CN114883614A - 一种燃料电池系统的自适应排气方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统的自适应排气方法，通过实时检测并纪录电堆单片电池的最小电压值、最大电压值和平均电压值，记录并计算每次排气阀开启前和关闭后的电堆单片电池的最小单电压值增量ΔUmin和平均电压值增量ΔUave，从而适应性地调整排气阀的排气频率和排气时间，实现闭环排气控制。本发明通过自适应排气方法抑制单片电压低和整体电压低问题，同时减少氢气浪费，提高氢气利用率。

Description

一种燃料电池系统的自适应排气方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池系统的自适应排气方法。
背景技术
氢燃料，是一种清洁、无污染的可再生能源，正在被越来越多的领域使用。氢燃料电池可以将氢气转化为电能和热能，氢燃料电池在工作时，不仅发电效率高，而且具有噪音小、无污染等优点。其中，燃料电池电堆由多片单电池叠加组成。
燃料电池系统运行过程中，阴极氮气会透过质子交换膜渗透到阳极，慢慢积累使的氢气浓度降低，造成电堆整体电压下降，因此需要定时排气；同时相对于阴极，阳极循环流量较小，容易产生单片电池阻塞水淹，造成单片电池电压低，需要通过排气吹扫出积水。目前，燃料电池系统一般会固定排气时间，而根据电堆电流的不同标定排气频率，或根据电堆电流的时间积分值确定是否排气。
现有技术存在以下缺陷和不足：1、固定的开环排气控制策略并不适应于多变的工况和环境条件，电堆容易产生单片电压低和整体电压低问题，降低系统效率；2、如果排气策略过于保守（排气量大），又会产生不必要的氢气浪费，造成系统氢气利用率低，经济性差。
发明内容
本发明为解决上述技术问题之一，提供一种燃料电池系统的自适应的闭环排气控制方法，针对燃料电池系统复杂多变的运行工况，通过自适应排气方法抑制单片电压低和整体电压低问题，同时减少氢气浪费，提高氢气利用率。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池系统的自适应排气方法，包括以下步骤：
步骤S1、在燃料电池系统运行过程中，空气流量保持正常流量情况下，在排气阀每一次进行排气时，检测并记录排气阀开启前和关闭后的电堆单片电池的平均电压值，计算排气阀开启前的平均电压值和关闭后的平均电压值之间的平均电压值增量ΔUave，若平均电压值增量ΔUave大于设定阈值，则对排气阀在当前的排气频率基础上增加固定频率变量Δf；
若平均电压值增量ΔUave小于设定阈值，则判断当前排气阀的排气频率在减去固定频率变量Δf后是否小于等于基准排气频率，若当前排气阀的排气频率在减去固定频率变量Δf后小于等于基准排气频率，则维持排气阀当前的排气频率，若当前排气阀的排气频率在减去固定频率变量Δf后大于基准排气频率，则对排气阀在当前的排气频率基础上减少固定频率变量Δf；
若平均电压值增量ΔUave等于设定阈值，则维持排气阀当前的排气频率。
进一步的，所述步骤S1前还包括步骤S0、在燃料电池系统运行过程中，实时检测并纪录电堆单片电池的最小电压值、最大电压值和平均电压值，实时监测输入至电堆阴极的空气流量。
进一步的，所述步骤S0还包括：在燃料电池系统运行前，对排气阀设定基准排气频率。
本发明另一目的是提供一种燃料电池系统的自适应排气方法，包括以下步骤：
步骤S11、在燃料电池系统运行过程中，空气流量保持正常流量情况下，在排气阀每一次进行排气时，检测并记录排气阀开启前和关闭后的电堆单片电池的最小单电压值，计算排气阀开启前的最小单电压值和关闭后的最小单电压值之间的最小单电压值增量ΔUmin，若最小单电压值增量ΔUmin大于规定阈值，则排气阀下一次排气时的排气时间为：当次排气时间加上固定时间变量Δt；
若最小单电压值增量ΔUmin小于等于规定阈值，则将排气阀下一次排气时的排气时间重置为基准排气时间。
进一步的，所述步骤S11还包括步骤S10、在燃料电池系统运行过程中，实时检测并纪录电堆单片电池的最小电压值、最大电压值和平均电压值，实时监测输入至电堆阴极的空气流量。
进一步的，所述步骤S10还包括：在燃料电池系统运行前，对排气阀设定基准排气频率基准排气时间。
采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：本发明通过在线改变排气频率和排气时间，实现阳极排气的闭环控制，降低了系统故障率，并提高了氢气利用率。
附图说明
图1为实施例1一种燃料电池系统的结构示意图。
图2为实施例2一种燃料电池系统的自适应排气方法的步骤流程图。
图3为实施例2中平均电压值与排气频率的关系图。
图4为实施例3一种燃料电池系统的自适应排气方法的步骤流程图。
图5为实施例3中最小电压值与排气时间的关系图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，本实施例公开一种燃料电池系统，包括电堆1、氢气比例阀2、引射器3、气水分离器4、排水阀5、排气阀6、供氢单元7、空压机8、CVM监测模块9、控制器10和空气流量传感器11，气水分离器4包括气液输入口、气体输出口和液体输出口；
其中，供氢单元7、氢气比例阀2、引射器3和电堆1的氢气输入口依次连接，空气流量传感器11、空压机8和电堆1的空气输入口依次连接，电堆1的氢气输出口连接气水分离器4的气液输入口，气水分离器4的气体输出口连接引射器3和排气阀6，气水分离器4的液体输出口连接排水阀5，CVM监测模块9连接电堆1，控制器10连接氢气比例阀2、排水阀5和排气阀6。
所述空气流量传感器11用于监控输入电堆1的空气流量。
所述CVM监测模块9用于监测电堆1单片电池的最小电压值、最大电压值和平均电压值。
所述控制器10用于 控制氢气比例阀2、排水阀5和排气阀6的开启频率以及开启时间。
实施例2
本实施例是在实施例1燃料电池系统的基础上，公开一种燃料电池系统的自适应排气方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤S0、在燃料电池系统运行前，对排气阀设定基准排气频率；优选的，基准排气频率为最小排气频率；
在燃料电池系统运行过程中，实时检测并纪录电堆单片电池的最小电压值、最大电压值和平均电压值，实时监测输入至电堆阴极的空气流量；定期开启排水阀，排出气水分离器的积水；
定期开启排气阀，如图3所示，每次排气完成后，由于电堆阳极腔体内氮气浓度下降，电堆单片电池的最小电压值（图3中的最小单电压）、最大电压值（图3中的最大单电压）和平均电压值（图3中的平均单电压）都会升高，将每一次排气前后（排气阀开启前和关闭后）的平均电压值的增量即为平均电压值增量ΔUave；
步骤S1、在燃料电池系统运行过程中，空气流量保持正常流量情况下，在排气阀每一次进行排气时，检测并记录排气阀开启前和关闭后的电堆单片电池的平均电压值，计算排气阀开启前的平均电压值和关闭后的平均电压值之间的平均电压值增量ΔUave，若平均电压值增量ΔUave大于设定阈值，则对排气阀在当前的排气频率基础上增加固定频率变量Δf；从平均电压值增量ΔUave大于设定阈值来看，说明阳极累积氮气浓度超过允许值，为防止氮气浓度进一步加大，增加排气频率：即在当前频率的基础上加上一个固定频率变量Δf；再继续监测下次排气前后平均电压值增量ΔUave的变化，如果平均电压值增量ΔUave大于设定阈值，则继续增加排气频率，增加量也为一个固定频率变量Δf；
若平均电压值增量ΔUave小于设定阈值，则判断当前排气阀的排气频率在减去固定频率变量Δf后是否小于等于基准排气频率，若当前排气阀的排气频率在减去固定频率变量Δf后小于等于基准排气频率，则维持排气阀当前的排气频率，若当前排气阀的排气频率在减去固定频率变量Δf后大于基准排气频率，则对排气阀在当前的排气频率基础上减少固定频率变量Δf；
从平均电压值增量ΔUave小于设定阈值来看，说明阳极累积氮气浓度在允许范围内，为防止氢气浪费，减小排气频率：即在当前频率的基础上减去一个固定频率变量Δf；再继续监测下次排气前后平均电压值增量ΔUave的变化，如果平均电压值增量ΔUave小于设定阈值，则继续减小排气频率，但排气频率不能低于基准排气频率；
若平均电压值增量ΔUave等于设定阈值，则维持排气阀当前的排气频率。
本实施例可以适应性地调节排气阀的排气频率，能够提高氢气的利用率，提高电堆发电效率。
实施例3
如图4所示，本实施例是在实施例1燃料电池系统的基础上，公开一种燃料电池系统的自适应排气方法，包括以下步骤：
步骤S10、在燃料电池系统运行前，对排气阀设定单次排气的基准排气时间；优选的，基准排气时间为最小排气时间；
在燃料电池系统运行过程中，实时检测并纪录电堆单片电池的最小电压值（图5中的最小单电压）、最大电压值（图5中的最大单电压）和平均电压值（图5中的平均单电压），实时监测输入至电堆阴极的空气流量；定期开启排水阀，排出气水分离器的积水；
定期开启排气阀，如图5所示，每次排气完成后，排气阀6开启排气前后，最小电压值增量明显超过平均电压值增量；
步骤S11、在燃料电池系统运行过程中，空气流量保持正常流量情况下，在排气阀每一次进行排气时，检测并记录排气阀开启前和关闭后的电堆单片电池的最小单电压值，计算排气阀开启前的最小单电压值和关闭后的最小单电压值之间的最小单电压值增量ΔUmin，若最小单电压值增量ΔUmin大于规定阈值，则排气阀下一次排气时的排气时间为：当次排气时间加上固定时间变量Δt；
从最小单电压值增量ΔUmin大于规定阈值来看，说明最小单电压的单电池内部液态水分积累过多，超过了允许范围，发生了水淹，为防止水淹进一步恶化，增加排气时间：即在当前排气时间的基础上加上一个固定时间变量Δt，通过吹扫排出滞留水分；再继续监测下次最小单电压值增量ΔUmin的变化，如果最小单电压值增量ΔUmin大于设定阈值，则继续增加排气时间；
若最小单电压值增量ΔUmin小于等于规定阈值，则将排气阀下一次排气时的排气时间重置为基准排气时间。
本实施例可以适应性地调节排气阀的排气频率，能够提高氢气的利用率，提高电堆发电效率。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统的自适应排气方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、在燃料电池系统运行过程中，空气流量保持正常流量情况下，在排气阀每一次进行排气时，检测并记录排气阀开启前和关闭后的电堆单片电池的平均电压值，计算排气阀开启前的平均电压值和关闭后的平均电压值之间的平均电压值增量ΔUave，若平均电压值增量ΔUave大于设定阈值，则对排气阀在当前的排气频率基础上增加固定频率变量Δf；
若平均电压值增量ΔUave小于设定阈值，则判断当前排气阀的排气频率在减去固定频率变量Δf后是否小于等于基准排气频率，若当前排气阀的排气频率在减去固定频率变量Δf后小于等于基准排气频率，则维持排气阀当前的排气频率，若当前排气阀的排气频率在减去固定频率变量Δf后大于基准排气频率，则对排气阀在当前的排气频率基础上减少固定频率变量Δf；
若平均电压值增量ΔUave等于设定阈值，则维持排气阀当前的排气频率。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统的自适应排气方法，其特征在于，所述步骤S1前还包括步骤S0、在燃料电池系统运行过程中，实时检测并纪录电堆单片电池的最小电压值、最大电压值和平均电压值，实时监测输入至电堆阴极的空气流量。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池系统的自适应排气方法，其特征在于，所述步骤S0还包括：在燃料电池系统运行前，对排气阀设定基准排气频率。
4.一种燃料电池系统的自适应排气方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S11、在燃料电池系统运行过程中，空气流量保持正常流量情况下，在排气阀每一次进行排气时，检测并记录排气阀开启前和关闭后的电堆单片电池的最小单电压值，计算排气阀开启前的最小单电压值和关闭后的最小单电压值之间的最小单电压值增量ΔUmin，若最小单电压值增量ΔUmin大于规定阈值，则排气阀下一次排气时的排气时间为：当次排气时间加上固定时间变量Δt；
若最小单电压值增量ΔUmin小于等于规定阈值，则将排气阀下一次排气时的排气时间重置为基准排气时间。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池系统的自适应排气方法，其特征在于，所述步骤S11还包括步骤S10、在燃料电池系统运行过程中，实时检测并纪录电堆单片电池的最小电压值、最大电压值和平均电压值，实时监测输入至电堆阴极的空气流量。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池系统的自适应排气方法，其特征在于，所述步骤S10还包括：在燃料电池系统运行前，对排气阀设定基准排气频率基准排气时间。
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