CN115020760A - 一种燃料电池系统的怠速控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统的怠速控制方法，步骤包括燃料电池系统收到怠速指令后，进入空气压力控制模式，实时监测电堆的电压，当电堆的电压降至第二电压阈值时，DC/DC模块停止电流拉载；当电堆的降至第三电压阈值时，小开度开启空气出口阀，进行电堆阴极侧的排气，以排出电堆阴极侧积累的氮气；当电堆电压升至第一电压阈值时，停止排气，开始加载最小电流，电堆电压降低；当电堆电压降至第二电压阈值时，DC/DC模块停止电流拉载，重复此过程。本发明避免了燃料电池系统的频繁启停，从而更好地保护燃料电池的寿命。

Description

一种燃料电池系统的怠速控制方法
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怠速控制方法。
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。
燃料电池车辆的运行工况比较复杂，很多场景下要求燃料电池系统不输出功率，如果燃料电池通过直接停机停止功率输出，那么频繁的启停机将缩短燃料电池寿命，同时降低氢气利用率。
而目前大部分燃料电池系统在怠速模式下仍有一定功率输出，一是因为燃料电池拉载电流越小，电压越高，而电堆有最高运行电压限制，长时间在高电位下运行会造成膜电极衰减，因此不能无限制减小电流；二是如果单纯通过降低空气流量减小过量系数来降低电压，容易导致电堆单电池流量分配不均，造成电堆单电压一致性变差，有可能损害单电池；三是如果通过增加辅助功率来消耗电堆功率，又损失了经济性。
现有技术的燃料电池系统怠速仍会输出较大功率，造成了频繁的启停机，将缩短燃料电池寿命和降低氢气利用率。
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怠速控制方法，避免了燃料电池系统的频繁启停，从而更好地保护燃料电池的寿命。
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怠速控制方法，其运行于一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括电堆、空压机、中冷器、空气入口阀、空气出口阀、空气旁通阀、DC/DC模块、流量传感器和空气入口压力传感器，所述电堆包括空气入口和空气出口；所述空压机、中冷器、空气入口阀和电堆的空气入口依次连接；所述电堆的空气出口连接空气出口阀；空气出口阀通过空气旁通阀连接中冷器；所述DC/DC模块连接电堆；所述流量传感器连接空压机；所述空气入口压力传感器连接电堆的空气入口；其特征在于，所述一种燃料电池系统的怠速控制方法，包括以下步骤：
步骤S2、燃料电池系统在收到怠速指令后，采用空气压力控制模式运行，具体为：
步骤S21、通过DC/DC模块使拉载电流降至电堆的最小电流；开启空气旁通阀后，减小空气入口阀开度，然后关闭空气出口阀，并固定空压机转速；通过调整空气旁通阀的开度，控制电堆的空气入口压力；
步骤S22、电堆进入怠速过程，实时监测电堆的电压，当电堆的电压降至第二电压阈值时，DC/DC模块停止电流拉载；当电堆的降至第三电压阈值时，小开度开启空气出口阀，进行电堆阴极侧的排气，以排出电堆阴极侧积累的氮气；当电堆电压升至第一电压阈值时，停止排气，开始加载最小电流，电堆电压降低；当电堆电压降至第二电压阈值时，DC/DC模块停止电流拉载，重复步骤S22；
其中，第一电压阈值大于第二电压阈值大于第三电压阈值。
进一步的，所述一种燃料电池系统的怠速控制方法的步骤S2前还包括步骤S1、燃料电池系统正常运行状态时，采用空气流量-压力控制模式运行，具体为：
在电堆的阴极侧，关闭空气旁通阀，空气入口阀完全打开，空气通过空压机增压，经过中冷器冷却后进入电堆的空气入口，流量传感器实时监测空压机的空气流量，空气入口压力传感器实时监测电堆空气入口的压力，适时调整空压机的转速从而控制阴极侧的空气流量，以及适时调整空气出口阀的开度从而控制电堆的空气入口压力。
进一步的，所述步骤S2后还包括步骤S3、燃料电池系统在收到结束怠速指令后，燃料电池系统进入正常运行状态，采用空气流量-压力控制模式运行。
采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：本发明实现了在怠速模式下接近0的功率输出，避免了燃料电池系统的频繁启停，从而更好地保护燃料电池的寿命；本发明通过空气压力控制模式抑制低空气过量系数下电堆单电压过低而损坏单电池，通过电流周期性电流拉载减低电堆电压，实现系统平均净功率接近0输出。
附图说明
图1为本发明一种燃料电池系统的结构示意图。
图2为本发明一种燃料电池系统的控制模式切换流程图。
图3为本发明一种燃料电池系统的怠速控制方法过程中电压控制过程图。
图4为本发明一种燃料电池系统的怠速控制方法的怠速过程中功率、压力、阀门开度、拉载电流以及电堆电压的变化比照图。
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、空压机2、中冷器3、空气入口阀4、空气出口阀5、空气旁通阀6、氢气比例阀7、引射器8、气水分离器9、排水排气阀10、供氢单元11、DC/DC模块12、流量传感器13、空气入口压力传感器14以及氢气入口压力传感器15，所述电堆1包括空气入口、空气出口、氢气入口和氢气出口，空气从电堆1的阴极通过，氢气从电堆1的阳极通过。
所述空压机2、中冷器3、空气入口阀4和电堆1的空气入口依次连接；所述电堆1的空气出口连接空气出口阀5；空气出口阀5通过空气旁通阀6连接中冷器3；所述供氢单元11、氢气比例阀7、引射器8和电堆1的氢气入口依次连接；所述电堆1的氢气出口连接气水分离器9；所述气水分离器9连接排水排气阀10和引射器8；所述DC/DC模块12连接电堆1；所述流量传感器13连接空压机2；所述空气入口压力传感器14连接电堆1的空气入口；所述氢气入口压力传感器15连接电堆1的氢气入口。
其中，所述电堆1由多片单电池叠加组成。
本实施例一种燃料电池系统实现了在怠速模式下接近0的功率输出，避免了燃料电池系统的频繁启停，从而更好地保护燃料电池的寿命。
实施例2
本实施例实在实施例1一种燃料电池系统的基础上，公开一种燃料电池系统的怠速控制方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤S1、燃料电池系统正常运行状态时，采用空气流量-压力控制模式运行，具体为：
在电堆1的阳极侧，开启氢气比例阀7，供氢单元11的高压氢气经过氢气比例阀7减压后通过引射器8并进入电堆1的氢气入口，电堆1的氢气出口将尾气和液态水输入至气水分离器9，气水分离器9分离尾气和液态水，分离后的尾气重新进入引射器8并输入至电堆1的氢气入口，定时开启排水排气阀10，用于排出阳极侧液态积水和积氮；氢气入口压力传感器15实时监测电堆1氢气入口的氢气压力；
在电堆1的阴极侧，关闭空气旁通阀6，空气入口阀4完全打开，空气通过空压机2增压，经过中冷器3冷却后进入电堆1的空气入口，流量传感器13实时监测空压机2的空气流量，空气入口压力传感器14实时监测电堆1空气入口的压力，适时调整空压机2的转速从而控制阴极侧的空气流量，以及适时调整空气出口阀5的开度从而控制电堆1的空气入口压力。
步骤S2、燃料电池系统在收到怠速指令后，采用空气压力控制模式运行，具体为：
步骤S21、通过DC/DC模块使拉载电流降至电堆1的最小电流；
开启空气旁通阀6后，减小空气入口阀4开度，然后关闭空气出口阀5，并固定空压机2转速；通过调整空气旁通阀6的开度，控制电堆1的空气入口压力并使之稳定，此时由于电堆1的阴极内部空气无强制流动，因此阴极各处的压力一致；
在电堆1的阴极，氧气消耗后产生负压，空压机2的输送的新鲜空气持续被吸入阴极，由于每片单电池消耗相同的氧气，且各单电池处的压力相同，因此获得相同的空气补充量，所以各单电池电压实现较好的一致性；随着阴极氮气积累，氧气浓度减小，电堆1电压逐渐降低；
步骤S22、电堆1进入怠速过程，实时监测电堆1的电压，如图4所示，当电堆1的电压降至第二电压阈值时，DC/DC模块12停止电流拉载，此时电堆1的电压小幅上升后继续缓慢降低；当电堆1的降至第三电压阈值时，小开度开启空气出口阀5，进行电堆1阴极侧的排气，以排出电堆1阴极侧积累的氮气，此时氧气浓度会增加，且电堆1的电压进行上升；当电堆电压升至第一电压阈值时，停止排气，开始加载最小电流，电堆1电压降低；当电堆1电压降至第二电压阈值时，DC/DC模块12停止电流拉载，重复步骤S22，如图3所示；其中，第一电压阈值大于第二电压阈值大于第三电压阈值；
如图4所示，在燃料电池系统在怠速过程中，电堆1的电压始终处于较低范围内，DC/DC模块12进行电流拉载时，电堆有小功率输出，可通过小幅调整空压机2的转速至固定转速来改变空压机2的功率，从而可以使燃料电池系统平均净输出功率接近0，同时氢气消耗量很低；
在怠速过程中，电堆的阳极始终保持高于阴极的压力，并周期性的开启排水排气阀10进行排水排气；
步骤S3、燃料电池系统在收到结束怠速指令后，燃料电池系统进入正常运行状态，采用空气流量-压力控制模式运行。
本实施例通过空气压力控制模式抑制低空气过量系数下电堆单电压过低而损坏单电池；通过电流周期性电流拉载减低电堆电压，实现系统平均净功率接近0输出。
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 (3)

1.一种燃料电池系统的怠速控制方法，其运行于一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括电堆、空压机、中冷器、空气入口阀、空气出口阀、空气旁通阀、DC/DC模块、流量传感器和空气入口压力传感器，所述电堆包括空气入口和空气出口；所述空压机、中冷器、空气入口阀和电堆的空气入口依次连接；所述电堆的空气出口连接空气出口阀；空气出口阀通过空气旁通阀连接中冷器；所述DC/DC模块连接电堆；所述流量传感器连接空压机；所述空气入口压力传感器连接电堆的空气入口；其特征在于，所述一种燃料电池系统的怠速控制方法，包括以下步骤：
步骤S2、燃料电池系统在收到怠速指令后，采用空气压力控制模式运行，具体为：
步骤S21、通过DC/DC模块使拉载电流降至电堆的最小电流；开启空气旁通阀后，减小空气入口阀开度，然后关闭空气出口阀，并固定空压机转速；通过调整空气旁通阀的开度，控制电堆的空气入口压力；
步骤S22、电堆进入怠速过程，实时监测电堆的电压，当电堆的电压降至第二电压阈值时，DC/DC模块停止电流拉载；当电堆的降至第三电压阈值时，小开度开启空气出口阀，进行电堆阴极侧的排气，以排出电堆阴极侧积累的氮气；当电堆电压升至第一电压阈值时，停止排气，开始加载最小电流，电堆电压降低；当电堆电压降至第二电压阈值时，DC/DC模块停止电流拉载，重复步骤S22；
其中，第一电压阈值大于第二电压阈值大于第三电压阈值。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统的怠速控制方法，其特征在于，所述步骤S2前还包括步骤S1、燃料电池系统正常运行状态时，采用空气流量-压力控制模式运行，具体为：
在电堆的阴极侧，关闭空气旁通阀，空气入口阀完全打开，空气通过空压机增压，经过中冷器冷却后进入电堆的空气入口，流量传感器实时监测空压机的空气流量，空气入口压力传感器实时监测电堆空气入口的压力，适时调整空压机的转速从而控制阴极侧的空气流量，以及适时调整空气出口阀的开度从而控制电堆的空气入口压力。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池系统的怠速控制方法，其特征在于，所述步骤S2后还包括步骤S3、燃料电池系统在收到结束怠速指令后，燃料电池系统进入正常运行状态，采用空气流量-压力控制模式运行。
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