CN113903955B - 氢气浓度计算模型的构建方法、检测装置和燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种氢气浓度计算模型的构建方法、检测装置和燃料电池系统，该氢气浓度计算模型的构建方法包括：构建氢气浓度检测模型，其包括检测容腔和布置在检测容腔内的超声波传感器；向检测容腔依次通入具有不同氢气浓度的混合气体，并获取不同氢气浓度所对应的超声波传感器的输出电压；绘制氢气浓度与超声波传感器的输出电压的关系曲线并将上述关系曲线作为氢气浓度计算模型，氢气浓度计算模型为：

在输出电压已知的情况下，根据上述氢气浓度计算模型即可精准计算出混合气体中氢气浓度，提高了氢气浓度检测的可靠性。基于该氢气浓度，后续可确定出阳极气体的最优排放时间，以及对尾排气体进行吹扫的最佳时间，以提高燃料电池系统的可靠性。

Description

氢气浓度计算模型的构建方法、检测装置和燃料电池系统

技术领域

本申请涉及能源技术领域，尤其涉及一种氢气浓度计算模型的构建方法、检测装置和燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是一种电化学装置，其中，阳极氢气浓度的优化控制是影响燃料电池性能的重要参数。目前广泛采用等效Q值法(EQV)确定阳极气体中的氢气浓度，但是，等效Q值法(EQV)是维持氢气浓度在一定区间的间接方法，受环境条件和行驶工况的影响较大，且存在一定的误差和可靠性问题。例如，计算氢气浓度低于实际氢气浓度时，燃料电池将排放过多的阳极气体，意味着过多的氢气被排出，造成资源的浪费；计算氢气浓度高于实际氢气浓度时，燃料电池不能及时排放足够的阳极气体，易出现反极现象，影响燃料电池的使用寿命。

发明内容

本申请的目的是提供一种氢气浓度计算模型的构建方法，其采用所构建出的氢气浓度计算模型，在输出电压已知的情况下精准计算出混合气体中氢气浓度，提高了氢气浓度检测的可靠性。

另一目的还在于提供一种氢气浓度检测装置和燃料电池系统。

第一方面，本申请实施例提供一种氢气浓度计算模型的构建方法，适用于燃料电池系统，该构建方法包括：

构建氢气浓度检测模型；氢气浓度检测模型包括检测容腔和布置在检测容腔内的超声波传感器；

向检测容腔依次通入具有不同氢气浓度的混合气体，并获取不同氢气浓度所对应的超声波传感器的输出电压；

绘制氢气浓度与超声波传感器的输出电压的关系曲线并将上述关系曲线作为氢气浓度计算模型，氢气浓度计算模型为：

V为超声波传感器的输出电压，x为氢气的浓度，Γ、A、B、G、H、I和Z均为常数。

在一种可能的实施方案中，在氢气浓度检测模型包括检测容腔和布置在检测容腔内的超声波传感器的步骤中，根据超声波传感器的超声波在混合气体中按照预设方向传播的距离确定出检测容腔的内径；根据超声波传感器的超声波在混合气体中按照预设方向传播的时间确定出检测容腔的长度；混合气体中氢气浓度介于0～100％。

在一种可能的实施方案中，超声波传感器中超声波的传播方向与混合气体的气流方向的夹角介于60°～90°。

在一种可能的实施方案中，超声波传感器包括集成为一体的发射器和接收器，且超声波传感器中超声波的传播方向垂直于混合气体的气流方向。

在一种可能的实施方案中，超声波传感器包括沿径向分设在检测容腔内壁上的发射器和接收器，且超声波传感器中超声波的传播方向与混合气体的气流方向存在夹角。

第二方面，本申请实施例提供一种氢气浓度检测装置，适用于燃料电池系统，该氢气浓度检测装置包括：

上述氢气浓度计算模型的构建方法中的氢气浓度检测模型；检测容腔用于通入待检测混合气体；

第一控制器，与超声波传感器通信连接，并根据上述氢气浓度计算模型的构建方法所构建出的氢气浓度计算模型计算出待检测混合气体中的氢气浓度。

在一种可能的实施方案中，待检测混合气体包括燃料电池系统中的阳极气体或者尾排气体。

第三方面，本申请实施例提供一种燃料电池系统，包括阳极循环回路、第一检测装置和第二控制器；

第一检测装置设在阳极循环回路上，且为上述实施例中的氢气浓度检测装置；第一检测装置中的检测容腔用于通入阳极循环回路的阳极气体；

第二控制器与第一检测装置中的第一控制器通信连接，并确定计算出的阳极气体中的氢气浓度是否小于第一阈值，在阳极气体中的氢气浓度小于第一阈值后控制阳极循环回路向外排放阳极气体。

在一种可能的实施方案中，检测容腔包括进气口和出气口，进气口和出气口沿检测容腔的轴向分设在检测容腔的相对端部；检测容腔的气流方向与阳极循环回路中阳极气体的气流方向相同。

在一种可能的实施方案中，该燃料电池系统还包括尾排管道、吹扫系统和设在尾排管道上的第二检测装置；第二检测装置的结构与第一检测装置的结构相同；

第二控制器与第二检测装置中的第一控制器通信连接，并确定计算出的尾排气体中的氢气浓度是否大于第二阈值，在尾排气体中的氢气浓度大于第二阈值后控制吹扫系统对尾排气体吹扫并使吹扫后尾排气体中的氢气浓度小于第二阈值。

与现有技术相比，本申请的有益效果至少如下：

本申请构建出氢气浓度计算模型，在输出电压已知的情况下，根据上述氢气浓度计算模型即可精准计算出混合气体中氢气浓度，提高了氢气浓度检测的可靠性。基于该氢气浓度，后续可确定出阳极气体的最优排放时间，在阳极闭环控制下提高氢气利用效率；同时，基于该氢气浓度可确定出吹扫系统对尾排气体进行吹扫的最佳时间，降低氢气的损耗，并使尾排气体中的氢气浓度降低至爆炸极限以下，实现尾排气体的安全排放，并提高燃料电池系统的可靠性。另外，上述超声波传感器可包括集成为一体的发射器和接收器，其布置方式灵活，且成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为根据本申请实施例示出的一种氢气浓度计算模型的构建方法的示意图；

图2为根据本申请实施例示出的一种氢气浓度检测模型或者氢气浓度检测装置的结构示意图；

图3为根据本申请实施例示出的一种氢气浓度检测模型或者氢气浓度检测装置的结构示意图；

图4为根据本申请实施例示出的一种燃料电池系统的结构示意图。

图示说明：

10检测容腔；11进气口；12出气口；20超声波传感器；30第一控制器；

100燃料电池堆；200阳极循环回路；210排放阀；300第一检测装置；400尾排管道；410混合腔；500第二检测装置；600空压机。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

燃料电池系统包括燃料电池堆，燃料电池堆包括阳极和阴极，阳极具有阳极入口和阳极出口，阳极入口和阳极出口通过阳极循环管线连接以使阳极出口处的气体经阳极循环管线重新引回至燃料电池堆中。氮气自燃料电池堆阴极侧的串扰，稀释了燃料电池堆阳极侧的氢气，进而影响燃料电池堆的性能。

解决上述问题的传统解决方法为：采用等效Q值法(EQV)估算阳极气体中的氢气浓度，并根据估算阳极气体中的氢气浓度控制阳极循环管线中气体的排放，但是，这种方法存在提前或延后对阳极循环管线中气体进行排放的现象。因此，发明人根据氢气浓度与超声波传感器的输出电压的关系曲线构建出一种氢气浓度计算模型，在输出电压已知的情况下即可精准计算出阳极气体中的氢气浓度，并根据阳极气体中的氢气浓度确定出阳极循环管线中气体的最优排放时间，避免提前或延后对阳极循环管线中气体进行排放，在阳极闭环控制下提高氢气利用效率，并提高燃料电池堆的性能与可靠性。

根据本申请的一个方面，提供了一种氢气浓度计算模型的构建方法，该氢气浓度计算模型的构建方法适用于燃料电池系统，且所构建出的氢气浓度计算模型适用于低温、高湿或者结冰等不同环境中。参见图1，该构建方法包括：

S1、构建氢气浓度检测模型，该氢气浓度检测模型包括检测容腔10和布置在检测容腔10内的超声波传感器20。

作为示例，参见图2，检测容腔10用于通入具有不同氢气浓度的混合气体。检测容腔10呈圆柱状，且包括进气口11和出气口12，进气口11和出气口12沿检测容腔10的轴向分设在检测容腔10的相对端部。超声波传感器20包括集成为一体的发射器和接收器，其可设在检测容腔10的内壁的任意位置，具体地，该超声波传感器20设在检测容腔10内壁靠近进气口11的一侧。

较佳地，检测容腔10的内径根据超声波传感器20的超声波在混合气体中按照预设方向传播的距离来确定，检测容腔10的长度根据超声波传感器20的超声波在混合气体中按照预设方向传播的时间来确定，混合气体中氢气浓度介于0～100％。本实施例中，超声波传感器20中超声波的传播方向垂直于混合气体的气流方向，检测容腔10的内径可选为30～50mm，长度可选为20～300mm。

作为示例，参见图3，检测容腔10用于通入具有不同氢气浓度的混合气体。检测容腔10呈圆柱状，且包括进气口11和出气口12，进气口11和出气口12沿检测容腔10的轴向分设在检测容腔10的相对端部。超声波传感器20包括沿径向分设在检测容腔10内壁上的发射器和接收器，且超声波传感器20中超声波的传播方向与混合气体的气流方向存在夹角，上述夹角优选为60°～90°。该超声波传感器20除了可检测混合气体中的氢气浓度之外，还可以检测混合气体的流速。检测混合气体的流速时，只需获取超声波自发射至接收的时间即可。

较佳地，检测容腔10的内径根据超声波传感器20的超声波在混合气体中按照预设方向传播的距离来确定，检测容腔10的长度根据超声波传感器20的超声波在混合气体中按照预设方向传播的时间来确定，混合气体中氢气浓度介于0～100％。本实施例中，超声波传感器20中超声波的传播方向与混合气体的气流方向的夹角优先为60°～80°，检测容腔10的内径可选为30～50mm，长度可选为20～300mm。

S2、向检测容腔10依次通入具有不同氢气浓度的混合气体，并获取不同氢气浓度所对应的超声波传感器20的输出电压。

作为示例，混合气体为由水蒸汽、氮气和氢气所组成的饱和湿气，混合气体中的氢气浓度介于0～100％。选取多组具有不同氢气浓度的混合气体并依次通入至检测容腔10中，超声波传感器20对通入至检测容腔10中的混合气体进行检测并输出对应的输出电压。混合气体中氢气浓度不同时，超声波传感器20所输出的输出电压也不同。

S3、绘制氢气浓度与超声波传感器20的输出电压的关系曲线并将上述关系曲线作为氢气浓度计算模型，氢气浓度计算模型为：

V为超声波传感器20的输出电压，x为氢气的浓度，Γ、A、B、G、H、I和Z均为常数。

根据本申请的一个方面，提供了一种氢气浓度检测装置，该氢气浓度检测装置适用于燃料电池系统，且适用于低温、高湿或者结冰等不同环境中。

参见图2和图3，该氢气浓度检测装置包括上述氢气浓度计算模型的构建方法中的氢气浓度检测模型和第一控制器30，检测容腔10用于通入待检测混合气体，第一控制器30与超声波传感器20通信连接，并在获取超声波传感器20的输出电压后，根据上述氢气浓度计算模型的构建方法所构建出的氢气浓度计算模型计算出待检测混合气体中的氢气浓度。氢气浓度计算模型为：

V为超声波传感器20的输出电压，x为监测组分的浓度，Γ、A、B、G、H、I和Z均为常数。

待检测混合气体包括燃料电池系统中的阳极气体或者尾排气体，阳极气体和尾排气体均为由氢气、水蒸汽和氮气所组成的混合气体，上述的待检测混合气体充满检测容腔10时，可利用超声波传感器20对上述的待检测混合气体进行检测。

根据本申请的一个方面，提供了一种燃料电池系统，其适用于低温、高湿或者结冰等不同环境中。参见图4，该燃料电池系统包括阳极循环回路200、第一检测装置300和第二控制器。阳极循环回路200包括用于产生电力的燃料电池堆100，燃料电池堆100包括阳极和阴极，阳极具有阳极入口和阳极出口，阳极出口处的气体经阳极循环回路200并自阳极入口处重新引回至燃料电池堆100。

第一检测装置300设在阳极循环回路200上，且为上述实施例的氢气浓度检测装置。第一检测装置300中的检测容腔用于通入阳极循环回路200的阳极气体，且检测容腔的气流方向与阳极循环回路200的气流方向相同。

第二控制器与第一检测装置300中的第一控制器通信连接，并确定计算出的阳极气体中的氢气浓度是否小于第一阈值，在阳极气体中的氢气浓度小于第一阈值后控制阳极循环回路200向外排放阳极气体。阳极气体为由氢气、水蒸汽和氮气所组成的混合气体。

利用第一检测装置300实时检测阳极气体中的氢气浓度，并将上述阳极气体中的氢气浓度与第一阈值比较以确定出阳极气体的最优排放时间，避免提前或延后对阳极循环回路200中的气体进行排放，在阳极闭环控制下提高氢气利用效率，并提高燃料电池系统的可靠性。

较佳地，阳极循环回路200具有一个旁路，该旁路上设置有用于排放阳极循环回路200中气体的排放阀210。

在一种实施方式中，参见图4，该燃料电池系统还包括尾排管道400和吹扫系统。尾排管道400与燃料电池堆100的阴极出口连接，阳极循环回路200所排放的气体汇入至尾排管道400中。尾排管道400上设置有第二检测装置500，该第二检测装置500也为上述实施例的氢气浓度检测装置，且第二检测装置500的结构与第一检测装置300的结构相同。

第二控制器与第二检测装置500中的第一控制器通信连接，并确定计算出的尾排气体中的氢气浓度是否大于第二阈值，在尾排气体中的氢气浓度大于第二阈值后控制吹扫系统对尾排气体吹扫并使吹扫后尾排气体中的氢气浓度小于第二阈值。尾排气体为由氢气、水蒸汽和氮气所组成的混合气体。

利用第二检测装置500实时检测尾排气体中的氢气浓度，并将上述尾排气体中的氢气浓度与第二阈值比较以确定出吹扫系统对尾排气体进行吹扫的最佳时间，降低氢气的损耗，并使尾排气体中的氢气浓度降低至爆炸极限以下，进而实现尾排气体的安全排放，并提高燃料电池系统的可靠性。

较佳地，吹扫系统包括空压机600，该空压机600向燃料电池堆100的阴极侧输入空气，且空气自燃料电池堆100的阴极出口排至尾排管道400内。尾排管道400与燃料电池堆100的阴极出口之间包括有混合腔410，阳极循环回路200所排放的气体汇入至混合腔410中，在混合腔410内，自燃料电池堆100阴极侧排出的空气对阳极循环回路200所排放的气体吹扫，以使氢气的浓度降低。

较佳地，第二检测装置500位于混合腔410远离燃料电池堆100中阴极出口的一侧。

由以上的技术方案可知，本申请构建出氢气浓度计算模型，在输出电压已知的情况下，根据上述氢气浓度计算模型即可精准计算出混合气体中氢气浓度，提高了氢气浓度检测的可靠性。基于该氢气浓度，后续可确定出阳极气体的最优排放时间，在阳极闭环控制下提高氢气利用效率；同时，基于该氢气浓度可确定出吹扫系统对尾排气体进行吹扫的最佳时间，降低氢气的损耗，并使尾排气体中的氢气浓度降低至爆炸极限以下，实现尾排气体的安全排放，并提高燃料电池系统的可靠性。另外，上述超声波传感器可包括集成为一体的发射器和接收器，其布置方式灵活，且成本低。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种氢气浓度计算模型的构建方法，适用于燃料电池系统，其特征在于，包括：

构建氢气浓度检测模型；所述氢气浓度检测模型包括检测容腔和布置在所述检测容腔内的超声波传感器；

向所述检测容腔依次通入具有不同氢气浓度的混合气体，并获取不同氢气浓度所对应的超声波传感器的输出电压；

绘制氢气浓度与所述超声波传感器的输出电压的关系曲线并将所述关系曲线作为所述氢气浓度计算模型，所述氢气浓度计算模型为：

V为超声波传感器的输出电压，x为氢气的浓度，Γ、A、B、G、H、I和Z均为常数。

2.根据权利要求1所述的氢气浓度计算模型的构建方法，其特征在于，在所述氢气浓度检测模型包括检测容腔和布置在所述检测容腔内的超声波传感器的步骤中，根据所述超声波传感器的超声波在混合气体中按照预设方向传播的距离确定出所述检测容腔的内径；根据所述超声波传感器的超声波在混合气体中按照预设方向传播的时间确定出所述检测容腔的长度；所述混合气体中氢气浓度介于0～100％。

3.根据权利要求2所述的氢气浓度计算模型的构建方法，其特征在于，所述超声波传感器中超声波的传播方向与所述混合气体的气流方向的夹角介于60°～90°。

4.根据权利要求3所述的氢气浓度计算模型的构建方法，其特征在于，所述超声波传感器包括集成为一体的发射器和接收器，且所述超声波传感器中超声波的传播方向垂直于所述混合气体的气流方向。

5.根据权利要求3所述的氢气浓度计算模型的构建方法，其特征在于，所述超声波传感器包括沿径向分设在所述检测容腔内壁上的发射器和接收器，且所述超声波传感器中超声波的传播方向与所述混合气体的气流方向存在夹角。

6.一种氢气浓度检测装置，适用于燃料电池系统，其特征在于，包括：

如权利要求1～5中任一项所述的氢气浓度计算模型的构建方法中的氢气浓度检测模型；所述检测容腔用于通入待检测混合气体；

第一控制器，与所述超声波传感器通信连接，并根据如权利要求1～5中任一项所述的氢气浓度计算模型的构建方法所构建出的氢气浓度计算模型计算出所述待检测混合气体中的氢气浓度。

7.根据权利要求6所述的氢气浓度检测装置，其特征在于，所述待检测混合气体包括燃料电池系统中的阳极气体或者尾排气体。

8.一种燃料电池系统，其特征在于，包括阳极循环回路、第一检测装置和第二控制器；

所述第一检测装置设在所述阳极循环回路上，且为权利要求6或7所述的氢气浓度检测装置；所述第一检测装置中的检测容腔用于通入所述阳极循环回路的阳极气体；

所述第二控制器与所述第一检测装置中的第一控制器通信连接，并确定计算出的所述阳极气体中的氢气浓度是否小于第一阈值，在所述阳极气体中的氢气浓度小于第一阈值后控制所述阳极循环回路向外排放所述阳极气体。

9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，所述检测容腔包括进气口和出气口，所述进气口和出气口沿所述检测容腔的轴向分设在所述检测容腔的相对端部；所述检测容腔的气流方向与所述阳极循环回路中阳极气体的气流方向相同。

10.根据权利要求8或9所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括尾排管道、吹扫系统和设在所述尾排管道上的第二检测装置；所述第二检测装置的结构与所述第一检测装置的结构相同；

所述第二控制器与所述第二检测装置中的第一控制器通信连接，并确定计算出的尾排气体中的氢气浓度是否大于第二阈值，在所述尾排气体中的氢气浓度大于第二阈值后控制所述吹扫系统对所述尾排气体吹扫并使吹扫后尾排气体中的氢气浓度小于第二阈值。

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