CN115224310A - 一种燃料电池阳极侧分水控制系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池阳极侧分水控制系统与方法,本发明通过根据电堆输出的电流值,确定排氢间隔和排氢时长;根据单片电压是否异常,来确定是否进行紧急排氢;计算单片电压下降率做排氢开启时间的动态补偿;由于燃料电池系统运行的滞后性,根据排氢时机,提前调节供氢比例阀开度,从而保证氢气压力的稳定。本发明控制结构及算法简单有效,分水频率和分水时长根据实际采集电流进行逻辑控制,实际验证效果明显,且分水过程是根据系统本身的运行状态来定,在分水时动态改变电堆内的氢压,使得系统稳定运行,既可通过智能分水提高系统运行效率,又可通过氢气循环泵提高氢气的利用率。

Description

一种燃料电池阳极侧分水控制系统与方法
技术领域
本发明涉及氢燃料电池技术领域,特别是一种燃料电池阳极侧分水控制系统与方法。
背景技术
燃料电池作为一种高效节能的新型发电设备,广泛应用于汽车、冷热电三联供电系统以及固定式发电系统等应用场景。作为一个典型的化学能直接转化为电能的设备,其燃料电池由电堆子系统、氧化剂供给子系统、燃料供给子系统、冷却子系统、电能输出子系统组成。系统部件多,结构及其控制较为复杂。并且作为燃料的氢气、甲烷、甲醇、煤气等化学物质属于危化品管控范围,而且价格较为昂贵。在保证燃料电池稳定性的前提下,节约资源提高系统效率,如何控制阳极侧分水显得尤为重要。
专利CN201010565900.2一种质子交换膜燃料电池阳极脉冲排水系统及其工作方法,意在控制燃料电池内部的氢气压力和流量,未对分水控制策略做详细的介绍;专利CN200810144696.X用于改善水管理和氢气利用的阳极排气控制策略,给出了何时开始排气,何时结束排气,但中间策略复杂,影响控制结果的因素很多(阳极、阴极出口的压力、排气阀口的尺寸、冷却流体的温度等),并且需要增加几个辅助装置;专利CN202011385191.X一种质子交换膜燃料电池氢气循环系统及其杂质尾排控制方法,通过估算出口氢气中的杂质和氢气中的湿度,来确定排氢和排气的时机,但未描述排氢和排气的时长,也没有说明怎么控制电堆内的氢气压力使其保持稳定;专利CN201910682482.6一种氢燃料电池的阳极排水控制方法及其排水系统,给出了利用氢气循环泵的功率判断何时排水,但排水时长没有说明,并且氢气路的湿度变化给氢气循环泵功率变化并不明显;专利CN202110382106.2一种燃料电池阳极排水排杂一体装置及其控制方法,描述了根据电堆发出的电流值和运行时间估算氢气路杂质含量,再与设定的阈值进行比较,最后确定排氢的时机,但排氢的时长未说明,而且电堆运行时间和电流值与杂质含量的关系模糊,阈值也无法准确判定;专利CN201811116407.5燃料电池多模式切换阳极压力脉动水冲刷控制系统,使用两个电磁阀和两个三通阀实现电堆氢气路冲刷,但随着电堆运行时间的增长,如果不排氢,会有杂质堵塞管路,造成系统电效率的降低;专利CN201911013649.6一种燃料电池阳极排水方法及装置,检测阳极压力和水位,打开排水阀前补充氢气,排水中观测氢气压力波动后关闭,此方法本身就容易造成电堆内氢气路的压力变化,而且由于系统执行的滞后,很容易使电压不稳。
综上所述,燃料电池阳极侧分水控制算法复杂,影响结果的因素过多;燃料电池阳极侧分水控制不能保证电堆运行时的氢气压力稳定性;燃料电池阳极侧分水控制分水时长没有控制依据;燃料电池阳极侧分水控制无法确定氢气路杂质含量和排氢阈值;燃料电池阳极侧分水控制无法精确排氢时机。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池阳极侧分水控制系统与方法,旨在解决现有技术中无法准确把控排氢时机以及排氢量的问题,实现通过智能分水提高系统运行效率以及氢气的利用率。
为达到上述技术目的,本发明提供了一种燃料电池阳极侧分水控制系统,所述系统包括:
高压氢瓶、氢入温压传感器、氢气中压压力传感器、分水器、尾排阀、比例阀、供氢阀、氢气循环泵以及燃料电池电堆;
所述高压氢瓶通过内部减压阀与供氢阀链接,供氢阀与比例阀之间连接有氢气中压压力传感器,比例阀之后接有氢入温压传感器,氢气出口接有氢气循环泵和分水器,分水器还连接有尾排阀。
优选地,所述分水器将电堆内未反应的氢气和水蒸气进行分离,水蒸气和有氢气的杂质通过尾排阀排出,未反应的氢气通过氢气循环泵泵入燃料电池电堆的入口。
本发明还提供了一种利用所述系统实现的燃料电池阳极侧分水控制方法,所述方法包括以下操作:
根据电堆输出的电流值,确定基础排氢间隔和基础排氢时长;
根据平均单片电压和最低单片电压的差值判定单片电压是否异常,来确定是否进行紧急排氢;
在需紧急排氢时,根据平均单片电压和最低单片电压的差值确定排氢间隔,根据基础排氢时长以及紧急排氢的动态补偿时间之和确定排氢时长。
优选地,所述平均单片电压和最低单片电压的差值大于异常阈值时,确定为单片电池异常,需进行紧急排氢。
优选地,所述紧急排氢的动态补偿时间根据单片电压下降率查表所得。
优选地,所述尾排阀进行紧急排氢时,需提前就加大比例阀开度。
发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果,而不是发明所有的全部效果,上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果:
与现有技术相比,本发明通过根据电堆输出的电流值,确定排氢间隔和排氢时长;根据单片电压是否异常,来确定是否进行紧急排氢;计算单片电压下降率做排氢开启时间的动态补偿;由于燃料电池系统运行的滞后性,根据排氢时机,提前调节供氢比例阀开度,从而保证氢气压力的稳定。本发明控制结构及算法简单有效,分水频率和分水时长根据实际采集电流进行逻辑控制,实际验证效果明显,且分水过程是根据系统本身的运行状态来定,在分水时动态改变电堆内的氢压,使得系统稳定运行,既可通过智能分水提高系统运行效率,又可通过氢气循环泵提高氢气的利用率。
附图说明
图1为本发明实施例中所提供的一种燃料电池阳极侧分水控制系统框图;
图2为本发明实施例中所提供的一种燃料电池阳极侧分水控制方法流程图;
其中,1为氢瓶,201为氢入温压传感器,202为氢气中压压力传感器,203为分水器,204为尾排阀,205为比例阀,206为供氢阀,207为氢气循环泵,3为燃料电池电堆。
具体实施方式
为了能清楚说明本方案的技术特点,下面通过具体实施方式,并结合其附图,对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开,下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外,本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的,其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意,在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
下面结合附图对本发明实施例所提供的一种燃料电池阳极侧分水控制系统与方法进行详细说明。
如图1所示,本发明公开了一种燃料电池阳极侧分水控制系统,所述系统包括:
高压氢瓶、氢入温压传感器、氢气中压压力传感器、分水器、尾排阀、比例阀、供氢阀、氢气循环泵以及燃料电池电堆;
所述高压氢瓶通过内部减压阀与供氢阀链接,供氢阀与比例阀之间连接有氢气中压压力传感器,比例阀之后接有氢入温压传感器,氢气出口接有氢气循环泵和分水器,分水器还连接有尾排阀。
在本发明实施例中,高压氢瓶中的氢气通过减压阀将中压氢气经过供氢阀以及比例阀传输至燃料电池电堆进行反应,期间通过氢气中压压力传感器以及氢入温压传感器,用于检测氢气在进入燃料电池电堆之前的压力和温度。电堆反应后,会有未反应的氢气和水蒸气,经由分水器进行分离,水蒸气和有氢气的杂质通过尾排阀排出,未反应的氢气通过氢气循环泵泵入燃料电池电堆的入口。
如图2所示,本发明实施例还公开了一种燃料电池阳极侧分水控制方法,所述方法包括以下操作:
根据电堆输出的电流值,确定基础排氢间隔和基础排氢时长;
根据平均单片电压和最低单片电压的差值判定单片电压是否异常,来确定是否进行紧急排氢;
在需紧急排氢时,根据平均单片电压和最低单片电压的差值确定排氢间隔,根据基础排氢时长以及紧急排氢的动态补偿时间之和确定排氢时长。
在本发明实施例中,阳极侧分水控制策略的控制对象是尾排阀的开启和关闭,控制目的是提高电堆内气体的反应效率,延长电堆使用寿命。
根据电堆输出的电流值FC_Current,确定基础排氢间隔t0和基础排氢时长t1,基础排氢间隔t0和基础排氢时长t1的获取是根据电堆出厂前在台架上测试所得。根据单片电压是否异常,来确定是否需要紧急排氢,当平均单片电压Cell_Avg_Vol与最低单片电压Cell_Min_Vol的差值大于V0时,确定为单片电池异常,需进行紧急排氢处理,其中V0的值大小可根据经验来定。
在紧急排氢处理时,排氢间隔tr根据V0查表所得,排氢时长tg由基础排氢时长t1加上紧急排氢的动态补偿时间t2所得,所述紧急排氢的动态补偿时间t2根据单片电压下降率Cell_Rate查表计算所得。
由于燃料电池系统运行的滞后性,根据排氢时机,提前调节供氢比例阀开度,由于排氢时,氢气管路压力瞬间下降,会导致入堆氢气量减少,所以提前一段时间加大比例阀开度,提前的时间根据系统调试的实际情况所定,从而保证氢气压力的稳定。
本发明实施例通过根据电堆输出的电流值,确定排氢间隔和排氢时长;根据单片电压是否异常,来确定是否进行紧急排氢;计算单片电压下降率做排氢开启时间的动态补偿;由于燃料电池系统运行的滞后性,根据排氢时机,提前调节供氢比例阀开度,从而保证氢气压力的稳定。本发明控制结构及算法简单有效,分水频率和分水时长根据实际采集电流进行逻辑控制,实际验证效果明显,且分水过程是根据系统本身的运行状态来定,在分水时动态改变电堆内的氢压,使得系统稳定运行,既可通过智能分水提高系统运行效率,又可通过氢气循环泵提高氢气的利用率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,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、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种燃料电池阳极侧分水控制系统,其特征在于,所述系统包括:
高压氢瓶、氢入温压传感器、氢气中压压力传感器、分水器、尾排阀、比例阀、供氢阀、氢气循环泵以及燃料电池电堆;
所述高压氢瓶通过内部减压阀与供氢阀链接,供氢阀与比例阀之间连接有氢气中压压力传感器,比例阀之后接有氢入温压传感器,氢气出口接有氢气循环泵和分水器,分水器还连接有尾排阀。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池阳极侧分水控制系统,其特征在于,所述分水器将电堆内未反应的氢气和水蒸气进行分离,水蒸气和有氢气的杂质通过尾排阀排出,未反应的氢气通过氢气循环泵泵入燃料电池电堆的入口。
3.一种利用所述权利要求1或2所述系统实现的燃料电池阳极侧分水控制方法,其特征在于,所述方法包括以下操作:
根据电堆输出的电流值,确定基础排氢间隔和基础排氢时长;
根据平均单片电压和最低单片电压的差值判定单片电压是否异常,来确定是否进行紧急排氢;
在需紧急排氢时,根据平均单片电压和最低单片电压的差值确定排氢间隔,根据基础排氢时长以及紧急排氢的动态补偿时间之和确定排氢时长。
4.根据权利要求3所述的燃料电池阳极侧分水控制方法,其特征在于,所述平均单片电压和最低单片电压的差值大于异常阈值时,确定为单片电池异常,需进行紧急排氢。
5.根据权利要求3所述的燃料电池阳极侧分水控制方法,其特征在于,所述紧急排氢的动态补偿时间根据单片电压下降率查表所得。
6.根据权利要求3所述的燃料电池阳极侧分水控制方法,其特征在于,所述尾排阀进行紧急排氢时,需提前就加大比例阀开度。
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