CN113540535A - 用于氢燃料电池的控制方法、控制系统及氢燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于氢燃料电池的控制方法、控制系统及氢燃料电池，属于燃料电池领域。所述用于氢燃料电池的控制方法包括：确定所述氢燃料电池输出的电信号；以及根据所述电信号调整排氢频率。通过上述技术方案，能够在保障氢气供给需求的同时有效减少氢耗，降低氢燃料电池的成本。

Description

用于氢燃料电池的控制方法、控制系统及氢燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体地涉及一种用于氢燃料电池的控制方法、控制系统及氢燃料电池。
背景技术
氢燃料电池系统是一种将氢气化学能转化为电能的装置，反应物为水，具有低温运行、清洁、高效和低噪音等优点，可以应用到交通运输、储能电站和备用电源等领域，具有广泛的应用前景。随着氢燃料电池技术的发展及商业化进程，除了燃料电池的性能和耐久性，固定成本、运营经济性即氢耗也成为研究人员关注的重心。
燃料电池系统的全工况区间包含启动、怠速、低速、额定功率、过载和停机的一系列工作点。然而本申请发明人发现，当前大多燃料电池系统在全工况区间采取统一的控制方法，例如统一的排氢频率，或者增加额外的辅助零部件如氢气循环泵，降低怠速和低速下的氢耗，但是这些控制方法均不能解决燃料电池系统在全工况区间内氢耗高的问题。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种用于氢燃料电池的控制方法、控制系统及氢燃料电池，用于解决上述技术问题中的一者或多者。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种用于氢燃料电池的控制方法，所述方法包括：确定所述氢燃料电池输出的电信号；以及根据所述电信号调整排氢频率。
可选的，所述根据所述电信号调整排氢频率包括：随着所述电信号的电流值的增大而增加排氢频率。
可选的，所述根据所述电信号调整排氢频率包括：根据所述氢燃料电池输出的电信号确定所述氢燃料电池所处工况；以及根据所述氢燃料电池所述工况调整排氢频率。
可选的，所述根据所述氢燃料电池所处工况调整排氢频率包括：在所述氢燃料电池所处工况为高电流工况时，按照第一预设排氢频率进行排氢；在所述氢燃料电池所处工况为低电流工况和中电流工况时，按照第二预设排氢频率进行排氢，其中，所述第一预设排氢频率高于所述第二预设排氢频率。
可选的，所述第一预设排氢频率为所述第二预设排氢频率的1.5倍至3倍。
可选的，所述根据所述氢燃料电池所处工况调整排氢频率包括：在所述氢燃料电池所处工况为高电流工况时，按照第一预设排氢频率进行排氢；在所述氢燃料电池所处工况为中电流工况时，按照第二预设排氢频率进行排氢；在所述氢燃料电池所处工况为低电流工况时，按照第三预设排氢频率进行排氢，其中，所述第一预设排氢频率高于所述第二预设排氢频率，所述第二预设排氢频率高于所述第三预设排氢频率。
可选的，所述第二预设排氢频率为所述第三预设排氢频率的2倍至3倍，所述第一排氢频率为所述第三预设排氢频率的3倍以上。
另一方面，本发明提供一种用于氢燃料电池的控制系统，所述控制系统包括：排氢电磁阀；检测单元，用于检测所述氢燃料电池输出的电信号；控制单元，用于根据所述氢燃料电池输出的电信号控制所述排氢电磁阀动作以调整排氢频率。
另一方面，本发明提供一种氢燃料电池，所述氢燃料电池设置有如上述中任一项所述的用于氢燃料电池的控制系统。
另一方面，本发明提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行本申请上述中任一项所述的用于氢燃料电池的控制方法。
通过上述技术方案，能够在保障氢气供给需求的同时有效减少氢耗，降低氢燃料电池的成本。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1是本发明实施例提供的用于氢燃料电池的控制方法的流程示意图；
图2是在固定排氢频率下的氢燃料电池的氢气利用率曲线图；
图3是在调整排氢频率下的氢燃料电池的氢气利用率曲线图；
图4是本发明实施例提供的用于氢燃料电池的控制系统的结构框图；
图5是本发明实施例提供的用于氢燃料电池的控制系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
本发明实施例中的术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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至少一个该特征。
随着氢燃料电池的反应的进行，氢气管路中会累积水蒸气等杂质，因此需要通过排氢的方式来保证氢燃料电池中的氢气浓度。然而本申请发明人发现，对于氢燃料电池来说，虽然排氢可以提高氢燃料电池中的氢气浓度，但是排氢频率并非是越高越好，频率过高的排氢不仅会影响氢燃料电池的能量转换效率，还会浪费氢气，导致氢燃料电池成本过高。在此基础上，本申请发明人提出一种可以根据氢燃料电池输出的电信号调整排氢频率的方法，以便于在保障氢气供给需求的同时减少氢耗，降低氢燃料电池成本。
图1是本发明实施例提供的用于氢燃料电池的控制方法的流程示意图。如图1所示，所述用于氢燃料电池的控制方法包括步骤S110至S120。
其中，在步骤S110，确定所述氢燃料电池输出的电信号，在步骤S120，根据所述电信号调整排氢频率。
可选的，用于确定氢燃料电池输出的电信号的方法可以为现有的任意方法，只要能够确定氢燃料电池的输出状态即可。
其中，所述根据氢燃料电池输出的电信号进行排氢可以包括根据电信号的电流值的变化而调整排氢频率，或者也可以根据所述输出电信号确定氢燃料电池的功率，再根据所述功率来调整排氢频率。
例如，在电信号的电流值较低的情况下，可以在原有的固定排氢频率的基础上适当降低排氢频率，在电信号的电流值较高的情况下，可以使得排氢频率维持在原有状态，或者也可以在原有的固定排氢频率的基础上适当增加排氢频率。
其中，考虑到排氢频率的具体取值还受到氢燃料电池规格的影响，因而本发明提供的实施例中并未统一限定频率，因此本领域技术人员可以在氢燃料电池当前的排氢频率的基础上根据氢燃料电池输出的电信号对排氢频率进行调整，例如，可以在原有的排氢频率的基础上按照一定百分比调整排氢频率等。上述举例仅具有示例性作用，具体的调整方式以及排氢频率的具体值均可以由本领域技术人员根据实际需求自行设定。
为了避免频繁调整排氢频率和降低数据处理复杂度，还可以将氢燃料电池输出的电信号分为几个阶段，也就是根据所述氢燃料电池输出的电信号确定其所处的工况，再根据氢燃料电池所处工况调整排氢频率，即在氢燃料电池当前阶段处于同一工况的情况下，不再需要反复根据其输出的电信号频繁调整排氢频率。
例如，可以在确定所述氢燃料电池所处工况为高电流工况时，按照第一预设排氢频率进行排氢，在所述氢燃料电池所处工况为低电流工况和中电流工况时，按照第二预设排氢频率进行排氢。
上述的预设排氢频率之间按照从大到小的顺序为：第一预设排氢频率，第二预设排氢频率。
例如，所述第一预设排氢频率为所述第二预设排氢频率的1.5倍至3倍。
或者，在所述氢燃料电池所处工况为高电流工况时，按照第一预设排氢频率进行排氢，在所述氢燃料电池所处工况为中电流工况时，按照第二预设排氢频率进行排氢，在所述氢燃料电池所处工况为低电流工况时，按照第二预设排氢频率进行排氢。
上述的预设排氢频率之间按照从大到小的顺序为：第一预设排氢频率、第二预设排氢频率以及第三预设排氢频率。
例如，所述第二预设排氢频率为所述第三预设排氢频率的2倍至3倍，所述第一排氢频率为所述第三预设排氢频率的3倍以上。
具体的，在氢燃料电池已有固定排氢频率的基础上，可以在已有固定排氢频率的90％至120％的范围内选定一具体数值作为高电流工况的排氢频率，在已有固定排氢频率的60％至90％的范围内选定一具体数据作为中电流工况的排氢频率，在已有固定排氢频率的25％至35％的范围内选定一具体数据作为低电流工况的排氢频率。
可选的，在氢燃料电池处于低电流工况、中电流工况或者高电流工况时，具体工况范围内的排氢频率可以不为定值，例如可以根据电流值的变化情况而逐渐调整排氢频率，所述排氢频率的具体取值可以从所述电流对应的电流工况所对应的排氢频率范围内进行选定，通过这种方式能够进一步提高氢燃料电池的氢气利用率。
本发明实施例中提供的低电流工况、中电流工况和高电流工况均由电流值确定，考虑到受氢燃料电池输出的额定电流会受电池规格影响，因而可以将氢燃料电池输出的电流值达到额定电流值时确定为高电流工况，在氢燃料电池输出的电流值为额定电流值的30％-40％到额定电流值之间确定为中电流工况，在氢燃料电池输出的电流值低于额定电流值的30％-40％的情况下确定为低电流工况。
本发明上述有关低电流工况、中电流工况和高电流工况仅用作示例，例如高电流工况可以在氢燃料电池输出的电流值达到额定电流值的80％-90％即可，因而具体可根据实际情况进行设定。
通过本发明实施例提供的技术方案，结合氢燃料电池的工况来调整排氢频率，不仅能够提高氢气利用率，降低成本，还能够在一定程度上延长氢燃料电池的使用寿命。
现以一具体实施例，结合氢耗来详细解释本发明实施例提供的技术方案。其中，本发明该实施例中的氢气利用率f和理论耗氢量hflow分别由以下公式确定：f＝hflow/Hflow，hflow＝N×(m×I)/(n×F)，在上述公式中，N为氢燃料电池中的单电池片数，m为氢气的摩尔质量，n为电子转移数，F为法拉第常数，I为氢燃料电池电流。上述公式中的Hflow为实际耗氢量，其可以通过流量计等检测设备直接检测得到。
某厂家的型号为H-200的200W燃料电池系统，自带排氢频率为10s/0.1s(即每隔10s排氢0.1s)。本发明该实施例中对燃料电池放电过程分为三个等级进行优化测试，分别为低电流-2A，中电流-5A及高电流-8A，并且分别对应了燃料电池系统的低功率工作点、中等功率工作点以及额定功率工作点。经实测发现，在所述自带固定排氢频率下，该燃料电池系统在全工况区间内的氢气利用率的曲线图如图2所示，三个等级工作点的氢气利用率分别为：0.6421，0.9280，0.9746。虽然高电流下氢气利用率已经很高，但在中电流和低电流下的氢气利用率较低。
采用本发明提供的方案对燃料电池的排氢频率优化，将燃料电池系统中的低电流工况和中电流工况下的排氢频率改变为30s/0.1s(即每隔30s排氢0.1s)，高电流工况下的排氢频率维持原有排氢频率不变，经实测后发现，该燃料电池系统在全工况区间内的氢气利用率的曲线图如图3示，在0至2A之间认定为低电流工况，在2A至5A之间认定为中电流工况，在大于5A时认定为高电流工况，其中三个等级工作点的氢气利用率分别为：0.8391，0.9698，0.9746。即低电流点氢气利用率大幅度提高，中电流点的氢气利用率稍微提高。
此外，还可以在低电流工况中进一步降低排氢频率，例如可以以30s/0.1s的频率进行排氢，这样可以实现对低电流工作点的氢气利用率的进一步优化提高。
经上述实施例可以表明，本发明提供的技术方案可以有效改善在中电流工况和低电流工况下的氢气利用率，提高了能源利用率，还能够有效降低燃料电池的成本。
图4是本发明实施例提供的用于氢燃料电池的控制系统的结构框图。如图4所示，所示用于氢燃料电池的控制系统包括排氢电磁阀410、检测单元420和控制单元430。其中，检测单元420能够检测氢燃料电池440输出的电信号，控制单元430与所述排氢电磁阀410和检测单元420相连接，用于根据所述检测单元420检测的电信号控制排氢电磁阀410动作以调整排氢频率。
可选的，所述控制单元430可以为通用处理器、专用处理器、常规处理器、数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processing)、多个微处理器、与DSP核心关联的一个或多个微处理器、控制器、微控制器、专用集成电路(ASIC，Application Specific IntegratedCircuit)、现场可编程门阵列(FPGA，Field-Programmable Gate Array)电路、其他任何类型的集成电路(IC，Integrated Circuit)、状态机等等。其可与用于执行氢燃料相关的其它功能的控制的控制器为同一控制器。
在一些可选实施例中，所述控制单元还可以用于根据所述电信号的电流值的增大而增加排氢频率。
在一些可选实施例中，所述控制单元还可以用于根据所述氢燃料电池输出的电信号确定所述氢燃料电池所处工况，并根据所述氢燃料电池所述工况调整排氢频率。
例如，控制单元可以通过以下方式调整排氢频率：在所述氢燃料电池所处工况为高电流工况时，按照第一预设排氢频率进行排氢；在所述氢燃料电池所处工况为低电流工况和中电流工况时，按照第二预设排氢频率进行排氢，其中，所述第一预设排氢频率高于所述第二预设排氢频率。
或者，控制单元也可以通过以下方式进一步调整排氢频率：在所述氢燃料电池所处工况为高电流工况时，按照第一预设排氢频率进行排氢；在所述氢燃料电池所处工况为中电流工况时，按照第二预设排氢频率进行排氢；在所述氢燃料电池所处工况为低电流工况时，按照第三预设排氢频率进行排氢。
本发明上述实施例中的预设排氢频率按照从大到小的顺序依次为：第一预设排氢频率、第二预设排氢频率和第三预设排氢频率。
可选的，上述排氢频率的调整方法可以由本领域技术人员根据实际需求自行设定，例如可以以原有固定排氢频率为依据，按照一定比例进行调整等。
现结合图5以一具体实施例来详细解释本发明实施例提供的用于氢燃料电池的控制系统。如图5所示，所述用于氢燃料电池的控制系统包括：流量计、进氢电磁阀、控制器、带风扇的燃料电池电堆、排氢电磁阀和电子负载。其中，燃料电池系统为带风扇的燃料电池电堆，电子负载用于燃料电池系统放电，氢气流量计用于计量实际耗氢量，在进氢电磁阀打开的情况下，氢气通过所述进氢电磁阀进入燃料电池电堆参数反应，控制器控制用于控制排氢电磁阀动作，以实现排氢频率的调节。
有关于本发明上述实施例体用的用于氢燃料电池的控制系统的具体细节及益处，可参阅上述针对本发明提供的用于氢燃料电池的控制方法的描述，于此不再赘述。
本发明实施例还提供了一种氢燃料电池，所述氢燃料电池设置有本发明实施例提供的用于氢燃料电池的控制系统，以便于降低氢燃料电池的成本的同时，提高氢燃料电池的寿命。
本发明实施例还提供了一种机器可读存储介质，所述机器可读存储介质上存储有指令，所述指令用于使得机器执行本发明实施例提供的用于氢燃料电池的控制方法。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种用于氢燃料电池的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
确定所述氢燃料电池输出的电信号；以及
根据所述电信号调整排氢频率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述电信号调整排氢频率包括：
随着所述电信号的电流值的增大而增加排氢频率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述电信号调整排氢频率包括：
根据所述氢燃料电池输出的电信号确定所述氢燃料电池所处工况；以及
根据所述氢燃料电池所述工况调整排氢频率。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述氢燃料电池所处工况调整排氢频率包括：
在所述氢燃料电池所处工况为高电流工况时，按照第一预设排氢频率进行排氢；
在所述氢燃料电池所处工况为低电流工况和中电流工况时，按照第二预设排氢频率进行排氢，
其中，所述第一预设排氢频率高于所述第二预设排氢频率。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述第一预设排氢频率为所述第二预设排氢频率的1.5倍至3倍。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述氢燃料电池所处工况调整排氢频率包括：
在所述氢燃料电池所处工况为高电流工况时，按照第一预设排氢频率进行排氢；
在所述氢燃料电池所处工况为中电流工况时，按照第二预设排氢频率进行排氢；
在所述氢燃料电池所处工况为低电流工况时，按照第三预设排氢频率进行排氢，
其中，所述第一预设排氢频率高于所述第二预设排氢频率，所述第二预设排氢频率高于所述第三预设排氢频率。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述第二预设排氢频率为所述第三预设排氢频率的2倍至3倍，所述第一排氢频率为所述第三预设排氢频率的3倍以上。
8.一种用于氢燃料电池的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：
排氢电磁阀；
检测单元，用于检测所述氢燃料电池输出的电信号；
控制单元，用于根据所述氢燃料电池输出的电信号控制所述排氢电磁阀动作以调整排氢频率。
9.一种氢燃料电池，其特征在于，所述氢燃料电池设置有如权利要求8所述的用于氢燃料电池的控制系统。
10.一种机器可读存储介质，其特征在于，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行本申请上述权利要求1-7中任一项所述的用于氢燃料电池的控制方法。
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