CN114824366B - 一种空冷型氢燃料电池系统及排放的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空冷型氢燃料电池系统及排放的控制方法，属于氢燃料电池领域，包括氢燃料电池、第一湿度传感器、第二湿度传感器、排气风扇、进气电磁阀、出气电磁阀、电流计和控制器；所述控制器分别与第一湿度传感器、第二湿度传感器、排气风扇、进气电磁阀、出气电磁阀和电流计电连接。本发明优化控制策略，能根据阳极侧蓄水量的情况调整排放策略，能控制电池内氢气浓度防止反极现象，能排除电池内积水风险，还能对异常情况及时告警。

Description

一种空冷型氢燃料电池系统及排放的控制方法
技术领域
本发明属于氢燃料电池领域，具体地说涉及一种空冷型氢燃料电池系统及排放的控制方法。
背景技术
氢燃料电池是一种能够直接将存储于氢气和氧气中的化学能转化为电能的发电装置，随着交通运输行业电气化的普及，氢燃料电池以其2～3倍于内燃机的能量转换效率、绿色环保、低噪声低振动、高可靠性等优势受到大众关注。对于中小型航空飞行器而言，为尽可能减小动力系统重量并降低能耗，一般采用不搭载氢气回收装置的空冷型氢燃料电池。而空冷型氢燃料电池工作时，会有反渗至阳极侧的水需要被排出，以免对电池造成阻塞；还需要通过氢气流动，排出流场末端的低浓度氢气，保证电池的正常运转。
当前一般采取间隔固定时间开启尾排电磁阀的策略，利用氢气喷出时的压力将阳极侧积蓄的液态水一并吹出。空冷型氢燃料电池的阴极与外界连通，环境湿度大小会影响阴极侧水含量，从而影响阳极侧的反渗水量，而搭载空冷型氢燃料电池的中小型航空飞行器的功率往往随着飞行情况而改变，故电池在不同功率工作的情况下，消耗氢气的速率不同，生成水的速率也不同，这会造成燃料电池在低功率工作时，开启尾排电磁阀次数过多，造成氢气浪费；高功率的工作情况下又会无法及时排水以及为反应界面补充氢气。因此，固定时间的排放策略无法满足电池在不同功率下工作的阳极侧排水需求；也没有考虑到阳极侧末端氢气浓度的问题，由于氢气进入氢燃料电池后参与化学反应，从入口流到阳极侧末端时其浓度会不断降低，若不能及时打开尾排电磁阀向电池内部及时补充氢气，可能会因为阳极侧末端氢气浓度过低而导致反极现象，严重威胁电池的运行安全。此外，空冷型氢燃料电池内部一般为多个单电池串联形成的电堆，若反应气流场内发生被水堵塞气体通路的情况，不仅会导致电压下降，影响电池工作效率，长时间不处理还会对电池造成不可逆的损害，固定时间的排放策略也没有考虑到该情况，无法排除该风险。并且该策略也没有考虑到氢燃料电池工作异常的情况，无法及时告警。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足之处提供一种空冷型氢燃料电池系统及排放的控制方法，拟解决目前无法根据阳极侧积蓄水量的情况调整排放策略，无法及时调节电池内氢气浓度防止反极现象，无法排除流场内积水风险，无法对异常情况及时告警等问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种空冷型氢燃料电池系统，包括氢燃料电池1、第一湿度传感器2、第二湿度传感器3、排气风扇4、进气电磁阀5、出气电磁阀6、电流计7和控制器8；所述氢燃料电池1通过供应到氢燃料电池1阳极侧的氢气与氢燃料电池1阴极侧空气中氧气之间的电化学反应发电；所述第一湿度传感器2用于获取进入氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度；所述第二湿度传感器3用于获取排出氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度；所述排气风扇4用于提供空气在氢燃料电池1阴极侧流动的动力；所述进气电磁阀5用于控制氢气进入氢燃料电池1阳极侧；所述出气电磁阀6用于控制氢燃料电池1阳极侧流场末端的氢气排出；所述电流计7用于获取氢燃料电池1给负载提供的电流大小；所述控制器8分别与第一湿度传感器2、第二湿度传感器3、排气风扇4、进气电磁阀5、出气电磁阀6和电流计7电连接。由上述结构可知，氢燃料电池1为空冷型氢燃料电池，用于为连接的负载和内部元件供电。相比水冷型氢燃料电池，同等功率下空冷型氢燃料电池重量更轻、寄生功耗更低，更适于中小型航空飞行器以及其他对动力系统质量功率密度敏感的场合。所述氢燃料电池1通过供应到氢燃料电池1阳极侧的氢气与氢燃料电池1阴极侧的空气中的氧气之间的电化学反应发电，并且氢燃料电池1上设计有阴极侧入口、阴极侧出口、阳极侧入口和阳极侧出口。其中，阴极侧入口上连有第一湿度传感器2，阴极侧出口上连有第二湿度传感器3和排气风扇4，第一湿度传感器2用于获取进入氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度，第二湿度传感器3用于获取排出氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度，排气风扇4则用于提供空气在氢燃料电池1阴极侧流动的动力。氢燃料电池1的阳极侧入口上连有进气电磁阀5，阳极侧出口上连有出气电磁阀6。进气电磁阀5通过自身的开闭控制氢气进入氢燃料电池1阳极侧，出气电磁阀6用于控制废氢气是否排出氢燃料电池1阳极侧。氢燃料电池1外连负载的电路上设有电流计7，用于获取氢燃料电池1给负载提供的电流大小。控制器8分别与第一湿度传感器2、第二湿度传感器3、排气风扇4、进气电磁阀5、出气电磁阀6和电流计7电连接。当氢燃料电池1开始运转时，先通过外部电源为控制器8供电，控制器8控制进气电磁阀5打开向内部供应氢气，而阴极侧入口是开放式的，通过阴极侧出口的排气风扇4抽气，使空气进入氢燃料电池1内部反应。然后，通过控制器8使出气电磁阀6间断开闭，令氢燃料电池1内部充满氢气，满足氢燃料电池1运转条件。氢燃料电池1分别与第一湿度传感器2、第二湿度传感器3、排气风扇4、进气电磁阀5、出气电磁阀6、电流计7、控制器8和负载通过电路连接。待电池正常运转后，切断外部电源，靠氢燃料电池1向内部各元件和外连的负载供电。控制器8内设数据收集器、计算模块、判断模块和指令模块，用于搜集各元件数据，并通过计算、判断，确认是否满足开启出气电磁阀6的条件。若满足，则指令模块发出指令，开启出气电磁阀6排水排气。控制器8能通过第一湿度传感器2和第二湿度传感器3、排气风扇4转速、电流计7等电路元件的数据，计算并判断氢燃料电池1阳极侧积水量是否过高，若过高，则控制出气电磁阀6的开闭以排除阳极侧多余的水分。该策略能满足在负载功率不断变化的情况下，对阳极侧积水排放进行灵活控制，满足不同情况下的排水供氢需求。
进一步的，还包括氢浓度传感器9；所述氢浓度传感器9用于获取氢燃料电池1阳极侧流场末端的氢浓度；所述氢浓度传感器9和控制器8电连接。由上述结构可知，氢浓度传感器9能检测阳极侧流场末端氢气的浓度，并传递给控制器8，而控制器8能通过判断阳极侧流场末端氢气浓度是否过低，控制出气电磁阀6的开闭进行氢气浓度控制，防止氢浓度过低导致反极现象，保证电池的正常运作。
进一步的，还包括片间电压巡检器10；所述片间电压巡检器10用于获取氢燃料电池1每个单电池的电压值；所述片间电压巡检器10和控制器8电连接。由上述结构可知，片间电压巡检器10用于获取氢燃料电池1内部每一片单电池的电压，而控制器8能通过判断片间电压是否正常，间接判断电池内部是否存在积水、氢气不足或异常情况，从而控制出气电磁阀6的开闭以排除风险。若开启出气电磁阀6后电压值仍不正常，则说明是其他原因导致的，需要发出告警信号进行人工排查。本发明有三条基本控制策略：第一条，控制器8会根据第一湿度传感器2、第二湿度传感器3、排气风扇4和电流计7的数据，计算和判断氢燃料电池1阳极侧积水量是否过高，以至于需要开启出气电磁阀6进行排水；第二条，控制器8会根据氢浓度传感器9的数据判断氢燃料电池1流场末端的氢气浓度是否过低，以至于需要开启出气电磁阀6进行氢气浓度控制；第三条，控制器8会根据片间电压巡检器10的电压值判断氢燃料电池1工作电压是否正常，间接判断内部是否存在积水、氢气不足或异常情况，进一步打开出气电磁阀6进行排放，以排除风险。本发明能根据氢燃料电池1阳极侧积水量、阳极侧出口氢气浓度和片间电压值的情况分别对出气电磁阀6的开闭进行控制，控制策略灵活。
进一步的，还包括告警器11；所述告警器11和控制器8电连接。由上述结构可知，告警器11用于通知用户氢燃料电池1存在非正常工作风险。控制器8能通过连接的片间电压检测氢燃料电池1是否工作异常，若异常，则利用指令模块触发告警指令，对用户进行及时告警。
进一步的，还包括堆芯温度传感器12；所述堆芯温度传感器12和控制器8电连接。由上述结构可知，堆芯温度传感器12用于获取氢燃料电池1内部的温度，从而利用控制器8间接控制排气风扇4的转速，若温度过高则增加风扇转速加强散热效果，若过低则减少风扇转速降低能耗，保证排气风扇4的转速适应电池工作。
进一步的，一种空冷型氢燃料电池排放的控制方法，采用如权利要求1～5中任一项所述的一种空冷型氢燃料电池系统，包括排水控制步骤；
所述排水控制步骤具体为：
S11：获取进入氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度AH1、排出氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度AH2和氢燃料电池1给负载提供的电流大小I，以此计算水生成的速率v1，其中，n为2，F为法拉第常数，M为水的摩尔质量；
S12：获取风扇转速，将风扇转速换算获取单位时间进入氢燃料电池1阴极侧的空气流量Φ，进一步得到单位时间内阴极侧空气带出氢燃料电池1的水量：(AH2－AH1)×Φ；用水生成的速率v1减去单位时间内阴极侧空气带出氢燃料电池1的水量，得到单位时间内反渗至氢燃料电池1阳极侧的水量q，再对q进行时间积分，得到单个积分周期内氢燃料电池1阳极侧的积水量Q，/>其中，t1为控制器8上一次积分运算结束的时刻，初始值为0，△t为计算模块每次进行积分运算的时间间隔，I(t)、AH2(t)、AH1(t)和Φ(t)分别为氢燃料电池1给负载提供的电流大小I、排出氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度AH2、进入氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度AH1和空气流量关于时间的函数；
S13：将Q值与控制器8预设的最大积水量Qmax比较，若Q小于Qmax，则记录该值为Qi，继续计算下一个积分周期内氢燃料电池1阳极侧的积水量，记为Qi+1，并记积水量为Q＝Qi+Qi+1；
S14：继续判断Q值是否达到Qmax，若Q小于Qmax，重复步骤S13累加求和；若Q大于或等于Qmax，将预设排放时间值T1传递给控制器8，并进入排放步骤。
对于排水控制S11步骤，第一湿度传感器2记录输入氢燃料电池1的空气绝对湿度AH1，单位g/m3；第二湿度传感器3记录从氢燃料电池1排出的空气绝对湿度AH2，单位g/m3。电流计7记录实时电流值为I，单位A。将AH1、AH2、和I的数据传递给控制器8的数据收集器。根据化学反应方程式，得到氢燃料电池1生成水的速率v1，其中n为2，表示1mol氢气可以失去2mol电子并生成1mol水的比例关系，F为法拉第常数，表示1mol电子对应的电荷库伦数，M为水的摩尔质量，其值为18，单位g/mol，故该公式利用电流计7测得的电流值I实时计算反应生成水的速率。此外，由于氢燃料电池1正常工作时应处于水平衡状态，即流入氢燃料电池1的水通量与生成水通量之和应与流出的水通量保持一致。在步骤S12中，排气风扇4转速的大小与氢燃料电池1阴极空气进气量存在对应关系。关于排气风扇4转速值的获取说明如下：一般使用的进气风扇的电机是通过控制器发出的PWM，即脉冲宽度调制信号控制转速的。一个周期内，控制信号处于高电平的时间占整个信号周期的时间占比即为占空比，等效于油门量，使用者可通过查找风扇使用手册或人工标定找到PWM信号占空比和风扇电机转速之间的关系。在实际使用过程中，用于散热的空气流量远大于参与反应的氧气流通量，工程上忽略阴极进气与排气的流量差别，故可认为二者一致。因此，使用者根据排气风扇4的生产厂家给出的转速与排风量的换算表，可以将排气风扇4的转速换算为空气流量，得到单位时间的空气流量Φ。然后，将Φ值传递给数据收集器，并通过计算模块计算得到单位时间内阴极侧空气带出氢燃料电池1的水量：(AH2－AH1)×Φ，单位g/s。该值可能为正也可能为负，若其值为正，说明氢燃料电池1阴极侧有水量净流出，若其值为负，说明氢燃料电池1阴极侧有水量净流入。用水生成速率减去单位时间内阴极侧空气带出氢燃料电池1的水量，就能得到单位时间内反渗至氢燃料电池1阳极侧的水量q，/>然后对q值进行时间积分，得到单个积分周期内氢燃料电池1阳极侧的总积水量Q，其中，t1为控制器8上一次积分运算结束的时刻，初始值为0，△t为计算模块每次进行积分运算的时间间隔，I(t)、AH2(t)、AH1(t)和Φ(t)分别为氢燃料电池1给负载提供的电流大小I、排出氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度AH2、进入氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度AH1和空气流量关于时间的函数。步骤S13中，利用判断模块将Q值与控制器8预设的最大积水量Qmax比较。Qmax为预设的最大积水量，若Q＜Qmax，则控制器8的数据收集器记录该值为Qi，则继续计算下一个积分周期内阳极侧的积水量Qi+1，并记积水量为Q＝Qi+Qi+1。步骤S14中，判断模块继续判断Q值是否达到Qmax，若Q＜Qmax，重复步骤S13累加求和，公式为/>若Q≥Qmax，将预设排放时间值T1传递给控制器8，进入排放步骤。例如，Q为第一个积分周期的总积水量，Q＝1，而Qmax值设定为3，则Q＜Qmax，记Q＝Q1，计算第二个积分周期的总积水量，并记为Q2，Q2＝1，则Q＝Q1+Q2＝2。由于Q仍小于Qmax，则继续计算第三个积分周期的总积水量，并记为Q3，Q3＝1，则Q＝Q1+Q2+Q3＝3，继续比较，发现Q＝Qmax＝3，则将预设时间值T1传递给控制器8，进入排放步骤。其中，T1为根据电池本身总体尺寸、阳极流场设计、用氢压力等因素综合考虑而预设的排放时间值。
进一步的，所述控制方法还包括氢气浓度控制步骤；
所述氢气浓度控制步骤具体为：
S21：获取氢燃料电池1阳极侧流场末端的氢气浓度C，将C值与控制器8预设的最小氢气浓度值Cmin进行比较；
S22：若C大于或等于Cmin，则重复步骤S21；若C小于Cmin，将预设排放时间值T2传递给控制器8，并进入排放步骤。
对于步骤S21，氢浓度传感器9获取阳极侧流场末端的氢气浓度C，并将数值报送至数据收集器，然后判断模块对C值与预设的阳极流场末端的最小氢气浓度值Cmin进行比较。步骤S22中，若C≥Cmin，则重复步骤S21，因为此时氢气浓度还未降到最低的氢浓度允许值以下，氢燃料电池1可以继续正常工作，故不打开出气电磁阀6。若C＜Cmin，说明氢燃料电池1阳极侧流场末端位置已经处于氢气缺少的状态，有发生反极现象的隐患，则将预设排放时间值T2传递给控制器8，进入排放步骤进行排气。其中，T2为根据电池本身设计情况而预设的排放时间值。在氢燃料电池1工作过程中，进气电磁阀5一直处于开启状态，持续向电池内通入氢气。一旦出气电磁阀6打开，在前端氢气进入的压力下，会把后段低浓度氢气排出去，并让整个氢燃料电池1内的氢气以较快速度流动，调节氢燃料电池1内部的氢气浓度，防止反极现象的发生。
进一步的，所述控制方法还包括片间电压控制步骤；
所述片间电压控制步骤具体为：
S31：获取氢燃料电池1每个单电池的电压值，形成集合V，将集合内每个值分别与控制器8预设的正常电压范围进行比较；
S32：若V内每个值都在预设的正常电压范围内，则重复步骤S31；若V内任一电压值超出正常电压范围，将预设排放时间值T3传递给控制器8，并进入排放步骤。
对于S31步骤，氢燃料电池1工作过程中，由于阳极侧氢气不断消耗，反应的氢气浓度逐渐降低，氢燃料电池1片间电压值也会逐渐下降，直至下一次出气电磁阀6开启后会有所回升。片间电压巡检器10监测、记录工作状态下氢燃料电池1片间电压值，并向控制器8传输所有片间电压值的数值集合V，V＝{V1,V2,V3,…,Vp}，其中Vp为第p片单电池与第p+1片单电池的片间电压，然后将集合V内每个值分别与预设正常电压范围进行比较。步骤S32中，若V内每个值都处于预设正常电压范围内，则说明电池处于正常工作状态，继续重复步骤S31进行巡检。若V内任一电压值超出预设正常电压范围，则说明电池处于非正常工作状态，电池内部有被积水堵塞气体通路的可能性、流场末端氢气浓度不足或异常情况，需要将开启出气电磁阀6进行排放，故将预设排放时间值T3传递给控制器8，进入排放步骤。其中，T3为根据电池设计而预设的排放时间值。
进一步的，所述控制方法还包括排放步骤；
所述排放步骤具体为：
S41：若控制器8接收到预设排放时间值T1、T2、T3中的一个，则以该时间值作为出气电磁阀6开启持续时间，进行废氢排放；若收到的时间值为T1、T2、T3中的两个及以上，则进入步骤S42；
S42：比较接收到的所有时间值的大小，取最大的一项作为出气电磁阀6开启持续时间，进行废氢排放；
S43：每次出气电磁阀6开启后，将Q值清零，预设排放时间结束后，出气电磁阀6关闭，然后继续执行排水控制步骤、氢气浓度控制步骤和片间电压控制步骤。
对于排放步骤，步骤S41中若控制器8接收到的时间值为T1、T2、T3中的一个，则以该时间值作为出气电磁阀6开启持续时间，进行废氢排放，然后关闭出气电磁阀6完成排放。例如控制器8接收到T2，T2＝1，单位：秒，则出气电磁阀6开启1秒，然后关闭。若收到的时间值为T1、T2、T3中的两个及以上，如控制器同时接收到T2和T3，则进入步骤S42。步骤S42中，判断模块对接收到的所有时间值的大小进行对比，如同时接收到T2和T3，T2＝1，T3＝0.3，判断T2＞T3，则取T2为出气电磁阀6开启时间，出气电磁阀6开启1秒，进行废氢排放，然后关闭。S43中，无论接收到的时间值为T1、T2还是T3，每次出气电磁阀6开启后，将Q值清零，预设排放时间结束后，出气电磁阀6关闭，然后继续执行排水控制步骤、氢气浓度控制步骤和片间电压控制步骤。本发明的一种空冷型氢燃料电池排放的控制方法，优化了控制策略，不仅能根据阳极侧积蓄水量的情况灵活调整开启出气电磁阀6的时间间隔和时长，还能通过打开出气电磁阀6调整电池内氢气浓度防止反极现象，而且还可以排除各片电池间积水风险，优势众多。
进一步的，所述控制方法还包括告警步骤；
所述告警步骤具体为：
若控制器8连续收到x次预设排放时间值T3，且控制器8获得相邻的两个预设排放时间值T3的时间间隔均小于预设间隔时间T4，则触发告警器11进行告警，并让用户选择是否关机和/或启动备用电源。
尽管开启出气电磁阀6能排出氢燃料电池1内的积水和低浓度的氢气，但仍存在各种影响氢燃料电池1正常工作的情况，这些情况可能会影响电池性能或带来安全隐患，需要被排除。本发明以片间电压值是否正常作为判断基准，其中x为预设的次数，T4为预设的间隔时间，两者配合，对氢燃料电池1内部是否工作异常进行检测。若氢燃料电池1内部片间电压值一直处于不正常状态，即控制器8连续收到x次预设排放时间值T3，则怀疑氢燃料电池1存在非正常工作风险，若控制器8获得相邻的两个预设排放时间值T3的时间间隔均小于预设间隔时间T4，即证明通过开启出气电磁阀6并不能排除该风险，则触发告警器11进行告警。告警器11的告警方式为声光电的多元告警，便于让使用者发现电池工作异常。若触发告警指令，则让用户选择是否关机和/或启动备用电源。考虑到负载应用场景的不同，可能存在不能立即切断电源的情况，故设置备用电源应急，并将是否关机的权限交给用户。若用户选择关机，则停止告警，氢燃料电池1立即切断对外输出，关闭进气电磁阀5，停止供氢和对外供电，并停止所有步骤，不再向外排放氢气或水。由于阴极侧与外界空气物理上是连通的，残留在氢燃料电池1内部的氢气和空气中的氧气还会持续反应一段时间，控制器8和排气风扇4会继续工作一段时间，消耗剩余电量，并为氢燃料电池1降温，直到电量耗尽，电池停止运转。若选择不关机，用户可以取消告警指令，利用备用电源对负载进行供电，选择适合的时间再对氢燃料电池1进行风险排除。
本发明的有益效果是：
本发明公开了一种空冷型氢燃料电池系统及排放的控制方法，属于氢燃料电池领域，包括氢燃料电池、第一湿度传感器、第二湿度传感器、排气风扇、进气电磁阀、出气电磁阀、电流计和控制器；所述控制器分别与第一湿度传感器、第二湿度传感器、排气风扇、进气电磁阀、出气电磁阀和电流计电连接。本发明优化控制策略，能根据阳极侧蓄水量的情况调整排放策略，能控制电池内氢气浓度防止反极现象，能排除电池内积水风险，还能对异常情况及时告警。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
附图中：1-氢燃料电池、2-第一湿度传感器、3-第二湿度传感器、4-排气风扇、5-进气电磁阀、6-出气电磁阀、7-电流计、8-控制器、9-氢浓度传感器、10-片间电压巡检器、11-告警器、12-堆芯温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步详细说明，但是本发明不局限于以下实施例。
实施例一：
见附图1。一种空冷型氢燃料电池系统，包括氢燃料电池1、第一湿度传感器2、第二湿度传感器3、排气风扇4、进气电磁阀5、出气电磁阀6、电流计7和控制器8；所述氢燃料电池1通过供应到氢燃料电池1阳极侧的氢气与氢燃料电池1阴极侧空气中氧气之间的电化学反应发电；所述第一湿度传感器2用于获取进入氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度；所述第二湿度传感器3用于获取排出氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度；所述排气风扇4用于提供空气在氢燃料电池1阴极侧流动的动力；所述进气电磁阀5用于控制氢气进入氢燃料电池1阳极侧；所述出气电磁阀6用于控制氢燃料电池1阳极侧流场末端的氢气排出；所述电流计7用于获取氢燃料电池1给负载提供的电流大小；所述控制器8分别与第一湿度传感器2、第二湿度传感器3、排气风扇4、进气电磁阀5、出气电磁阀6和电流计7电连接。由上述结构可知，氢燃料电池1为空冷型氢燃料电池，用于为连接的负载和内部元件供电。相比水冷型氢燃料电池，同等功率下空冷型氢燃料电池重量更轻、寄生功耗更低，更适于中小型航空飞行器以及其他对动力系统质量功率密度敏感的场合。所述氢燃料电池1通过供应到氢燃料电池1阳极侧的氢气与氢燃料电池1阴极侧的空气中的氧气之间的电化学反应发电，并且氢燃料电池1上设计有阴极侧入口、阴极侧出口、阳极侧入口和阳极侧出口。其中，阴极侧入口上连有第一湿度传感器2，阴极侧出口上连有第二湿度传感器3和排气风扇4，第一湿度传感器2用于获取进入氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度，第二湿度传感器3用于获取排出氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度，排气风扇4则用于提供空气在氢燃料电池1阴极侧流动的动力。氢燃料电池1的阳极侧入口上连有进气电磁阀5，阳极侧出口上连有出气电磁阀6。进气电磁阀5通过自身的开闭控制氢气进入氢燃料电池1阳极侧，出气电磁阀6用于控制废氢气是否排出氢燃料电池1阳极侧。氢燃料电池1外连负载的电路上设有电流计7，用于获取氢燃料电池1给负载提供的电流大小。控制器8分别与第一湿度传感器2、第二湿度传感器3、排气风扇4、进气电磁阀5、出气电磁阀6和电流计7电连接。当氢燃料电池1开始运转时，先通过外部电源为控制器8供电，控制器8控制进气电磁阀5打开向内部供应氢气，而阴极侧入口是开放式的，通过阴极侧出口的排气风扇4抽气，使空气进入氢燃料电池1内部反应。然后，通过控制器8使出气电磁阀6间断开闭，令氢燃料电池1内部充满氢气，满足氢燃料电池1运转条件。氢燃料电池1分别与第一湿度传感器2、第二湿度传感器3、排气风扇4、进气电磁阀5、出气电磁阀6、电流计7、控制器8和负载通过电路连接。待电池正常运转后，切断外部电源，靠氢燃料电池1向内部各元件和外连的负载供电。控制器8内设数据收集器、计算模块、判断模块和指令模块，用于搜集各元件数据，并通过计算、判断，确认是否满足开启出气电磁阀6的条件。若满足，则指令模块发出指令，开启出气电磁阀6排水排气。控制器8能通过第一湿度传感器2和第二湿度传感器3、排气风扇4转速、电流计7等电路元件的数据，计算并判断氢燃料电池1阳极侧积水量是否过高，若过高，则控制出气电磁阀6的开闭以排除阳极侧多余的水分。该策略能满足在负载功率不断变化的情况下，对阳极侧积水排放进行灵活控制，满足不同情况下的排水供氢需求。
实施例二：
见附图1。一种空冷型氢燃料电池系统，包括氢燃料电池1、第一湿度传感器2、第二湿度传感器3、排气风扇4、进气电磁阀5、出气电磁阀6、电流计7和控制器8；所述氢燃料电池1通过供应到氢燃料电池1阳极侧的氢气与氢燃料电池1阴极侧空气中氧气之间的电化学反应发电；所述第一湿度传感器2用于获取进入氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度；所述第二湿度传感器3用于获取排出氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度；所述排气风扇4用于提供空气在氢燃料电池1阴极侧流动的动力；所述进气电磁阀5用于控制氢气进入氢燃料电池1阳极侧；所述出气电磁阀6用于控制氢燃料电池1阳极侧流场末端的氢气排出；所述电流计7用于获取氢燃料电池1给负载提供的电流大小；所述控制器8分别与第一湿度传感器2、第二湿度传感器3、排气风扇4、进气电磁阀5、出气电磁阀6和电流计7电连接。由上述结构可知，氢燃料电池1为空冷型氢燃料电池，用于为连接的负载和内部元件供电。相比水冷型氢燃料电池，同等功率下空冷型氢燃料电池重量更轻、寄生功耗更低，更适于中小型航空飞行器以及其他对动力系统质量功率密度敏感的场合。所述氢燃料电池1通过供应到氢燃料电池1阳极侧的氢气与氢燃料电池1阴极侧的空气中的氧气之间的电化学反应发电，并且氢燃料电池1上设计有阴极侧入口、阴极侧出口、阳极侧入口和阳极侧出口。其中，阴极侧入口上连有第一湿度传感器2，阴极侧出口上连有第二湿度传感器3和排气风扇4，第一湿度传感器2用于获取进入氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度，第二湿度传感器3用于获取排出氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度，排气风扇4则用于提供空气在氢燃料电池1阴极侧流动的动力。氢燃料电池1的阳极侧入口上连有进气电磁阀5，阳极侧出口上连有出气电磁阀6。进气电磁阀5通过自身的开闭控制氢气进入氢燃料电池1阳极侧，出气电磁阀6用于控制废氢气是否排出氢燃料电池1阳极侧。氢燃料电池1外连负载的电路上设有电流计7，用于获取氢燃料电池1给负载提供的电流大小。控制器8分别与第一湿度传感器2、第二湿度传感器3、排气风扇4、进气电磁阀5、出气电磁阀6和电流计7电连接。当氢燃料电池1开始运转时，先通过外部电源为控制器8供电，控制器8控制进气电磁阀5打开向内部供应氢气，而阴极侧入口是开放式的，通过阴极侧出口的排气风扇4抽气，使空气进入氢燃料电池1内部反应。然后，通过控制器8使出气电磁阀6间断开闭，令氢燃料电池1内部充满氢气，满足氢燃料电池1运转条件。氢燃料电池1分别与第一湿度传感器2、第二湿度传感器3、排气风扇4、进气电磁阀5、出气电磁阀6、电流计7、控制器8和负载通过电路连接。待电池正常运转后，切断外部电源，靠氢燃料电池1向内部各元件和外连的负载供电。控制器8内设数据收集器、计算模块、判断模块和指令模块，用于搜集各元件数据，并通过计算、判断，确认是否满足开启出气电磁阀6的条件。若满足，则指令模块发出指令，开启出气电磁阀6排水排气。控制器8能通过第一湿度传感器2和第二湿度传感器3、排气风扇4转速、电流计7等电路元件的数据，计算并判断氢燃料电池1阳极侧积水量是否过高，若过高，则控制出气电磁阀6的开闭以排除阳极侧多余的水分。该策略能满足在负载功率不断变化的情况下，对阳极侧积水排放进行灵活控制，满足不同情况下的排水供氢需求。
还包括氢浓度传感器9；所述氢浓度传感器9用于获取氢燃料电池1阳极侧流场末端的氢浓度；所述氢浓度传感器9和控制器8电连接。由上述结构可知，氢浓度传感器9能检测阳极侧流场末端氢气的浓度，并传递给控制器8，而控制器8能通过判断阳极侧流场末端氢气浓度是否过低，控制出气电磁阀6的开闭进行氢气浓度控制，防止氢浓度过低导致反极现象，保证电池的正常运作。
还包括片间电压巡检器10；所述片间电压巡检器10用于获取氢燃料电池1每个单电池的电压值；所述片间电压巡检器10和控制器8电连接。由上述结构可知，片间电压巡检器10用于获取氢燃料电池1内部每一片单电池的电压，而控制器8能通过判断片间电压是否正常，间接判断电池内部是否存在积水、氢气不足或异常情况，从而控制出气电磁阀6的开闭以排除风险。若开启出气电磁阀6后电压值仍不正常，则说明是其他原因导致的，需要发出告警信号进行人工排查。本发明有三条基本控制策略：第一条，控制器8会根据第一湿度传感器2、第二湿度传感器3、排气风扇4和电流计7的数据，计算和判断氢燃料电池1阳极侧积水量是否过高，以至于需要开启出气电磁阀6进行排水；第二条，控制器8会根据氢浓度传感器9的数据判断氢燃料电池1流场末端的氢气浓度是否过低，以至于需要开启出气电磁阀6进行氢气浓度控制；第三条，控制器8会根据片间电压巡检器10的电压值判断氢燃料电池1工作电压是否正常，间接判断内部是否存在积水、氢气不足或异常情况，进一步打开出气电磁阀6进行排放，以排除风险。本发明能根据氢燃料电池1阳极侧积水量、阳极侧出口氢气浓度和片间电压值的情况分别对出气电磁阀6的开闭进行控制，控制策略灵活。
还包括告警器11；所述告警器11和控制器8电连接。由上述结构可知，告警器11用于通知用户氢燃料电池1存在非正常工作风险。控制器8能通过连接的片间电压检测氢燃料电池1是否工作异常，若异常，则利用指令模块触发告警指令，对用户进行及时告警。
还包括堆芯温度传感器12；所述堆芯温度传感器12和控制器8电连接。由上述结构可知，堆芯温度传感器12用于获取氢燃料电池1内部的温度，从而利用控制器8间接控制排气风扇4的转速，若温度过高则增加风扇转速加强散热效果，若过低则减少风扇转速降低能耗，保证排气风扇4的转速适应电池工作。
实施例三：
见附图1。一种空冷型氢燃料电池系统，包括氢燃料电池1、第一湿度传感器2、第二湿度传感器3、排气风扇4、进气电磁阀5、出气电磁阀6、电流计7和控制器8；所述氢燃料电池1通过供应到氢燃料电池1阳极侧的氢气与氢燃料电池1阴极侧空气中氧气之间的电化学反应发电；所述第一湿度传感器2用于获取进入氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度；所述第二湿度传感器3用于获取排出氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度；所述排气风扇4用于提供空气在氢燃料电池1阴极侧流动的动力；所述进气电磁阀5用于控制氢气进入氢燃料电池1阳极侧；所述出气电磁阀6用于控制氢燃料电池1阳极侧流场末端的氢气排出；所述电流计7用于获取氢燃料电池1给负载提供的电流大小；所述控制器8分别与第一湿度传感器2、第二湿度传感器3、排气风扇4、进气电磁阀5、出气电磁阀6和电流计7电连接。由上述结构可知，氢燃料电池1为空冷型氢燃料电池，用于为连接的负载和内部元件供电。相比水冷型氢燃料电池，同等功率下空冷型氢燃料电池重量更轻、寄生功耗更低，更适于中小型航空飞行器以及其他对动力系统质量功率密度敏感的场合。所述氢燃料电池1通过供应到氢燃料电池1阳极侧的氢气与氢燃料电池1阴极侧的空气中的氧气之间的电化学反应发电，并且氢燃料电池1上设计有阴极侧入口、阴极侧出口、阳极侧入口和阳极侧出口。其中，阴极侧入口上连有第一湿度传感器2，阴极侧出口上连有第二湿度传感器3和排气风扇4，第一湿度传感器2用于获取进入氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度，第二湿度传感器3用于获取排出氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度，排气风扇4则用于提供空气在氢燃料电池1阴极侧流动的动力。氢燃料电池1的阳极侧入口上连有进气电磁阀5，阳极侧出口上连有出气电磁阀6。进气电磁阀5通过自身的开闭控制氢气进入氢燃料电池1阳极侧，出气电磁阀6用于控制废氢气是否排出氢燃料电池1阳极侧。氢燃料电池1外连负载的电路上设有电流计7，用于获取氢燃料电池1给负载提供的电流大小。控制器8分别与第一湿度传感器2、第二湿度传感器3、排气风扇4、进气电磁阀5、出气电磁阀6和电流计7电连接。当氢燃料电池1开始运转时，先通过外部电源为控制器8供电，控制器8控制进气电磁阀5打开向内部供应氢气，而阴极侧入口是开放式的，通过阴极侧出口的排气风扇4抽气，使空气进入氢燃料电池1内部反应。然后，通过控制器8使出气电磁阀6间断开闭，令氢燃料电池1内部充满氢气，满足氢燃料电池1运转条件。氢燃料电池1分别与第一湿度传感器2、第二湿度传感器3、排气风扇4、进气电磁阀5、出气电磁阀6、电流计7、控制器8和负载通过电路连接。待电池正常运转后，切断外部电源，靠氢燃料电池1向内部各元件和外连的负载供电。控制器8内设数据收集器、计算模块、判断模块和指令模块，用于搜集各元件数据，并通过计算、判断，确认是否满足开启出气电磁阀6的条件。若满足，则指令模块发出指令，开启出气电磁阀6排水排气。控制器8能通过第一湿度传感器2和第二湿度传感器3、排气风扇4转速、电流计7等电路元件的数据，计算并判断氢燃料电池1阳极侧积水量是否过高，若过高，则控制出气电磁阀6的开闭以排除阳极侧多余的水分。该策略能满足在负载功率不断变化的情况下，对阳极侧积水排放进行灵活控制，满足不同情况下的排水供氢需求。
还包括氢浓度传感器9；所述氢浓度传感器9用于获取氢燃料电池1阳极侧流场末端的氢浓度；所述氢浓度传感器9和控制器8电连接。由上述结构可知，氢浓度传感器9能检测阳极侧流场末端氢气的浓度，并传递给控制器8，而控制器8能通过判断阳极侧流场末端氢气浓度是否过低，控制出气电磁阀6的开闭进行氢气浓度控制，防止氢浓度过低导致反极现象，保证电池的正常运作。
还包括片间电压巡检器10；所述片间电压巡检器10用于获取氢燃料电池1每个单电池的电压值；所述片间电压巡检器10和控制器8电连接。由上述结构可知，片间电压巡检器10用于获取氢燃料电池1内部每一片单电池的电压，而控制器8能通过判断片间电压是否正常，间接判断电池内部是否存在积水、氢气不足或异常情况，从而控制出气电磁阀6的开闭以排除风险。若开启出气电磁阀6后电压值仍不正常，则说明是其他原因导致的，需要发出告警信号进行人工排查。本发明有三条基本控制策略：第一条，控制器8会根据第一湿度传感器2、第二湿度传感器3、排气风扇4和电流计7的数据，计算和判断氢燃料电池1阳极侧积水量是否过高，以至于需要开启出气电磁阀6进行排水；第二条，控制器8会根据氢浓度传感器9的数据判断氢燃料电池1流场末端的氢气浓度是否过低，以至于需要开启出气电磁阀6进行氢气浓度控制；第三条，控制器8会根据片间电压巡检器10的电压值判断氢燃料电池1工作电压是否正常，间接判断内部是否存在积水、氢气不足或异常情况，进一步打开出气电磁阀6进行排放，以排除风险。本发明能根据氢燃料电池1阳极侧积水量、阳极侧出口氢气浓度和片间电压值的情况分别对出气电磁阀6的开闭进行控制，控制策略灵活。
还包括告警器11；所述告警器11和控制器8电连接。由上述结构可知，告警器11用于通知用户氢燃料电池1存在非正常工作风险。控制器8能通过连接的片间电压检测氢燃料电池1是否工作异常，若异常，则利用指令模块触发告警指令，对用户进行及时告警。
还包括堆芯温度传感器12；所述堆芯温度传感器12和控制器8电连接。由上述结构可知，堆芯温度传感器12用于获取氢燃料电池1内部的温度，从而利用控制器8间接控制排气风扇4的转速，若温度过高则增加风扇转速加强散热效果，若过低则减少风扇转速降低能耗，保证排气风扇4的转速适应电池工作。
一种空冷型氢燃料电池排放的控制方法，采用如权利要求1～5中任一项所述的一种空冷型氢燃料电池系统，包括排水控制步骤；
所述排水控制步骤具体为：
S11：获取进入氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度AH1、排出氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度AH2和氢燃料电池1给负载提供的电流大小I，以此计算水生成的速率v1，其中，n为2，F为法拉第常数，M为水的摩尔质量；
S12：获取风扇转速，将风扇转速换算获取单位时间进入氢燃料电池1阴极侧的空气流量Φ，进一步得到单位时间内阴极侧空气带出氢燃料电池1的水量：(AH2－AH1)×Φ；用水生成的速率v1减去单位时间内阴极侧空气带出氢燃料电池1的水量，得到单位时间内反渗至氢燃料电池1阳极侧的水量q，再对q进行时间积分，得到单个积分周期内氢燃料电池1阳极侧的积水量Q，/>其中，t1为控制器8上一次积分运算结束的时刻，初始值为0，△t为计算模块每次进行积分运算的时间间隔，I(t)、AH2(t)、AH1(t)和Φ(t)分别为氢燃料电池1给负载提供的电流大小I、排出氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度AH2、进入氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度AH1和空气流量关于时间的函数；
S13：将Q值与控制器8预设的最大积水量Qmax比较，若Q小于Qmax，则记录该值为Qi，继续计算下一个积分周期内氢燃料电池1阳极侧的积水量，记为Qi+1，并记积水量为Q＝Qi+Qi+1；
S14：继续判断Q值是否达到Qmax，若Q小于Qmax，重复步骤S13累加求和；若Q大于或等于Qmax，将预设排放时间值T1传递给控制器8，并进入排放步骤。
对于排水控制S11步骤，第一湿度传感器2记录输入氢燃料电池1的空气绝对湿度AH1，单位g/m3；第二湿度传感器3记录从氢燃料电池1排出的空气绝对湿度AH2，单位g/m3。电流计7记录实时电流值为I，单位A。将AH1、AH2、和I的数据传递给控制器8的数据收集器。根据化学反应方程式，得到氢燃料电池1生成水的速率v1，其中n为2，表示1mol氢气可以失去2mol电子并生成1mol水的比例关系，F为法拉第常数，表示1mol电子对应的电荷库伦数，M为水的摩尔质量，其值为18，单位g/mol，故该公式利用电流计7测得的电流值I实时计算反应生成水的速率。此外，由于氢燃料电池1正常工作时应处于水平衡状态，即流入氢燃料电池1的水通量与生成水通量之和应与流出的水通量保持一致。在步骤S12中，排气风扇4转速的大小与氢燃料电池1阴极空气进气量存在对应关系。关于排气风扇4转速值的获取说明如下：一般使用的进气风扇的电机是通过控制器发出的PWM，即脉冲宽度调制信号控制转速的。一个周期内，控制信号处于高电平的时间占整个信号周期的时间占比即为占空比，等效于油门量，使用者可通过查找风扇使用手册或人工标定找到PWM信号占空比和风扇电机转速之间的关系。在实际使用过程中，用于散热的空气流量远大于参与反应的氧气流通量，工程上忽略阴极进气与排气的流量差别，故可认为二者一致。因此，使用者根据排气风扇4的生产厂家给出的转速与排风量的换算表，可以将排气风扇4的转速换算为空气流量，得到单位时间的空气流量Φ。然后，将Φ值传递给数据收集器，并通过计算模块计算得到单位时间内阴极侧空气带出氢燃料电池1的水量：(AH2－AH1)×Φ，单位g/s。该值可能为正也可能为负，若其值为正，说明氢燃料电池1阴极侧有水量净流出，若其值为负，说明氢燃料电池1阴极侧有水量净流入。用水生成速率减去单位时间内阴极侧空气带出氢燃料电池1的水量，就能得到单位时间内反渗至氢燃料电池1阳极侧的水量q，/>然后对q值进行时间积分，得到单个积分周期内氢燃料电池1阳极侧的总积水量Q，其中，t1为控制器8上一次积分运算结束的时刻，初始值为0，△t为计算模块每次进行积分运算的时间间隔，I(t)、AH2(t)、AH1(t)和Φ(t)分别为氢燃料电池1给负载提供的电流大小I、排出氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度AH2、进入氢燃料电池1阴极侧的空气的绝对湿度AH1和空气流量关于时间的函数。步骤S13中，利用判断模块将Q值与控制器8预设的最大积水量Qmax比较。Qmax为预设的最大积水量，若Q＜Qmax，则控制器8的数据收集器记录该值为Qi，则继续计算下一个积分周期内阳极侧的积水量Qi+1，并记积水量为Q＝Qi+Qi+1。步骤S14中，判断模块继续判断Q值是否达到Qmax，若Q＜Qmax，重复步骤S13累加求和，公式为/>若Q≥Qmax，将预设排放时间值T1传递给控制器8，进入排放步骤。例如，Q为第一个积分周期的总积水量，Q＝1，而Qmax值设定为3，则Q＜Qmax，记Q＝Q1，计算第二个积分周期的总积水量，并记为Q2，Q2＝1，则Q＝Q1+Q2＝2。由于Q仍小于Qmax，则继续计算第三个积分周期的总积水量，并记为Q3，Q3＝1，则Q＝Q1+Q2+Q3＝3，继续比较，发现Q＝Qmax＝3，则将预设时间值T1传递给控制器8，进入排放步骤。其中，T1为根据电池本身总体尺寸、阳极流场设计、用氢压力等因素综合考虑而预设的排放时间值。
所述控制方法还包括氢气浓度控制步骤；
所述氢气浓度控制步骤具体为：
S21：获取氢燃料电池1阳极侧流场末端的氢气浓度C，将C值与控制器8预设的最小氢气浓度值Cmin进行比较；
S22：若C大于或等于Cmin，则重复步骤S21；若C小于Cmin，将预设排放时间值T2传递给控制器8，并进入排放步骤。
对于步骤S21，氢浓度传感器9获取阳极侧流场末端的氢气浓度C，并将数值报送至数据收集器，然后判断模块对C值与预设的阳极流场末端的最小氢气浓度值Cmin进行比较。步骤S22中，若C≥Cmin，则重复步骤S21，因为此时氢气浓度还未降到最低的氢浓度允许值以下，氢燃料电池1可以继续正常工作，故不打开出气电磁阀6。若C＜Cmin，说明氢燃料电池1阳极侧流场末端位置已经处于氢气缺少的状态，有发生反极现象的隐患，则将预设排放时间值T2传递给控制器8，进入排放步骤进行排气。其中，T2为根据电池本身设计情况而预设的排放时间值。在氢燃料电池1工作过程中，进气电磁阀5一直处于开启状态，持续向电池内通入氢气。一旦出气电磁阀6打开，在前端氢气进入的压力下，会把后段低浓度氢气排出去，并让整个氢燃料电池1内的氢气以较快速度流动，调节氢燃料电池1内部的氢气浓度，防止反极现象的发生。
所述控制方法还包括片间电压控制步骤；
所述片间电压控制步骤具体为：
S31：获取氢燃料电池1每个单电池的电压值，形成集合V，将集合内每个值分别与控制器8预设的正常电压范围进行比较；
S32：若V内每个值都在预设的正常电压范围内，则重复步骤S31；若V内任一电压值超出正常电压范围，将预设排放时间值T3传递给控制器8，并进入排放步骤。
对于S31步骤，氢燃料电池1工作过程中，由于阳极侧氢气不断消耗，反应的氢气浓度逐渐降低，氢燃料电池1片间电压值也会逐渐下降，直至下一次出气电磁阀6开启后会有所回升。片间电压巡检器10监测、记录工作状态下氢燃料电池1片间电压值，并向控制器8传输所有片间电压值的数值集合V，V＝{V1,V2,V3,…,Vp}，其中Vp为第p片单电池与第p+1片单电池的片间电压，然后将集合V内每个值分别与预设正常电压范围进行比较。步骤S32中，若V内每个值都处于预设正常电压范围内，则说明电池处于正常工作状态，继续重复步骤S31进行巡检。若V内任一电压值超出预设正常电压范围，则说明电池处于非正常工作状态，电池内部有被积水堵塞气体通路的可能性、流场末端氢气浓度不足或异常情况，需要将开启出气电磁阀6进行排放，故将预设排放时间值T3传递给控制器8，进入排放步骤。其中，T3为根据电池设计而预设的排放时间值。
所述控制方法还包括排放步骤；
所述排放步骤具体为：
S41：若控制器8接收到预设排放时间值T1、T2、T3中的一个，则以该时间值作为出气电磁阀6开启持续时间，进行废氢排放；若收到的时间值为T1、T2、T3中的两个及以上，则进入步骤S42；
S42：比较接收到的所有时间值的大小，取最大的一项作为出气电磁阀6开启持续时间，进行废氢排放；
S43：每次出气电磁阀6开启后，将Q值清零，预设排放时间结束后，出气电磁阀6关闭，然后继续执行排水控制步骤、氢气浓度控制步骤和片间电压控制步骤。
对于排放步骤，步骤S41中若控制器8接收到的时间值为T1、T2、T3中的一个，则以该时间值作为出气电磁阀6开启持续时间，进行废氢排放，然后关闭出气电磁阀6完成排放。例如控制器8接收到T2，T2＝1，单位：秒，则出气电磁阀6开启1秒，然后关闭。若收到的时间值为T1、T2、T3中的两个及以上，如控制器同时接收到T2和T3，则进入步骤S42。步骤S42中，判断模块对接收到的所有时间值的大小进行对比，如同时接收到T2和T3，T2＝1，T3＝0.3，判断T2＞T3，则取T2为出气电磁阀6开启时间，出气电磁阀6开启1秒，进行废氢排放，然后关闭。S43中，无论接收到的时间值为T1、T2还是T3，每次出气电磁阀6开启后，将Q值清零，预设排放时间结束后，出气电磁阀6关闭，然后继续执行排水控制步骤、氢气浓度控制步骤和片间电压控制步骤。本发明的一种空冷型氢燃料电池排放的控制方法，优化了控制策略，不仅能根据阳极侧积蓄水量的情况灵活调整开启出气电磁阀6的时间间隔和时长，还能通过打开出气电磁阀6调整电池内氢气浓度防止反极现象，而且还可以排除各片电池间积水风险，优势众多。
所述控制方法还包括告警步骤；
所述告警步骤具体为：
若控制器8连续收到x次预设排放时间值T3，且控制器8获得相邻的两个预设排放时间值T3的时间间隔均小于预设间隔时间T4，则触发告警器11进行告警，并让用户选择是否关机和/或启动备用电源。
尽管开启出气电磁阀6能排出氢燃料电池1内的积水和低浓度的氢气，但仍存在各种影响氢燃料电池1正常工作的情况，这些情况可能会影响电池性能或带来安全隐患，需要被排除。本发明以片间电压值是否正常作为判断基准，其中x为预设的次数，T4为预设的间隔时间，两者配合，对氢燃料电池1内部是否工作异常进行检测。若氢燃料电池1内部片间电压值一直处于不正常状态，即控制器8连续收到x次预设排放时间值T3，则怀疑氢燃料电池1存在非正常工作风险，若控制器8获得相邻的两个预设排放时间值T3的时间间隔均小于预设间隔时间T4，即证明通过开启出气电磁阀6并不能排除该风险，则触发告警器11进行告警。告警器11的告警方式为声光电的多元告警，便于让使用者发现电池工作异常。若触发告警指令，则让用户选择是否关机和/或启动备用电源。考虑到负载应用场景的不同，可能存在不能立即切断电源的情况，故设置备用电源应急，并将是否关机的权限交给用户。若用户选择关机，则停止告警，氢燃料电池1立即切断对外输出，关闭进气电磁阀5，停止供氢和对外供电，并停止所有步骤，不再向外排放氢气或水。由于阴极侧与外界空气物理上是连通的，残留在氢燃料电池1内部的氢气和空气中的氧气还会持续反应一段时间，控制器8和排气风扇4会继续工作一段时间，消耗剩余电量，并为氢燃料电池1降温，直到电量耗尽，电池停止运转。若选择不关机，用户可以取消告警指令，利用备用电源对负载进行供电，选择适合的时间再对氢燃料电池1进行风险排除。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种空冷型氢燃料电池排放的控制方法，所述空冷型氢燃料电池系统包括氢燃料电池(1)、第一湿度传感器(2)、第二湿度传感器(3)、排气风扇(4)、进气电磁阀(5)、出气电磁阀(6)、电流计(7)和控制器(8)；
所述氢燃料电池(1)通过供应到氢燃料电池(1)阳极侧的氢气与氢燃料电池(1)阴极侧空气中氧气之间的电化学反应发电；
所述第一湿度传感器(2)用于获取进入氢燃料电池(1)阴极侧的空气的绝对湿度；
所述第二湿度传感器(3)用于获取排出氢燃料电池(1)阴极侧的空气的绝对湿度；
所述排气风扇(4)用于提供空气在氢燃料电池(1)阴极侧流动的动力；
所述进气电磁阀(5)用于控制氢气进入氢燃料电池(1)阳极侧；
所述出气电磁阀(6)用于控制氢燃料电池(1)阳极侧流场末端的氢气排出；
所述电流计(7)用于获取氢燃料电池(1)给负载提供的电流大小；
所述控制器(8)分别与第一湿度传感器(2)、第二湿度传感器(3)、排气风扇(4)、进气电磁阀(5)、出气电磁阀(6)和电流计(7)电连接，包括排水控制步骤；
所述排水控制步骤具体为：
S11：获取进入氢燃料电池(1)阴极侧的空气的绝对湿度AH1、排出氢燃料电池(1)阴极侧的空气的绝对湿度AH2和氢燃料电池(1)给负载提供的电流大小I，以此计算水生成的速率v1，其中，n为2，F为法拉第常数，M为水的摩尔质量；
S12：获取风扇转速，将风扇转速换算获取单位时间进入氢燃料电池(1)阴极侧的空气流量Φ，进一步得到单位时间内阴极侧空气带出氢燃料电池(1)的水量：(AH2－AH1)×Φ；用水生成的速率v1减去单位时间内阴极侧空气带出氢燃料电池(1)的水量，得到单位时间内反渗至氢燃料电池(1)阳极侧的水量q，再对q进行时间积分，得到单个积分周期内氢燃料电池(1)阳极侧的积水量Q，其中，t1为控制器(8)上一次积分运算结束的时刻，初始值为0，△t为计算模块每次进行积分运算的时间间隔，I(t)、AH2(t)、AH1(t)和Φ(t)分别为氢燃料电池(1)给负载提供的电流大小I、排出氢燃料电池(1)阴极侧的空气的绝对湿度AH2、进入氢燃料电池(1)阴极侧的空气的绝对湿度AH1和空气流量关于时间的函数；
S13：将Q值与控制器(8)预设的最大积水量Qmax比较，若Q小于Qmax，则记录该值为Qi，继续计算下一个积分周期内氢燃料电池(1)阳极侧的积水量，记为Qi+1，并记积水量为Q＝Qi+Qi+1；
S14：继续判断Q值是否达到Qmax，若Q小于Qmax，重复步骤S13累加求和；若Q大于或等于Qmax，将预设排放时间值T1传递给控制器(8)，并进入排放步骤。
2.根据权利要求1所述的一种空冷型氢燃料电池排放的控制方法，其特征在于，还包括氢气浓度控制步骤；
所述氢气浓度控制步骤具体为：
S21：获取氢燃料电池(1)阳极侧流场末端的氢气浓度C，将C值与控制器(8)预设的最小氢气浓度值Cmin进行比较；
S22：若C大于或等于Cmin，则重复步骤S21；若C小于Cmin，将预设排放时间值T2传递给控制器(8)，并进入排放步骤。
3.根据权利要求2所述的一种空冷型氢燃料电池排放的控制方法，其特征在于，还包括片间电压控制步骤；
所述片间电压控制步骤具体为：
S31：获取氢燃料电池(1)每个单电池的电压值，形成集合V，将集合内每个值分别与控制器(8)预设的正常电压范围进行比较；
S32：若V内每个值都在预设的正常电压范围内，则重复步骤S31；若V内任一电压值超出正常电压范围，将预设排放时间值T3传递给控制器(8)，并进入排放步骤。
4.根据权利要求3所述的一种空冷型氢燃料电池排放的控制方法，其特征在于，还包括排放步骤；
所述排放步骤具体为：
S41：若控制器(8)接收到预设排放时间值T1、T2、T3中的一个，则以该时间值作为出气电磁阀(6)开启持续时间，进行废氢排放；若收到的时间值为T1、T2、T3中的两个及以上，则进入步骤S42；
S42：比较接收到的所有时间值的大小，取最大的一项作为出气电磁阀(6)开启持续时间，进行废氢排放；
S43：每次出气电磁阀(6)开启后，将Q值清零，预设排放时间结束后，出气电磁阀(6)关闭，然后继续执行排水控制步骤、氢气浓度控制步骤和片间电压控制步骤。
5.根据权利要求4所述的一种空冷型氢燃料电池排放的控制方法，其特征在于，还包括告警步骤；
所述告警步骤具体为：
若控制器(8)连续收到x次预设排放时间值T3，且控制器(8)获得相邻的两个预设排放时间值T3的时间间隔均小于预设间隔时间T4，则触发告警器(11)进行告警，并让用户选择是否关机和/或启动备用电源。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003282109A (ja) * 2002-03-22 2003-10-03 Hitachi Ltd 固体高分子型燃料電池システム
JP2004192973A (ja) * 2002-12-12 2004-07-08 Sony Corp 燃料電池システム及び燃料電池運転方法
US10593971B1 (en) * 2018-11-06 2020-03-17 Nuvera Fuel Cells, LLC Methods and systems for controlling water imbalance in an electrochemical cell
CN111540931A (zh) * 2020-06-09 2020-08-14 张家口市氢能科技有限公司 一种燃料电池电堆自动活化的方法和装置
CN112768727A (zh) * 2021-01-22 2021-05-07 浙江氢航科技有限公司 一种空冷氢燃料电池温湿度控制的方法及装置
CN114361512A (zh) * 2021-12-30 2022-04-15 重庆长安新能源汽车科技有限公司 一种燃料电池排水、排杂控制系统及控制方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9793558B2 (en) * 2012-04-06 2017-10-17 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003282109A (ja) * 2002-03-22 2003-10-03 Hitachi Ltd 固体高分子型燃料電池システム
JP2004192973A (ja) * 2002-12-12 2004-07-08 Sony Corp 燃料電池システム及び燃料電池運転方法
US10593971B1 (en) * 2018-11-06 2020-03-17 Nuvera Fuel Cells, LLC Methods and systems for controlling water imbalance in an electrochemical cell
CN111540931A (zh) * 2020-06-09 2020-08-14 张家口市氢能科技有限公司 一种燃料电池电堆自动活化的方法和装置
CN112768727A (zh) * 2021-01-22 2021-05-07 浙江氢航科技有限公司 一种空冷氢燃料电池温湿度控制的方法及装置
CN114361512A (zh) * 2021-12-30 2022-04-15 重庆长安新能源汽车科技有限公司 一种燃料电池排水、排杂控制系统及控制方法

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