CN115084595A - 一种氢燃料电池的氢气调节系统及方法 - Google Patents

一种氢燃料电池的氢气调节系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池的氢气调节系统及方法，系统包括：电池检测单元：与氢燃料电池本体连接，用于采集氢燃料电池本体的输出电流值；处理单元：与所述检测单元连接，用于根据所述输出电流值进行分析判断，生成氢气调节指令；控制单元：与所述处理单元连接，用于根据所述氢气调节指令调节所述氢燃料电池的阳极排氢频率。本发明通过检测氢燃料电池的输出电流来调节阳极排氢频率，优化排氢模式，以提高氢燃料电池氢气利用率，同时通过检测氢燃料电池储氢装置的温度和压强，实现对储氢装置剩余储氢量的监测，保障氢燃料电池的续航能力，具有检测效果好、调节效率高以及准确度高的优点。

Description

一种氢燃料电池的氢气调节系统及方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种氢燃料电池的氢气调节系统及方法。
背景技术
氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。
近年来氢燃料电池因其无污染排放、利用清洁能源产生电能的优点，在各个行业广受关注，尤其是应用于电动汽车中。氢燃料电池电动汽车内部带有储氢瓶，利用储氢瓶中的氢气发生化学反应从而产生电能，为电动汽车供电。在使用过程中，需要保证充足的氢气供应以提高汽车续航能力，但目前对氢燃料电池氢气的检测和调节方法并不多，且存在检测效果差、调节效率低等问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种氢燃料电池的氢气调节系统及方法。
第一方面，一种氢燃料电池的氢气调节系统，包括：
电池检测单元：与氢燃料电池本体连接，用于采集氢燃料电池本体的输出电流值；
处理单元：与所述电池检测单元连接，用于根据所述输出电流值进行分析判断，生成氢气调节指令；
控制单元：与所述处理单元连接，用于根据所述氢气调节指令调节所述氢燃料电池的阳极排氢频率。
进一步地，所述处理单元具体用于：
分析判断所述氢燃料电池本体的输出电流值所在电流区间，所述电流区间包括低电流区间和高电流区间；
若所述氢燃料电池本体的输出电流值在低电流区间，则生成第一氢气调节指令；
若所述氢燃料电池本体的输出电流值在高电流区间，则生成第二氢气调节指令。
进一步地，所述控制单元具体用于：
当所述处理单元生成第一氢气调节指令时，控制单元则控制所述氢燃料电池的阳极排氢间隔时间设置为40s；
当所述信号处理单元生成第二氢气调节指令时，控制单元则控制所述氢燃料电池的阳极排氢间隔时间设置为20s。
进一步地，还包括：
储氢装置检测单元，与所述处理单元连接，用于采集氢燃料电池储氢装置的实时温度和实时压强。
进一步地，所述处理单元还用于：
根据所述储氢装置实时温度和实时压强分析计算储氢变化量；
根据所述储氢变化量计算得到储氢剩余量；
计算所述储氢剩余量与储氢额定容量的比值，根据所述比值生成储氢报警信号。
第二方面，一种氢燃料电池的氢气调节方法，步骤包括：
采集氢燃料电池本体的输出电流值；
根据所述输出电流值进行分析判断，生成氢气调节指令；
根据所述氢气调节指令调节所述氢燃料电池的阳极排氢频率。
进一步地，所述根据所述输出电流值进行分析判断，生成氢气调节指令，具体为：
分析判断所述氢燃料电池本体的输出电流值所在电流区间，所述电流区间包括低电流区间和高电流区间；
若所述氢燃料电池本体的输出电流值在低电流区间，则生成第一氢气调节指令；
若所述氢燃料电池本体的输出电流值在高电流区间，则生成第二氢气调节指令。
进一步地，所述根据所述氢气调节指令调节所述氢燃料电池的阳极排氢频率，具体为：
当所述处理单元生成第一氢气调节指令时，控制单元则控制所述氢燃料电池的阳极排氢间隔时间设置为40s；
当所述信号处理单元生成第二氢气调节指令时，控制单元则控制所述氢燃料电池的阳极排氢间隔时间设置为20s。
进一步地，还包括：采集氢燃料电池储氢装置的实时温度和实时压强。
进一步地，还包括：
根据所述储氢装置实时温度和实时压强分析计算储氢变化量；
根据所述储氢变化量计算得到储氢剩余量；
计算所述储氢剩余量与储氢额定容量的比值，根据所述比值生成储氢报警信号。
本发明的有益效果体现在：通过检测氢燃料电池的输出电流来调节阳极排氢频率，优化排氢模式，以提高氢燃料电池氢气利用率，同时通过检测氢燃料电池储氢装置的温度和压强，实现对储氢装置剩余储氢量的监测，保障氢燃料电池的续航能力，具有检测效果好、调节效率高以及准确度高的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明实施例提供的一种氢燃料电池的氢气调节系统的模块框图；
图2为本发明实施例提供的一种氢燃料电池的氢气调节系统的压强检测模块原理图；
图3为本发明实施例提供的一种氢燃料电池的氢气调节方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
如图1所示，一种氢燃料电池的氢气调节系统，包括：
电池检测单元：与氢燃料电池本体连接，用于采集氢燃料电池本体的输出电流值；
处理单元：与所述电池检测单元连接，用于根据所述输出电流值进行分析判断，生成氢气调节指令；
控制单元：与所述处理单元连接，用于根据所述氢气调节指令调节所述氢燃料电池的阳极排氢频率。
进一步地，电池检测单元可设于氢燃料电池本体上，由多种传感器组成，包括但不限于电压传感器、电流传感器、湿度传感器等等，通过电流传感器可采集氢燃料电池本体在放电过程中的实时输出电流值。处理单元包括微处理器，通过微处理器对采集到的输出电流值进行分析判断，判断该实时输出电流值所在电流区间，电流区间包括低电流区间和高电流区间，低电流区间和高电流区间的划分规则可以根据氢燃料电池的实际参数而定。
氢燃料电池在运行过程中，如果阳极出口关闭，电流越高，电压衰减越快，电池性能会受到影响而降低，因此阳极出口需要定时排氢。为提高氢燃料电池的氢气利用率，同时保证氢燃料电池稳定运行，在氢燃料电池的阳极出口增设一个电子排氢阀，可以在氢燃料电池处于低电流放电时，适当延长阳极排氢间隔，在氢燃料电池处于高电流放电时，适当缩短阳极排氢间隔。若处理单元分析判断出氢燃料电池本体当前的输出电流值在低电流区间，则生成第一氢气调节指令，若处理单元分析判断出氢燃料电池本体的输出电流值在高电流区间，则生成第二氢气调节指令。
控制单元包括控制器，与处理单元连接，同时与设于氢燃料电池的阳极电子排氢阀连接。当处理单元生成第一氢气调节指令时，控制单元控制氢燃料电池的阳极排氢间隔时间设为40s，当处理单元生成第二氢气调节指令时，控制单元控制氢燃料电池的阳极排氢间隔时间设为20s，以达到根据氢燃料输出电流来调节控制氢燃料电池排氢频率的目的。
进一步地，还包括储氢装置检测单元，储氢装置检测单元包括温度检测模块和压强检测模块，温度检测模块用于采集氢燃料电池储氢装置的实时温度，压强检测模块安装于氢燃料电池储氢装置的出口处，用于采集氢燃料电池储氢装置的实时压强。如图2所示，压强检测模块包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2、晶体管Q1、压力传感芯片U1、第一运算放大器UA以及第二运算放大器UB,第一电阻R1的第一端与第一运算放大器UA的输出端连接，第一电阻R1的第二端与晶体管Q1的基极连接，晶体管Q1的发射极与第二电阻R2的第一端连接，第二电阻R2的第二端与第一电容C1的第一端和第一运算放大器UA的反相输入端连接，第一电容C1的第二端接地，晶体管Q1的集电极与压力传感芯片U1的一端连接，压力传感芯片U1的另一端与第三电阻R3的第一端连接，第三电阻R3的第二端与第二运算放大器UB的同相输入端连接，第四电阻R4连接于第二运算放大器UB的反相输入端和输出端之间，第二电容C2的一端与第二运算放大器UB的反相输入端连接，第二电容C2的另一端接地。
进一步地，储氢装置检测单元通过温度检测模块分别采集氢燃料电池储氢装置第一时刻t1和第二时刻t2的实时温度，通过压强检测模块分别采集氢燃料电池储氢装置第一时刻t1和第二时刻t2的实时压强，第一时刻t1和第二时刻t2可以为氢燃料电池工作过程中的任一时刻，第二时刻t2与第一时刻t1之间的间隔不小于20s。处理单元还用于根据储氢装置实时温度和实时压强分析计算储氢变化量，计算公式为：
Figure BDA0003762615640000061
式中，M为氢气的摩尔质量2.016g/mol，V为储氢装置的储氢体积，α为温度常数8.314J/mol·K，P1为第一时刻t1的实时压强值，P2为第二时刻t2的实时压强值，T1为第一时刻t1的实时温度值，T2为第二时刻t2的实时温度值。计算得到储氢装置的储氢变化量ΔQ后，处理单元根据储氢变化量ΔQ计算得到储氢剩余量，并计算储氢剩余量与储氢额定容量之间的比值，当比值大于60％，则说明剩余储氢量充足，当比值小于60％，则生成储氢报警信号，以提示用户储氢装置剩余氢气量不足，需要及时进行检查。
基于相同的发明构思，本发明实施例提供了一种氢燃料电池的氢气调节方法，如图3所示，步骤包括：
S1：采集氢燃料电池本体的输出电流值；
S2：根据所述输出电流值进行分析判断，生成氢气调节指令；
S3：根据所述氢气调节指令调节所述氢燃料电池的阳极排氢频率。
进一步地，所述根据所述输出电流值进行分析判断，生成氢气调节指令，具体为：
分析判断所述氢燃料电池本体的输出电流值所在电流区间，所述电流区间包括低电流区间和高电流区间；
若所述氢燃料电池本体的输出电流值在低电流区间，则生成第一氢气调节指令；
若所述氢燃料电池本体的输出电流值在高电流区间，则生成第二氢气调节指令。
进一步地，所述根据所述氢气调节指令调节所述氢燃料电池的阳极排氢频率，具体为：
当所述处理单元生成第一氢气调节指令时，控制单元则控制所述氢燃料电池的阳极排氢间隔时间设置为40s；
当所述信号处理单元生成第二氢气调节指令时，控制单元则控制所述氢燃料电池的阳极排氢间隔时间设置为20s。
进一步地，还包括：采集氢燃料电池储氢装置的实时温度和实时压强。
进一步地，还包括：
根据所述储氢装置实时温度和实时压强分析计算储氢变化量；
根据所述储氢变化量计算得到储氢剩余量；
计算所述储氢剩余量与储氢额定容量的比值，根据所述比值生成储氢报警信号。
本发明通过检测氢燃料电池的输出电流来调节阳极排氢频率，优化排氢模式，以提高氢燃料电池氢气利用率，同时通过检测氢燃料电池储氢装置的温度和压强，实现对储氢装置剩余储氢量的监测，保障氢燃料电池的续航能力，具有检测效果好、调节效率高以及准确度高的优点。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池的氢气调节系统，其特征在于，包括：
电池检测单元：与氢燃料电池本体连接，用于采集氢燃料电池本体的输出电流值；
处理单元：与所述电池检测单元连接，用于根据所述输出电流值进行分析判断，生成氢气调节指令；
控制单元：与所述处理单元连接，用于根据所述氢气调节指令调节所述氢燃料电池的阳极排氢频率。
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池的氢气调节系统，其特征在于，所述处理单元具体用于：
分析判断所述氢燃料电池本体的输出电流值所在电流区间，所述电流区间包括低电流区间和高电流区间；
若所述氢燃料电池本体的输出电流值在低电流区间，则生成第一氢气调节指令；
若所述氢燃料电池本体的输出电流值在高电流区间，则生成第二氢气调节指令。
3.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池的氢气调节系统，其特征在于，所述控制单元具体用于：
当所述处理单元生成第一氢气调节指令时，控制单元则控制所述氢燃料电池的阳极排氢间隔时间设置为40s；
当所述信号处理单元生成第二氢气调节指令时，控制单元则控制所述氢燃料电池的阳极排氢间隔时间设置为20s。
4.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池的氢气调节系统，其特征在于，还包括：
储氢装置检测单元，与所述处理单元连接，用于采集氢燃料电池储氢装置的实时温度和实时压强。
5.根据权利要求4所述的一种氢燃料电池的氢气调节系统，其特征在于，所述处理单元还用于：
根据所述储氢装置实时温度和实时压强分析计算储氢变化量；
根据所述储氢变化量计算得到储氢剩余量；
计算所述储氢剩余量与储氢额定容量的比值，根据所述比值生成储氢报警信号。
6.一种氢燃料电池的氢气调节方法，其特征在于，步骤包括：
采集氢燃料电池本体的输出电流值；
根据所述输出电流值进行分析判断，生成氢气调节指令；
根据所述氢气调节指令调节所述氢燃料电池的阳极排氢频率。
7.根据权利要求6所述的一种氢燃料电池的氢气调节方法，其特征在于，所述根据所述输出电流值进行分析判断，生成氢气调节指令，具体为：
分析判断所述氢燃料电池本体的输出电流值所在电流区间，所述电流区间包括低电流区间和高电流区间；
若所述氢燃料电池本体的输出电流值在低电流区间，则生成第一氢气调节指令；
若所述氢燃料电池本体的输出电流值在高电流区间，则生成第二氢气调节指令。
8.根据权利要求7所述的一种氢燃料电池的氢气调节方法，其特征在于，所述根据所述氢气调节指令调节所述氢燃料电池的阳极排氢频率，具体为：
当所述处理单元生成第一氢气调节指令时，控制单元则控制所述氢燃料电池的阳极排氢间隔时间设置为40s；
当所述信号处理单元生成第二氢气调节指令时，控制单元则控制所述氢燃料电池的阳极排氢间隔时间设置为20s。
9.根据权利要求6所述的一种氢燃料电池的氢气调节方法，其特征在于，还包括：采集氢燃料电池储氢装置的实时温度和实时压强。
10.根据权利要求9所述的一种氢燃料电池的氢气调节方法，其特征在于，还包括：
根据所述储氢装置实时温度和实时压强分析计算储氢变化量；
根据所述储氢变化量计算得到储氢剩余量；
计算所述储氢剩余量与储氢额定容量的比值，根据所述比值生成储氢报警信号。
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