CN113571744A - 一种燃料电池系统气体压力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种燃料电池系统气体压力控制方法，通过控制手段，依据压力反馈，主动调节阳极期望压力，避免阴阳极压差过大或过小，满足电堆及系统的正常工作；通过控制手段，依据压力反馈，主动调节供氢模块开度，避免阳极压力过高或过低，满足电堆及系统的正常工作；通过控制手段，依据压力反馈，主动调节空压机转速，避免阴极压力过高或过低，满足电堆及系统的正常工作；通过控制手段，依据压力反馈，主动调节阴阳极压力及压差，避免升降档过程压力或压差异常。

Description

一种燃料电池系统气体压力控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池系统技术领域，特别涉及一种燃料电池系统气体压力控制方法。

背景技术

燃料电池系统的持续运行需要向燃料电池的阴阳极持续提供反应气体，供气通过燃料电池的阳极回路和阴极回路实现。

控制维护燃料电池的阴阳极压力及二者间的压差稳定，避免压力压差的过高或过低是保障燃料电池正常运行，避免系统及电堆损坏，防止安全事故产生的关键。

通常的燃料电池系统具备多个工作档位，高档位具有更高输出，需求更高的阴阳极压力，该档位下的供氢模块开度、空压机转速等控制参数较大；低档位输出较低，需求的阴阳极压力较低，该档位下的供氢模块开度、空压机转速等控制参数也较小。

现有技术方案通过控制程序内设定的当前燃料电池运行档位的阳极压力、空压机转速及节气门开度等参数对供氢模块开度、空压机转速及节气门开度等控制量进行控制，从而维持燃料电池阴阳极压力及压差的稳定。

然而，在一般的燃料电池系统中，可能会遇到下列问题。

1、系统运行时，采用固定参数，某些情形下，阴阳极压差过大或过小，导致电堆损坏；

2、系统运行时，采用固定参数，某些情形下，阳极压力过高或过低，导致电堆损坏或系统输出不足；

3、系统运行时，采用固定参数，某些情形下，阴极压力过高或过低，导致电堆损坏或系统输出不足；

4、系统升降档过程中，由于电堆消耗及参数变化等原因，造成压力压差异常，导致电堆损坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池系统气体压力控制方法，通过控制手段，依据压力反馈，主动调节阳极期望压力，避免阴阳极压差过大或过小，满足电堆及系统的正常工作；通过控制手段，依据压力反馈，主动调节供氢模块开度，避免阳极压力过高或过低，满足电堆及系统的正常工作；通过控制手段，依据压力反馈，主动调节空压机转速，避免阴极压力过高或过低，满足电堆及系统的正常工作；通过控制手段，依据压力反馈，主动调节阴阳极压力及压差，避免升降档过程压力或压差异常。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请公开了一种燃料电池系统气体压力控制方法，包括阳极期望压力的调节和供氢模块开度的调节，所述阳极期望压力的调节包括如下步骤：

S1、获取档位期望压力P0、最大压差P1、最小压差P2和阴极压力；所述档位期望压力P0为控制程序内设定的当前燃料电池运行档位正常运行所需的阳极压力，所述最大压差P1为当前档位正常运行所需的最大阴阳极压差，所述最小压差P2为当前档位正常运行所需的最小阴阳极压差，所述阴极压力为阴极压力传感器反馈的阴极压力；

S2、判断档位期望压力P0与阴极压力的差值与最大压差P1、最小压差P2之间的大小关系；

S21、若档位期望压力P0与阴极压力的差值大于等于最大压差P1，则调节阳极期望压力为阴极压力与最大压差P1之和；

S22、若档位期望压力P0与阴极压力的差值小于最小压差P2，则调节阳极期望压力为阴极压力与最小压差P2之和；

S23、若若档位期望压力P0与阴极压力的差值大于等于最小压差P2且小于最大压差P1，则调节阳极期望压力为P0； 所述供氢模块开度的调节包括如下步骤：

S3、获取上述阳极期望压力和阳极反馈压力P，所述阳极反馈压力P为阳极压力传感器反馈的阳极压力；

S4、判断阳极期望压力与阳极反馈压力P之间的大小关系；

S41、若阳极期望压力大于阳极反馈压力P，则增大供氢模块开度；

S42、若阳极期望压力小于阳极反馈压力P，则减小供氢模块开度；

S43、若阳极期望压力等于阳极反馈压力P，则供氢模块开度不变；

作为优选，还包括空压机转速的调节，所述空压机转速的调节具体包括如下步骤：

A1、获取空压机额外转速、空压机转速增加的最大值Rmax、转速调节量R0和空压机档位转速；所述空压机额外转速为对空压机转速的调节量，转速调节量R0为空压机额外转速改变时的固定增减量，空压机档位转速为控制程序内设定的当前燃料电池运行档位的空压机转速，

A2、判断阴极压力与最大压差P1之和与档位期望压力P0的大小关系；

A21、若阴极压力与最大压差P1之和大于等于档位期望压力P0，则调节空压机转速为空压机档位转速与空压机额外转速之和；

A22、若阴极压力与最大压差P1之和小于档位期望压力P0，判断空压机额外转速是否小于空压机转速增加的最大值 Rmax；

A221、若空压机额外转速小于空压机转速增加的最大值 Rmax，则调节空压机转速为空压机档位转速、空压机额外转速、转速调节量R0三者之和；

A222、若空压机额外转速等于空压机转速增加的最大值 Rmax，则调节空压机转速为空压机档位转速与空压机额外转速之和。

作为优选，还包括节气门开度的调节，所述节气门开度的调节具体包括如下步骤：

B1、获取节气门额外开度、节气门开度增加的最大值Kmax、开度调节量K0和节气门档位开度，所述节气门额外开度为对节气门开度的调节量，开度调节量K0为节气门额外开度改变时的固定增减量，节气门档位开度为控制程序内设定的当前燃料电池运行档位；

B2、当阴极压力与最大压差P1之和大于等于档位期望压力P0时，判断阴极压力与最小压差P2之和与档位期望压力P0之间的大小关系；

B21、若阴极压力与最小压差P2之和小于等于档位期望压力P0，则调节节气门开度为节气门档位开度与节气门额外开度之和；

B22、若阴极压力与最小压差P2之和大于档位期望压力P0，则判断节气门额外开度是否小于节气门开度增加的最大值Kmax；

B221、若节气门额外开度小于节气门开度增加的最大值Kmax，则调节节气门开度为节气门档位开度、节气门额外开度、开度调节量K0三者之和；

B222、若节气门额外开度等于节气门开度增加的最大值Kmax，则调节节气门开度为节气门档位开度与节气门额外开度之和。

作为优选，还包括燃料电池系统升降档过程中的空压机转速的调节，具体步骤如下；

C1、获取空压机当前转速R、升档后转速R1和降档后转速R2；所述空压机当前转速R为空压机在当前档位运行时的转速，所述升档后转速R1为控制程序内设定的燃料电池系统下一档的空压机转速，所述降档后转速R2为控制程序内设定的燃料电池系统前一档的空压机转速；

C2、当燃料电池系统升档后，判断空压机当前转速R与升档后转速R1之间的大小关系；

C21、若空压机当前转速R小于升档后转速R1，则清空空压机额外转速，调节空压机升档后的转速为R1；

C22、若空压机当前转速R大于等于升档后转速R1，则调节空压机额外转速为R-R1，调节空压机升档后的转速为R；

C3、当燃料电池系统降档后，清空空压机额外转速，调节空压机升档后的转速为R2。

作为优选，还包括燃料电池系统升降档过程中的节气门开度的调节，具体操作方式为当燃料电池系统升档或降档后，清空节气门额外开度。

作为优选，还包括燃料电池系统降档过程中的阳极压力控制，具体包括如下步骤：

D1、判断阳极反馈压力P是否大于阴极压力与最大压差P1之和；

D2、若阳极反馈压力P大于阴极压力与最大压差P1之和；开启排水排气阀；直到阳极反馈压力P小于等于阴极压力与最大压差P1之和时，关闭排水排气阀；

D3、若阳极反馈压力P小于等于阴极压力与最大压差P1之和，则关闭排水排期阀。

本发明的有益效果：

1、采用阳极压力跟随阴极压力变化的控制方式，使阴阳极压差永远处于P1与P2之间，从而避免因固定参数不适用或阴极压力突然变化，所导致的阴阳极压差过大或过小；

2、采用阳极期望压力与阳极反馈压力对阳极压力进行控制，使实际阳极压力处于阳极期望压力附近，通过设定阳极期望压力，对实际压力进行可变控制，避免因阳极压力过高或过低，所导致的电堆损伤或系统输出不足；

3、采用额外增大空压机转速或节气门开度的方式对阴极压力进行控制，在满足当前档位空气流量的前提下，增大或减小阴极压力，满足当前档位的阴极压力需求，避免因阴极压力过高或过低，所导致的电堆损伤或系统输出不足；

4、采用升降档调节方案避免额外转速和开度对升降档后阴极压力造成负面影响。升档时对比前后档位的空压机转速控制量，使压力变化平稳过渡，避免升档时因额外转速清除后，空压机转速下降造成的压力下降；降档时清除额外转速，避免低档位阴极压力过大。升降档时清除节气门开度增量，避免升降档后阴极压力过低；

5、采用降档阳极排气方案避免降档时由于电流降低，电堆内部氢气来不及消耗，造成的阳极压力过高、阴阳极压差过大的现象。降档时获取当前阴阳极压差，若压差大于P1则开启排水排气阀，通过排出阳极氢气降低阳极压力，从而使阴阳极压差恢复正常水平。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

附图说明

图1是燃料电池系统阳极回路配置的示意图；

图2是燃料电池系统阴极回路配置的示意图；

图3是本发明一种燃料电池系统气体压力控制方法的阳极期望压力和供氢模块开度的调节流程图；

图4是本发明一种燃料电池系统气体压力控制方法的空压机转速的调节的调节流程图；

图5是本发明一种燃料电池系统气体压力控制方法的空压机转速和节气门开度的调节流程图；

图6是本发明一种燃料电池系统气体压力控制方法的燃料电池系统升降档过程中的空压机转速的调节流程图；

图7是本发明一种燃料电池系统气体压力控制方法的燃料电池系统升降档过程中的的空压机转速和节气门开度的调节流程图；

图8是本发明一种燃料电池系统气体压力控制方法的燃料电池系统降档过程中的阳极压力控制的调节流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

参阅图1，燃料电池的阳极回路是向燃料电池提供氢气的结构，包含减压阀、供氢模块、氢气循环模块、排水排气模块、阳极压力传感器等部分。入口氢气由氢罐内的高压氢气经过减压阀减压，减压后的氢气经由供氢模块入堆，阳极压力传感器获取入堆氢气压力并反馈给燃料电池控制器，燃料电池控制器通过控制供氢模块的开度，使阳极压力维持稳定；出堆氢气经过排水排气模块排出液态水及杂质气体，然后经由氢气循环模块与入堆气体混合后再次进入电堆，以提升氢气利用率。通常的，供氢模块开度越大，入堆氢气流量越大，同档位下阳极压力越高。

参阅图2，燃料电池的阴极回路是向燃料电池提供空气的结构，包含空气过滤、空压机、增湿器、中冷器、节气门、阴极压力传感器等部分。入口空气经过滤清器过滤后，由空压机进行压缩，变为高压空气。高压空气由中冷器冷却后，进一步通过增湿器进行加湿后进入电堆，阴极压力传感器获取入堆空气压力并反馈给燃料电池控制器，燃料电池控制器通过控制空压机的转速和节气门的开度，使阴极压力维持稳定；出堆空气经过增湿器，为入堆空气提供水分。阴极出口由节气门控制背压，调节电堆内阴极压力。通常的，空压机转速越大，空气流量越大，阴极压力越高；节气门开度越大，空气流量越大，阴极压力越低。

阳极压力通过控制器对设定的阳极期望压力与压力传感器反馈的阳极压力进行对比，控制供氢模块的开度，从而使反馈的阳极压力与设定的阳极期望压力保持一致。供氢模块可以是控制开启量的形式，如比例阀；也可以是控制开闭的形式，如电磁阀。通常在燃料电池系统中，所控阳极压力较阴极反馈压力高10-30kPa。

参阅图3，为了避免由于阴极压力过低/过高造成的阴阳极压差过大/过小，本发明提供一种燃料电池系统气体压力控制方法，包括阳极期望压力的调节和供氢模块开度的调节，所述阳极期望压力的调节包括如下步骤：

S1、获取档位期望压力P0、最大压差P1、最小压差P2和阴极压力；所述档位期望压力P0为控制程序内设定的当前燃料电池运行档位正常运行所需的阳极压力，所述最大压差P1为当前档位正常运行所需的最大阴阳极压差，所述最小压差P2为当前档位正常运行所需的最小阴阳极压差，有P1>P2，通常的P1<30 kPa而P2>10 kPa，所述阴极压力为阴极压力传感器反馈的阴极压力；

S2、判断档位期望压力P0与阴极压力的差值与最大压差P1、最小压差P2之间的大小关系；

S21、若档位期望压力P0与阴极压力的差值大于等于最大压差P1，则调节阳极期望压力为阴极压力与最大压差P1之和；

S22、若档位期望压力P0与阴极压力的差值小于最小压差P2，则调节阳极期望压力为阴极压力与最小压差P2之和；

S23、若若档位期望压力P0与阴极压力的差值大于等于最小压差P2且小于最大压差P1，则调节阳极期望压力为P0； 所述供氢模块开度的调节包括如下步骤：

S3、获取上述阳极期望压力和阳极反馈压力P，所述阳极反馈压力P为阳极压力传感器反馈的阳极压力；

S4、判断阳极期望压力与阳极反馈压力P之间的大小关系；

S41、若阳极期望压力大于阳极反馈压力P，则增大供氢模块开度；

S42、若阳极期望压力小于阳极反馈压力P，则减小供氢模块开度；

S43、若阳极期望压力等于阳极反馈压力P，则供氢模块开度不变；

参阅图4-5，进一步的在上述阳极压力跟随阴极压力的控制方式基础上，为了避免海拔、气压、空压机状态差等原因造成的阴极压力过低，同时导致阳极压力低和燃料电池系统输出低，本发明还包括空压机转速的调节，所述空压机转速的调节具体包括如下步骤：

A1、获取空压机额外转速、空压机转速增加的最大值Rmax、转速调节量R0和空压机档位转速；所述空压机额外转速为对空压机转速的调节量，转速调节量R0为空压机额外转速改变时的固定增减量，空压机档位转速为控制程序内设定的当前燃料电池运行档位的空压机转速，

A2、判断阴极压力与最大压差P1之和与档位期望压力P0的大小关系；

A21、若阴极压力与最大压差P1之和大于等于档位期望压力P0，则调节空压机转速为空压机档位转速与空压机额外转速之和；

A22、若阴极压力与最大压差P1之和小于档位期望压力P0，判断空压机额外转速是否小于空压机转速增加的最大值 Rmax；

A221、若空压机额外转速小于空压机转速增加的最大值 Rmax，则调节空压机转速为空压机档位转速、空压机额外转速、转速调节量R0三者之和；

A222、若空压机额外转速等于空压机转速增加的最大值 Rmax，则调节空压机转速为空压机档位转速与空压机额外转速之和。

还包括节气门开度的调节，所述节气门开度的调节具体包括如下步骤：

B1、获取节气门额外开度、节气门开度增加的最大值Kmax、开度调节量K0和节气门档位开度，所述节气门额外开度为对节气门开度的调节量，开度调节量K0为节气门额外开度改变时的固定增减量，节气门档位开度为控制程序内设定的当前燃料电池运行档位；

B2、当阴极压力与最大压差P1之和大于等于档位期望压力P0时，判断阴极压力与最小压差P2之和与档位期望压力P0之间的大小关系；

B21、若阴极压力与最小压差P2之和小于等于档位期望压力P0，则调节节气门开度为节气门档位开度与节气门额外开度之和；

B22、若阴极压力与最小压差P2之和大于档位期望压力P0，则判断节气门额外开度是否小于节气门开度增加的最大值Kmax；

B221、若节气门额外开度小于节气门开度增加的最大值Kmax，则调节节气门开度为节气门档位开度、节气门额外开度、开度调节量K0三者之和；

B222、若节气门额外开度等于节气门开度增加的最大值Kmax，则调节节气门开度为节气门档位开度与节气门额外开度之和。

参阅图6-7，进一步的在上述阴极压力自适应调节的基础上，还包括燃料电池系统升降档过程中的空压机转速的调节，具体步骤如下：

C1、获取空压机当前转速R、升档后转速R1和降档后转速R2；所述空压机当前转速R为空压机在当前档位运行时的转速，所述升档后转速R1为控制程序内设定的燃料电池系统下一档的空压机转速，所述降档后转速R2为控制程序内设定的燃料电池系统前一档的空压机转速；

C2、当燃料电池系统升档后，判断空压机当前转速R与升档后转速R1之间的大小关系；

C21、若空压机当前转速R小于升档后转速R1，则清空空压机额外转速，调节空压机升档后的转速为R1；

C22、若空压机当前转速R大于等于升档后转速R1，则调节空压机额外转速为R-R1，调节空压机升档后的转速为R；

C3、当燃料电池系统降档后，清空空压机额外转速，调节空压机升档后的转速为R2。

还包括燃料电池系统升降档过程中的节气门开度的调节，具体操作方式为当燃料电池系统升档或降档后，清空节气门额外开度。

参阅图8，降档过程中，由于电流降低，电堆内部氢气来不及消耗，从而造成阳极压力过高、阴阳极压差过大的现象，本发明还包括燃料电池系统降档过程中的阳极压力控制，具体包括如下步骤：

D1、判断阳极反馈压力P是否大于阴极压力与最大压差P1之和；

D2、若阳极反馈压力P大于阴极压力与最大压差P1之和；开启排水排气阀；直到阳极反馈压力P小于等于阴极压力与最大压差P1之和时，关闭排水排气阀；

D3、若阳极反馈压力P小于等于阴极压力与最大压差P1之和，则关闭排水排期阀。

上述控制方案是在阴极压力传感器反馈正常的情况下实施的，若阴极压力传感器失效，则阳极压力以控制程序内设定的当前燃料电池运行档位正常运行所需的阳极压力进行控制，空压机转速以控制程序内设定的燃料电池系统当前档位的空压机转速进行工作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统气体压力控制方法，其特征在于：包括阳极期望压力的调节和供氢模块开度的调节，所述阳极期望压力的调节包括如下步骤：

S1、获取档位期望压力P0、最大压差P1、最小压差P2和阴极压力；所述档位期望压力P0为控制程序内设定的当前燃料电池运行档位正常运行所需的阳极压力，所述最大压差P1为当前档位正常运行所需的最大阴阳极压差，所述最小压差P2为当前档位正常运行所需的最小阴阳极压差，所述阴极压力为阴极压力传感器反馈的阴极压力；

S2、判断档位期望压力P0与阴极压力的差值与最大压差P1、最小压差P2之间的大小关系；

S21、若档位期望压力P0与阴极压力的差值大于等于最大压差P1，则调节阳极期望压力为阴极压力与最大压差P1之和；

S22、若档位期望压力P0与阴极压力的差值小于最小压差P2，则调节阳极期望压力为阴极压力与最小压差P2之和；

S23、若若档位期望压力P0与阴极压力的差值大于等于最小压差P2且小于最大压差P1，则调节阳极期望压力为P0； 所述供氢模块开度的调节包括如下步骤：

S3、获取上述阳极期望压力和阳极反馈压力P，所述阳极反馈压力P为阳极压力传感器反馈的阳极压力；

S4、判断阳极期望压力与阳极反馈压力P之间的大小关系；

S41、若阳极期望压力大于阳极反馈压力P，则增大供氢模块开度；

S42、若阳极期望压力小于阳极反馈压力P，则减小供氢模块开度；

S43、若阳极期望压力等于阳极反馈压力P，则供氢模块开度不变。

2.如权利要求1所述的一种燃料电池系统气体压力控制方法，其特征在于：还包括空压机转速的调节，所述空压机转速的调节具体包括如下步骤：

A1、获取空压机额外转速、空压机转速增加的最大值Rmax、转速调节量R0和空压机档位转速；所述空压机额外转速为对空压机转速的调节量，转速调节量R0为空压机额外转速改变时的固定增减量，空压机档位转速为控制程序内设定的当前燃料电池运行档位的空压机转速，

A2、判断阴极压力与最大压差P1之和与档位期望压力P0的大小关系；

A21、若阴极压力与最大压差P1之和大于等于档位期望压力P0，则调节空压机转速为空压机档位转速与空压机额外转速之和；

A22、若阴极压力与最大压差P1之和小于档位期望压力P0，判断空压机额外转速是否小于空压机转速增加的最大值 Rmax；

A221、若空压机额外转速小于空压机转速增加的最大值 Rmax，则调节空压机转速为空压机档位转速、空压机额外转速、转速调节量R0三者之和；

A222、若空压机额外转速等于空压机转速增加的最大值 Rmax，则调节空压机转速为空压机档位转速与空压机额外转速之和。

3.如权利要求2所述的一种燃料电池系统气体压力控制方法，其特征在于：还包括节气门开度的调节，所述节气门开度的调节具体包括如下步骤：

B1、获取节气门额外开度、节气门开度增加的最大值Kmax、开度调节量K0和节气门档位开度，所述节气门额外开度为对节气门开度的调节量，开度调节量K0为节气门额外开度改变时的固定增减量，节气门档位开度为控制程序内设定的当前燃料电池运行档位；

B2、当阴极压力与最大压差P1之和大于等于档位期望压力P0时，判断阴极压力与最小压差P2之和与档位期望压力P0之间的大小关系；

B21、若阴极压力与最小压差P2之和小于等于档位期望压力P0，则调节节气门开度为节气门档位开度与节气门额外开度之和；

B22、若阴极压力与最小压差P2之和大于档位期望压力P0，则判断节气门额外开度是否小于节气门开度增加的最大值Kmax；

B221、若节气门额外开度小于节气门开度增加的最大值Kmax，则调节节气门开度为节气门档位开度、节气门额外开度、开度调节量K0三者之和；

B222、若节气门额外开度等于节气门开度增加的最大值Kmax，则调节节气门开度为节气门档位开度与节气门额外开度之和。

4.如权利要求2或3所述的一种燃料电池系统气体压力控制方法，其特征在于：还包括燃料电池系统升降档过程中的空压机转速的调节，具体步骤如下：

C1、获取空压机当前转速R、升档后转速R1和降档后转速R2；所述空压机当前转速R为空压机在当前档位运行时的转速，所述升档后转速R1为控制程序内设定的燃料电池系统下一档的空压机转速，所述降档后转速R2为控制程序内设定的燃料电池系统前一档的空压机转速；

C2、当燃料电池系统升档后，判断空压机当前转速R与升档后转速R1之间的大小关系；

C21、若空压机当前转速R小于升档后转速R1，则清空空压机额外转速，调节空压机升档后的转速为R1；

C22、若空压机当前转速R大于等于升档后转速R1，则调节空压机额外转速为R-R1，调节空压机升档后的转速为R；

C3、当燃料电池系统降档后，清空空压机额外转速，调节空压机升档后的转速为R2。

5.如权利要求4所述的一种燃料电池系统气体压力控制方法，其特征在于：还包括燃料电池系统升降档过程中的节气门开度的调节，具体操作方式为当燃料电池系统升档或降档后，清空节气门额外开度。

6.如权利要求5所述的一种燃料电池系统气体压力控制方法，其特征在于：还包括燃料电池系统降档过程中的阳极压力控制，具体包括如下步骤：

D1、判断阳极反馈压力P是否大于阴极压力与最大压差P1之和；

D2、若阳极反馈压力P大于阴极压力与最大压差P1之和；开启排水排气阀；直到阳极反馈压力P小于等于阴极压力与最大压差P1之和时，关闭排水排气阀；

D3、若阳极反馈压力P小于等于阴极压力与最大压差P1之和，则关闭排水排期阀。

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