CN113555592A - 燃料电池系统的氮气浓度自适应控制方法 - Google Patents

燃料电池系统的氮气浓度自适应控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了燃料电池系统的氮气浓度自适应控制方法，包括：判断是否触发更新条件；执行扩散系数获取操作：扩散系数计算公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；获取膜的氢气扩散系数
Figure 214652DEST_PATH_IMAGE002
；将氢气的扩散系数
Figure 87930DEST_PATH_IMAGE002
转化为氮气的扩散系数
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，其转化公式为
Figure 15565DEST_PATH_IMAGE004
；根据氮气的扩散系数
Figure 999702DEST_PATH_IMAGE003
调整系数标定量。本发明通过在线的扩散系数获取操作，可以获得电堆在不同生命周期状态下的膜的氢气的气体扩散系数，通过氢气和氮气之间的转化关系，从而得到氮气的气体扩散系数，利用其调整系统的标定参数，得到燃料电池系统性能和耐久性的最优控制效果。

Description

燃料电池系统的氮气浓度自适应控制方法
技术领域
本发明主要涉及燃料电池系统技术领域，具体为燃料电池系统的氮气浓度自适应控制方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池的工作原理是氢气和氧气发生电化学反应，生成水的同时输出电能。由于燃料电池单体的电压通常小于1V,在实际应用时，需要将上百片单体串联组成燃料电池电堆，并匹配相应的外围附件，构成燃料电池系统。
性能是燃料电池系统的核心指标之一，燃料电池系统运行过程中，为了提高利用率，通常采用阳极循环的系统架构，但该架构会导致氢气侧的废气无法及时排出，尤其是氮气，导致反应气体氢气浓度不足，引起局部的碳腐蚀影响寿命，严重的甚至引起电堆电压反极形成不可逆的衰减。对于氢气侧的氢气浓度有通过安装氢气浓度传感器或者基于模型计算的方法等，但是由于传感器成本较高且在有液态水的情况下容易损坏，而基于模型的估计方法则由于其模型参数是初始状态的，一般是出厂状态的，但由于其估计的关键参数是随着燃料电池的衰减而不断变化的，因此估计的结果无法反应燃料电池全生命周期的氢气侧氢气浓度的真实状态。
发明内容
本发明主要提供了燃料电池系统的氮气浓度自适应控制方法，用以解决上述背景技术中提出的技术问题。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
燃料电池系统的氮气浓度自适应控制方法，所述方法包括S01）判断是否触发更新条件，所述更新条件为燃料电池系统距离上一次更新运行100小时，满足更新条件进入下一步，否则继续判断直到满足更新条件；S02）执行扩散系数获取操作：关闭燃料电池空气侧的进出口阀门，在氢气侧供给预设压力
Figure 890576DEST_PATH_IMAGE001
的氢气，采集
Figure 73295DEST_PATH_IMAGE002
时间后的压力值
Figure 56295DEST_PATH_IMAGE004
，扩散系数计算公式为
Figure 717083DEST_PATH_IMAGE005
；其中
Figure 610084DEST_PATH_IMAGE006
为通用气体常数，
Figure 698126DEST_PATH_IMAGE007
为操作时的电堆温度，
Figure 168421DEST_PATH_IMAGE002
为操作时间；S03）获取膜的氢气扩散系数
Figure 632901DEST_PATH_IMAGE008
，由S02）中扩散系数
Figure 301779DEST_PATH_IMAGE005
得到
Figure 623039DEST_PATH_IMAGE009
；S04）将氢气的扩散系数
Figure 642948DEST_PATH_IMAGE008
转化为氮气的扩散系数
Figure 583222DEST_PATH_IMAGE010
，其转化公式为
Figure 372187DEST_PATH_IMAGE011
；其中常数
Figure 880659DEST_PATH_IMAGE012
可以通过膜的材料的理论化学特性获取；S05）根据氮气的扩散系数
Figure 387864DEST_PATH_IMAGE010
调整系数标定量，首先在试验中获取不同氮气扩散系数数值和系统标定量的MAP关系，测定氮气的扩散系数
Figure 662988DEST_PATH_IMAGE010
后即根据可根据氮气的扩散系数
Figure 509721DEST_PATH_IMAGE010
得到相应的系统标定量，对燃料电池的系统标定量进行调整。
优选的，所述常数
Figure 110467DEST_PATH_IMAGE012
还可以通过实验室标定获取。
优选的，所述系统标定量可以是吹扫电磁阀的开启时间。
优选的，所述系统标定量还可以是吹扫电磁阀的开启频率。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过在线的扩散系数获取操作，可以获得电堆在不同生命周期状态下的膜的氢气的气体扩散系数，通过氢气和氮气之间的转化关系，从而得到氮气的气体扩散系数，利用其调整系统的标定参数，得到燃料电池系统性能和耐久性的最优控制效果。
以下将结合附图与具体的实施例对本发明进行详细的解释说明。
附图说明
图1为本发明氮气浓度自适应控制方法的流程图；
图2为现有技术中燃料电池系统构型图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更加全面的描述，附图中给出了本发明的若干实施例，但是本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于文本所描述的实施例，相反的，提供这些实施例是为了使对本发明公开的内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上也可以存在居中的元件，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件，本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常连接的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语知识为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请着重参照附图1-2，燃料电池系统的氮气浓度自适应控制方法，包括S01）判断是否触发更新条件，更新条件为燃料电池系统距离上一次更新运行100小时，满足更新条件进入下一步，否则继续判断直到满足更新条件；S02）执行扩散系数获取操作：关闭燃料电池空气侧的进出口阀门，在氢气侧供给预设压力
Figure 167284DEST_PATH_IMAGE001
的氢气，采集
Figure 511678DEST_PATH_IMAGE002
时间后的压力值
Figure 212918DEST_PATH_IMAGE004
，扩散系数计算公式为
Figure 984565DEST_PATH_IMAGE005
；其中
Figure 200782DEST_PATH_IMAGE006
为通用气体常数，
Figure 158987DEST_PATH_IMAGE007
为操作时的电堆温度，
Figure 777050DEST_PATH_IMAGE002
为操作时间；S03）获取膜的氢气扩散系数
Figure 922860DEST_PATH_IMAGE008
，由S02）中扩散系数
Figure 626374DEST_PATH_IMAGE005
得到
Figure 374887DEST_PATH_IMAGE009
；S04）将氢气的扩散系数
Figure 847457DEST_PATH_IMAGE008
转化为氮气的扩散系数
Figure 226486DEST_PATH_IMAGE010
，其转化公式为
Figure 354979DEST_PATH_IMAGE011
；其中常数
Figure 844866DEST_PATH_IMAGE012
可以通过膜的材料的理论化学特性获取；S05）根据氮气的扩散系数
Figure 984991DEST_PATH_IMAGE010
调整系数标定量，首先在试验中获取不同氮气扩散系数数值和系统标定量的MAP关系，测定氮气的扩散系数
Figure 269342DEST_PATH_IMAGE010
后即根据可根据氮气的扩散系数
Figure 947448DEST_PATH_IMAGE010
得到相应的系统标定量，对燃料电池的系统标定量进行调整。
常数
Figure 178709DEST_PATH_IMAGE012
还可以通过实验室标定获取。
系统标定量可以是吹扫电磁阀的开启时间，还可以是吹扫电磁阀的开启频率。
本发明的具体操作方式如下：
首先，“判断是否触发更新条件”指的是是否达到了燃料电池系统距离上次更新运行了100小时，即每100小时进行一次执行扩散系数获取操作，扩散系数通过计算公式
Figure 625871DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 143440DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 308842DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 874953DEST_PATH_IMAGE002
即可得到，将燃料电池空气侧的进出口阀门关闭，在氢气侧供给预设压力
Figure 379883DEST_PATH_IMAGE001
的氢气，采集
Figure 6037DEST_PATH_IMAGE002
时间后的压力值
Figure 393156DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 841586DEST_PATH_IMAGE006
为通用气体常数，
Figure 997761DEST_PATH_IMAGE007
为操作时的电堆温度，
Figure 998078DEST_PATH_IMAGE002
为操作时间；
由扩散系数
Figure 872493DEST_PATH_IMAGE005
得到
Figure 373881DEST_PATH_IMAGE009
；
Figure 650142DEST_PATH_IMAGE011
；常数
Figure 618098DEST_PATH_IMAGE012
可以通过膜的材料的理论化学特性获取也可以通过在实验室标定获取，此为现有技术在此不做赘述；
接着根据氮气的扩散系数
Figure 917492DEST_PATH_IMAGE010
调整燃料电池的系数标定量，已知能够在试验中获取不同氮气扩散系数数值和燃料电池的系统标定量的MAP关系，所以在获取氮气的扩散系数
Figure 894675DEST_PATH_IMAGE010
后，就可以根据MAP调节相应的燃料电池的系数标定量，例如调节吹扫电磁阀3的开启时间，或者它的开启频率，下表给出了根据氮气扩散系数调整吹扫电磁阀3开启时间的MAP示意关系：
氮气扩散系统
Figure DEST_PATH_IMAGE013
 1.0 1.5 2.0 2.5
吹扫电磁阀开启时间/s 0.3 0.4 0.5 0.6
且现有的技术如所述图2为典型的燃料电池系统构型图，包括由氢气控制阀1，氢气循环泵2，吹扫电磁阀3，电堆4，调压阀5，空压机6，氢气压力传感器7构成的燃料电池系统。空气由空压机6的一侧进入，由调压阀5一侧出去，氢气从氢气控制阀1一侧进入，从吹扫电磁阀3一侧进行循环。
上述结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的这种非实质改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.燃料电池系统的氮气浓度自适应控制方法，其特征在于，所述方法包括
S01）判断是否触发更新条件，所述更新条件为燃料电池系统距离上一次更新运行100小时，满足更新条件进入下一步，否则继续判断直到满足更新条件；
S02）执行扩散系数获取操作：关闭燃料电池空气侧的进出口阀门，在氢气侧供给预设压力
Figure 372183DEST_PATH_IMAGE001
的氢气，采集
Figure 416362DEST_PATH_IMAGE002
时间后的压力值
Figure 221507DEST_PATH_IMAGE003
，扩散系数计算公式为
Figure 133968DEST_PATH_IMAGE004
；其中
Figure 973748DEST_PATH_IMAGE005
为通用气体常数，
Figure 188829DEST_PATH_IMAGE006
为操作时的电堆温度，
Figure 481270DEST_PATH_IMAGE002
为操作时间；
S03）获取膜的氢气扩散系数
Figure 72788DEST_PATH_IMAGE007
，由S02）中扩散系数
Figure 501496DEST_PATH_IMAGE004
得到
Figure 153057DEST_PATH_IMAGE008
；
S04）将氢气的扩散系数
Figure 808160DEST_PATH_IMAGE007
转化为氮气的扩散系数
Figure 937790DEST_PATH_IMAGE009
，其转化公式为
Figure 486583DEST_PATH_IMAGE010
；其中常数
Figure 309046DEST_PATH_IMAGE011
通过膜的材料的理论化学特性获取；
S05）根据氮气的扩散系数
Figure 310500DEST_PATH_IMAGE009
调整系数标定量，首先在试验中获取不同氮气扩散系数数值和系统标定量的MAP关系，测定氮气的扩散系数
Figure 509400DEST_PATH_IMAGE009
后即可根据氮气的扩散系数
Figure 771754DEST_PATH_IMAGE009
得到相应的系统标定量，对燃料电池的系统标定量进行调整。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统的氮气浓度自适应控制方法，其特征在于，所述常数
Figure 30697DEST_PATH_IMAGE011
通过实验室标定获取。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统的氮气浓度自适应控制方法，其特征在于，所述系统标定量是吹扫电磁阀的开启时间。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统的氮气浓度自适应控制方法，其特征在于，所述系统标定量是吹扫电磁阀的开启频率。
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