CN113193213B - 燃料电池气体湿度的控制方法、装置、车辆及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池气体湿度的控制方法、装置、车辆及存储介质。控制方法包括：将气体通过加湿器进行加湿；空气经过加湿器前的状态为状态一，经过加湿器后的状态为状态二，分别采集空气在状态一和状态二下的气体状态量；分别计算气体在状态一和状态二下的干气体质量流率和水蒸气质量流率；根据状态一的气体状态量、状态二的气体状态量、状态一的干气体质量流率和水蒸气质量流率、状态二的干气体质量流率和水蒸气质量流率计算单位时间内应该向气体中喷入水的质量；根据计算结果控制加湿器向气体中喷水，将加湿后的空气通入燃料电池中。本发明能简单的计算出喷水量，结构简单，对原有燃料电池发动机的结构改动较少，成本较低，拓展性较强。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池气体湿度的控制方法、装置、车辆及存储介质。
背景技术
随着近年来化石能源的减少以及污染排放量的增加，清洁替代能源的开发和利用发展越来越快。由于氢气是最清洁且能量密度较高的燃料，因此氢能被认为是最具潜力的新能源。质子交换膜燃料电池是通过氢气和氧气的化学反应将化学能转化为电能，并且生成的产物只有水和热量，因此质子交换膜燃料电池发动机和传统内燃机相比，具有高能效、低排放等优点。
但是质子交换膜燃料电池还存在一些不足，例如质子交换膜的水平衡问题。质子交换膜燃料电池电堆内部质子在传导时需要水的存在，当质子交换膜缺水时，会降低氢质子的传递效率，使电池无法发挥最大性能；当质子交换膜中的水过多则会引起阻塞，产生水淹现象，降低电池的性能。因此控制水平衡对质子交换膜的化学反应具有重要意义。
现有技术中，为了对燃料电池电堆的空气湿度进行调节，结构上需要对燃料电池发动机做出较大改动，结构复杂，成本较高。同时，现有技术中，一般都是只针对空气侧或者氢气侧的独立加湿方案，通用性不强，也没有对调整后的湿度进行修正的方案，湿度调节精确度不高。另外，目前燃料电池气体增湿的方法中，大多需要通过改变增湿水的水温来达到改变增湿气体湿度的目的，导致增湿时间较长，对气体湿度的改变较慢，影响燃料电池的效率。
因此，亟待提供一种燃料电池气体湿度的控制方法、装置、车辆及存储介质来解决上述问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种能简单精确的计算出喷水量，结构简单，对原有燃料电池发动机的结构改动较少，成本较低，拓展性较强的燃料电池气体湿度的控制方法、装置、车辆及存储介质。
为实现上述目的，提供以下技术方案：
一种燃料电池气体湿度的控制方法，包括如下步骤：
A、将气体通过加湿器进行加湿；
B、空气经过加湿器前的状态为状态一，经过加湿器后的状态为状态二，分别采集空气在状态一和状态二下的气体状态量；
C、分别计算气体在状态一和状态二下的干气体质量流率和水蒸气质量流率；
D、根据状态一的气体状态量、状态二的气体状态量、状态一的干气体质量流率和水蒸气质量流率、状态二的干气体质量流率和水蒸气质量流率计算单位时间内应该向气体中喷入水的质量；
E、根据计算结果控制加湿器向气体中喷水，将加湿后的空气通入燃料电池中。
作为上述燃料电池气体湿度的控制方法的一种可选方案，所述步骤B中，所述气体状态量包括气体温度T、压力P、质量流率M及湿度R；
所述步骤C包括：
气体在状态一时：
水蒸气分压为Pv1＝Psat(T1)×RH1； (一)
干气体分压为Pa1＝1-Pv1＝1-Psat(T1)×RH1； (二)
含湿量为
质量流率为
其中，T1、P1、RH1、Pa1、Pv1、/>分别为气体在状态一时的温度、压力、质量流率、空气湿度、干气体分压、水蒸汽分压、干气体质量流率、水蒸汽质量流率；Psat(T1)为T1时的饱和压力，通过温度和饱和压力经验公式查表得到；
结合公式(一)至公式(四)得到气体在状态一时的水蒸汽质量流率：
气体在状态二时：
水蒸气分压为
干气体分压为
水蒸气质量流率为
干气体质量流率为
其中，T2、P2、RH2,obj、Pa2、Pv2、/>分别为气体在状态二时的温度、压力、质量流率、目标气体湿度、干气体分压、水蒸气分压、干气体质量流率、水蒸气质量流率，分别为从状态一到状态二增加的水蒸气分压和水蒸气质量流率；
所述步骤D包括：
单位时间内的喷水质量为
作为上述燃料电池气体湿度的控制方法的一种可选方案，将气体在状态二时的温度T2看成与气体在状态一时的温度T1相等，或通过传感器采集气体在状态二时的温度T2。
作为上述燃料电池气体湿度的控制方法的一种可选方案，所述目标气体湿度RH2,obj通过手动设定给出，或根据当前燃料电池工况计算得到。
作为上述燃料电池气体湿度的控制方法的一种可选方案，所述步骤E之后还包括步骤：
F、对单位时间内的喷水质量进行修正，喷水量的修正量为/>修正后的单位时间内的喷水质量为/>
其中，RH2,atc为加湿器后实际的空气湿度，k为湿度修正系数，通过标定得到。
作为上述燃料电池气体湿度的控制方法的一种可选方案，所述步骤E之后还包括步骤：
根据喷水后实际气体湿度与目标气体湿度存在的偏差调整喷水量，当实际气体湿度大于目标气体湿度时，减少喷水量；当实际气体湿度小于目标气体湿度时，增加喷水量。
作为上述燃料电池气体湿度的控制方法的一种可选方案，所述步骤E中，加湿后的空气通入燃料电池的阴极侧对阴极侧的气体加湿。所述气体湿度的控制方法同样适用于阳极侧加湿或阴极阳极两侧加湿的情况。
一种燃料电池气体湿度的控制装置，包括依次连接的空气压缩机(101)、加湿器(103)以及燃料电池电堆(105)，所述加湿器(103)的前后两端分别设置有第一气体状态采集点(202)以及第二气体状态采集点(203)，所述加湿器上设置有喷水电磁阀(302)。
一种车辆，所述车辆包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上所述的燃料电池气体湿度的控制方法。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上所述的燃料电池气体湿度的控制方法。
本发明的有益之处在于：本发明能根据采集到的气体压力、温度、湿度、流量等气体状态参数，简单的计算出喷水量，结构简单，成本较低，通过对加湿器前后两个检测点的气体状态进行检测即可，对原有燃料电池发动机的结构改动较少，没有增加过多传感器和执行器，且能同时适用于燃料电池的阳极增湿、阴极增湿或者阴极阳极两侧增湿，具有较强的拓展性，可以根据发动机工况确定目标气体湿度，调节增湿器的喷水量，使燃料电池处于最优的工作状态。
附图说明
图1为本发明中燃料电池气体湿度的控制装置实施例的结构示意图；
图2为本发明中燃料电池气体湿度的控制方法实施例的流程图；
图3为本发明中空气处于状态一时的水蒸气质量流率计算流程图；
图4为本发明中空气处于状态二时的水蒸气质量流率计算流程图。
具体实施方式
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描述。
实施例一
本发明实施例一提供了一种燃料电池气体湿度的控制装置，参考图1，燃料电池气体湿度的控制装置包括依次连接的空气压缩机101、冷却器102、加湿器103以及燃料电池电堆105，空气压缩机101、冷却器102、加湿器103及燃料电池电堆105之间通过进气歧管201连接，燃料电池电堆105还连接有排气歧管204，进气歧管201和排气歧管204分别用于进气和排气。加湿器103还与水箱104连接，水箱104的水流至加湿器103对空气进行加湿，加湿后的空气进入燃料电池电堆105，实现燃料电池电堆105的空气湿度调节。加湿器上设置有喷水电磁阀302，以通过调节喷水电磁阀302的开度来调节喷水量。加湿器103的前后两端分别设置有第一气体状态采集点202以及第二气体状态采集点203，通过第一气体状态采集点202及第二气体状态采集点203分别采集第一气体状态采集点202及第二气体状态采集点203处的空气状态参数。可以理解的是，第一气体状态采集点202及第二气体状态采集点203处设置有用于采集空气状态参数的相应传感器。
如图1所示，空气经过空气压缩机101压缩后进入进气歧管201，经过冷却器102进行空气温度调节，再经过第一空气状态测试点202，在此处采集空气温度、压力、质量流率、空气湿度，经过加湿器103后在第二空气状态采集点203处采集空气的湿度，用于和目标气体湿度的比较。
由于加湿器103的体积比较小，可以认为加湿器103是进气歧管201的一部分，因此认为空气气体流的温度不变，或者也可以在空气状态采集点203处采集空气的温度。
实施例二
本发明实施例二提供了一种燃料电池气体湿度的控制方法，参考图2，燃料电池气体湿度的控制方法包括步骤S100～S400。
在步骤S100中，将气体通过加湿器进行加湿；
在步骤S200中，空气经过加湿器前的状态为状态一，经过加湿器后的状态为状态二，分别采集空气在状态一和状态二下的气体状态量；
在步骤S300中，分别计算气体在状态一和状态二下的干气体质量流率和水蒸气质量流率；
在步骤S400中，根据状态一的气体状态量、状态二的气体状态量、状态一的干气体质量流率和水蒸气质量流率、状态二的干气体质量流率和水蒸气质量流率计算单位时间内应该向气体中喷入水的质量；
在步骤S500中，根据计算结果控制加湿器向气体中喷水，将加湿后的空气通入燃料电池中。
具体的，将空气通过加湿器进行加湿后通入燃料电池中，对加湿器前后的空气状态量进行采集即可计算出喷水量，无需对燃料电池发动机的整体结构作太大改动来完成检测和加湿，结构简单，成本较低。步骤S200中的状态一和状态二分别对应实施例一中第一气体状态采集点202及第二气体状态采集点203的气体状态。步骤S200中的气体状态量包括气体温度T、压力P、质量流率M及湿度R。具体的，在状态一时，检测气体的温度、压力、质量流率、空气湿度分别为T1、P1、RH1。在状态二时，检测气体的湿度为RH2,atc，状态二时检测气体的湿度RH2,atc是为了与目标气体湿度RH2,obj进行对比，从而获知调节后实际的气体的湿度RH2,atc与目标气体湿度RH2,obj之间的偏差，进而完成喷水量的修正，实现精确的调节湿度。由于加湿器的体积比较小，可以认为加湿器是进气歧管的一部分，因此认为空气气体流的温度不变，也就是说状态二的气体温度可以看成与状态一的气体温度相同，或者也可以在第二空气状态采集点203处采集状态二的气体温度。
于一实施例中，所述步骤S300包括：
气体在状态一时：
水蒸气分压为Pv1＝Psat(T1)×RH1； (一)
干气体分压为Pa1＝1-Pv1＝1-Psat(T1)×RH1； (二)
含湿量为
质量流率为
其中，T1、P1、RH1、Pa1、Pv1、/>分别为气体在状态一时的温度、压力、质量流率、空气湿度、干气体分压、水蒸汽分压、干气体质量流率、水蒸汽质量流率；Psat(T1)为T1时的饱和压力，通过温度和饱和压力经验公式查表得到；
结合公式(一)至公式(四)得到气体在状态一时的水蒸汽质量流率：
气体在状态二时：
水蒸气分压为
干气体分压为
水蒸气质量流率为
干气体质量流率为
其中，T2、P2、RH2,obj、Pa2、Pv2、/>分别为气体在状态二时的温度、压力、质量流率、目标气体湿度、干气体分压、水蒸气分压、干气体质量流率、水蒸气质量流率，分别为从状态一到状态二增加的水蒸气分压和水蒸气质量流率；
所述步骤S400包括：
单位时间内的喷水质量为
具体的推算过程为：
如图3所示，在状态一时将空气认为是由干空气和水蒸气组成，由空气温度T1查表计算得到当前空气的饱和蒸气压Psat(T1)；
由饱和蒸汽压Psat(T1)和空气湿度RH1计算得到水蒸气分压Pv1＝Psat(T1)×RH1和干空气分压Pa1＝1-Pv1。
空气状态一的含湿量W1等于空气中水蒸汽的质量流率除以干空气的质量流率再由能量方程得到含湿量与质量流率、气体分压的关系为/>
以上所述含湿量的方程式，联合空气质量流率等式可以解方程组得到空气状态一处的水蒸气质量流率与空气温度、空气湿度的关系，即/>
空气在状态二的水蒸气质量流率计算思路和状态一相同，即 RH2,obj是燃料电池电堆前的目标气体湿度，目标气体湿度可以是通过燃料电池当前工况计算得到，或者手动设定。为了达到燃料电池阴极空气湿度的需求，需在加湿器内向空气喷入水，调节空气的湿度。
如图4所示，状态二相对于状态一，其空气状态有以下变化，干空气质量流率不变，即水蒸汽质量流率增/>经过加湿后水蒸气分压增大由于加湿器的体积比较小，因此可以认为加湿器是进气歧管的一部分，因此认为空气状态二处的气体温度相对于空气状态一不变，即T2＝T1。空气状态二处的气体温度也可以通过传感器进行采集得到。
由上述空气状态二相对空气状态一的状态变化，以及水蒸气质量流率与气体状态的关系得到空气在状态二处的水蒸汽质量流率的方程
空气状态二处的水蒸气质量流率减去空气状态一处的水蒸气质量流率/>得到/>也就是单位时间内应该向气体中喷入水的质量，根据计算的喷水量向空气喷水即可。
于一实施例中，步骤S500之后还包括步骤：
根据喷水后实际气体湿度与目标气体湿度存在的偏差调整喷水量，当实际气体湿度大于目标气体湿度时，减少喷水量；当实际气体湿度小于目标气体湿度时，增加喷水量。
为了达到目标空气湿度将计算得到的单位时间内的水喷入空气中。在图1中的第二气体状态采集点203位置采集实际气体湿度，将实际空气湿度和目标气体湿度比较，得到目标气体湿度和实际气体湿度的差值，再通过增大或减少喷嘴的开度修正单位时间内向空气中喷入水的质量。
具体的，步骤S500之后还包括步骤：
S600、对单位时间内的喷水质量进行修正，喷水量的修正量为修正后的单位时间内的喷水质量为/>
其中，RH2,atc为加湿器后实际的空气湿度，加湿器后实际的空气湿度RH2,atc通过第二气体状态采集点203进行采集；k为湿度修正系数，湿度修正系数k通过标定得到。
目标空气湿度RH2,obj减去实际空气湿度RH2,atc，再乘以喷水量的修正系数k，得到单位时间内喷水量的修正值。喷水量的修正值加上步骤S400中计算得到的喷水质量得到最终单位时间内的喷水量，即/>
本发明中，通过向反应气体中喷入雾化的水，准确控制气体湿度，使燃料电池工作在最优状态。该控制方法根据燃料电池工况计算得到反应气体的目标气体湿度，由目标气体湿度和加湿器前的气体湿度的差值调节加湿器内部喷嘴的开度，使气体加湿，气体加湿后得到实际气体湿度。通过实际湿度和目标气体湿度之间的偏差调节喷水电磁阀使实际气体湿度趋近目标气体湿度，从而使得湿度调节更精准。加湿后的空气通入燃料电池的阴极侧进行气体加湿，现有技术中的加湿方法一般只适用于燃料电池的一侧，而本发明中，通过加湿器加湿后的空气可通入燃料电池的阴极侧。其中，本发明的燃料电池气体湿度的控制方法同样适用于阳极侧或阴极阳极两侧的气体加湿情况，具有较强的拓展性。
实施例三
本发明实施例三还在于提供一种车辆，车辆的组件可以包括但不限于：车辆本体、一个或者多个处理器，存储器，连接不同系统组件(包括存储器和处理器)的总线。
存储器作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的燃料电池气体湿度的控制方法对应的程序指令。处理器通过运行存储在存储器中的软件程序、指令以及模块，从而执行车辆的各种功能应用以及数据处理，即实现上述的燃料电池气体湿度的控制方法。
存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储器可进一步包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至车辆。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
实施例四
本发明实施例四还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现一种燃料电池气体湿度的控制方法，该燃料电池气体湿度的控制方法包括如下步骤：
S10、将气体通过加湿器进行加湿；
S20、空气经过加湿器前的状态为状态一，经过加湿器后的状态为状态二，分别采集空气在状态一和状态二下的气体状态量；
S30、分别计算气体在状态一和状态二下的干气体质量流率和水蒸气质量流率；
S40、根据状态一的气体状态量、状态二的气体状态量、状态一的干气体质量流率和水蒸气质量流率、状态二的干气体质量流率和水蒸气质量流率计算单位时间内应该向气体中喷入水的质量；
S50、根据计算结果控制加湿器向气体中喷水，将加湿后的空气通入燃料电池中。
当然，本发明实施例所提供的一种计算机可读存储介质，其计算机可执行指令不限于如上所述的方法操作，还可以执行本发明任意实施例所提供的燃料电池气体湿度的控制方法中的相关操作。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本申请中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用，使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程设备。计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过计算机可读存储介质进行传输。计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如，同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如，红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(Solid State Disk，SSD))等。
上述实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (7)
1.一种基于燃料电池气体湿度的控制装置的控制方法，其中，所述控制装置包括依次连接的空气压缩机、加湿器以及燃料电池电堆，所述加湿器的前后两端分别设置有第一气体状态采集点以及第二气体状态采集点，所述加湿器上设置有喷水电磁阀；
其特征在于，所述控制方法，包括如下步骤：
A、将气体通过加湿器进行加湿；
B、空气经过加湿器前的状态为状态一，经过加湿器后的状态为状态二，分别采集空气在状态一和状态二下的气体状态量；
C、分别计算气体在状态一和状态二下的干气体质量流率和水蒸气质量流率；
D、根据状态一的气体状态量、状态二的气体状态量、状态一的干气体质量流率和水蒸气质量流率、状态二的干气体质量流率和水蒸气质量流率计算单位时间内应该向气体中喷入水的质量；
E、根据计算结果控制加湿器向气体中喷水，将加湿后的空气通入燃料电池中；
所述步骤B中，所述气体状态量包括气体温度T、压力P、质量流率M及湿度R；
所述步骤C包括：
气体在状态一时：
水蒸气分压为Pv1＝Psat(T1)×RH1； (一)
干气体分压为
含湿量为
质量流率为
其中，分别为气体在状态一时的温度、压力、质量流率、空气湿度、干气体分压、水蒸汽分压、干气体质量流率、水蒸汽质量流率；Psat(T1)为T1时的饱和压力，通过温度和饱和压力经验公式查表得到；
结合公式(一)至公式(四)得到气体在状态一时的水蒸汽质量流率：
气体在状态二时：
干气体质量流率为
水蒸气质量流率为
干气体质量流率为
其中，分别为气体在状态二时的温度、压力、质量流率、目标气体湿度、干气体分压、水蒸气分压、干气体质量流率、水蒸气质量流率，/>分别为从状态一到状态二增加的水蒸气分压和水蒸气质量流率；
所述步骤D包括：
单位时间内的喷水质量为
所述步骤E之后还包括步骤：
F、对单位时间内的喷水质量进行修正，喷水量的修正量为/>修正后的单位时间内的喷水质量为/>
其中，RH2,atc为加湿器后实际的空气湿度，k为湿度修正系数，通过标定得到。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，将气体在状态二时的温度T2看成与气体在状态一时的温度T1相等，或通过传感器采集气体在状态二时的温度T2。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述目标气体湿度RH2,obj通过手动设定给出，或根据当前燃料电池工况计算得到。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤E之后还包括步骤：
根据喷水后实际气体湿度与目标气体湿度存在的偏差调整喷水量，当实际气体湿度大于目标气体湿度时，减少喷水量；当实际气体湿度小于目标气体湿度时，增加喷水量。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，
所述步骤E中，加湿后的空气通入燃料电池的阴极侧对阴极侧的气体加湿。
6.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-5中任一所述的控制方法。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一所述的控制方法。
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