CN113782780A - 燃料电池发动机及其停机保护控制方法、电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池技术领域，提供了一种燃料电池发动机及其停机保护控制方法、电子设备，该停机保护控制方法通过在停机后抽气降压模块抽取燃料电池堆空气腔、空气供应管路和空气排气管路中的残余空气/氧气，消除停机过程中氢/空界面的形成，并对空气腔的气压以及电堆中最高单电池电压进行相应监控，两者都达到预设值后，通过连通管路向燃料电池堆的空气腔以及与其相连的空气管路充满一定压力的氢气，避免在停机后空气扩散进入电堆形成氢/空界面，保护电堆。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池发动机及其停机保护控制方法、电子设备。
背景技术
氢/空(实质为氢/氧)界面会使氧还原反应同时存在于燃料电池堆的阳极和阴极，导致在阴极催化层表面形成一个很高的电位和阳极有反向电流的存在，引起阴极催化层的严重衰减。在燃料电池系统停机后，如果电堆、辅助部件和管路内还有残留的氢气和氧气，由于浓度梯度的存在，阴极侧的氧气通过质子交换膜可渗透到阳极侧，或环境中的氧气通过密封圈慢慢渗透到阳极侧，在阳极侧形成氢/空界面，这是一个比较缓慢但是比较长久的过程，会对阴极催化层造成严重损伤。
同时，燃料电池堆在正常运行过程中会生成水，在低温环境中，生成的水可以在多孔层甚至在流道中结冰，阻塞气体通道，覆盖催化剂层，导致冷启动失败，严重时甚至会导致燃料电池发生不可逆转的性能退化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池发动机及其停机保护控制方法、电子设备，以解决现有燃料电池发动机在停机后无法避免氢/空 (氢/氧)界面的产生，从而影响电堆的使用寿命的问题。
第一个方面，本发明实施例提供了一种燃料电池发动机的停机保护控制方法，包括：
在接收到停机指令后，控制空气供应单元停止向所述燃料电池发动机中的燃料电池堆的空气腔通入空气/氧气，并将所述燃料电池堆的空气排气管路设置为关闭状态；
控制抽气降压模块抽取所述空气腔、所述空气供应管路和空气排气管路中剩余的空气/氧气，直至所述空气腔内的压力降至第一压力目标值时停止；所述第一压力目标值为所述空气腔接近真空状态时的压力值；
控制氢气供应单元向所述空气腔通入氢气，直至所述空气腔的压力接近所述燃料电池堆的氢气腔的压力时停止。
可选地，所述第一压力目标值为小于或者等于10kPa。
可选地，所述在接收停机指令后，控制空气供应单元停止向燃料电池堆的空气腔通入空气/氧气 ，并将所述燃料电池发动机的空气排气管路设置为关闭状态，包括：
控制氢气供应单元向所述氢气腔持续通入氢气，并将所述燃料电池发动机的氢气排气管路设置为开启状态或者维持脉冲状态；所述脉冲状态包括开启状态与关闭状态按照预设间隔时间交替设置。
可选地，所述控制抽气降压模块抽取所述空气腔、所述空气供应管路和空气排气管路中剩余的空气/氧气，直至所述空气腔的压力降至第一压力目标值时停止，包括：
控制所述抽气降压模块抽取所述空气腔、所述空气供应管路和空气排气管路中剩余的空气/氧气，直至所述燃料电池堆中最高单电池电压值降至预设的低电压值、且所述空气腔的压力降至第一压力目标值时停止。
可选地，所述控制抽气降压模块抽取所述空气腔、所述空气供应管路和空气排气管路中剩余的空气/氧气，直至所述空气腔的压力降至第一压力目标值时停止之后，以及控制氢气供应单元向所述空气腔通入氢气之前，包括：
将所述氢气排气管路设置为关闭状态。
可选地，所述控制所述抽气降压模块抽取所述空气腔、所述空气供应管路和排气管路中剩余的空气/氧气，直至所述燃料电池堆中最高单电池电压值降至预设的低电压值、且所述空气腔的压力降至第一压力目标值时停止，包括：
控制所述抽气降压模块抽取所述空气腔、所述空气供应管路和空气排气管路中剩余的空气/氧气，并实时获取燃料电池堆中最高单电池电压值和所述空气腔的压力；
若各所述最高单电池电压值小于或者等于所述预设的低电压值，且所述空气腔的压力小于或者等于第一压力目标值，则停止抽取所述空气腔、所述空气供应管路和空气排气管路中剩余的空气/氧气。
可选地，所述控制氢气供应单元向所述空气腔通入氢气，直至所述空气腔的压力接近所述氢气腔的压力时停止，包括：
控制所述氢气供应单元向所述空气腔通入氢气，并实时获取所述空气腔的压力；
若所述空气腔的压力与所述氢气腔的压力的差值的绝对值小于或者等于第一预设阈值，则停止向所述空气腔通入氢气；所述第一预设阈值小于或者等于20kPa。
第二个方面，本申请实施例还提供了一种燃料电池发动机，包括：
燃料电池堆，包括氢气腔、空气腔以及用于发电的多个单电池；
氢气供应单元，所述氢气供应单元与所述氢气腔的入口端连通；
氢气排气管路，所述氢气排气管路与所述氢气腔的出口端连通，所述氢气排气管路上设有第一气体阀门；
空气供应单元，所述空气供应单元通过空气供应管路与所述空气腔的入口端连通；
降压装置，所述降压装置包括空气排气管路、抽气降压模块以及连通管路，所述空气排气管路与所述空气腔的出口端连通，所述空气排气管路上设有第二气体阀门；所述抽气降压模块与所述空气排气管路连通，用于抽取所述空气腔、所述空气供应管路和空气排气管路中的气体、以及检测所述空气腔的压力；所述连通管路连接在所述氢气供应单元和所述空气腔之间，所述连通管路上设有第三气体阀门；
控制单元，所述控制单元分别与所述单电池、氢气供应单元、空气供应单元、第一气体阀门、第二气体阀门、抽气降压模块以及第三气体阀门电连接，用于执行第一个方面所述的停机保护控制方法。
可选地，所述氢气排气管路上还设有第一压力检测部件，所述第一压力检测部件用于检测所述氢气腔的压力；
所述抽气降压模块包括：抽气管路、以及设置在所述抽气管路上的第二压力检测部件、第四气体阀门和抽气部件；所述第二压力检测部件用于检测所述空气腔的出口端的压力值，所述第四气体阀门用于控制所述抽气管路的开闭，所述抽气部件用于抽取所述空气腔、所述空气供应管路和空气排气管路中的气体；
所述控制单元分别与所述单电池、氢气供应单元、空气供应单元、第一气体阀门、第一压力检测部件、第二气体阀门、第二压力检测部件、第四气体阀门、抽气部件以及第三气体阀门电连接。
可选地，所述降压装置还包括第一单向阀和第二单向阀；
所述第一单向阀设置在所述空气排气管路上，用于阻碍所述空气排气管路远离所述空气腔一端的气体进入所述空气排气管路；
所述第二单向阀设置在所述连通管路上，用于阻碍所述空气供应单元的气体进入所述氢气腔或者所述氢气供应单元。
可选地，所述降压装置还包括：第三单向阀；
所述氢气供应单元通过氢气供应管路与所述氢气腔的一端连通，所述空气供应单元通过空气供应管路与所述空气腔的一端连通；所述连通管路的一端与所述氢气供应管路连通，另一端与所述空气供应管路连通；
所述第三单向阀设置在所述空气供应管路靠近所述空气供应单元的位置，用于阻碍所述连通管路中的气体进入所述空气供应单元以及阻碍抽气部件抽取空气供应单元中的气体。
第三个方面，本申请实施例还提供了一种电子设备，包括：处理器和存储器；
所述存储器中存储有计算机程序；
所述处理器用于执行所述计算机程序以实现如第一个方面所述的停机保护控制方法。
本发明实施例至少具有以下技术效果：
本发明实施例提供的燃料电池发动机的停机保护控制方法，在停机后中通过抽取燃料电池空气腔、空气供应管路和空气排气管路中的残余空气，并对空气腔的压力以及最高单电池进行相应监控，两者均达到预设值后，通过在燃料电池堆的空气腔以及与其相连的空气管路中充满一定压力的氢气，可避免在停机后空气扩散进入电堆而形成氢空界面，有利于保护燃料电池堆，提升燃料电池堆的使用寿命。
同时采用该方法，也可以同时抽走燃料电池反应过程中生成的残余水，避免在低温环境中的结冰问题，有利于提升燃料电池堆的冷启动性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的一种燃料电池发动机的连接结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种燃料电池发动机的控制系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种燃料电池发动机的停机保护控制方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的另一种燃料电池发动机的停机保护控制方法的流程图；
图5为本发明实施例提供的图4中步骤S210的具体流程示意图；
图6为本发明实施例提供的图3中步骤S300的具体流程示意图。
图标：11-燃料电池堆；111-单电池；112-氢气腔；113-空气腔；114-冷却液腔；12-氢气供应单元；120-氢气供应管路；121-氢气排气管路；122-第一压力检测部件；123-第一气体阀门；13-空气供应单元；131-空气供应管路；14-冷却单元；15-控制单元；16-降压装置；16a-抽气降压模块；160-空气排气管路；161-抽气管路；162-连通管路；163-第一单向阀；164-第二单向阀；165-第三单向阀；166-第二气体阀门；167-第四气体阀门；168-第三气体阀门；169-第二压力检测部件；170-抽气部件。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语），具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式 “一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
结合图1和图2所示，本发明实施例提供了一种燃料电池发动机，包括：燃料电池堆11、氢气供应单元12、氢气排气管路121、空气供应单元13、降压装置16以及控制单元15。
具体地，燃料电池堆11包括氢气腔112、空气腔113以及用于发电的多个单电池111，燃料电池堆11由多个单电池111堆叠组成，每个单电池111的电压都可以通过电压巡检仪进行监测。氢气腔112和空气腔113为分别密封且隔绝。
进一步地，氢气供应单元12包括氢瓶以及压力控制装置等，用于提供燃料电池堆反应的氢气。氢气供应单元12与氢气腔112的进气端口连通，氢气排气管路121与氢气腔112的排气端口连通，用于向氢气腔112通入氢气，从而作为燃料电池堆11的其中一种反应气体。氢气排气管路121上设有第一气体阀门123，第一气体阀门123用于控制氢气排气管路121的开闭。
进一步地，空气供应单元13包括空压机以及中冷器等部件，用于提供燃料电池堆反应的空气/氧气。空气供应单元13与空气腔113的进气端连通，用于向空气腔113通入空气/氧气，从而作为燃料电池堆11的另一种反应气体。其中，空气/氧气表示可以是压缩空气（实际的反应气体为压缩空气中的氧气），也可以是纯度较高的氧气。
本实施例中的降压装置16主要包括三个部分：空气排气管路160、抽气降压模块16a以及连通管路162，空气排气管路160与空气腔113的排气端口连通，空气排气管路160上设有第二气体阀门166，第二气体阀门166用于控制空气排气管路160的开闭。
抽气降压模块16a与空气排气管路160靠近空气腔113的一端连通，用于抽取空气腔113、空气供应管路131和空气排气管路160中的气体、以及获取空气腔113的压力。
为了便于向空气腔113中通入氢气进行保压，氢气供应单元12与空气腔113之间通过连通管路162实现连通，连通管路162上设有第三气体阀门168，第三气体阀门168用于控制连通管路162的开闭。
本实施例上述的各单电池111、氢气供应单元12、空气供应单元13、第一气体阀门123、第二气体阀门166、抽气降压模块以及第三气体阀门168均与控制单元15电连接，控制单元15根据燃料电池发动机的启动、发电和停机需要，执行相应的控制流程。
本实施例中为了保护燃料电池，控制单元15执行如下的停机保护控制方法：
首先，控制单元15在接收停机指令后，通过控制空气供气单元停止工作，从而停止向空气腔113通入空气/氧气。控制单元15通过控制第二气体阀门166关闭，从而将空气排气管路160设置为关闭状态。此时，氢气空气单元持续向氢气腔112通入氢气，控制单元15通过控制第一气体阀门123开启或维持脉冲状态，脉冲状态指第一气体阀门123按照固定时间开启，如间隔5s开启1s，从而将氢气排气管路121设置或维持为开启或脉冲状态。
然后，控制单元15控制抽气降压模块16a开始工作，抽气降压模块16a抽取空气供应管路131、空气腔113和空气排气管路160中的剩余气体（此时的剩余气体为空气），当空气腔113的压力降至第一压力目标值时，控制单元15控制抽气降压模块16a停止抽气。其中，第一压力目标值P1set≤10kPa，当空气腔113的压力降至对应的目标值或者目标值以下时，表明燃料电池堆11内的反应空气/氧气排除完毕，即可以认为电堆内的氢空界面已消除。
接着，控制单元15将第三气体阀门168设置为开启状态，氢气供气单元通过连通管路162开始向空气腔113通入氢气，当空气腔113的压力接近氢气腔112内的压力时（例如：控制单元12可以设定氢气供气单元通入氢气的时间为1分钟之后，即可默认为空气腔113内的压力接近氢气腔112内的压力），控制单元15关闭第三气体阀门168，停止向空气腔113继续通入氢气。此时，燃料电池发动机完成了空气腔113内的氢气保压流程，可以安全地执行停机动作。
本实施例提供的燃料电池发动机，通过在停机过程中采用抽气降压模块16a抽取空气供应管路131、燃料电池堆11中空气腔113、空气排气管路160以及辅助部件（例如：阀门）中的残余空气，消除氢空界面后，通过连通管路162向燃料电池堆11的空气腔113中充满氢气，避免停机后储存过程中空气扩散进入电堆形成氢空界面，造成性能衰减，有利于延长燃料电池堆11的使用寿命；与现有的停机降压装置16相比，该燃料电池发动机更有利于氢空界面的消除，操作控制简单，成本低。
本发明实施例提供的燃料电池发动机，其控制单元15执行了相应的停机保护控制方法，在停机过程中通过采用抽气降压模块16a抽取空气供应管路131、燃料电池堆的空气腔113和空气排气管路160中的残余空气，并对空气腔113的压力以及单电池111的最高电压进行相应监控，两者都达到预设值后，通过在燃料电池堆11的空气腔113以及部分管路中充满一定压力的氢气，可避免在停机后空气扩散进入电堆而形成氢空界面，有利于提升燃料电池发动机的使用寿命。
可选地，本发明实施例提供的燃料电池发动机还包括冷却单元14，燃料电池堆11内还包括冷却液腔114，冷却单元14与冷却液腔114相连通，控制单元15通过控制冷却单元14对冷却液腔114进行冷却，从而控制燃料电池堆11的反应温度。
在一个可选的实施例中，继续参阅图1和图2，氢气排气管路121上还设有第一压力检测部件122，第一压力检测部件122用于检测氢气腔出口端的压力（相当于氢气腔内的压力）。抽气降压模块16a包括：抽气管路161、以及依次设置在抽气管路161上的第二压力检测部件169、第四气体阀门167和抽气部件170。
可以理解的是，第一压力检测部件122相对于第一气体阀门123相更靠近氢气腔112，第一压力检测部件122用于获取氢气腔112的压力。由于第二压力检测部件169用于检测空气腔113的压力值，因此，第二压力检测部件169需要设置在靠近空气排气管路160的位置，以便于能够准确检测出空气腔113内的压力。第四气体阀门167用于控制抽气管路161的开闭，抽气部件170用于抽取空气供应管路131、空气腔113和空气排气管路160中的气体。
可选地，第二压力检测部件169还可以直接设置在空气排气管路160上，并且位于空气排气管路160靠近空气腔113的排气出口的位置。
本实施例中的控制单元15分别与单电池111、氢气供应单元12、空气供应单元13、第一气体阀门123、第一压力检测部件122、第二气体阀门166、第二压力检测部件169、第四气体阀门167、抽气部件170以及第三气体阀门168电连接，通过控制单元15执行相应的停机保护控制方法，可以实现对燃料电池发动机的停机保护。
本实施例中的抽气部件170采用真空泵，当需要抽气时，控制单元15将第四气体阀门167设置为开启状态，控制单元15控制真空泵按照一定的转速运行，从而将空气供应管路131、空气腔113、空气排气管路160以及辅助部件中残留的空气排出，同时利用第一压力检测部件122和第二压力检测部件169分别对氢气腔112和对空气腔113的压力进行实时监测，在保证燃料电池发动机安全的前提下，可以更精确地控制真空泵的停机时机，从而进一步节约燃料电池发动机的运行成本。
在一个可选的实施例中，继续参阅图1和图2，本发明实施例前述的降压装置16还包括第一单向阀163和第二单向阀164。
具体地，第一单向阀163设置在空气排气管路160上，具体设置在第二气体阀门166远离空气腔113的一侧。第一单向阀163可以阻碍外部的气体从空气排气管路160的一端进入，即第一单向阀163仅允许第二气体阀门166开启时向外排气，而外界的气体无法通过空气排气管路160进入到空气腔113，同时避免抽气部件170抽取外界气体。
进一步地，第二单向阀164设置在连通管路162上，具体设置在第三气体阀门168靠近空气腔113的一侧。第二单向阀164用于阻碍空气供应单元13的气体进入氢气腔112，仅允许第三气体阀门168开启时向空气腔113通入氢气，而不允许空气进入到氢气腔112或者氢气供应单元12，避免在氢气腔112形成氢空界面，影响燃料电池堆电性能以及使用寿命。
在一个可选的实施例中，继续参阅图1和图2，前述的降压装置16还包括：第三单向阀165，第三单向阀165用于阻碍连通管路162中的气体进入空气供应单元13，以及阻碍抽气部件170抽取空气供应单元13中的气体。
具体地，由于氢气供应单元12通过氢气供应管路120与氢气腔112的进气端口连通，空气供应单元13通过空气供应管路131与空气腔113的进气端口连通。为了实现氢气供气单元与空气腔113的连通，连通管路162的一端与氢气供应管路120连通，连通管路162的另一端与空气供应管路131连通，由第三气体阀门168控制连通管路162的开闭。
进一步地，第三单向阀165设置在空气供应管路131靠近空气供应单元13的位置，第三单向阀165仅允许空气供应单元13内的气体经空气供应管路131进入空气腔113，而不允许连通管路162中的气体进入空气供应单元13，防止在空气供应单元13中形成氢空界面而降低燃料电池发动机的安全性能；同时也使得抽气部件170工作时仅能抽取第三单向阀165与空气腔113之间的这段管路中的气体，避免抽气时影响空气供应单元13。
基于同一发明构思，如图3所示，本发明实施例一种燃料电池发动机的停机保护控制方法，基于前述实施例中的燃料电池发动机，具体包括以下步骤：
S100，在接收到停机指令后，控制空气供应单元停止向燃料电池发动机的空气腔通入空气/氧气，并将燃料电池发动机的空气排气管路设置为关闭状态。
具体地，控制单元15在接收停机指令后，通过控制空气供气单元停止工作，从而停止向空气腔113通入空气/氧气。控制单元15通过控制第二气体阀门166关闭，从而将空气排气管路160设置为关闭状态，便于后续抽气降压操作。
S200，控制抽气降压模块抽取空气腔、空气供应管路和空气排气管路中剩余的空气/氧气，直至空气腔的压力降至第一压力目标值时停止；第一压力目标值为空气腔接近真空状态时的压力值。
具体地，控制单元15控制抽气降压模块16a开始工作，抽气降压模块16a抽取空气供应管路131、空气腔113和空气排气管路160中的剩余气体（此时的剩余气体为空气），当空气腔113的压力降至第一压力目标值时，表明燃料电池堆11内的反应空气/氧气基本排除完毕，即氢空界面已消除，此时控制单元15可以控制抽气降压模块16a停止抽气。
可选地，本实施例中将第一压力目标值设置定为P1set≤10kPa，即当空气腔113的压力降至对应的参数以下时，相当于空气腔接近真空状态，表明燃料电池堆11内的反应空气基本排除完毕，即氢空界面已消除。
S300，控制氢气供应单元向空气腔通入氢气，直至空气腔的压力接近氢气腔的压力时停止。
具体地，控制单元15将第三气体阀门168设置为开启状态，氢气供气单元通过连通管路162开始向空气腔113通入氢气，空气腔113内的压力随着氢气的通入逐渐增加，当空气腔113的压力接近氢气腔112的压力时，控制单元15关闭第三气体阀门168，停止向空气腔113继续通入氢气。此时，燃料电池发动机完成了空气腔113内的氢气保压流程，可以安全地执行停机动作。
需要说明的是，由于氢气能在膜电极之间缓慢扩散，使得空气腔113内的压力与氢气腔112内的压力最终保持一致（例如：均为50KPa），由于空气腔113内的压力和氢气腔112的压力均大于外界的环境压力，从而可以防止外界的空气扩散进入电堆结构。
本实施例提供的燃料电池发动机的停机保护控制方法，在停机过程中在停机过程中通过采用抽气降压模块16a抽取燃料电池空气、空气供应管路131和空气排气管路160中的残余空气，同时空气腔113的压力进行相应监控，可确保停机过程中氢空界面的消除；同时在消除氢空界面后，通过在燃料电池堆11的空气腔113以及部分管路中充满一定压力的氢气，可避免在停机过程中空气扩散进入电堆而形成氢空界面，有利于提升燃料电池发动机的使用寿命。
在上述实施例的基础上，如图4所示，步骤S110包括：
在接收停机指令后，控制空气供应单元停止向燃料电池堆的空气腔通入空气/氧气，并将燃料电池发动机的空气排气管路设置为关闭状态；控制氢气供应单元向氢气腔持续通入氢气，并将燃料电池发动机的氢气排气管路设置为开启或者维持脉冲状态。
具体地，在接收停机指令后，控制单元15控制氢气供气单元向氢气腔112持续通入氢气（相对于正常发电过程中的状态不发生变化），同时维持第一气体阀门123为开启状态或者脉冲状态，使得氢气排气管路121设置为开启状态或者维持脉冲状态。
需要说明的是，氢气排气管路121的脉冲状态包括氢气排气管路121的开启状态与关闭状态按照预设间隔时间交替设置，是燃料电池堆发电时的工作状态。
在上述实施例的基础上，如图4所示，步骤S210包括：
控制抽气降压模块抽取空气腔、空气供应管路和排气管路中剩余的空气/氧气，直至燃料电池堆最高单电池电压值降至预设的低电压值、且空气腔的压力降至第一压力目标值时停止。
具体地，本实施例中利用多个单电池111的最高电压值和空气腔113的压力作为抽气降压模块16a停止抽气的判断指标的理由是：一方面，由于多个单电池111之间的电压存在一定的差异，假设最高单电池电压值（相当于最高电压值的单电池111对应的电压）小于预设的低电压值，则认为所有的单电池111的电压都降至预设的低电压值以下，表明空气腔113内的空气量已经处于较低的水平（不足以产生很高的电压）。
另一方面，通过对空气腔113的压力监测，可以排除误操作导致空气腔113内有氢气的情形，因为单电池111的电压值很低时，可以确定空气腔113内的空气量较低，但无法确定氢气量的大小，因为空气腔113内的氢气量较大时会导致空气腔113的压力值处于较高水平。
可选地，预设的低电压值Vset≤150mV，第一压力目标值P1set≤10kPa，当单电池111的最高电压值Max（Vcell）和空气腔113的压力降至对应的参数以下时，表明燃料电池堆11内的反应空气/氧气排除完毕，即氢空界面已消除。
在上述实施例的基础上，继续参阅图4，在步骤S210之后，以及在步骤S310之前，还包括：
S211，将氢气排气管路设置为关闭状态。
具体地，在向空气腔113通入氢气之前，需要控制单元15需要关闭第一气体阀门123，使得氢气排气管路121设置为关闭状态，保证氢气腔112内的氢气维持在一定的压力。同时氢气供应单元12的氢气通过连通管路162通入到空气腔113内，利用氢气对空气腔113进行保压，并且可避免在停机过程中空气扩散进入电堆形成的氢空界面。
需要说明的是，本实施例图4中的步骤S310与前述实施例图3中的步骤S300相同，此处不再重复赘述。
在上述实施例的基础上，如图5所示，前述实施例中步骤S210进一步包括：
S201，控制抽气降压模块抽取空气腔和空气排气管路中剩余的空气/氧气，并实时获取各单电池的最高电压值和空气腔的压力。
具体地，控制单元15控制抽气部件170（真空泵）启动，开始对空气供应管路131、空气腔113和空气排气管路160（包括辅助部件）中剩余的空气/氧气进行抽取，以排除氢空界面。
各单电池111的电压值可以通过电压巡检仪进行检测，电压巡检仪与控制单元15连接，控制单元15通过电压巡检仪实时检测各单电池111的电压情况。空气排气管路160的压力可以通过安装在抽气管路161或者空气排气管路160上的第二压力检测部件169进行实时检测，由于第二压力检测部件169与控制单元15电连接，控制单元15通过该第二压力检测部件169实时获取空气腔113的压力。
S202，若各单电池的最高电压值小于或者等于预设的低电压值，且空气腔的压力小于或者等于第一压力目标值，则停止抽取空气腔和空气排气管路中剩余的空气/氧气。
具体地，在停止向空气腔113通入空气/氧气并关闭空气排气管路160之后，控制单元15控制抽气降压模块16a（真空泵）运行，从而抽取空气腔113内的剩余反应空气/氧气，被抽取的空气通过抽气管路161排出。控制单元15通过对单电池111的电压监测和空气腔113的压力监测，并将单电池111的电压与预设的低电压值进行比较、以及将空气腔113的压力与第一压力目标值进行比较，从而确定真空泵的停机时机。
在上述实施例的基础上，如图6所示，前述实施例中的步骤S300进一步包括：
S301，控制氢气供应单元向空气腔通入氢气，并实时获取空气腔的压力。
具体地，通过在氢气排气管路121上设置第一压力检测部件122，第一压力检测部件122与控制单元15电连接，控制单元15通过第一压力检测部件122实时获取氢气腔112的压力。
S302，若空气腔的压力与氢气腔的压力的差值的绝对值小于或者等于第一预设阈值，则停止向空气腔通入氢气。
具体地，控制单元15通过控制第三气体阀门168使连通管路162设置为开启状态，从而向空气腔113内通入氢气。由于氢气排气管路121上的第一气体阀门123为关闭状态，即氢气腔112内的压力维持恒定；向空气腔113内通入氢气时，随着氢气量的增加，空气腔113内的压力逐渐增加，当空气腔113的压力与氢气腔112的压力的差值的绝对值小于或者等于第一预设阈值（第一预设阈值小于或者等于20kPa），则关闭第三气体阀门168和氢气供应单元12，从而停止向空气腔113和氢气腔112通入氢气，实现了氢气保压，可避免在停机后空气扩散进入电堆形成的氢空界面。
示例性的，假设第一预设阈值设定为20kPa，氢气腔112的氢气压力为60kPa，即当空气腔113的压力大于或者等于40kPa时，可以认为空气腔113内通入了足够量的氢气，作为停止通入氢气的前提条件。燃料电池发动机停机之后，氢气腔112内的氢气与空气腔113内的氢气通过膜电极相互扩散，使得氢气腔112内的氢气压力与空气腔113内的氢气压力一致，都为50KPa左右。
可以理解的是，当空气腔113的压力与氢气腔112的压力的差值的绝对值为零时，相当于空气腔113的压力与氢气腔112内的压力相等，此时可以认为空气腔113内通入了足够的氢气，并且由于空气腔113和氢气腔112内的氢气都具有一定的压力，从而可起到保压的作用，有效防止外界空气扩散值电堆内部。
需要说明的是，由于燃料电池发动机的正常发电流程与现有技术中的燃料发动机相同，因此本发明实施例中不再详细赘述。
基于同一发明构思，本申请实施例提供了一种电子设备，该电子设备包括：存储器和处理器；存储器与处理器电连接。存储器中存储有计算机程序，处理器用于执行该计算机程序，以实现本申请实施例提供的停机保护控制方法的各种可选实施方式。
本技术领域技术人员可以理解，本申请实施例提供的电子设备可以为所需的目的而专门设计和制造，或者也可以包括通用计算机中的已知设备。这些设备具有存储在其内的计算机程序，这些计算机程序选择性地激活或重构。这样的计算机程序可以被存储在设备（例如，计算机）可读介质中或者存储在适于存储电子指令并分别耦联到总线的任何类型的介质中。
综上所述，本发明各实施例至少具有以下有益效果：
本发明实施例提供的燃料电池发动机及其停机保护控制方法，在停机后中通过采用抽气降压模块抽取燃料电池空气腔、空气供应管路和空气排气管路中的残余空气，消除停机过程中氢空界面的形成，并采用单电池电压与空气腔的压力进行相应监控，控制简单；两者均达预设值后，通过连通管路向燃料电池堆的空气腔以及与其相连的管路充满一定压力的氢气，有利于避免在停机后空气扩散进入电堆形成的氢空界面，有利于提升电堆的使用寿命；同时采用该方法，也可以同时抽走燃料电池反应生成的残余水，避免在低温环境中的结冰问题，有利于提升燃料电池堆的冷启动性能。
本技术领域技术人员可以理解，本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体状况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (12)
1.一种燃料电池发动机的停机保护控制方法，其特征在于，包括：
在接收到停机指令后，控制空气供应单元停止向所述燃料电池发动机中燃料电池堆的空气腔通入空气/氧气，并将所述燃料电池堆的空气排气管路设置为关闭状态；
控制抽气降压模块抽取所述空气腔、空气供应管路和空气排气管路中剩余的空气/氧气，直至所述空气腔的压力降至第一压力目标值时停止；所述第一压力目标值为所述空气腔接近真空状态时的压力值；
控制氢气供应单元向所述空气腔通入氢气，直至所述空气腔的压力接近所述燃料电池堆的氢气腔的压力时停止。
2.根据权利要求1所述的燃料电池发动机的停机保护控制方法，其特征在于，所述第一压力目标值为小于或者等于10kPa。
3.根据权利要求1所述的燃料电池发动机的停机保护控制方法，其特征在于，所述在接收停机指令后，控制空气供应单元停止向燃料电池堆的空气腔通入空气/氧气 ，并将所述燃料电池发动机的空气排气管路设置为关闭状态，包括：
控制氢气供应单元向所述氢气腔持续通入氢气，并将所述燃料电池发动机的氢气排气管路设置为开启状态或者维持脉冲状态；所述脉冲状态包括开启状态与关闭状态按照预设间隔时间交替设置。
4.根据权利要求1所述的燃料电池发动机的停机保护控制方法，其特征在于，所述控制抽气降压模块抽取所述空气腔、所述空气供应管路和所述空气排气管路中剩余的空气/氧气，直至所述空气腔内的压力降至第一压力目标值时停止，包括：
控制所述抽气降压模块抽取所述空气腔、所述空气供应管路和所述空气排气管路中剩余的空气/氧气，直至所述燃料电池堆中最高单电池电压值降至预设的低电压值、且所述空气腔的压力降至第一压力目标值时停止。
5.根据权利要求1所述的燃料电池发动机的停机保护控制方法，其特征在于，所述控制抽气降压模块抽取所述空气腔、所述空气供应管路和所述空气排气管路中剩余的空气/氧气，直至所述空气腔的压力降至第一压力目标值时停止之后，以及控制氢气供应单元向所述空气腔通入氢气之前，包括：
将氢气排气管路设置为关闭状态。
6.根据权利要求4所述的燃料电池发动机的停机保护控制方法，其特征在于，所述控制所述抽气降压模块抽取所述空气腔、所述空气供应管路和所述空气排气管路中剩余的空气/氧气，直至所述燃料电池堆中最高单电池电压值降至预设的低电压值、且所述空气腔的压力降至第一压力目标值时停止，包括：
控制所述抽气降压模块抽取所述空气腔、所述空气供应管路和所述空气排气管路中剩余的空气/氧气，并实时获取燃料电池堆中最高单电池电压值和所述空气腔的压力；
若所述最高单电池电压值小于或者等于所述预设的低电压值，且所述空气腔的压力小于或者等于第一压力目标值，则停止抽取所述空气腔、所述空气供应管路和所述空气排气管路中剩余的空气/氧气。
7.根据权利要求1所述的燃料电池发动机的停机保护控制方法，其特征在于，所述控制氢气供应单元向所述空气腔通入氢气，直至所述空气腔的压力接近所述氢气腔的压力时停止，包括：
控制所述氢气供应单元向所述空气腔通入氢气，并实时获取所述空气腔的压力；
若所述空气腔的压力与所述氢气腔的压力的差值的绝对值小于或者等于第一预设阈值，则停止向所述空气腔通入氢气；所述第一预设阈值小于或者等于20kPa。
8.一种燃料电池发动机，其特征在于，包括：
燃料电池堆，包括氢气腔、空气腔以及用于发电的多个单电池；
氢气供应单元，所述氢气供应单元与所述氢气腔的入口端连通；
氢气排气管路，所述氢气排气管路与所述氢气腔的出口端连通，所述氢气排气管路上设有第一气体阀门；
空气供应单元，所述空气供应单元通过空气供应管路与所述空气腔的入口端连通；
降压装置，所述降压装置包括空气排气管路、抽气降压模块以及连通管路，所述空气排气管路与所述空气腔的出口端连通，所述空气排气管路上设有第二气体阀门；所述抽气降压模块与所述空气排气管路连通，用于抽取所述空气腔、所述空气供应管路和所述空气排气管路中的气体、以及检测所述空气腔的压力；所述连通管路连接在所述氢气供应单元和所述空气腔之间，所述连通管路上设有第三气体阀门；
控制单元，所述控制单元分别与所述单电池、氢气供应单元、空气供应单元、第一气体阀门、第二气体阀门、抽气降压模块以及第三气体阀门电连接，用于执行如权利要求1至7中任一项所述的停机保护控制方法。
9.根据权利要求8所述的燃料电池发动机，其特征在于，所述氢气排气管路上还设有第一压力检测部件，所述第一压力检测部件用于检测所述氢气腔的压力；
所述抽气降压模块包括：抽气管路、以及设置在所述抽气管路上的第二压力检测部件、第四气体阀门和抽气部件；所述第二压力检测部件用于检测所述空气腔的压力值，所述第四气体阀门用于控制所述抽气管路的开闭，所述抽气部件用于抽取所述空气腔、所述空气供应管路和空气排气管路中的气体；
所述控制单元分别与所述单电池、氢气供应单元、空气供应单元、第一气体阀门、第一压力检测部件、第二气体阀门、第二压力检测部件、第四气体阀门、抽气部件以及第三气体阀门电连接。
10.根据权利要求9所述的燃料电池发动机，其特征在于，所述降压装置还包括第一单向阀和第二单向阀；
所述第一单向阀设置在所述空气排气管路上，用于阻碍所述空气排气管路远离所述空气腔一端的气体进入所述空气排气管路；
所述第二单向阀设置在所述连通管路上，用于阻碍所述空气供应单元的气体进入所述氢气腔或者所述氢气供应单元。
11.根据权利要求10所述的燃料电池发动机，其特征在于，所述降压装置还包括：第三单向阀；
所述氢气供应单元通过氢气供应管路与所述氢气腔的一端连通，所述空气供应单元通过空气供应管路与所述空气腔的一端连通；所述连通管路的一端与所述氢气供应管路连通，另一端与所述空气供应管路连通；
所述第三单向阀设置在所述空气供应管路靠近所述空气供应单元的位置，用于阻碍所述连通管路中的气体进入所述空气供应单元以及阻碍所述抽气部件抽取所述空气供应单元中的气体。
12.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器和存储器；
所述存储器中存储有计算机程序；
所述处理器用于执行所述计算机程序以实现如权利要求1至7中任一项所述的停机保护控制方法。
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2021
- 2021-11-10 CN CN202111323483.5A patent/CN113782780A/zh active Pending
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