CN114243065A - 燃料电池系统额定工况点气体反应物供给压力的修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统额定工况点气体反应物供给压力的修正方法。一种燃料电池系统额定工况点气体反应物供给压力的修正方法，具体包括以下步骤：S1、进行燃料电池系统可靠性试验时，将燃料电池系统拉载至额定功率P_E后，判断燃料电池系统是否需要执行修正气体反应物供给压力命令；S2、如果需要修正气体反应物供给压力，则在下一次将燃料电池系统拉载至额定功率P_E时，计算修正后的请求氢气压力P_Anod1，请求空气压力P_Cathd1；S3、调整并维持燃料电池系统的氢气压力和空气压力分别在P_Anod1值和P_Cathd1值下运行，且在下一次将燃料电池系统拉载至额定功率P_E时，判断燃料电池系统是否需要执行修正气体反应物供给压力命令。

Description

燃料电池系统额定工况点气体反应物供给压力的修正方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统额定工况点气体反应物供给压力的修正方法。

背景技术

在申请号为CN202110713813.5，专利名为一种燃料电池系统可靠性的测试评价方法中公开的燃料电池系统可靠性测试评价方法，其过程一般先进行性能初试，然后进行可靠性试验，最后进行性能复试。而在可靠性试验方法中，主要包括启停工况、额定工况、负荷循环工况。随着燃料电池系统可靠性试验过程，在进行额定工况测试时，可能会出现额定点电堆电压低于性能初试的数值，导致额定工况点实际功率达不到性能初试值，甚至出现气体反应物欠气，这种工况将会直接影响电堆的使用寿命。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种燃料电池系统额定工况点气体反应物供给压力的修正方法。

本发明提供一种燃料电池系统额定工况点气体反应物供给压力的修正方法，具体包括以下步骤：

S1、进行燃料电池系统可靠性试验时，将燃料电池系统拉载至额定功率P_E后，判断燃料电池系统是否需要执行修正气体反应物供给压力命令，同时，根据整车的请求发电功率功率，获取燃料电池系统的额定工况点请求氢气压力P_Anod和请求空气压力P_Cathd，如果不需要修正气体反应物供给压力，则维持燃料电池反应堆的氢气压力和空气压力在对应的P_Anod值和P_Cathd值下运行，如果需要修正气体反应物供给压力，则进行下一步操作；

S2、如果需要修正气体反应物供给压力，则在下一次燃料电池系统拉载至额定功率P_E时，对燃料电池反应堆在该额定工况点下的额定点电堆电压偏差进行PI闭环调节，获取氢气供给压力修正因子m和空气供给压力修正因子n，根据m和n，计算该额定工况点下修正后的请求氢气压力P_Anod1，请求空气压力P_Cathd1，其中，

P_Anod1＝m×P_Anod 式(3)

P_Cathd1＝n×P_Cathd 式(4)

在式(1)和式(2)中，K_p氢是氢气供给压力修正因子m比例调节的系数、K_i氢是氢气供给压力修正因子m积分调节的系数、K_p空是空气供给压力修正因子n比例调节的系数、K_i空是空气供给压力修正因子n积分调节的系数；

S3、调整并维持燃料电池反应堆的氢气压力和空气压力分别在P_Anod1值和P_Cathd1值下运行，且在下一次燃料电池系统拉载至额定功率P_E时，判断燃料电池系统是否需要执行修正气体反应物供给压力命令，如果不需要修正气体反应物供给压力，则维持燃料电池反应堆的氢气压力和空气压力分别在P_Anod1值和P_Cathd1值下运行，如果需要修正气体反应物供给压力，则重复S2的操作，直至燃料电池系统不需要修正气体反应物供给压力。

进一步地，S1的具体操作为：

S1-1、当燃料电池系统可靠性进行性能初试，将燃料电池系统拉载至额定功率P_E，记录该额定工况下燃料电池反应堆的额定点电堆电压U₀；

S1-2、当进行燃料电池系统可靠性试验时，当燃料电池系统第n次拉载至额定功率工况点P_E，记录该额定工况下燃料电池反应堆的额定点电堆电压U_n，则燃料电池反应堆在第n个额定点电堆电压与性能初试的额定点电堆电压偏差ΔU₁＝U₀-U_n；

S1-3、记燃料电池反应堆在额定工况点的额定点电堆电压波动为N，当ΔU₁＞N时，将燃料电池系统第n+1次、第n+2次拉载至额定功率P_E，分别记录第n+1、第n+2额定工况点下燃料电池反应堆的额定点电堆电压U_n+1、U_n+2，若U₀-U_n+1＞N且U₀-U_n+2≤N，或U₀-U_n+1≤N且U₀-U_n+2＞N，则燃料电池系统不需要修正气体反应物供给压力，并获取燃料电池系统额定工况点请求氢气压力P_Anod、请求空气压力P_Cathd，如果U₀-U_n+2＞N且U₀-U_n+2＞N，则在第n+2额定工况点时，执行燃料电池系统的修正气体反应物供给压力命令。

进一步地，S3的具体操作为：

将燃料电池系统第n+3次拉载至额定功率P_E，记录燃料电池反应堆在第n+3额定工况点的额定点电堆电压U_n+3，若ΔU_n+3≤N，其中ΔU_n+3＝U₀-U_n+3，那么燃料电池系统的气体反应物供给压力不需要继续修正，燃料电池反应堆的氢气压力和空气压力分别在P_Anod1值和P_Cathd1值下运行；若ΔU_n+3＞N，则重复S2的步骤，直至燃料电池系统在第n+p次拉载至额定功率P_E时，燃料电池反应堆第n+p额定工况点的额定点电堆电压与性能初试值偏差ΔU_n+p≤N。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明一种燃料电池系统额定工况点气体反应物供给压力的修正方法，通过修正提高额定工况点的反应物供给压力，一方面使额定点电堆电压达到性能初试值水平，另一方面可以避免阴极或阳极欠气，还能避免电堆电压下降导致的燃料电池反应堆性能下降，以达到提高燃料电池反应堆使用寿命的目的。

附图说明

图1是本发明燃料电池系统请求发电功率与请求氢气压力的曲线图；

图2是本发明燃料电池系统修正后请求发电功率与请求氢气压力的曲线图。

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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

一种燃料电池系统额定工况点气体反应物供给压力的修正方法，其基于燃料电池系统可靠性实验额定工况条件下执行。

一种燃料电池系统额定工况点气体反应物供给压力的修正方法，其具体包括以下步骤：

S1、进行燃料电池系统可靠性试验时，判断燃料电池系统是否需要执行修正气体反应物供给压力命令，其具体包括以下步骤：

S1-1、当燃料电池系统可靠性进行性能初试，将燃料电池系统拉载至额定功率P_E，记录该额定工况下燃料电池反应堆的额定点电堆电压U₀；在本发明中，P_E＝90kW，U₀＝235V；

S1-2、当进行燃料电池系统可靠性试验时，当燃料电池系统第n次拉载至额定功率工况点P_E，记录该额定工况下燃料电池反应堆的额定点电堆电压U_n，则燃料电池反应堆在第n个额定点电堆电压与性能初试的额定点电堆电压偏差ΔU₁＝U₀-U_n；

S1-3、在燃料电池系统可靠性试验过程中，每次运行至额定工况，该额定工况点气体反应物温度、湿度和压力不可能完全一致，该额定工况点下燃料电池反应堆操作条件存在的偏差，那么定义在额定工况点燃料电池反应堆电压波动为N，则当ΔU₁≤N时，燃料电池反应堆额定点电堆电压下降标志置0；当ΔU₁＞N时，将燃料电池系统第n+1次、第n+2次拉载至额定功率P_E，分别记录第n+1次、第n+2额定工况点下燃料电池反应堆的额定点电堆电压U_n+1、U_n+2，若U₀-U_n+1＞N且U₀-U_n+2≤N，或U₀-U_n+1≤N且U₀-U_n+2＞N，那么燃料电池反应堆的额定点电堆电压下降标志置0，如果U₀-U_n+2＞N且U₀-U_n+2＞N，那么燃料电池反应堆的额定点电堆电压下降标志置1，则在第n+2额定工况点时，执行修正燃料电池系统的气体反应物供给压力命令；具体的，在本发明中，N＝5V。

在本步骤中，需要说明的是，在燃料电池系统可靠性试验过程中，整车控制器VCU发送给燃料电池控制器FCU请求发电功率P，在本发明中，P＝P_E＝90kW，燃料电池系统接收到请求发电功率后，根据燃料电池系统请求发电功率_请求氢气压力曲线，请求发电功率_请求空气压力曲线，即可得到在对应请求发电功率条件下，燃料电池系统的请求氢气压力值和请求空气压力值，具体的，本发明中燃料电池系统请求发电功率_请求氢气压力曲线，请求发电功率_请求空气压力曲线详见图1，如果燃料电池额定点电堆电压下降标志置0，气体反应物供给压力不需要修正，那么根据燃料电池系统请求发电功率P，查询燃料电池系统请求发电功率_请求氢气压力曲线，请求发电功率_请求空气压力曲线，得到额定工况点的请求氢气压力P_Anod＝1.85bar、请求空气压力P_Cathd＝1.55bar，燃料电池反应堆则保持在上述氢气压力和空气压力条件下运行。

在本发明中，燃料电池系统请求发电功率_请求氢气压力曲线，请求发电功率_请求空气压力曲线的获取均为现有技术，上述曲线是在实验室对本发明燃料电池系统经过测试获取相应的实验数据后，在INCA标定软件中进行标定后获取得到，不同燃料电池系统上述曲线数据可能不同，但是曲线的标定方法为现有技术，且不是本发明需要保护的技术内容，因此，本发明对上述曲线的获取方法以及标定方法不再进行赘述。

S2、如果燃料电池反应堆的额定点电堆电压下降标志置1，根据整车控制器VCU发送给燃料电池控制器FCU请求发电功率P，查询燃料电池系统的额定工况点请求发电功率_请求氢气压力曲线，请求发电功率_请求空气压力曲线，获取燃料电池系统在额定工况点的请求氢气压力值P_Anod和请求空气压力值P_Cathd，在本发明中，P_Anod＝1.85bar、请求空气压力P_Cathd＝1.55bar，然后根据第n+2次燃料电池反应堆额定点电堆电压与性能初试的额定点电堆电压偏差ΔU_n+2＝(U₀-U_n+2)进行PI闭环调节(比例积分调节)，其PI调节公式如下：

在本发明中，通过PI调节得到氢气供给压力修正因子m和空气供给压力修正因子n。其中，K_p氢是氢气供给压力修正因子m比例调节的系数、K_i氢是氢气供给压力修正因子m积分调节的系数、K_p空是空气供给压力修正因子n比例调节的系数、K_i空是空气供给压力修正因子n积分调节的系数，在本发明中，计算修正后的额定工况点请求氢气压力P_Anod1＝m×P_Anod，请求空气压力P_Cathd1＝n×P_Cathd，同时，得到在该额定工况点下，燃料电池系统修正后的请求氢气压力值和请求空气压力值，其结果如图2所示，需要说明的是，图2中仅对额定功率P_E对应的额定工况点的请求压力值和请求空气值进行修正，其他工况点下对应的请求压力值和请求空气值并没有进行修正，但是可通过重复S2的方法，可以得到不同工况点下，燃料电池系统修正后的请求发电功率对应的请求氢气压力值，以及请求发电功率对应的请求空气压力值。根据修正后的额定工况点请求氢气压力值P_Anod1和请求空气压力值P_Cathd1，将进入燃料电池系统氢气和空气的供给压力值增加至P_Anod1和P_Cathd1，并保持对应的压力值运行，直至燃料电池反应堆在第n+2次额定工况点的额定点电堆电压与性能初试值偏差ΔU_n+2≤N，其中，ΔU_n+2＝U₀-U_n+2。在本发明中，通过提高气体反应物供给压力来提高燃料电池反应堆额定点电堆电压值，具体的，设定K_p氢＝0.03，K_i氢＝0.02，K_p空＝0.032，K_i空＝0.021，计算得到氢气供给压力修正因子m＝1.02，氢气供给压力修正因子n＝1.024，修正后的额定工况点的请求氢气压力P_Anod1＝1.02×1.85＝1.887bar，请求空气压力P_Cathd1＝1.024×1.55＝1.5872bar。

S3、为了验证燃料电池系统在后续拉载额定工况试验时，修正后的气体反应物供给压力是否能维持在对应额定工况下的额定点电堆电压与性能初试值偏差≤N，进行以下步骤：将燃料电池系统第n+3次拉载至额定功率P_E，记录燃料电池反应堆在第n+3次额定工况点的额定点电堆电压U_n+3，如果ΔU_n+3≤N，其中ΔU_n+3＝U₀-U_n+3，说明燃料电池系统在第n+2次时修正后的额定工况点请求氢气压力和请求空气压力能维持该额定工况点下额定点电堆电压与性能初试值偏差≤N，那么燃料电池系统在此时额定工况点的气体反应物供给压力不需要继续修正，根据额定功率P_E、S2得到的修正后的额定工况点的请求氢气压力和请求空气压力，并对进入燃料电池系统的氢气压力值和空气压力值进行调整，以及保证燃料电池系统在调整后的氢气压力值和空气压力值下运行；如果ΔU_n+3＞N，则重复S2的步骤，直至燃料电池系统在第n+p次拉载至额定功率P_E时，燃料电池反应堆在第n+p额定工况点下的额定点电堆电压与性能初试值偏差ΔU_n+p≤N。本发明所述修正方法，通过修正提高额定工况点的反应物供给压力，一方面使额定点电堆电压达到性能初试值水平，另一方面可以避免阴极或阳极欠气，还能避免电堆电压下降导致的燃料电池反应堆性能下降，以达到提高燃料电池反应堆使用寿命的目的。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.燃料电池系统额定工况点气体反应物供给压力的修正方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、进行燃料电池系统可靠性试验时，将燃料电池系统拉载至额定功率P_E后，判断燃料电池系统是否需要执行修正气体反应物供给压力命令，同时，根据整车的请求发电功率功率，获取燃料电池系统的额定工况点请求氢气压力P_Anod和请求空气压力P_Cathd，如果不需要修正气体反应物供给压力，则维持燃料电池反应堆的氢气压力和空气压力在对应的P_Anod值和P_Cathd值下运行，如果需要修正气体反应物供给压力，则进行下一步操作；

S2、如果需要修正气体反应物供给压力，则在下一次燃料电池系统拉载至额定功率P_E时，对燃料电池反应堆在该额定工况点下的额定点电堆电压偏差进行PI闭环调节，获取氢气供给压力修正因子m和空气供给压力修正因子n，根据m和n，计算该额定工况点下修正后的请求氢气压力P_Anod1，请求空气压力P_Cathd1，其中，

P_Anod1＝m×P_Anod 式(3)

P_Cathd1＝n×P_Cathd 式(4)

在式(1)和式(2)中，K_p氢是氢气供给压力修正因子m比例调节的系数、K_i氢是氢气供给压力修正因子m积分调节的系数、K_p空是空气供给压力修正因子n比例调节的系数、K_i空是空气供给压力修正因子n积分调节的系数；

S3、调整并维持燃料电池反应堆的氢气压力和空气压力分别在P_Anod1值和P_Cathd1值下运行，且在下一次燃料电池系统拉载至额定功率P_E时，判断燃料电池系统是否需要执行修正气体反应物供给压力命令，如果不需要修正气体反应物供给压力，则维持燃料电池反应堆的氢气压力和空气压力分别在P_Anod1值和P_Cathd1值下运行，如果需要修正气体反应物供给压力，则重复S2的操作，直至燃料电池系统不需要修正气体反应物供给压力。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统额定工况点气体反应物供给压力的修正方法，其特征在于，S1的具体操作为：

S1-1、当燃料电池系统可靠性进行性能初试，将燃料电池系统拉载至额定功率P_E，记录该额定工况下燃料电池反应堆的额定点电堆电压U₀；

S1-2、当进行燃料电池系统可靠性试验时，当燃料电池系统第n次拉载至额定功率工况点P_E，记录该额定工况下燃料电池反应堆的额定点电堆电压U_n，则燃料电池反应堆在第n个额定点电堆电压与性能初试的额定点电堆电压偏差ΔU₁＝U₀-U_n；

S1-3、记燃料电池反应堆在额定工况点的额定点电堆电压波动为N，当ΔU₁＞N时，将燃料电池系统第n+1次、第n+2次拉载至额定功率P_E，分别记录第n+1、第n+2额定工况点下燃料电池反应堆的额定点电堆电压U_n+1、U_n+2，若U₀-U_n+1＞N且U₀-U_n+2≤N，或U₀-U_n+1≤N且U₀-U_n+2＞N，则燃料电池系统不需要修正气体反应物供给压力，并获取燃料电池系统额定工况点请求氢气压力P_Anod、请求空气压力P_Cathd，如果U₀-U_n+2＞N且U₀-U_n+2＞N，则在第n+2额定工况点时，执行燃料电池系统的修正气体反应物供给压力命令。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统额定工况点气体反应物供给压力的修正方法，其特征在于，S3的具体操作为：

将燃料电池系统第n+3次拉载至额定功率P_E，记录燃料电池反应堆在第n+3额定工况点的额定点电堆电压U_n+3，若ΔU_n+3≤N，其中ΔU_n+3＝U₀-U_n+3，那么燃料电池系统的气体反应物供给压力不需要继续修正，燃料电池反应堆的氢气压力和空气压力分别在P_Anod1值和P_Cathd1值下运行；若ΔU_n+3＞N，则重复S2的步骤，直至燃料电池系统在第n+p次拉载至额定功率P_E时，燃料电池反应堆第n+p额定工况点的额定点电堆电压与性能初试值偏差ΔU_n+p≤N。

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