1043、空滤1011、空压机1012、中冷器1013、流量计1014、直排阀1015、第一传感器1016、第二传感器1021、节气门1022、尾气旁通阀1044。
具体实施方式
为了使本领域普通人员更好地理解本申请的技术方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的例子。
鉴于相关技术中对电堆空气的湿度控制能力有限，难以满足全工况要求的情况，本申请实施例提供了一种燃料电池空气供应系统。
本申请实施例中提供的方案不仅能够实现对空气湿度的控制、同时也提供对空气流量和空气压力的控制，这些将在后文中逐一说明。
如图1所示，为本申请实施例提供的燃料电池空气供应系统的结构示意图，包括：
空气输入单元101、压力控制单元102、控制器103和湿度控制单元104，所述湿度控制单元104包括进气旁通阀1041、湿度传感器1042和膜增湿器1043，其中：
所述空气输入单元101连接所述进气旁通阀1041和所述膜增湿器1043，用于将空气分别输入给所述膜增湿器1043和所述进气旁通阀1041；
所述湿度传感器1042，用于检测所述燃料电池的电堆的电堆湿度并传输给所述控制器103；
所述控制器103，用于根据所述电堆湿度和目标湿度调节所述进气旁通阀1041的开度；
所述压力控制单元102，用于基于所述控制器103的压力控制策略调节所述燃料电池的空气入堆压力。
空气压力低造成气体传输速度低，不利于气体扩散，也会影响电堆的化学反应；本申请实施例中能够提供压力控制单元102灵活的调整电堆空气的压力调整，进一步提高燃料电池的使用寿命。此外，本申请实施例提供的燃料电池空气供应系统，进气旁通阀1041和膜增湿器1043一起作用用于调节电堆周围的空气湿度。如进气旁通阀1041用于提供未通过膜增湿器1043处理的干燥空气，膜增湿器1043用于提供增湿处理的湿润空气，通过调节进气旁通阀1041的开度即可调节干燥空气和湿润空气的比例，从而实现进入电堆的干燥空气和湿润空气的调整。相对于相关技术中仅能够提供固定的增湿面积，本申请实施例能够通过灵活的调整空气湿度，实现对全工况的空气湿度调整，从而提高燃料电池的电堆化学反应质量，提高燃料电池的使用寿命。
下面分不同层面的控制，对本申请实施例提供的燃料电池空气供应系统进行说明。
一、空气湿度控制
如，在一些实施例中，为了提高各工况下湿度控制的精度，本申请实施例中可基于实验方式测定不同工况下燃料电池适用的湿度作为目标湿度。由此可构建不同工况和相应目标湿度的对应关系。该关系如表1所示可实施为表格，当然也可以构建工况-目标湿度曲线，通过该曲线可以得到任意工况对应的目标湿度。
表1工况-湿度对照表
| 工况 | 目标湿度值 |
| 电流1 | 湿度1 |
| … | … |
| 电流n | 湿度n |
基于目标湿度可湿度传感器1042采集的实际湿度，可通过闭环控制如PID(Proportion Integral Differential，自动控制方法)控制方式实现对电堆空气湿度的调整。如，若所述电堆湿度高于所述目标湿度，则增大所述进气旁通阀1041的开度；由此，当湿度过高时，可通过提高干燥空气的流量，降低电堆的空气湿度以接近目标湿度。
若所述电堆湿度低于所述目标湿度，则降低所述进气旁通阀1041的开度。由此，当湿度过低时，可通过减低可以通过减少干燥空气的空气流量，提高电堆的空气湿度使之接近目标湿度。
此外，需要说明的是，本申请实施例中的湿度控制层面中，还可以提供电堆湿度自动诊断策略。例如，当燃料电池最低单节电压比平均单节电压低于0.1V(可选的)以上，且堆入湿度检测较高时，说明燃料电池系统过湿；系统控制降低目标湿度，可根据修正实验得到的数据来降低目标湿度；当燃料电池的均一性较差，单体电压的均方差大于5时，可诊断电堆湿度过干，系统控制提高目标湿度，实施时，也可通过修正实验确定修正后的目标湿度，使得使用的目标湿度更能够符合燃料电池的特性。
二、空气流量控制
在一些实施例中，空气流量对电堆的化学反应也有着重要的影响。当空气供应流量过低时造成燃料电池氧饥饿、且不利于反应生成的水排出。故此，如何适应全工况的空气流量控制也是业内关心的问题。本申请实施例中，如图2所示，所述空气输入单元101包括空滤1011、空压机1012、中冷器1013、流量计1014，其中：
所述空滤1011设置在所述空压机1012的空气入口一侧，用于对进入所述空压机1012的空气进行过滤处理；
所述流量计1014，用于对所述空压机1012出口流量进行检测，得到空气流量检测结果并传输给所述控制器103；
所述控制器103，还用于基于所述空气流量检测结果和目标空气流量控制所述空压机1012的转速；
所述中冷器1013，设置在所述空压机1012出口处，用于对所述空压机1012出口空气进行降温处理。
由此，本申请实施例中，通过实时感知实际空气流量，并适应不同工况确定各工况下所需目标空气流量，从而实现对空气流量的全工况控制。
类似的，本申请实施例中，为了能够实现全工况的流量管理，可对不同工况分别控制。如，目标空气流量可以根据当前工况来确定。如可基于燃料电池的特效，通过实验测定不同工况的目标空气流量形成工况-目标空气流量对照关系。
当然，为了提高控制的准确性，本申请实施例中，还可基于以下目标流量确定公式(1)，确定所述目标空气流量：
Fair_req＝电流*节数*a*空气计量比/(b*c*F) (1)
其中，所述Fair_req表示所述目标空气流量；所述电流表示所述燃料电池的电流；所述a、所述b和所述c均为常量；所述空气计量比为预设值，即空气计量比是一个系数，可理解为实际空气流量和理论空气流量的比值，是给定值；所述节数标识所述燃料电池的总数量；所述F表示法拉第常数；
在确定目标空气流量之后，可基于以下转速确定公式(2)，确定所述空压机1012的转速：
AC_speed＝Kp(Fair_req-Fair_set)+ki(Fair_req-Fair_set)+Kd(Fair_req-Fair_set) (2)
其中，所述AC_speed表示所述空压机1012的转速；所述Kp表示所述电流对应的第一系数；所述ki表示所述电流对应的第二系数；所述Kd表示所述电流对应的第三系数；所述Fair_req为所述目标空气流量；所述Fair_set为所述空气流量检测结果。
关于上述的参数Kp、ki和Kd，均与控制系统的响应特性有关，本申请实施例中为了进一步提高对空气流量的控制精度，以使得最终控制的空气流量能够适应工况需求，可通过实验测定不同工况对应的参数。如图3所示，为工况和参数对照图。其中，图3中横坐标为工况(即电流)纵坐标为相应工况适用的参数值。
由此，通过准确的确定适应工况需求的目标空气流量然后基于流量计1014检测到的实际流量实现空气流量的准确控制，能够使得各工况下燃料电池的空气流量均能够得到很好的控制提高燃料电池的使用效率和寿命。
在另一些实施例中，可根据电堆全工况测试得到每个工况的空燃比，如下图所示。控制过程中空燃比允许有一定范围的波动，这样可以防止空压机1012的频繁调控，提高空压机1012寿命。例如空燃比的控制通过控制公式(1)中的空气计量比来实现，空气计量比可为指定取值范围内的取值，这样使得目标空气流量在一定范围都均算有效，从而避免对空压机1012的频繁控制。
在另一个实施例中，在空压机1012的转速范围下，目标空气流量太小就进入空压机1012的喘振区，影响空压机1012的寿命。故此，本申请实施例中为了提高空压机1012的寿命，在空气输入单元101中还增设了直排阀1015和第一传感器1016。
所述第一传感器1016，用于采集所述空压机1012出口处的第一检测压力并传输给所述控制器103；
所述控制器103，用于在所述系统功率小于功率阈值时，基于所述第一检测压力和第一目标压力调节所述直排阀1015的开度；
所述直排阀1015连接在所述空压机1012后端，用于排空所述空压机1012出口的空气。
由此，通过在空压机1012后端设置直排阀1015，通过调节直排阀1015的开度，可以将空压机1012出口的部分空气流量直接排空，从而在电堆低功率运行的工况下的降低入堆空气流量，以此延长空压机1012寿命。
在一些实施例中，为了能够方便且准确的控制直排阀1015的开度所述控制器103可基于以下直排阀1015开度确定公式(3)，确定所述直排阀1015的开度：
BPV1_per＝Kp1(Pa1ir_req-P1air)+ki1(P1air_req-P1air_set) (3)
其中，所述BPV1_per表示所述直排阀1015的开度；所述Kp1表示所述燃料电池的电流对应的第四参数；所述ki1表示所述燃料电池的电流对应的第五参数；其中，第四参数和第五参数与直排阀的响应特性相关，所述Pa1ir_req表示所述第一目标压力；所述P1air表示所述第一检测压力。
由此，可通过适用不同工况情况的参数，有的放矢的进行直排阀1015开度的调整，能够实现全工况下对直排阀1015开度调整的准确度。
在另一些实施例中，节气门1022的开度变化会影响空压机1012的特性，为了避免空压机1012进入喘振或低效区，可通过实验测试被压节气门1022的边界开度BPV_per_min(最小开度),BPV_per_max(最大开度),从而限制背压阀的开度范围∈[BPV_per_min,BPV_per_max]中。实施时，通过公式(3)确定出直排阀1015开度后，若计算的开度在该范围内，可以采用该开度控制直排阀1015；若该开度不在该范围内，则采用该范围内与该开度最接近的开度进行调整。
三，空气压力控制
如前文所述，空气压力也是影响电堆反应的一项重要指标。为了能够全工况的进行空气压力控制，如图2所示，本申请实施例中的压力控制单元102包括第二传感器1021和节气门1022，其中：
所述第二传感器1021，用于采集所述电堆周围环境的第二检测压力，并将所述第二检测压力传输出给所述控制器103；
所述控制器103，用于根据所述第二检测压力和第二目标压力，调节所述节气门1022的开度，以使所述节气门1022排出所述电堆周围的空气；
所述节气门1022的空气入口端还连接所述直排阀1015的空气出口端。
由此，通过调节节气门1022的开度能够适当调整电堆的空气压力，可以全工况的实时对电堆空气压力进行调整。
为了能够全工况情况下准确的控制空气压力，本申请实施例中，所述控制器103可基于所述节气门1022的开度确定公式(4)，确定所述节气门1022开度：
BPV2_per＝Kp2(Pa2ir_req-P2air)+ki2(P2air_req-P2air_set) (4)
其中，BPV2_per表示所述节气门1022开度；Kp2表示所述燃料电池的电流对应的第六参数；ki2表示所述燃料电池的电流对应的第七参数，第六参数和第七参数和节气门的响应特性相关；Pa2ir_req表示所述第二目标压力；P2air表示所述第二检测压力。
由此，通过不同工况的适用参数实现对各自工况下压力的准确控制，能够提高燃料电池使用率和寿命。
四，冷启动情况的特殊处理
燃料电池需要考虑低温(如-30℃)启动过程，冷启动过程需要电堆及其他零部件的水快速吹干；为此，本申请实施例中，如图2所示，所述湿度控制单元104还包括尾气旁通阀1044，所述尾气旁通阀1044的空气出口端接通所述节气门1022的空气入口端，所述尾气旁通阀1044用于将所述电堆周围的空气输出给所述节气门1022；
所述控制器103还用于，当所述系统冷启动时，调整所述空压机1012的转速为最大转速、控制所述节气门1022的开度为最大开度、关闭所述进气旁通阀1041并打开所述尾气旁通阀1044。
如，冷启动时，控制空压机1012转速最大，节气门1022开度最大，进气旁通阀1041关闭，尾排旁通阀打开，让空气快速给电堆和膜增湿器1043吹扫，电堆出口的大量湿空气直接排出系统。
在介绍了本申请实施例提供的燃料电池空气供应系统之后，下面结合一些具体的实施例对本系统进行说明。
系统启动后，空压机1012即进入中高转速运行。根据启动电流计算燃料电池的目标空气流量；并控制进气旁通阀1041关闭，尾气旁通阀1044关闭，让空压机1012出口的空气完全进入膜增湿器1043给干空气增湿，从而达到快速增湿效果。使燃料电池系统快速达到目标湿度。
当进入怠速工况时，降低空压机1012转速，依然高于目标空气流量，调节直排阀1015的开度将多余的空气直接排出系统；使得燃料电池稳定运行在怠速功率。
当系统功率升高时，只需减小直排阀1015的开度即可，直至直排阀1015完全关闭仍旧无法提供电堆所需空气时，再根据流量计1014和目标空气流量闭环调节空压机1012转速。调节过程中，根据目标电流适当放宽空气计量比范围，从而限制空压机1012的频繁抖动，使空压机1012能够长时间处于稳定的工作状态，延长空压机1012寿命。
当运行到一定工况时，实际空气湿度大于目标湿度，则闭环控制进气旁通阀1041，控制部分空气流量不进入膜增湿器1043而降低实际空气湿度。
在中低功率运行时，可关闭尾气旁通阀1044，通过调节进气旁通阀1041的开度来控制入堆空气的湿度，以此保证电堆处于最佳的工作状态。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了装置的若干单元或子单元，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本申请的实施方式，上文描述的两个或更多单元的特征和功能可以在一个单元中具体化。反之，上文描述的一个单元的特征和功能可以进一步划分为由多个单元来具体化。
此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本申请方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程图像缩放设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程图像缩放设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程图像缩放设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程图像缩放设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种燃料电池空气供应系统，其特征在于，所述系统包括：
空气输入单元、压力控制单元、控制器和湿度控制单元，所述湿度控制单元包括进气旁通阀、湿度传感器和膜增湿器，其中：
所述空气输入单元连接所述进气旁通阀和所述膜增湿器，用于将空气分别输入给所述膜增湿器和所述进气旁通阀；
所述湿度传感器，用于检测所述燃料电池的电堆的电堆湿度并传输给所述控制器；
所述控制器，用于根据所述电堆湿度和目标湿度调节所述进气旁通阀的开度；
所述压力控制单元，用于基于所述控制器的压力控制策略调节所述燃料电池的空气入堆压力。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述空气输入单元包括空滤、空压机、中冷器、流量计，其中：
所述空滤设置在所述空压机的空气入口一侧，用于对进入所述空压机的空气进行过滤处理；
所述流量计，用于对所述空压机出口流量进行检测，得到空气流量检测结果并传输给所述控制器；
所述控制器，还用于基于所述空气流量检测结果和目标空气流量控制所述空压机的转速；
所述中冷器设置在所述空压机出口处，用于对所述空压机出口空气进行降温处理。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述空气输入单元还包括直排阀和第一传感器：
所述第一传感器，用于采集所述空压机出口处的第一检测压力并传输给所述控制器；
所述控制器，用于在所述系统功率小于功率阈值时，基于所述第一检测压力和第一目标压力调节所述直排阀的开度；
所述直排阀连接在所述空压机后端，用于排空所述空压机出口的空气。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述压力控制单元包括第二传感器和节气门，其中：
所述第二传感器，用于采集所述电堆周围环境的第二检测压力，并将所述第二检测压力传输出给所述控制器；
所述控制器，用于根据所述第二检测压力和第二目标压力，调节所述节气门的开度，以使所述节气门排出所述电堆周围的空气；
所述节气门的空气入口端还连接所述直排阀的空气出口端。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述湿度控制单元还包括尾气旁通阀，所述尾气旁通阀的空气出口端接通所述节气门的空气入口端，所述尾气旁通阀用于将所述电堆周围的空气输出给所述节气门；
所述控制器还用于，当所述系统冷启动时，调整所述空压机的转速为最大转速、控制所述节气门的开度为最大开度、关闭所述进气旁通阀并打开所述尾气旁通阀。
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述控制器还用于：
基于以下目标流量确定公式，确定所述目标空气流量：
Fair_req＝电流*节数*a*空气计量比/(b*c*F)
其中，所述Fair_req表示所述目标空气流量；所述电流表示所述燃料电池的电流；所述a、所述b和所述c均为常量、所述空气计量比为预设值、所述节数标识所述燃料电池的总数量、所述F表示法拉第常数；
基于以下转速确定公式，确定所述空压机的转速：
AC_speed＝Kp(Fair_req-Fair_set)+ki(Fair_req-Fair_set)+Kd(Fair_req-Fair_set)
其中，所述AC_speed表示所述空压机的转速；所述Kp表示所述电流对应的第一系数；所述ki表示所述电流对应的第二系数；所述Kd表示所述电流对应的第三系数；所述Fair_req为所述目标空气流量；所述Fair_set为所述空气流量检测结果。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，执行所述根据所述电堆湿度和目标湿度调节所述进气旁通阀的开度，所述控制器具体用于：
若所述电堆湿度高于所述目标湿度，则增大所述进气旁通阀的开度；
若所述电堆湿度低于所述目标湿度，则降低所述进气旁通阀的开度。
8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，执行所述基于所述第一检测压力和第一目标压力调节所述直排阀的开度，所述控制器具体用于：
基于以下直排阀开度确定公式，确定所述直排阀的开度：
BPV1_per＝Kp(Pa1ir_req-P1air)+ki(P1air_req-P1air_set)
其中，所述BPV1_per表示所述直排阀的开度；所述Kp表示所述燃料电池的电流对应的第一参数；所述ki表示所述燃料电池的电流对应的第二参数；所述Pa1ir_req表示所述第一目标压力；所述P1air表示所述第一检测压力。
9.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，执行所述根据所述第二检测压力和第二目标压力，调节所述节气门的开度，所述控制器具体用于：
基于所述节气门的开度确定公式，确定所述节气门开度：
BPV2_per＝Kp(Pa2ir_req-P2air)+ki(P2air_req-P2air_set)
其中，BPV2_per表示所述节气门开度；Kp表示所述燃料电池的电流对应的第一参数；ki表示所述燃料电池的电流对应的第二参数；Pa2ir_req表示所述第二目标压力；P2air表示所述第二检测压力。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述空气计量比为指定取值范围。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110339994.XA CN113097533A (zh) | 2021-03-30 | 2021-03-30 | 一种燃料电池空气供应系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110339994.XA CN113097533A (zh) | 2021-03-30 | 2021-03-30 | 一种燃料电池空气供应系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113097533A true CN113097533A (zh) | 2021-07-09 |
Family
ID=76670793
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110339994.XA Pending CN113097533A (zh) | 2021-03-30 | 2021-03-30 | 一种燃料电池空气供应系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113097533A (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113659177A (zh) * | 2021-08-23 | 2021-11-16 | 中国汽车工程研究院股份有限公司 | 一种燃料电池测试台加湿装置与基于迭代学习的控制方法 |
| CN113707916A (zh) * | 2021-07-23 | 2021-11-26 | 上海重塑能源科技有限公司 | 燃料电池湿度估算方法及估算系统 |
| CN113964354A (zh) * | 2021-10-29 | 2022-01-21 | 北京亿华通科技股份有限公司 | 一种燃料电池增湿器泄漏的检测控制装置及其方法 |
| CN114725435A (zh) * | 2022-04-22 | 2022-07-08 | 中国第一汽车股份有限公司 | 燃料电池空气供应系统及其控制方法、控制装置 |
| DE102022207984A1 (de) | 2022-08-02 | 2024-02-08 | Mahle International Gmbh | Verfahren zum Feststellen der Degradation eines Befeuchters |
Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090258257A1 (en) * | 2006-08-10 | 2009-10-15 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell system |
| WO2014103823A1 (ja) * | 2012-12-28 | 2014-07-03 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム |
| CN110112437A (zh) * | 2019-07-02 | 2019-08-09 | 潍柴动力股份有限公司 | 燃料电池的电堆入口空气流量调节方法及相关装置 |
| CN110165255A (zh) * | 2019-07-10 | 2019-08-23 | 武汉雄韬氢雄燃料电池科技有限公司 | 一种燃料电池发动机空压控制系统及方法 |
| CN110165259A (zh) * | 2019-05-16 | 2019-08-23 | 苏州纳尔森能源科技有限公司 | 电池的运行状态的监测方法及装置、系统 |
| CN110197915A (zh) * | 2019-05-28 | 2019-09-03 | 深圳国氢新能源科技有限公司 | 燃料电池湿度控制系统 |
| CN110600773A (zh) * | 2019-09-23 | 2019-12-20 | 上海电气集团股份有限公司 | 燃料电池系统中空气供给系统的故障诊断方法及装置 |
| CN111063920A (zh) * | 2019-12-30 | 2020-04-24 | 新源动力股份有限公司 | 一种燃料电池电堆流体分配一致性检测方法 |
| KR20200055345A (ko) * | 2018-11-13 | 2020-05-21 | 코오롱머티리얼 주식회사 | 연료전지 시스템 및 그 제어방법 |
| CN111769313A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-10-13 | 中国第一汽车股份有限公司 | 一种燃料电池系统的控制方法 |
| CN111883801A (zh) * | 2020-07-06 | 2020-11-03 | 无锡沃尔福汽车技术有限公司 | 一种燃料电池空气系统 |
| CN112186223A (zh) * | 2020-09-27 | 2021-01-05 | 重庆长安新能源汽车科技有限公司 | 一种汽车燃料电池系统及其空气湿度控制方法 |
| CN112290056A (zh) * | 2020-10-30 | 2021-01-29 | 武汉格罗夫氢能汽车有限公司 | 一种氢燃料电池的阴极空气供给系统控制方法 |
-
2021
- 2021-03-30 CN CN202110339994.XA patent/CN113097533A/zh active Pending
Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090258257A1 (en) * | 2006-08-10 | 2009-10-15 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell system |
| WO2014103823A1 (ja) * | 2012-12-28 | 2014-07-03 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム |
| KR20200055345A (ko) * | 2018-11-13 | 2020-05-21 | 코오롱머티리얼 주식회사 | 연료전지 시스템 및 그 제어방법 |
| CN110165259A (zh) * | 2019-05-16 | 2019-08-23 | 苏州纳尔森能源科技有限公司 | 电池的运行状态的监测方法及装置、系统 |
| CN110197915A (zh) * | 2019-05-28 | 2019-09-03 | 深圳国氢新能源科技有限公司 | 燃料电池湿度控制系统 |
| CN110112437A (zh) * | 2019-07-02 | 2019-08-09 | 潍柴动力股份有限公司 | 燃料电池的电堆入口空气流量调节方法及相关装置 |
| CN110165255A (zh) * | 2019-07-10 | 2019-08-23 | 武汉雄韬氢雄燃料电池科技有限公司 | 一种燃料电池发动机空压控制系统及方法 |
| CN110600773A (zh) * | 2019-09-23 | 2019-12-20 | 上海电气集团股份有限公司 | 燃料电池系统中空气供给系统的故障诊断方法及装置 |
| CN111063920A (zh) * | 2019-12-30 | 2020-04-24 | 新源动力股份有限公司 | 一种燃料电池电堆流体分配一致性检测方法 |
| CN111769313A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-10-13 | 中国第一汽车股份有限公司 | 一种燃料电池系统的控制方法 |
| CN111883801A (zh) * | 2020-07-06 | 2020-11-03 | 无锡沃尔福汽车技术有限公司 | 一种燃料电池空气系统 |
| CN112186223A (zh) * | 2020-09-27 | 2021-01-05 | 重庆长安新能源汽车科技有限公司 | 一种汽车燃料电池系统及其空气湿度控制方法 |
| CN112290056A (zh) * | 2020-10-30 | 2021-01-29 | 武汉格罗夫氢能汽车有限公司 | 一种氢燃料电池的阴极空气供给系统控制方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 武雷雷: "燃料电池电堆测试台架技术研究", 《中国新技术新产品》 * |
| 齐基: "PEM燃料电池堆单片一致性的研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》 * |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113707916A (zh) * | 2021-07-23 | 2021-11-26 | 上海重塑能源科技有限公司 | 燃料电池湿度估算方法及估算系统 |
| CN113707916B (zh) * | 2021-07-23 | 2023-08-04 | 上海重塑能源科技有限公司 | 燃料电池湿度估算方法及估算系统 |
| CN113659177A (zh) * | 2021-08-23 | 2021-11-16 | 中国汽车工程研究院股份有限公司 | 一种燃料电池测试台加湿装置与基于迭代学习的控制方法 |
| CN113659177B (zh) * | 2021-08-23 | 2023-06-06 | 中国汽车工程研究院股份有限公司 | 一种燃料电池测试台加湿装置与基于迭代学习的控制方法 |
| CN113964354A (zh) * | 2021-10-29 | 2022-01-21 | 北京亿华通科技股份有限公司 | 一种燃料电池增湿器泄漏的检测控制装置及其方法 |
| CN114725435A (zh) * | 2022-04-22 | 2022-07-08 | 中国第一汽车股份有限公司 | 燃料电池空气供应系统及其控制方法、控制装置 |
| DE102022207984A1 (de) | 2022-08-02 | 2024-02-08 | Mahle International Gmbh | Verfahren zum Feststellen der Degradation eines Befeuchters |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113097533A (zh) | 一种燃料电池空气供应系统 | |
| CN110380086B (zh) | 一种燃料电池辅助系统及停机阴极快速吹扫方法 | |
| CN111769313B (zh) | 一种燃料电池系统的控制方法 | |
| CN111224132B (zh) | 一种燃料电池关机吹扫方法及系统 | |
| CN113258106B (zh) | 一种燃料电池生成水含量的判断方法和控制系统 | |
| JP2000243418A (ja) | 燃料電池システム | |
| CN109713334A (zh) | 燃料电池电堆测试台及其使用方法 | |
| US20080088043A1 (en) | Fuell cell system and operation method of fuel cells | |
| CN113782778B (zh) | 基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控方法及装置 | |
| CN112133940A (zh) | 一种燃料电池系统空气路控制系统及方法 | |
| CN203326037U (zh) | 一种用于质子交换膜燃料电池的阴极排气再循环系统 | |
| CN114759229A (zh) | 燃料电池控制系统 | |
| US20140120434A1 (en) | Method for determining membrane protonic resistance of a fuel cell stack | |
| CN115188998B (zh) | 一种燃料电池空气系统的加湿器漏气诊断方法 | |
| CN115332582B (zh) | 一种燃料电池低温启动控制系统 | |
| CN116487654B (zh) | 燃料电池阴极进气气体的湿度控制系统和车辆 | |
| CN219350276U (zh) | 一种燃料电池空气系统 | |
| CN114744246B (zh) | 一种燃料电池系统及其空气湿度调节方法 | |
| CN213124506U (zh) | 一种燃料电池系统空气路控制系统 | |
| CN117096384A (zh) | 一种质子交换膜燃料电池加湿系统及控制方法 | |
| CN113707915B (zh) | 一种可用于燃料电池电堆的水管理控制方法及装置 | |
| CN220934129U (zh) | 一种燃料电池电堆的反极测试系统 | |
| CN116505033B (zh) | 一种燃料电池空气系统泄漏诊断方法 | |
| CN219419109U (zh) | 一种燃料电池系统湿度控制结构 | |
| CN116364973B (zh) | 一种燃料电池吹扫方法及系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210709 |