CN115360392B - 燃料电池系统的进气控制方法、系统及燃料电池系统 - Google Patents

燃料电池系统的进气控制方法、系统及燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池系统的进气控制方法、系统及燃料电池系统，涉及燃料电池系统控制领域，该方法针对单片电压的衰减进行实时监测，并对空压机进行实时控制，可有效精准的给定进气量，并有效降低单片电压衰减，提高燃料电池堆在低功率下的稳态稳定性。

Description

燃料电池系统的进气控制方法、系统及燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统控制领域，尤其是涉及一种燃料电池系统的进气控制方法、系统及燃料电池系统。
背景技术
燃料电池在低功率下长时间运行后，由于起始温度低会出现的进气水蒸气冷凝或生成的水在碳纸上冷凝的现象；如果吹扫不够就会导致残余冷凝水聚集在电堆内部，导致电堆的局部堵水，进而导致电堆在低功率点稳态稳定性差，电压衰减严重等不良现象。
现有技术通过在线监测电堆的内阻，并利用内阻判断电堆是否吹扫完全，进而决定是否重新吹扫；或通过内阻判断是否堵水进而调节进气量，直至内阻正常以及结合电堆电压的波动情况来判断电堆是否堵水，确定堵水后，通过增加进气流量将水吹出。
现有技术很难通过电堆的内阻来精确判断电堆运行过程中是否堵水，因为电堆的内阻取决于膜的内阻，当膜饱和后即使电堆堵水也电堆的内阻也不会有明显的变化。再者，由于电堆运行中，电压本身就会有一定的波动，如果电堆电压波动不明显，则很难判断出电堆电压波动的原因，造成无效的排水。而且根据内阻值不能准确给定合适的进气量，如果进气量不够，冷凝水排不出去；如果进气量过大，会将膜吹干，导致质子交换膜的电导率降低，衰减更严重影响电化学反应。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种燃料电池系统的进气控制方法、系统及燃料电池系统，该方法针对单片电压的衰减进行实时监测，并对空压机进行实时控制，可有效精准的给定进气量，并有效降低单片电压衰减，提高燃料电池堆在低功率下的稳态稳定性。
第一方面，本发明实施方式提供了一种燃料电池系统的进气控制方法，该燃料电池系统至少包括：燃料电池堆、燃料电池巡检模块、控制单元、空压机和质量流量计；其中，控制单元分别与燃料电池巡检模块、空压机和质量流量计相连接，质量流量计通过空压机与燃料电池堆相连接，燃料电池堆通过燃料电池巡检模块与控制单元相连接；
该方法包括：
当燃料电池堆的电流密度值满足第一运行条件时对燃料电池堆进行拉载，并控制控制单元接收燃料电池巡检模块反馈的燃料电池堆的单片电压差值；
当单片电压差值大于预设的电压阈值时，控制单元控制空压机按照预设的进气策略增加进气流量；
控制控制单元实时接收质量流量计反馈的空压机的进气流量值；
当进气流量值满足第二运行条件时，控制单元控制空压机停止增加进气流量，并控制空压机按照当前的流量值向燃料电池堆进行供气。
在一种实施方式中，控制控制单元实时接收质量流量计反馈的空压机的进气流量值的步骤之前，该方法还包括：
判断单片电压差值是否满足预设的电压稳定性判断条件；
如果否，则控制单元控制空压机按照预设的进气策略重新增加进气流量。
在一种实施方式中，当燃料电池堆的电流密度值满足第一运行条件时对燃料电池堆进行拉载，包括：
控制燃料电池堆的电流密度值在不高于0.5A/cm2时，对燃料电池堆进行拉载；
或者，控制燃料电池堆的功率在不高于预设功率阈值下至少运行10分钟时，对燃料电池堆进行拉载。
在一种实施方式中，当进气流量值满足第二运行条件时，控制单元控制空压机停止增加进气流量，包括：
获取进气流量值下燃料电池堆的实时电流值，并将实时电流值对应的空压机允许的最大流量值记为第一流量值；
获取预设的下一个电流密度值稳定拉载时空压机对应的拉载流量值，并将拉载流量值记为第二流量值；
将第一流量值和第二流量值之间的最小值记为流量阈值；
当进气流量值不小于流量阈值时，控制单元控制空压机停止增加进气流量。
在一种实施方式中，当单片电压差值不大于预设的电压阈值时，控制空压机按照当前的流量值向燃料电池堆进行供气。
在一种实施方式中，控制单元控制空压机按照预设的进气策略增加进气流量，包括：
利用进气策略确定燃料电池堆的阴极进气最大氧气计量比；
根据阴极进气最大氧气计量比确定进气流量，并利用控制单元控制空压机按照进气流量进行增加。
在一种实施方式中，阴极进气最大氧气计量比，通过以下算式计算得到：
Figure M_221018183225561_561951001
其中，
Figure M_221018183225688_688368001
为阴极进气最大氧气计量比；
Figure M_221018183225720_720164002
为燃料电池堆的阴极出口压力；
Figure M_221018183225751_751398003
为燃料电池堆的阴极出口温度下水的饱和蒸汽压；
Figure M_221018183225797_797825004
为燃料电池堆的阴极进口压力；
Figure M_221018183225813_813908005
为燃料电池堆的阴极进气相对湿度；
Figure M_221018183225845_845152006
为燃料电池堆的阴极进口温度下水的饱和蒸汽压；
Figure M_221018183225860_860787007
为阴极进气氧气计量比。
在一种实施方式中，第一流量值，通过以下算式计算得到：
Q=
Figure M_221018183225893_893443001
；
其中，Q为第一流量值；So2为燃料电池堆的阴极进气氧气计量比；
Figure M_221018183225940_940380001
为氧气在空气中的体积分数；
Figure M_221018183225972_972106002
为水的摩尔质量；F为阿佛加德罗常数；
Figure M_221018183226003_003365003
为燃料电池堆的运行电流；
Figure M_221018183226034_034610004
为燃料电池堆的单电池数量。
第二方面，本发明实施方式还提供一种燃料电池系统的进气控制系统，燃料电池系统至少包括：燃料电池堆、燃料电池巡检模块、控制单元、空压机和质量流量计；其中，控制单元分别与燃料电池巡检模块、空压机和质量流量计相连接，质量流量计通过空压机与燃料电池堆相连接，燃料电池堆通过燃料电池巡检模块与控制单元相连接；
燃料电池系统的进气控制系统包括：
单片电压差值计算模块，用于当燃料电池堆的电流密度值满足第一运行条件时对燃料电池堆进行拉载，并控制控制单元接收燃料电池巡检模块反馈的燃料电池堆的单片电压差值；
进气流量控制模块，用于当单片电压差值大于预设的电压阈值时，控制单元控制空压机按照预设的进气策略增加进气流量；
进气流量值反馈模块，用于控制控制单元实时接收质量流量计反馈的空压机的进气流量值；
进气执行模块，用于当进气流量值满足第二运行条件时，控制单元控制空压机停止增加进气流量，并控制空压机按照当前的流量值向燃料电池堆进行供气。
第三方面，本发明实施方式还提供一种燃料电池系统，包括：燃料电池堆、燃料电池巡检模块、控制单元、空压机和质量流量计；其中，控制单元分别与燃料电池巡检模块、空压机和质量流量计相连接，质量流量计通过空压机与燃料电池堆相连接，燃料电池堆通过燃料电池巡检模块与控制单元相连接；
燃料电池巡检模块，用于采集燃料电池堆的单片电压差值；质量流量计用于获取空压机的实时进气流量值；控制单元用于根据单片电压差值和空压机的实时进气流量值确定空压机的进气流量值，并根据进气流量值控制空压机向燃料电池堆进行供气；
其中，控制单元向燃料电池堆进行供气时利用第一方面提到的燃料电池系统的进气控制方法。
第四方面，本发明实施方式还提供一种电子设备，包括处理器和存储器，存储器存储有能够被处理器执行的计算机可执行指令，处理器执行计算机可执行指令以实现第一方面提供的燃料电池系统的进气控制方法。
第五方面，本发明实施方式还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令在被处理器调用和执行时，计算机可执行指令促使处理器实现第一方面提供的燃料电池系统的进气控制方法。
本发明实施方式提供的一种燃料电池系统的进气控制方法，该燃料电池系统至少包括：燃料电池堆、燃料电池巡检模块、控制单元、空压机和质量流量计；其中，控制单元分别与燃料电池巡检模块、空压机和质量流量计相连接，质量流量计通过空压机与燃料电池堆相连接，燃料电池堆通过燃料电池巡检模块与控制单元相连接；在对燃料电池系统进行进气控制的过程中，当燃料电池堆的电流密度值满足第一运行条件时对燃料电池堆进行拉载，并控制控制单元接收燃料电池巡检模块反馈的燃料电池堆的单片电压差值；当单片电压差值大于预设的电压阈值时，控制单元控制空压机按照预设的进气策略增加进气流量；然后，控制控制单元实时接收质量流量计反馈的空压机的进气流量值；当进气流量值满足第二运行条件时，控制单元控制空压机停止增加进气流量，并控制空压机按照当前的流量值向燃料电池堆进行供气。该方法针对单片电压的衰减进行实时监测，并对空压机进行实时控制，可有效精准的给定进气量，并有效降低单片电压衰减，提高燃料电池堆在低功率下的稳态稳定性。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
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，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种燃料电池系统的进气控制方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种燃料电池系统的进气控制方法中，控制控制单元实时接收质量流量计反馈的空压机的进气流量值的步骤之前的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种燃料电池系统的进气控制方法中，当进气流量值满足第二运行条件时，控制单元控制空压机停止增加进气流量的流程图；
图4为本发明实施例提供的一种燃料电池系统的进气控制方法中，控制单元控制空压机按照预设的进气策略增加进气流量的流程图；
图5为本发明实施例提供的另一种燃料电池系统的进气控制方法的流程图；
图6为本发明实施例提供的一种燃料电池系统的进气控制方法中燃料电池堆的阴极水传输模型的示意图；
图7为本发明实施例提供的一种燃料电池系统的进气控制系统的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种燃料电池系统的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
图标：
710-单片电压差值计算模块；720-进气流量控制模块；730-进气流量值反馈模块；740-进气执行模块；
81-燃料电池堆；82-燃料电池巡检模块；83-控制单元；84-空压机；85-质量流量计；
100-电子设备；50-处理器；51-存储器；52-总线；53-通信接口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
燃料电池在低功率下长时间运行后，由于起始温度低会出现的进气水蒸气冷凝或生成的水在碳纸上冷凝的现象；如果吹扫不够就会导致残余冷凝水聚集在电堆内部，导致电堆的局部堵水，进而导致电堆在低功率点稳态稳定性差，电压衰减严重等不良现象。
现有技术通过在线监测电堆的内阻，并利用内阻判断电堆是否吹扫完全，进而决定是否重新吹扫；或通过内阻判断是否堵水进而调节进气量，直至内阻正常以及结合电堆电压的波动情况来判断电堆是否堵水，确定堵水后，通过增加进气流量将水吹出。
现有技术很难通过电堆的内阻来精确判断电堆运行过程中是否堵水，因为电堆的内阻取决于膜的内阻，当膜饱和后即使电堆堵水也电堆的内阻也不会有明显的变化。再者，由于电堆运行中，电压本身就会有一定的波动，如果电堆电压波动不明显，则很难判断出电堆电压波动的原因，造成无效的排水。而且根据内阻值不能准确给定合适的进气量，如果进气量不够，冷凝水排不出去；如果进气量过大，会将膜吹干，导致质子交换膜的电导率降低，衰减更严重影响电化学反应。
综上所述，燃料电池堆在低电流密度（低功率）运行时，会由于电堆运行温度低造成阴极生成的水会以液态水的形式留在碳纸层或者聚集在双极板流道上或者由于环境温度低导致气体中的水蒸气在进入电堆前冷凝，随着时间增加，冷凝水随着气体进入到电堆内部，影响电堆的性能输出，而现有技术中缺少对上述缺陷的解决方案。基于此，本发明实施提供了一种燃料电池系统的进气控制方法、系统及燃料电池系统，该方法针对单片电压的衰减进行实时监测，并对空压机进行实时控制，可有效精准的给定进气量，并有效降低单片电压衰减，提高燃料电池堆在低功率下的稳态稳定性。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种燃料电池系统的进气控制方法进行详细介绍，该燃料电池系统至少包括：燃料电池堆、燃料电池巡检模块、控制单元、空压机和质量流量计；其中，控制单元分别与燃料电池巡检模块、空压机和质量流量计相连接，质量流量计通过空压机与燃料电池堆相连接，燃料电池堆通过燃料电池巡检模块与控制单元相连接。具体的说，燃料电池巡检模块可为CVM模块，用于采集燃料电池堆的单片电压差值，并将单片电压差值传输至控制单元；质量流量计用于获取空压机的实时进气流量值，并将获取的流量信号反馈至控制单元；控制单元用于根据单片电压差值和空压机的实时进气流量值确定空压机的进气流量值，并根据进气流量值控制空压机向燃料电池堆进行供气，以实现燃料电池堆在低功率下稳定的发电过程。
在上述燃料电池系统的基础上，该燃料电池系统的进气控制方法如图1所示，包括以下步骤：
步骤S101，当燃料电池堆的电流密度值满足第一运行条件时对燃料电池堆进行拉载，并控制控制单元接收燃料电池巡检模块反馈的燃料电池堆的单片电压差值。
燃料电池堆的电流密度值与其功率值相关，可通过电流密度值来对燃料电池堆是否处于低功率状态进行判定。具体的说，电流密度值需要满足第一运行条件时才可对燃料电池堆进行拉载，第一运行条件可理解为燃料电池堆在低功率运行条件，可包含对电流密度值的判定条件，也可包含在低功率点的运行时间。在一种实施方式中，当燃料电池堆的电流密度值满足第一运行条件时对燃料电池堆进行拉载，包括：控制燃料电池堆的电流密度值在不高于0.5A/cm2时，对燃料电池堆进行拉载；或者，控制燃料电池堆的功率在不高于预设功率阈值下至少运行10分钟时，对燃料电池堆进行拉载。
当燃料电池堆的电流密度值满足第一运行条件时，燃料电池堆进行拉载，此时利用控制单元采集燃料电池堆的单片电池的电压差值。单片电池的电压差值是通过燃料电池巡检模块采集得到的，控制单元接收到燃料电池巡检模块采集的反馈信号，可对燃料电池性能是否下降进行判断，进而控制空压机的进气流量以增加燃料电池堆的阴极气体流量，具体控制过程见后续步骤。
步骤S102，当单片电压差值大于预设的电压阈值时，控制单元控制空压机按照预设的进气策略增加进气流量。
当控制单元检测到单片电压差值大于预设的电压阈值，表明燃料电池堆处于衰减状态，此时需要对燃料电池堆的阴极进气量进行增加。进气流量的增加过程根据进气策略来实现，该进气策略中包含了空压机的转速控制，通过逐渐增加空压机的转速从而逐渐增加燃料电池堆的阴极进气量。
具体的说，增加燃料电池堆的阴极进气量的过程是根据能斯特方程确定的，通过增加燃料浓度可以提高电池电压，并且阴极气体浓度对电池电压的影响高于阳极气体。增加阴极气体流量还可以更快的将阴极冷凝水吹扫出去，并且对空气的控制过程也比阳极更为简单。
步骤S103，控制控制单元实时接收质量流量计反馈的空压机的进气流量值。
在空压机按照预设的进气策略增加进气流量的过程中，质量流量计将瞬时流量信号反馈于控制单元。实际场景中，质量流量计设置在进气口处，空气通过预先设置的空气过滤器的过滤后输入至质量流量计，然后输入至空压机中。在空压机增加进气流量的过程，可利用质量流量计对空压机的进气流量进行实时获取，并将进气流量作为判断依据来对空压机的运行状态进行控制。
步骤S104，当进气流量值满足第二运行条件时，控制单元控制空压机停止增加进气流量，并控制空压机按照当前的流量值向燃料电池堆进行供气。
利用质量流量计反馈的空压机的进气流量值来对空压机的转速进行控制，此时的转速处于增加状态，需要利用第二运行条件来对进气流量值进行判断从而控制空压机的进气流量。一般来说，进气流量增大到燃料电池堆在当前运行电流下所能允许的最大流量值时不再提高空压机的转速。流量太大则会将质子交换膜吹的太干，不利于阳极的质子传输。
从上述实施例中提到的燃料电池系统的进气控制方法可知，该方法针对单片电压的衰减进行实时监测，并对空压机进行实时控制，可有效精准的给定进气量，并有效降低单片电压衰减，提高燃料电池堆在低功率下的稳态稳定性。
在一种实施方式中，控制控制单元实时接收质量流量计反馈的空压机的进气流量值的步骤之前，如图2所示，该方法还包括：
步骤S201，判断单片电压差值是否满足预设的电压稳定性判断条件。
该过程是步骤S102后执行的，在空压机按照预设的进气策略增加进气流量的过程中，利用电压稳定性判断条件来对单片电压差值的电压稳定性进行判断。如果满足预设的电压稳定性判断条件，则控制空压机按照预设的进气策略持续增加进气流量；如果不满足预设的电压稳定性判断条件，则执行步骤S202。
步骤S202，如果否，则控制单元控制空压机按照预设的进气策略重新增加进气流量。
实际场景中，预设的电压阈值可为0.5%V0；其中，V0为起始电压。当单片电池的起始电压与运行后电压的电压差值大于0.5%V0时，控制单元控制空压机按照预设的进气策略增加进气流量；如果检测到单片电压差值不满足预设的电压稳定性判断条件，则控制空压机按照预设的进气策略重新增加进气流量，并将重新获取的电压差值与电压阈值进行判断。
在一种实施方式中，当单片电压差值不大于预设的电压阈值时，控制空压机按照当前的流量值向燃料电池堆进行供气。具体的说，当单片电池的起始电压与运行后电压的电压差值不大于0.5%V0时，控制空压机按照当前的流量值向燃料电池堆进行供气，此时的燃料电池堆继续执行当前的发电逻辑。
在一种实施方式中，当进气流量值满足第二运行条件时，控制单元控制空压机停止增加进气流量，如图3所示，包括：
步骤S301，获取进气流量值下燃料电池堆的实时电流值，并将实时电流值对应的空压机允许的最大流量值记为第一流量值。
当空压机的转速太高、空气流量太大时，则会将质子交换膜吹的太干，不利于阳极的质子传输，因此可通过获取当前燃料电池堆的实时电流值进而确定此时空压机允许的最大流量值，作为第一流量值，用于后续的判断。
步骤S302，获取预设的下一个电流密度值稳定拉载时空压机对应的拉载流量值，并将拉载流量值记为第二流量值。
由于空压机的进气流量是根据电流的增加而逐渐递增的，如果当前的电流密度值对应的空压机流量值大于下一个电流密度值对应的空压机流量值时，会影响下一个工况点的性能。因此可获取下一个电流密度值稳定拉载时空压机对应的拉载流量值，并将拉载流量值记为第二流量值。
步骤S303，将第一流量值和第二流量值之间的最小值记为流量阈值。
获取第一流量值和第二流量值中数值较小的流量值，并将其确定为流量阈值。
步骤S304，当进气流量值不小于流量阈值时，控制单元控制空压机停止增加进气流量。
当进气流量值大于等于流量阈值时，控制单元控制空压机停止增加进气流量，此时的空压机以最大空气流量进行运转。
在一种实施方式中，控制单元控制空压机按照预设的进气策略增加进气流量，如图4所示，包括：
步骤S401，利用进气策略确定燃料电池堆的阴极进气最大氧气计量比。
阴极进气最大氧气计量比，通过以下算式计算得到：
Figure M_221018183226050_050213001
其中，
Figure M_221018183226161_161077001
为阴极进气最大氧气计量比；
Figure M_221018183226192_192310002
为燃料电池堆的阴极出口压力；
Figure M_221018183226207_207956003
为燃料电池堆的阴极出口温度下水的饱和蒸汽压；
Figure M_221018183226239_239207004
为燃料电池堆的阴极进口压力；
Figure M_221018183226254_254831005
为燃料电池堆的阴极进气相对湿度；
Figure M_221018183226287_287502006
为燃料电池堆的阴极进口温度下水的饱和蒸汽压；
Figure M_221018183226319_319289007
为阴极进气氧气计量比。
步骤S402，根据阴极进气最大氧气计量比确定进气流量，并利用控制单元控制空压机按照进气流量进行增加。
阴极进气最大氧气计量比是燃料电池堆的进气参数，通过该参数可确定空压机的进气流量。
下面结合图5中所示的另一种燃料电池系统的进气控制方法的流程图来对进气控制过程进行描述。首先，控制燃料电池堆在电流密度值在不高于0.5A/cm2时进行拉载拉载，在低功率点运行超过10min；然后对燃料电池堆的衰减程度进行判断，当电堆平均单片电压差△V≥0.5%V0判断为电堆正在处于衰减，此时应增加阴极进气量；其中，V0为起始电压。当电堆平均单片电压差不满足△V≥0.5%V0时，则控制空压机按照当前的流量值向燃料电池堆进行供气，此时的燃料电池堆继续执行当前的发电逻辑。
增加阴极进气量需要根据燃料电池堆的水传输模型进行计算。具体见图6中所示的阴极水传输模型的示意图。阴极由空气进气加湿携带的水
Figure M_221018183226334_334890001
、阴极通过电化学反应生成的水
Figure M_221018183226397_397392002
、及阴极侧通过质子交换膜交换的水
Figure M_221018183226428_428643003
组成。所以根据质量守恒，阴极的水传输关系如下算式表示：
Figure M_221018183226459_459901001
；
其中，
Figure M_221018183226556_556596001
为阴极出口未反应的空气所携带的水的量；
Figure M_221018183226587_587833002
为阴极入口空气进气携带的加湿水的量；
Figure M_221018183226619_619101003
为电堆通过电化学反应生成的水的量；
Figure M_221018183226650_650327004
为质子交换膜阴极侧交换的水量，即从水从阳极通过H+携带穿过质子交换膜到达阴极的水量（电迁移水量）和阴极水通过反渗透的方式到达阳极的水量的差值。
上述算式是结合阴极水传输模型可知，由于阴极由空气进气加湿携带的水
Figure M_221018183226682_682885001
是根据设计的工况来定的，阴极通过电化学反应生成的水
Figure M_221018183226699_699664002
在同一个电流下是一定的，所以影响阴极是否堵水风险程度的因素在于阴极侧通过质子交换膜交换的水
Figure M_221018183226730_730889003
，因此可以得到以下判断：
Figure M_221018183226762_762167001
；
其中，当：
Figure M_221018183226855_855978001
＞0时，表明从阳极电迁移到阴极的水大于从阴极反渗透到阳极的水，阴极的水增加，会增加堵水的风险；
当：
Figure M_221018183226889_889083001
=0时，表明从阳极电迁移到阴极的水等于从阴极反渗透到阳极的水，质子交换膜处于动态平衡，净输出水含量为0，膜处于饱和状态。
当：
Figure M_221018183226920_920861001
＜0时，表明从阳极电迁移到阴极的水小于从阴极反渗透到阳极的水，阴极的水反渗透到阳极，阴极堵水的风险降低。
为了保证电堆可以正常进行反渗透，且保证膜处于饱和状态，所以
Figure M_221018183226952_952100001
≤0，即
Figure M_221018183226967_967734002
≤
Figure M_221018183227030_030201003
，所以需满足以下条件：
Figure M_221018183227094_094629001
=
Figure M_221018183227142_142038002
；
其中：
Figure M_221018183227157_157649001
；
Figure M_221018183227235_235782002
为阴极进气最大氧气计量比；
Figure M_221018183227266_266567003
为氧气在空气中的体积分数；
Figure M_221018183227300_300722004
为水的摩尔质量；
Figure M_221018183227347_347610005
为阿佛加德罗常数；
Figure M_221018183227363_363230006
为水在阴极出口温度下的饱和蒸汽压；
Figure M_221018183227410_410137007
为阴极出口压力；
Figure M_221018183227425_425725001
Figure M_221018183227488_488248001
为阴极进气相对湿度；
Figure M_221018183227519_519461002
为水在阴极入口温度下的饱和蒸汽压；
Figure M_221018183227550_550709003
为阴极进气压力。
Figure M_221018183227581_581956001
。
Figure M_221018183227823_823631001
为燃料电池堆的运行电流；
Figure M_221018183227855_855416002
为燃料电池堆的单电池数量。
通过上述算式中含水量m与进气计量比S的关系，经过整合后得到最大阴极进气最大氧气计量比为：
Figure M_221018183227887_887609001
上式中
Figure M_221018183227997_997497001
为阴极进气最大氧气计量比；
Figure M_221018183228028_028749002
为燃料电池堆的阴极出口压力；
Figure M_221018183228060_060001003
为燃料电池堆的阴极出口温度下水的饱和蒸汽压；
Figure M_221018183228090_090778004
为燃料电池堆的阴极进口压力；
Figure M_221018183228112_112211005
为燃料电池堆的阴极进气相对湿度；
Figure M_221018183228143_143494006
为燃料电池堆的阴极进口温度下水的饱和蒸汽压；
Figure M_221018183228174_174746007
为阴极进气氧气计量比。
而第一流量值则为计量比和阴极进气流量的关系，通过以下算式计算得到：
Q=
Figure M_221018183228190_190407001
；
上式中Q为第一流量值；So2为燃料电池堆的阴极进气氧气计量比；
Figure M_221018183228237_237250001
为氧气在空气中的体积分数；
Figure M_221018183228268_268505002
为水的摩尔质量；F为阿佛加德罗常数；
Figure M_221018183228304_304122003
为燃料电池堆的运行电流；
Figure M_221018183228319_319782004
为燃料电池堆的单电池数量。
进气流量Q则为Qmax=min[
Figure M_221018183228351_351016001
,下个电流密度稳态拉载的流量值]。通过逐渐增加进气流量Q来增加阴极进气量，同时判断电压稳定性是否满足要求，质量流量计将瞬时流量信号反馈于控制单元，当流量最大增加到该电流下允许的最大值和下个电流密度稳定拉载时的流量值中的较小值时，控制单元不再提高空压机的转速，此时以最大流量值Q保持空压机的运转。
综上所述，本发明实施例提供的上述燃料电池系统的进气控制方法可知，该方法针对单片电压的衰减进行实时监测，并对空压机进行实时控制，可有效精准的给定进气量，并有效降低单片电压衰减，提高燃料电池堆在低功率下的稳态稳定性。
对于前述实施例提供的燃料电池系统的进气控制方法，本发明实施例提供了一种燃料电池系统的进气控制系统，具体的说，燃料电池系统至少包括：燃料电池堆、燃料电池巡检模块、控制单元、空压机和质量流量计；其中，控制单元分别与燃料电池巡检模块、空压机和质量流量计相连接，质量流量计通过空压机与燃料电池堆相连接，燃料电池堆通过燃料电池巡检模块与控制单元相连接。在此基础上，该燃料电池系统的进气控制系统如图7所示，包括：
单片电压差值计算模块710，用于当燃料电池堆的电流密度值满足第一运行条件时对燃料电池堆进行拉载，并控制控制单元接收燃料电池巡检模块反馈的燃料电池堆的单片电压差值；
进气流量控制模块720，用于当单片电压差值大于预设的电压阈值时，控制单元控制空压机按照预设的进气策略增加进气流量；
进气流量值反馈模块730，用于控制控制单元实时接收质量流量计反馈的空压机的进气流量值；
进气执行模块740，用于当进气流量值满足第二运行条件时，控制单元控制空压机停止增加进气流量，并控制空压机按照当前的流量值向燃料电池堆进行供气。
本发明实施例提供的燃料电池系统的进气控制系统，在对燃料电池系统进行进气控制的过程中，可针对单片电压的衰减进行实时监测，并对空压机进行实时控制，可有效精准的给定进气量，并有效降低单片电压衰减，提高燃料电池堆在低功率下的稳态稳定性。
在一种实施方式中，该燃料电池系统的进气控制系统还包括：稳定性判断模块，该稳定性判断模块用于：判断单片电压差值是否满足预设的电压稳定性判断条件；如果否，则控制单元控制空压机按照预设的进气策略重新增加进气流量。
在一种实施方式中，单片电压差值计算模块710，还用于：控制燃料电池堆的电流密度值在不高于0.5A/cm2时，对燃料电池堆进行拉载；或者，控制燃料电池堆的功率在不高于预设功率阈值下至少运行10分钟时，对燃料电池堆进行拉载。
在一种实施方式中，进气执行模块740还用于：获取进气流量值下燃料电池堆的实时电流值，并将实时电流值对应的空压机允许的最大流量值记为第一流量值；获取预设的下一个电流密度值稳定拉载时空压机对应的拉载流量值，并将拉载流量值记为第二流量值；将第一流量值和第二流量值之间的最小值记为流量阈值；当进气流量值不小于流量阈值时，控制单元控制空压机停止增加进气流量。
在一种实施方式中，该燃料电池系统的进气控制系统还包括：进气流量第二控制模块；进气流量第二控制模块用于：当单片电压差值不大于预设的电压阈值时，控制空压机按照当前的流量值向燃料电池堆进行供气。
在一种实施方式中，进气流量控制模块720还用于：利用进气策略确定燃料电池堆的阴极进气最大氧气计量比；根据阴极进气最大氧气计量比确定进气流量，并利用控制单元控制空压机按照进气流量进行增加。
在一种实施方式中，进气流量控制模块720中的阴极进气最大氧气计量比，通过以下算式计算得到：
Figure M_221018183228397_397875001
其中，
Figure M_221018183228493_493563001
为阴极进气最大氧气计量比；
Figure M_221018183228525_525318002
为燃料电池堆的阴极出口压力；
Figure M_221018183228556_556579003
为燃料电池堆的阴极出口温度下水的饱和蒸汽压；
Figure M_221018183228572_572223004
为燃料电池堆的阴极进口压力；
Figure M_221018183228603_603459005
为燃料电池堆的阴极进气相对湿度；
Figure M_221018183228634_634708006
为燃料电池堆的阴极进口温度下水的饱和蒸汽压；
Figure M_221018183228650_650318007
为阴极进气氧气计量比。
在一种实施方式中，进气流量控制模块720中的第一流量值，通过以下算式计算得到：
Q=
Figure M_221018183228682_682520001
；
其中，Q为第一流量值；So2为燃料电池堆的阴极进气氧气计量比；
Figure M_221018183228729_729925001
为氧气在空气中的体积分数；
Figure M_221018183228761_761169002
为水的摩尔质量；F为阿佛加德罗常数；
Figure M_221018183228808_808038003
为燃料电池堆的运行电流；
Figure M_221018183228823_823655004
为燃料电池堆的单电池数量。
本发明实施例所提供的燃料电池系统的进气控制系统，其实现原理及产生的技术效果和前述燃料电池系统的进气控制方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。
本发明实施例提供了一种燃料电池系统，如图8所示，包括：燃料电池堆81、燃料电池巡检模块82、控制单元83、空压机84和质量流量计85；其中，控制单元83分别与燃料电池巡检模块82、空压机84和质量流量计85相连接，质量流量计85通过空压机84与燃料电池堆81相连接，燃料电池堆81通过燃料电池巡检模块82与控制单元83相连接；
燃料电池巡检模块82，用于采集燃料电池堆81的单片电压差值；质量流量计85用于获取空压机84的实时进气流量值；控制单元83用于根据单片电压差值和空压机84的实时进气流量值确定空压机84的进气流量值，并根据进气流量值控制空压机84向燃料电池堆进81行供气；其中，控制单元83向燃料电池堆81进行供气时，利用上述实施例中提到的燃料电池系统的进气控制方法。
图9为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图，该电子设备100包括：处理器50，存储器51，总线52和通信接口53，处理器50、通信接口53和存储器51通过总线52连接；处理器50用于执行存储器51中存储的可执行模块，例如计算机程序。
其中，存储器51可能包含高速随机存取存储器（RAM，Random Access Memory），也可能还包括非不稳定的存储器（non-volatile memory），例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口53（可以是有线或者无线）实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。
总线52可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图9中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
其中，存储器51用于存储程序，处理器50在接收到执行指令后，执行程序，前述本发明实施例任一实施例揭示的流过程定义的装置所执行的方法可以应用于处理器50中，或者由处理器50实现。
处理器50可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器50中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器50可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Inegrated Circuit，简称ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器51，处理器50读取存储器51中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
本发明实施例所提供的可读存储介质的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中的方法，具体实现可参见前述方法实施例，在此不再赘述。
功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种燃料电池系统的进气控制方法，其特征在于，所述燃料电池系统至少包括：燃料电池堆、燃料电池巡检模块、控制单元、空压机和质量流量计；其中，所述控制单元分别与所述燃料电池巡检模块、所述空压机和所述质量流量计相连接，所述质量流量计通过所述空压机与所述燃料电池堆相连接，所述燃料电池堆通过所述燃料电池巡检模块与所述控制单元相连接；
所述方法包括：
当所述燃料电池堆的电流密度值满足第一运行条件时对所述燃料电池堆进行拉载，并控制所述控制单元接收所述燃料电池巡检模块反馈的所述燃料电池堆的单片电压差值；其中，所述单片电压差值为所述燃料电池堆中单片电池的起始电压与运行后电压的电压差值；
当所述单片电压差值大于预设的电压阈值时，所述控制单元控制所述空压机按照预设的进气策略增加进气流量；
控制所述控制单元实时接收所述质量流量计反馈的所述空压机的进气流量值；
当所述进气流量值满足第二运行条件时，所述控制单元控制所述空压机停止增加进气流量，并控制所述空压机按照当前的流量值向所述燃料电池堆进行供气；
当所述燃料电池堆的电流密度值满足第一运行条件时对所述燃料电池堆进行拉载，包括：
控制所述燃料电池堆的电流密度值在不高于0.5A/cm2时，对所述燃料电池堆进行拉载；
或者，控制所述燃料电池堆的功率在不高于预设功率阈值下至少运行10分钟时，对所述燃料电池堆进行拉载；
当所述进气流量值满足第二运行条件时，所述控制单元控制所述空压机停止增加进气流量，包括：
获取所述进气流量值下所述燃料电池堆的实时电流值，并将所述实时电流值对应的所述空压机允许的最大流量值记为第一流量值；
获取预设的下一个所述电流密度值稳定拉载时所述空压机对应的拉载流量值，并将所述拉载流量值记为第二流量值；
将所述第一流量值和所述第二流量值之间的最小值记为流量阈值；
当所述进气流量值不小于所述流量阈值时，所述控制单元控制所述空压机停止增加进气流量。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统的进气控制方法，其特征在于，控制所述控制单元实时接收所述质量流量计反馈的所述空压机的进气流量值的步骤之前，所述方法还包括：
判断所述单片电压差值是否满足预设的电压稳定性判断条件；
如果否，则所述控制单元控制所述空压机按照预设的进气策略重新增加进气流量。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统的进气控制方法，其特征在于，当所述单片电压差值不大于预设的电压阈值时，控制所述空压机按照当前的流量值向所述燃料电池堆进行供气。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统的进气控制方法，其特征在于，所述控制单元控制所述空压机按照预设的进气策略增加进气流量，包括：
利用所述进气策略确定所述燃料电池堆的阴极进气最大氧气计量比；
根据所述阴极进气最大氧气计量比确定所述进气流量，并利用所述控制单元控制所述空压机按照所述进气流量进行增加。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统的进气控制方法，其特征在于，所述阴极进气最大氧气计量比，通过以下算式计算得到：
Figure P_221222181045089_089216001
其中，
Figure F_221222181041268_268924001
为所述阴极进气最大氧气计量比；
Figure F_221222181041347_347047002
为所述燃料电池堆的阴极出口压力；
Figure F_221222181041428_428074003
为所述燃料电池堆的阴极出口温度下水的饱和蒸汽压；
Figure F_221222181041490_490581004
为所述燃料电池堆的阴极进口压力；
Figure F_221222181041553_553089005
为所述燃料电池堆的阴极进气相对湿度；
Figure F_221222181041633_633152006
为所述燃料电池堆的阴极进口温度下水的饱和蒸汽压；
Figure F_221222181041695_695680007
为所述阴极进气氧气计量比。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统的进气控制方法，其特征在于，所述第一流量值，通过以下算式计算得到：
Q=
Figure F_221222181041789_789401008
；
其中，Q为所述第一流量值；So2为所述燃料电池堆的阴极进气氧气计量比；
Figure F_221222181041916_916351009
为氧气在空气中的体积分数；
Figure F_221222181041978_978851010
为水的摩尔质量；F为阿佛加德罗常数；
Figure F_221222181042044_044281011
为所述燃料电池堆的运行电流；
Figure F_221222181042106_106795012
为所述燃料电池堆的单电池数量。
7.一种燃料电池系统的进气控制系统，其特征在于，所述燃料电池系统至少包括：燃料电池堆、燃料电池巡检模块、控制单元、空压机和质量流量计；其中，所述控制单元分别与所述燃料电池巡检模块、所述空压机和所述质量流量计相连接，所述质量流量计通过所述空压机与所述燃料电池堆相连接，所述燃料电池堆通过所述燃料电池巡检模块与所述控制单元相连接；
所述燃料电池系统的进气控制系统包括：
单片电压差值计算模块，用于当所述燃料电池堆的电流密度值满足第一运行条件时对所述燃料电池堆进行拉载，并控制所述控制单元接收所述燃料电池巡检模块反馈的所述燃料电池堆的单片电压差值；其中，所述单片电压差值为所述燃料电池堆中单片电池的起始电压与运行后电压的电压差值；
进气流量控制模块，用于当所述单片电压差值大于预设的电压阈值时，所述控制单元控制所述空压机按照预设的进气策略增加进气流量；
进气流量值反馈模块，用于控制所述控制单元实时接收所述质量流量计反馈的所述空压机的进气流量值；
进气执行模块，用于当所述进气流量值满足第二运行条件时，所述控制单元控制所述空压机停止增加进气流量，并控制所述空压机按照当前的流量值向所述燃料电池堆进行供气；
所述单片电压差值计算模块，还用于：控制所述燃料电池堆的电流密度值在不高于0.5A/cm2时，对所述燃料电池堆进行拉载；或者，控制所述燃料电池堆的功率在不高于预设功率阈值下至少运行10分钟时，对所述燃料电池堆进行拉载；
所述进气执行模块，还用于：获取所述进气流量值下所述燃料电池堆的实时电流值，并将所述实时电流值对应的所述空压机允许的最大流量值记为第一流量值；获取预设的下一个所述电流密度值稳定拉载时所述空压机对应的拉载流量值，并将所述拉载流量值记为第二流量值；将所述第一流量值和所述第二流量值之间的最小值记为流量阈值；当所述进气流量值不小于所述流量阈值时，所述控制单元控制所述空压机停止增加进气流量。
8.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：燃料电池堆、燃料电池巡检模块、控制单元、空压机和质量流量计；其中，所述控制单元分别与所述燃料电池巡检模块、所述空压机和所述质量流量计相连接，所述质量流量计通过所述空压机与所述燃料电池堆相连接，所述燃料电池堆通过所述燃料电池巡检模块与所述控制单元相连接；
所述燃料电池巡检模块，用于采集所述燃料电池堆的单片电压差值；所述质量流量计用于获取所述空压机的实时进气流量值；所述控制单元用于根据所述单片电压差值和所述空压机的实时进气流量值确定所述空压机的进气流量值，并根据所述进气流量值控制所述空压机向所述燃料电池堆进行供气；
其中，所述控制单元向所述燃料电池堆进行供气时利用上述权利要求1至6任一项所述的燃料电池系统的进气控制方法。
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