CN113809366A - 燃料电池系统的停机控制方法及燃料电池系统、车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池系统的停机控制方法及燃料电池系统、车辆；所述方法包括关闭燃料电池电堆空气侧的出入口，保持燃料电池电堆氢气侧的压力恒定；接通燃料电池电堆的输出电路，获取氢气侧输入的氢气累积流量；根据氢气累积流量与预设阈值的关系确定是否关闭燃料电池系统；本发明解决了燃料电池系统在关机消耗氧化气体过程中存在着关机氧化气体消耗不充分和静置时间短与下次开机尾排氢浓度高的矛盾；能够在全生命周期以及异常情况下保证停机控制满足氧气消耗及氢气排放的安全性等。

Description

燃料电池系统的停机控制方法及燃料电池系统、车辆

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池系统的停机控制方法及燃料电池系统、车辆。

背景技术

质子交换膜燃料电池由于其无污染、转化率高等特点被广泛研究及应用，其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。通常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。

由于氢氧界面能够导致燃料电池系统衰减，为了避免开机时出现氢氧界面现象，则需要不断消耗从外界渗透进来的氧气；并且还需保证关机放置时电堆内部存在还原环境，关机时需要尽可能消耗燃料电池系统中的氧气；故现有技术中，通常在关机时进行氧气消耗处理操作。

在现有的氧气消耗处理过程中，当阴极氧气浓度下降到低水平之后，阴极会出现由氢离子与电子的重新结合生成的氢气。但如果处理时间太长，在阴极生成的氢气过多，可能导致下次尾排氢浓度超标；如果处理时间太短，导致未消耗的氧气过多，达不到消耗氧气和长时间静置密封的目的。并且，随着电堆使用时间的增长，氢空串漏量不断增大，会加快上述处理过程中氢气在阴极的生成速率，导致氧气消耗停止处理时判断参数电压或压力出现误判。

另外，公开号为CN109786788A的专利申请公开了一种燃料电池系统，其技术方案为利用总电压或空气侧压力作为氧气消耗处理过程中的依据，但是该技术方案无法达到充分的消耗氧气和残留氢气的目的，尤其是在出现氢空串漏的情况下，停止处理时刻的判断偏差较大。

发明内容

鉴于现有技术中存在的技术缺陷和技术弊端，本发明实施例提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种燃料电池系统的停机控制方法及燃料电池系统、车辆；解决了燃料电池系统在关机消耗氧化气体过程中存在着关机氧化气体消耗不充分和静置时间短与下次开机尾排氢浓度高的矛盾。

作为本发明实施例的一个方面，提供了一种燃料电池系统的停机控制方法，所述停机控制方法包括：

关闭燃料电池电堆空气侧的出入口，设定燃料电池电堆氢气侧恒定的压力值；

接通燃料电池电堆的输出电路，获取氢气侧输入的氢气累积流量；

根据氢气累积流量与预设阈值的关系确定是否关闭燃料电池系统。

进一步地，所述停机控制方法包括：

所述预设阈值等于空气侧容腔氢气量减去氢气侧容腔的氢气量；

所述空气侧容腔的氢气量等于燃料电池系统开机时空气侧容腔残留的氢气量与燃料电池系统关机时空气侧容腔的氧气消耗的氢气量之和。

进一步地，所述停机控制方法还包括：

所述空气侧通过分配阀形成第一流路及第二流路，所述第一流路中分配阀、燃料电池电堆、调节阀及混合腔相连通，所述第二流路中所述分配阀与混合腔通过管路连通，确定第一流路与及第二流路的流阻比；

根据流阻比及开机时空气侧容腔内氢气的预设浓度计算开机时空气侧容腔残留的氢气量；和/或

根据燃料电池系统关机时空气侧容腔的压力、体积及温度计算空气侧容腔的氧气消耗的氢气量；和/或

根据燃料电池系统关机时氢气侧容腔的压力、体积及温度计算氢气侧容腔的氢气量。

进一步地，所述停机控制方法还包括：

建立氢空串漏流量与氢气侧的压力值的趋势模型；

计算氢空串漏流量；

根据氢空串漏流量及所述趋势模型确定氢气侧恒定的压力值。

进一步地，所述停机控制方法包括：

通过氢气供给瞬时流量与氢气瞬时消耗流量的差计算氢空串漏流量，所述氢气瞬时消耗流量根据燃料电池电堆的片数及电流值确定；

根据氢空串漏流量调节氢气侧恒定的压力值。

进一步地，所述停机控制方法还包括：通过吹扫装置排除燃料电池电堆内部的水蒸气及液态水。

进一步地，所述停机控制方法包括：

当氢气累积流量超过预设阈值时，断开输出电路，关闭燃料电池系统；

当氢气累积流量未超过预设阈值时，氢气侧继续输入氢气，记录氢气累积流量。

作为本发明实施例的再一方面，提供了一种燃料电池系统，所述燃料电池系统通过上述的燃料电池系统的停机控制方法控制停机。

进一步地，所述燃料电池系统包括分别与燃料电池电堆连接的氢气侧、空气侧及输出电路，

所述氢气侧设置有与燃料电池电堆氢气输入管路连通的控制阀、与燃料电池电堆氢气输出管路连通的混合腔及氢气循环泵；氢气循环泵的两端分别与氢气输入管路及氢气输出管路相连通；

所述空气侧设置有分配阀，所述分配阀分别与燃料电池电堆的空气输入管路及混合腔连通，所述混合腔与燃料电池电堆的空气输出管路之间设置有调压阀；

所述输出电路中包括电压转换器。

为本发明实施例的又一方面，提供了一种车辆，所述车辆包上述实施例中的燃料电池系统。

本发明实施例至少实现了如下技术效果：

本发明实施例通过氢气瞬时流量的累积值为基础控制燃料电池系统停机时间，在燃料电池系统的全生命周期以及异常情况下，能够实现燃料电池系统在关机过程充分消耗氧化气体的同时，又能够保证下次开机尾排氢浓度在安全浓度范围内；另外，本实施例充分考虑了氢空串漏因素，在存在氢空串漏的情况下，能够结合根据氢空串漏流量调节氢气侧恒定的压力值，保证了判定停机时间的稳定性及准确性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所记载的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明一实施例的燃料电池系统的结构示意图；

图2为本发明一实施例的燃料电池系统的停机控制方法的流程图；

图3为本发明一实施例的氢空串漏流量与氢气侧的压力值的趋势模型示意图；

图4为本发明一实施例的燃料电池系统的停机控制方法的具体流程图。

附图说明：1、控制阀；2、氢气循环泵；3、吹扫装置；4、燃料电池电堆；5、混合腔；6、调压阀；7、分配阀；8、空压机；9、电压转换器；10、负载。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

附图和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

在一个实施例中，参见附图1及附图2，本实施例提供了一种燃料电池系统的停机控制方法，所述停机控制方法包括：

S11关闭燃料电池电堆空气侧的出入口，设定燃料电池电堆氢气侧恒定的压力值；

S12接通燃料电池电堆的输出电路；

S13获取氢气侧输入的氢气累积流量；

S14根据氢气累积流量与预设阈值的关系确定是否关闭燃料电池系统。

在本实施例中，触发燃料电池系统停机时，启动S11，关闭空气侧的出口及入口，首先控制空气侧的输入，保证空气侧容腔中的空气量固定，其中空气侧的容腔可以是分配法和调压阀封闭的电堆容腔；若通过其他结构关闭空气侧的出入口，则容腔的范围根据不同结构进行调整，并保证氢气侧容腔内压力恒定，例如：保持在130～150kPa范围，具体的可以是140kPa，其中氢气侧的容腔可以是氢气控制阀和尾排阀封闭的空间，其中尾排阀可以设置在吹扫装置中的电磁阀，也可以是其他关闭氢气侧燃料电池电堆输出管路的阀门；S12为通过接通输出电路执行氧气消耗处理，在处理过程中，控制电堆输出电流，例如10A，其范围可以根据需要进行调整，使氢气和氧气不断反应以消耗残留的氧气；S13中氢气累积流量可以通过氢气瞬时流量值进行累积计算得到，其中，氢气瞬时流量指的是氢气侧的控制阀供给到燃料电池电堆的氢气的瞬时流量值，可以通过在控制阀1前端安装氢气流量传感器实现，也可以通过压力等参数计算得到，例如公开号为CN110611111A的氢气瞬时流量的测量方法实现；在S14中，预先根据燃料电池系统的配置及运行参数，计算实际所需要的氢气量，即实际所需的氢气累积流量值，将实际所需的氢气累积流量值设置为预设阈值，实时与进行中的氢气累积流量进行对比，当达到实际所需的预设阈值时，即可停止燃料电池系统。

在本实施例中，所述停机控制方法包括：

所述预设阈值等于空气侧容腔的氢气量减去氢气侧容腔的氢气量；

所述空气侧容腔的氢气量等于燃料电池系统开机时空气侧容腔残留的氢气量与燃料电池系统关机时空气侧容腔的氧气消耗的氢气量之和。

在本实施例中，为了同时满足开机及关机的氢气不同的需求量，空气侧容腔的氢气量包括两部分，一是开机时空气侧容腔残留的氢气量，一是关机时空气侧容腔的氧气消耗的氢气量之和，由于空气侧已经关闭，故空气侧容腔的体积是确定的，故其中的氧含量可以准确的计算得出，故可以由此推导出实际消耗氧所需的氢的量，其中开机时空气侧容腔所需的氢气量可以根据所需氢气的体积分数计算。

在一个实施例中，所述停机控制方法还包括：

所述空气侧通过分配阀形成第一流路及第二流路，所述第一流路中分配阀、燃料电池电堆、调节阀及混合腔相连通，所述第二流路中所述分配阀与混合腔相通过管路连通，确定第一流路与及第二流路的流阻比；

根据流阻比及开机时空气侧容腔内氢气的预设浓度计算开机时空气侧容腔残留的氢气量；

优选地，根据燃料电池系统关机时空气侧容腔的压力、体积及温度计算空气侧容腔的氧气消耗的氢气量；

优选地，根据燃料电池系统关机时氢气侧容腔的压力、体积及温度计算氢气侧容腔的氢气量。

在本实施例中，若氧气消耗处理过程中电堆空气容腔保留了高浓度的氢气，则下次开机空气进入空气容腔时，氢气将被排出到大气中，此时容易出现排出口的氢气浓度值超过安全阈值，如爆炸下限体积分数4％。但若保留了低浓度的氢气，则无法长时间消耗大气渗透进入电堆的氧气，导致下次开机时出现氢氧界面，因此本实施例通过预设的氢气的体积分数推算实际需要氢气的量，精确控制氧气消耗处理过程中供给到电堆内部的氢气，保证氧气消耗完全的同时氢气的体积分数不会过高，节约了时间及原料成本的同时更加保证了安全性。

假设关机后氢气和氮气可以充分混合且无大气渗透进入电堆，则氧气消耗处理过程中供给的氢气总量可以通过下式计算：

其中：n_H2为氢气累积流量的预设阈值；α是开机前空气侧容腔内残留的氢气和氮气混合气中氢气所占的体积分数，n_N2空气侧氮气的总量；n_O2关机时空气侧氧气的总量；n_H2,ini氢气侧容腔的氢气总量。

优选地，开机时，开启分配阀，空气进入电堆时，残留在空侧的氢气被排出，由分配阀直接到混合腔的空气流量值

由电堆空气侧经调压阀到混合腔的氢氮混合气体流量值

β取决于两条流路的流阻比，流阻比可以通过计算或实验标定获得；将氢气和空气混合，控制氢气的体积分数在4％以下，

α是开机前空侧容腔内残留的氢气和氮气混合气中氢气所占的体积分数，则可以求得

从而以满足4％稀释要求，具体可以根据实际需求进行计算。

优选地，根据关机时执行氧气消耗处理之前空气侧容腔的压力p，体积V，温度T和通用气体常数R，可以求出空气的总量：

其中氮气的总量为n_N2＝0.79n_air，氧气的总量n_O2＝0.21n_air，同理，可以求得氢气侧容腔的氢气总量：

由于惰性气体也能起到稀释的作用，本实施例中，氮气的总量还可以包括惰性气体。

在一个实施例中，所述停机控制方法还包括：

建立氢空串漏流量与氢气侧的压力值的趋势模型；

计算氢空串漏流量；

根据氢空串漏流量及所述趋势模型确定氢气侧恒定的压力值。

在本实施例中，可以根据实验标定或理论仿真获得趋势模型，如图3所示，根据氢空串漏的流量调整氢气侧的压力值以优化氧气消耗的效果，其中氢空串漏是指氢气和空气的串漏，串漏是由于质子交换膜微孔或者破裂导致的阴阳极气体渗漏到对侧的现象，随着燃料电池电堆工作时间的增长，不可避免的会发生氢空串漏的现象。本实施例根据氢空串漏流量的变化情况调整压力值的大小。优选地，氢气侧的压力值可以由压力传感器测量。

在本实施例中，所述停机控制方法包括：

通过氢气供给瞬时流量与氢气瞬时消耗流量的差计算氢空串漏流量，所述氢气瞬时消耗流量根据燃料电池电堆的片数及电流值确定；

根据氢空串漏流量调节氢气侧恒定的压力值。

在本实施例中，在电堆氢侧保持压力不变的情况下，氢气供给瞬时流量＝电流扫描的氢气瞬时消耗+氢空串漏流量，其中氢气瞬时消耗值可以根据以下公式求解，N为电堆单片数目，i为电流值：

由于能够通过氢空串漏流量判定氢空串漏的严重度，故

若

变大，则代表氢空串漏更严重；由于电堆通常有几百片单片组成，若氢空串漏越严重，则串漏单片与未发生串漏单片间的的氧气消耗速率和空侧氢气生成速率的差异越大，不利于单片间氧气消耗的一致性。

由于氢空串漏的流量与电堆氢气侧和空气侧的氢气压力差成正比，因此降低氢气侧的压力值，有助于降低氢空串漏量，保证氧气消耗处理的一致性和充分性；在本实施例中，若氢空串漏流量增加，则降低设定的氢气侧恒定的压力值，从而控制氢空串漏量；优选地，可以通过调节氢气控制阀调节氢气侧的压力。

通过本实施例方法调整氧气消耗过程中氢气侧压力的值，防止消耗氧气的不均匀，有效的避免了当有一片串漏的很严重，其他的单片没有问题的情况下，由于氢气压力高，导致大部分氢气从串漏的这片到对侧，而其他片继续慢慢消耗的情况。

在一个实施例中，所述停机控制方法还包括：通过吹扫装置排除燃料电池电堆内部的水蒸气及液态水。

在本实施例中，执行燃料电池系统吹扫操作，通过向电堆持续供给空气和氢气，吹走电堆内部的水蒸气和液态水等；可以通过安装吹扫装置进行；如果电堆内部的水含量较低，也可以不进行吹扫。

在一个实施例中，如图4所示，所述停机控制方法包括：

S21触发燃料电池系统关机；

S22关闭燃料电池电堆空气侧的出入口；

S23接通燃料电池电堆的输出电路，进行氧气消耗处理；

S24判断氢气累积流量是否超过预设阈值，若是，则转至S25；若否，则转至S23；

S25断开输出电路，关闭燃料电池系统。

其中，在S21之后还可以设置有吹扫步骤；在S22中，空气测关闭第一流路，第二流路连通，具体的，通过调节电堆空气侧入口分配阀，关闭电堆入口通道，打开第二流路，使空气不经过电堆，直接流入混合腔，并关闭电堆空气侧出口节气门，阻止空气回流进电堆。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种燃料电池系统，由于燃料电池系统所解决问题的原理与前述实施例的燃料电池系统的停机控制方法相似，因此本实施例的实施可以参见前述燃料电池系统的停机控制方法的实施，重复之处不再赘述。

本实施例提供了一种燃料电池系统，如附图1所示，所述燃料电池系统通过上述的燃料电池系统的停机控制方法控制停机的时间。

在本实施例中，通过上述停机控制方法控制燃料电池系统的停机，有效的避免了本实施例燃料电池在开机时出现氢氧界面现象，并且在关机时保证了燃料电池电堆处于还原环境，既可以避免尾排氢浓度超标，又能保证氧气的消耗及静置密封的时长；另外，能够随着氢空串漏量不断增大，实时进行工艺参数的调整，保证停机时间的准确性，本实施例提供的燃料电池使用寿命更长。

在一个实施例中，所述燃料电池系统包括分别与燃料电池电堆连接的氢气侧、空气侧及输出电路，

所述氢气侧设置有与燃料电池电堆4氢气输入管路连通的控制阀1、与燃料电池电堆4氢气输出管路连通的混合腔5及氢气循环泵2；氢气循环泵2的两端分别与氢气输入管路及氢气输出管路相连通；

所述空气侧设置有分配阀7，所述分配阀7分别与燃料电池电堆4的空气输入管路及混合腔5连通，所述混合腔5与燃料电池电堆4的空气输出管路之间设置有调压阀6；

所述输出电路中包括电压转换器9。

在本实施例中，控制阀1是燃料电池电堆4氢气侧的进口，空气侧通过空气机8将空气通过分配阀7输入燃料电池电堆，分配阀7可以是三通阀，可以将空气输入燃料电池电堆4，也可以将空气通过管路直接输入混合腔5，其中混合腔5为尾排混合腔，其输入途径包括3种，1是有燃料电池电堆氢气侧的输出管路，2是燃料电池电堆空气侧的输出管路，3是直接通过分配阀输入的空气，其中燃料电池电堆空气侧的输出管路上设置有调压阀。

优选地，输出电路包括电压转换器9及负载10，可以是电机、电池或者其他的动力或储能装置，本实施例中输出电路还可以是能够输出电流实现氧气消耗的其他结构，在此不进行限制。

优选地，本实施例还可以设置吹扫装置3，通过吹扫装置进行水蒸气等吹扫。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种车辆，由于该车辆所解决问题的原理与前述实施例的燃料电池系统相似，因此本实施例的实施可以参见前述热管理控制系统的实施，重复之处不再赘述。

本实施例提供了一种车辆，所述车辆包上述实施例中的燃料电池系统。

在本实施例中，由于燃料电池系统的使用寿命长，维护频率低，故降低了车辆的维护成本，提升了车辆的性价比。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”“第二”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统的停机控制方法，其特征在于，所述停机控制方法包括：

关闭燃料电池电堆空气侧的出入口，设定燃料电池电堆氢气侧恒定的压力值；接通燃料电池电堆的输出电路，获取氢气侧输入的氢气累积流量；

根据氢气累积流量与预设阈值的关系确定是否关闭燃料电池系统。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统的停机控制方法，其特征在于，所述停机控制方法包括：

所述预设阈值等于空气侧容腔的氢气量减去氢气侧容腔的氢气量；

所述空气侧容腔的氢气量等于燃料电池系统开机时空气侧容腔残留的氢气量与燃料电池系统关机时空气侧容腔的氧气消耗的氢气量之和。

3.如权利要求2所述的燃料电池系统的停机控制方法，其特征在于，所述停机控制方法还包括：

所述空气侧通过分配阀形成第一流路及第二流路，所述第一流路中分配阀、燃料电池电堆、调节阀及混合腔相连通，所述第二流路中所述分配阀与混合腔通过管路连通，确定第一流路与及第二流路的流阻比；

根据流阻比及开机时空气侧容腔内氢气的预设浓度计算开机时空气侧容腔残留的氢气量；和/或

根据燃料电池系统关机时空气侧容腔的压力、体积及温度计算空气侧容腔的氧气消耗的氢气量；和/或

根据燃料电池系统关机时氢气侧容腔的压力、体积及温度计算氢气侧容腔的氢气量。

4.如权利要求1所述的燃料电池系统的停机控制方法，其特征在于，所述停机控制方法还包括：

建立氢空串漏流量与氢气侧的压力值的趋势模型；

计算氢空串漏流量；

根据氢空串漏流量及所述趋势模型确定氢气侧恒定的压力值。

5.如权利要求4所述的燃料电池系统的停机控制方法，其特征在于，所述停机控制方法包括：

通过氢气供给瞬时流量与氢气瞬时消耗流量的差计算氢空串漏流量，所述氢气瞬时消耗流量根据燃料电池电堆的片数及电流值确定；

根据氢空串漏流量调节氢气侧恒定的压力值。

6.如权利要求1所述的燃料电池系统的停机控制方法，其特征在于，所述停机控制方法还包括：通过吹扫装置排除燃料电池电堆内部的水蒸气及液态水。

7.如权利要求1-6任意所述的燃料电池系统的停机控制方法，其特征在于，所述停机控制方法包括：

当氢气累积流量超过预设阈值时，断开输出电路，关闭燃料电池系统；

当氢气累积流量未超过预设阈值时，氢气侧继续输入氢气，记录氢气累积流量。

8.一种燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统通过如权利要求1-7任意一项所述的燃料电池系统的停机控制方法控制停机。

9.如权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括分别与燃料电池电堆连接的氢气侧、空气侧及输出电路，

所述氢气侧设置有与燃料电池电堆氢气输入管路连通的控制阀、与燃料电池电堆氢气输出管路连通的混合腔及氢气循环泵；氢气循环泵的两端分别与氢气输入管路及氢气输出管路相连通；

所述空气侧设置有分配阀，所述分配阀分别与燃料电池电堆的空气输入管路及混合腔连通，所述混合腔与燃料电池电堆的空气输出管路之间设置有调压阀；

所述输出电路中包括电压转换器。

10.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括如权利要求8或9任一所述的燃料电池系统。

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