CN115763890A - 燃料电池系统中的氢气循环量控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统中的氢气循环量控制系统及方法，其中燃料电池系统中的氢气循环量控制系统包括：燃料电池电堆、氢气喷射引射器、分水器以及氢气循环泵。氢气喷射引射器的出口通过第一管路与燃料电池电堆的冷却液腔的出口相连接。分水器的出口通过第二管路与氢气喷射引射器的回流口相连接，且分水器的入口通过第三管路与燃料电池电堆的阳极腔出口相连接。以及氢气循环泵的出口通过第四管路与燃料电池电堆的阳极腔的入口相连接，且氢气循环泵的入口通过第五管路与分水器的出口相连接。借此，本发明的燃料电池系统中的氢气循环量控制系统，增加了燃料电池电堆内部水管理稳定性，提升了燃料电池系统寿命和可靠性，且降低了总体成本。

Description

燃料电池系统中的氢气循环量控制系统及方法

技术领域

本发明是关于车用燃料电池系统热管理技术领域，特别是关于一种燃料电池系统中的氢气循环量控制系统及方法。

背景技术

燃料电池系统是用于一种新能源汽车用的动力系统，以氢气作为燃料，空气作为氧化剂，产生电能的动力装置，排放物仅为水和热量。燃料电池系统包括核心零部件(燃料电池电堆)、电辅件(空压机、增湿器、传感器、阀类零件、DCDC等)、热管理系统零部件(阳极热交换器、中冷器、节温器、散热器等)、连接的管路接头、机械结构等。

燃料电池系统中最核心零部件，燃料电池电堆，是利用燃料氢气和氧化剂空气的电化学反应产生电能的电化学装置。燃料电池电堆不同于传统内燃机，是通过电化学反应产生电能，排放只有水。燃料电池电堆由若干片燃料电池单体堆叠而成，其中单体由膜电极、双极板、密封材料构成。膜电极为电化学反应发生的场所，其包括质子交换膜、催化剂(阴极和阳极)、气体扩散层等。膜电极的阳极发生氢气的氧化反应，阴极发生空气的还原反应。为了保证燃料电池电堆内的电化学反应正常进行，需要保持膜电极内部的水热平衡。特别的，水平衡对于燃料电池电堆的放电性能尤为重要。燃料电池水平衡是指膜电极内的质子交换膜、催化层、气体扩散层的含水量保持在合适水平。质子交换膜需要具有一定的含水量,以保证质子在质子交换膜中的传导性，否则，质子交换膜将因脱水皱缩、破裂，从而造成燃料电池电堆损坏；同时，含水量也不能太多,如果膜电极内的含水量过多,会造成催化层的水淹没。水堵塞了气体扩散层中气体的通路,使得反应气体氧气或者氢气无法到达催化层，使得电化学反应无法正常进行，会使燃料电池性能大大下降。

为了保持燃料电池电堆内膜电极的水平衡，燃料电池系统氢气子系统通常会引入氢气循环系统，将燃料电池电堆反应后的气体及水循环回燃料电池电堆的入口，以保持燃料电池膜电极内的阳极水平衡。当燃料电池系统处于低电流时，产生的水较少，所以需要更高的循环率；当燃料电池系统处于高电流时，产生的水较多，则不需要太高的循环率或通过分水器将循环气体中的水分离去除，以防止水淹的发生。

随着燃料电池系统功率的增加，氢气循环系统变得更加复杂。在小功率燃料电池系统内，氢气循环系统通常由氢气循环泵或者氢气喷射引射器构成，因为循环流量的要求较低，采取其中一个技术路线即可。当燃料电池系统功率增大后，氢气循环泵不足以支撑大流量的循环，需要引入氢气喷射引射器，通过并联或者串联氢气喷射引射器和氢气循环泵，以控制氢气循环系统的循环率，保持燃料电池电堆内的水平衡。其中，氢气循环泵通常罗茨式泵中的转子旋转，推动气体运动，以实现循环。氢气喷射引射器通过收缩型喷嘴的射流产生的局部真空，吸入被引射气体(循环气体)，从而形成循环的效果。氢气喷射引射器可通过调节喷射器的电磁阀开度调节射流的流量，从而控制被引射气体的流量。相比氢气循环泵，氢气喷射引射器的能耗更小。

目前，现有的燃料电池系统热管理子系统中去离子器方案主要如下：

1、公开号为CN110676484A的专利文献提出了一种车辆、燃料电池的氢气循环系统及氢气循环控制方法，该氢气循环系统包括氢气瓶、氢气喷射器、设置有第一出口和第二出口的气液分离器、氢气循环泵、电磁阀等。根据燃料电池的电流变化实时调控氢气喷射器入口压力、氢气循环泵转速、排水电磁阀开启频率和每次的开启时长。该方案的氢气循环系统的控制依据是燃料电池的电流。该方案没有采用反馈的控制策略，控制相对简单，可适应性较差。另外，燃料电池电堆是一个强时变的被控对象，此方案无法在全生命周期内精确控制燃料电池系统的氢气循环量。

2、公开号为CN114665129A的专利文献提出一种燃料电池低温冷启动的氢气喷射器控制方法及装置。该方案在氢气喷射器的输出端管道内壁上布设氢压传感器，通过获取氢压传感器采集的压力数据，识别氢压传感器是否正常，确定是否执行氢压传感器的消冰修复操作。该方案解决了燃料电池系统内氢气循环中水结冰对水平衡的影响，但是没有明确氢气子系统内的氢气循环量的控制。

3、公开号为CN112803045A的专利文献提出供一种燃料电池的氢气系统控制方法、装置及设备，具体控制方法为根据输出功率获取目标入堆流量与当前的入堆流量的差值，控制氢喷射器占空比以及氢气循环泵解耦转速；通过目标入堆压力与当前入堆压力的差值，控制氢气循环泵转速、氢气喷射器占空比。该方案优化了氢气控制系统的静态响应和动态响应效果，但是引入复杂算法，降低了控制的鲁棒性和标定难度。

4、公开号为CN109830709A的专利文献提出一种燃料电池氢气供给控制方法，通过结合补偿循环泵对压力影响的前馈值、补偿电堆电化学反应对压力影响的前馈值、补偿尾排阀对压力影响的前馈值、以及占空比的反馈值，控制氢气喷射装置的开启时长，以优化燃料电池电堆阳极压力。该方案强调了燃料电池电堆阳极压力的控制，但是对循环流量的控制未进行优化。

5、公开号为CN113540506A的专利文献提出一种水管理的控制方法，主要控制方法是通过当燃料电池系统的电流及燃料电池系统进出口端的温度、压力、湿度的数据，计算出燃料电池电堆净含水量及含水量变化值，比较计算结果与燃料电池电堆在该电流下对应的目标含水量，根据差值进行氢气循环系统的调整。该方案利用计算含水量的方法，通过比较含水量与目标值的差距来进行控制，但是该方案需要安装温度、湿度的传感器，增加了燃料电池系统设计的成本。另外，通过表观的燃料电池系统进出口端的温度、压力、湿度的数据计算含水量，存在不准确的风险，降低了控制系统的鲁棒性。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池系统中的氢气循环量控制系统及方法，其增加了燃料电池电堆内部水管理稳定性，提升了燃料电池系统寿命和可靠性，且降低了总体成本。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种燃料电池系统中的氢气循环量控制系统包括：燃料电池电堆、氢气喷射引射器、分水器以及氢气循环泵。氢气喷射引射器的出口通过第一管路与燃料电池电堆的冷却液腔的出口相连接。分水器的出口通过第二管路与氢气喷射引射器的回流口相连接，且分水器的入口通过第三管路与燃料电池电堆的阳极腔出口相连接。以及氢气循环泵的出口通过第四管路与燃料电池电堆的阳极腔的入口相连接，且氢气循环泵的入口通过第五管路与分水器的出口相连接。

在本发明的一实施方式中，燃料电池系统中的氢气循环量控制系统还包括温度传感器，与燃料电池电堆的阳极腔的入口相连接。

在本发明的一实施方式中，燃料电池系统中的氢气循环量控制系统还包括第一氢气压力传感器，设置于第一管路上。

在本发明的一实施方式中，燃料电池系统中的氢气循环量控制系统还包括第二氢气压力传感器，设置于第二管路上。

在本发明的一实施方式中，第一氢气压力传感器和第二氢气压力传感器用以分别监测氢气喷射引射器的出口和回流口的压力。

在本发明的一实施方式中，氢气循环泵用以通过转子转动将入口气体推向出口。

第二方面，本发明提供了一种燃料电池系统中的氢气循环量控制方法，包括：当燃料电池系统开始运行时，读取第一氢气压力传感器的压力、第二氢气压力传感器的压力、燃料电池电堆的电流值和氢气喷射引射器的开度。通过电流值查第一预设表得到燃料电池电堆入口的目标压力值。根据燃料电池电堆入口目标压力值与第二氢气压力传感器读数的差值，利用PID反馈控制氢气喷射引射器的开度。下发控制命令，更新氢气喷射引射器的开度指令。根据开度指令查第二预设表，得到开度指令下的氢气循环流量。根据燃料电池系统的电流，查第三预设表得到需求氢气循环流量。根据氢气循环的需求流量、氢气循环进出口压力差值，查第四预设表得到氢气循环泵目标转速。下发控制命令，更新氢气循环泵转速。

与现有技术相比，根据本发明的燃料电池系统中的氢气循环量控制系统及方法，具有如下有益效果：

1、通过氢气喷射引射器开度控制燃料电池系统氢气子系统压力，通过氢气喷射引射器出口与回流口的压差控制氢气循环泵的转速，实现了氢气子系统循环流量及压力的控制；

2、相比现有方案减少了湿度传感器，降低了系统成本；

3、增加了压力与流量的耦合控制，提升了控制的适应性；

4、控制策略不包括复杂计算，鲁棒性较强；

5、增加了燃料电池电堆内部水管理稳定性，且提升了燃料电池系统寿命和可靠性。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的燃料电池系统中的氢气循环量控制系统的架构示意图；

图2是根据本发明一实施方式的燃料电池系统中的氢气循环量控制方法的流程示意图。

主要附图标记说明：

1-燃料电池电堆，2-分水器，3-氢气循环泵，4-氢气喷射引射器，5-第一氢气压力传感器，6-第二氢气压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

图1是根据本发明一实施方式的燃料电池系统中的氢气循环量控制系统的架构示意图。如图1所示，根据本发明一优选实施方式的一种燃料电池系统中的氢气循环量控制系统包括：燃料电池电堆1、氢气喷射引射器4、分水器2以及氢气循环泵3。氢气喷射引射器4的出口通过第一管路与燃料电池电堆1的冷却液腔的出口相连接。分水器2的出口通过第二管路与氢气喷射引射器4的回流口相连接，且分水器2的入口通过第三管路与燃料电池电堆1的阳极腔出口相连接。以及氢气循环泵3的出口通过第四管路与燃料电池电堆1的阳极腔的入口相连接，且氢气循环泵3的入口通过第五管路与分水器2的出口相连接。

在本发明的一实施方式中，燃料电池系统中的氢气循环量控制系统还包括温度传感器，与燃料电池电堆1的阳极腔的入口相连接。

在本发明的一实施方式中，燃料电池系统中的氢气循环量控制系统还包括第一氢气压力传感器5，设置于第一管路上。

在本发明的一实施方式中，燃料电池系统中的氢气循环量控制系统还包括第二氢气压力传感器6，设置于第二管路上。

在本发明的一实施方式中，第一氢气压力传感器5和第二氢气压力传感器6用以分别监测氢气喷射引射器4的出口和回流口的压力。

在本发明的一实施方式中，氢气循环泵3用以通过转子转动将入口气体推向出口。

图2是根据本发明一实施方式的燃料电池系统中的氢气循环量控制方法的流程示意图。如图2所示，根据本发明另一优选实施方式的一种燃料电池系统中的氢气循环量控制方法，包括：当燃料电池系统开始运行时，读取第一氢气压力传感器5的压力、第二氢气压力传感器6的压力、燃料电池电堆1的电流值和氢气喷射引射器4的开度。通过电流值查第一预设表得到燃料电池电堆1入口的目标压力值。根据燃料电池电堆1入口目标压力值与第二氢气压力传感器6读数的差值，利用PID反馈控制氢气喷射引射器4的开度。下发控制命令，更新氢气喷射引射器4的开度指令。根据开度指令查第二预设表，得到开度指令下的氢气循环流量。根据燃料电池系统的电流，查第三预设表得到需求氢气循环流量。根据氢气循环的需求流量、氢气循环进出口压力差值，查第四预设表得到氢气循环泵3目标转速。下发控制命令，更新氢气循环泵3转速。

在实际应用中，本发明的燃料电池系统中的氢气循环量控制系统由燃料电池电堆1、分水器2、氢气循环泵3、氢气喷射引射器4、第一氢气压力传感器5和第二氢气压力传感器6构成。其中，燃料电池系统氢气子系统主回路由燃料电池电堆1、分水器2、氢气喷射引射器4、第一氢气压力传感器5和第二氢气压力传感器6组成。燃料电池电堆1的阳极腔(氢气)的入口通过管路、接头与温度传感器相连接，燃料电池电堆1的冷却液腔的出口通过管路、接头与氢气喷射引射器4出口相连接，第一氢气压力传感器5设置在燃料电池电堆1与氢气喷射引射器4之间的管路、接头上。氢气喷射引射器4的回流口与分水器2的出口通过管路、接头相连接。第二氢气压力传感器6设置在分水器2出口与氢气喷射引射器4回流口之间的管路、接头上。燃料电池电堆1阳极腔出口与分水器2入口通过管路、接头相连接。其中，燃料电池系统氢气子系统支路由燃料电池电堆1、分水器2和氢气循环泵3组成。燃料电池电堆1的阳极腔(氢气)的入口通过管路、接头与氢气循环泵3的出口相连。氢气循环泵3的入口通过管路、接头与分水器2的出口相连接。分水器2的入口与燃料电池电堆1的出口通过管路、接头相连接。

燃料电池系统氢气子系统主回路中，燃料电池电堆1的阳极腔为氢气的反应场所，通过电化学反应消耗氢气产生电能；分水器2通过离心力或格挡等，将气体中的液态水从气体中分离出来。氢气循环泵3通过转子转动将入口气体推向出口。氢气喷射引射器4内有的收缩喷嘴，通过喷射电磁阀的开启或者闭合控制收缩喷嘴的气体喷射或者关闭。第一氢气压力传感器5和第二氢气压力传感器6分别监测氢气喷射引射器4出口和回流口的压力。

本发明提出的燃料电池系统中氢气喷射引射器4和循环泵双循环下的氢气循环量控制方法，在燃料电池系统处于运行状态时，启动氢气喷射引射器4和循环泵双循环下的氢气循环量控制方法。通过第一氢气压力传感器5和第二氢气压力传感器6监测氢气喷射引射器4出口及回流口的氢气压力，通过电流传感器监测燃料电池电堆1的工作电流，并监控氢气喷射引射器4自身喷射器的开度信号。通过燃料电池电堆1的电流值查第一预设表，得到燃料电池电堆1在该电流下的氢气入口目标压力。计算氢气入口目标压力与第一氢气传感器读数(即氢气入口实际压力)之间的差值，通过该差值利用PID反馈控制调节氢气喷射引射器4的开度，并向氢气喷射引射器4下发开度指令。通过氢气喷射引射器4开度指令查第二预设表，得到氢气喷射引射器4在此工作状态下的出口流量和引射流量，此流量由引射器流道设计决定，通过引射器的试验预先得出第二预设表。通过燃料电池电堆1的电流查第三预设表，得到该电流下燃料电池电堆1所需的氢气总流量，计算氢气总流量和上一环节得出氢气喷射引射器4出口流量的差值，即为氢气循环泵3需要提供的额外循环流量。利用该额外循环流量以及氢气喷射引射器4出口和回流口的压差，共同查第四预设表，得到氢气循环泵3的目标转速。最后，将氢气循环泵3的目标转速下发，完成氢气喷射引射器4和循环泵双循环下的氢气循环量控制策略。之后返回开始步骤，开始下一轮控制。

本发明相比现有方案5，本发明无需集成成本较高的湿度传感器，降低了燃料电池系统的总体成本。相比现有方案3，本发明控制算法较为简单，不需引入复杂计算，鲁棒性强。相比现有方案1，本发明的氢气循环泵3转速与氢气喷射引射器4的控制进行了关联，增加了控制的适应性。

总之，本发明的燃料电池系统中的氢气循环量控制系统及方法，具有如下有益效果：

1、通过氢气喷射引射器开度控制燃料电池系统氢气子系统压力，通过氢气喷射引射器出口与回流口的压差控制氢气循环泵的转速，实现了氢气子系统循环流量及压力的控制；

2、相比现有方案减少了湿度传感器，降低了系统成本；

3、增加了压力与流量的耦合控制，提升了控制的适应性；

4、控制策略不包括复杂计算，鲁棒性较强；

5、增加了燃料电池电堆1内部水管理稳定性，且提升了燃料电池系统寿命和可靠性。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统中的氢气循环量控制系统，其特征在于，包括：

燃料电池电堆；

氢气喷射引射器，所述氢气喷射引射器的出口通过第一管路与所述燃料电池电堆的冷却液腔的出口相连接；

分水器，所述分水器的出口通过第二管路与所述氢气喷射引射器的回流口相连接，且所述分水器的入口通过第三管路与所述燃料电池电堆的阳极腔出口相连接；以及

氢气循环泵，所述氢气循环泵的出口通过第四管路与所述燃料电池电堆的阳极腔的入口相连接，且所述氢气循环泵的入口通过第五管路与所述分水器的出口相连接。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统中的氢气循环量控制系统，其特征在于，还包括温度传感器，与所述燃料电池电堆的阳极腔的入口相连接。

3.如权利要求1所述的燃料电池系统中的氢气循环量控制系统，其特征在于，还包括第一氢气压力传感器，设置于所述第一管路上。

4.如权利要求3所述的燃料电池系统中的氢气循环量控制系统，其特征在于，还包括第二氢气压力传感器，设置于所述第二管路上。

5.如权利要求4所述的燃料电池系统中的氢气循环量控制系统，其特征在于，所述第一氢气压力传感器和所述第二氢气压力传感器用以分别监测所述氢气喷射引射器的出口和回流口的压力。

6.如权利要求1所述的燃料电池系统中的氢气循环量控制系统，其特征在于，所述氢气循环泵用以通过转子转动将入口气体推向出口。

7.一种燃料电池系统中的氢气循环量控制方法，基于如权利要求1-6任一项所述的燃料电池系统中的氢气循环量控制系统，其特征在于，所述燃料电池系统中的氢气循环量控制方法包括：

当燃料电池系统开始运行时，读取第一氢气压力传感器的压力、第二氢气压力传感器的压力、燃料电池电堆的电流值和氢气喷射引射器的开度；

通过电流值查第一预设表得到燃料电池电堆入口的目标压力值；

根据燃料电池电堆入口目标压力值与第二氢气压力传感器读数的差值，利用PID反馈控制氢气喷射引射器的开度；

下发控制命令，更新氢气喷射引射器的开度指令；

根据开度指令查第二预设表，得到开度指令下的氢气循环流量；

根据燃料电池系统的电流，查第三预设表得到需求氢气循环流量；

根据氢气循环的需求流量、氢气循环进出口压力差值，查第四预设表得到氢气循环泵目标转速；

下发控制命令，更新氢气循环泵转速。

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