CN116314967A - 氢燃料电池的湿度动态控制方法及氢燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种氢燃料电池的湿度动态控制方法及氢燃料电池，包括基于预先构建的气体供给模型，以及所述气体流动模块所需的气体流量，通过动态控制所述电磁阀调节所述气体供给模块供给至所述气体流动模块的反应气体的气体流量；所述气体流动模块通过阳极流道、阴极流道以及预先构建的气体流动模型控制所述反应气体进行电化学反应，确定所述氢燃料电池的运行状态；根据所述氢燃料电池的运行状态，通过预设模糊控制算法控制所述加湿器，实现对气体的湿度控制。本发明的方法能够对氢燃料电池氢气湿度进行精准控制，使氢燃料电池达到最高效率。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池的湿度动态控制方法及氢燃料电池。
背景技术
氢燃料电池的阴极进气子系统调节空压机以提供电堆所需流量的空气，防止电池电堆阴极侧氧气饥饿，在阴极设有排气阀对气体流道吹扫，排除多余的水，及末反应的氮气等气体。由于过大的阴、阳极压强差会损害击穿质子交换膜，控制阳极压强十分重要。较高流量的氢气有利于电化学反应的进行，控制气体循环泵可实现稳定的氢气计量比，提高燃料电池的性能。
气体加湿系统的主要功能是对进入电堆反应的阴、阳极气体进行加湿，使其相对湿度达到目标值。在燃料电池工作中电堆内部氢离子运输需要水分子携带，电化学反应在阴极生成水分子。气体流道中过高的湿度会形成液态水，形成水淹现象，对输送气体不利，过低的湿度会使质子交换膜水分不足，使其电解质性能大幅度下降，当失水严重时会危害燃料电池使用寿命。
因此，需要根据相应的温度进行湿度的精确控制，保障氢燃料电池正常有效运行。
公开于本申请背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请的一般背景技术的理解，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技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明实施例提供一种氢燃料电池的湿度动态控制方法及氢燃料电池，能够解决现有技术中对氢燃料电池氢气湿度控制精度不够的问题。
本发明实施例的第一方面，
提供一种氢燃料电池氢气湿度自动调节控制方法，所述方法应用于氢燃料电池，所述氢燃料电池包括气体供给模块、气体流动模块、电磁阀、加湿器，所述方法包括：
基于预先构建的气体供给模型，以及所述气体流动模块所需的气体流量，通过动态控制所述电磁阀调节所述气体供给模块供给至所述气体流动模块的反应气体的气体流量；
所述气体流动模块通过阳极流道、阴极流道以及预先构建的气体流动模型控制所述反应气体进行电化学反应，确定所述氢燃料电池的运行状态，其中，所述运行状态包括第一运行状态和第二运行状态，所述第一运行状态用于指示进行电化学反应所产生的电堆电流低于预设电流阈值，所述第二运行状态用于指示所述电堆电流高于所述预设电流阈值；
根据所述氢燃料电池的运行状态，通过预设模糊控制算法控制所述加湿器，实现对气体的湿度控制。
在一种可选的实施方式中，
所述基于预先构建的气体供给模型，以及所述气体流动模块所需的气体流量，通过动态控制所述电磁阀调节所述气体供给模块供给至所述气体流动模块的反应气体的气体流量包括：
基于预先构建的气体供给模型，确定所述气体供给模块的最大气体容积、气体临界压力值以及电磁阀的属性参数，其中，所述电磁阀的属性参数包括电磁阀的开启面积、喷嘴流量、电磁阀的振荡频率中至少一种；
根据所述气体流动模块所需的气体流量，动态控制所述电磁阀，根据实际气体流量与所述最大气体容积，确定所述气体供给模块中的实际气体压力值；
若所述实际气体压力值小于所述气体临界压力值，则保持所述电磁阀的当前属性参数不变；
若所述实际气体压力值大于所述气体临界压力值，则调整所述电磁阀的当前属性参数，直至所述实际气体压力值小于所述气体临界压力值。
在一种可选的实施方式中，
所述基于预先构建的气体供给模型，以及所述气体流动模块所需的气体流量，通过动态控制所述电磁阀调节所述气体供给模块供给至所述气体流动模块的反应气体的气体流量还包括：
按照如下公式确定反应气体的气体流量：
其中，L表示反应气体供给量的流量，Cout表示所述电磁阀的开启面积，A表示电磁阀的喷嘴流量，w表示电磁阀的振荡频率，y表示电磁阀的磁阻尼系数，P1、Pmax分别表示气体供给模块的实际气体压力值以及气体临界压力值，K表示空气热比例系数，R表示通用气体常数。
在一种可选的实施方式中，
所述气体流动模块通过阳极流道、阴极流道以及预先构建的气体流动模型控制所述反应气体进行电化学反应包括：
根据流入所述阳极流道的反应气体的第一气体流量，所述阳极流道所消耗的所述反应气体的消耗量，通过所述气体流动模型所确定的通过所述阳极流道的质子交换膜的水流量、所述阳极流道中反应气体的各组分气体的压强和、所述阳极流道的体积，构建第一电化学反应模型，确定阳极电流；
根据流入所述阴极流道的反应气体的第二气体流量，流出所述阴极流道的反应气体的第三气体流量，通过所述气体流动模型所确定的所述反应气体中各组分的质量分数、以及所述反应气体中各组分的气体常数以及所述阴极流道的体积，构建第二电化学反应模型，确定阴极电流；
根据所述阳极电流、所述阴极电流以及电堆中单体电池数量确定电堆电流。
在一种可选的实施方式中，
所述根据所述氢燃料电池的运行状态，通过预设模糊控制算法控制所述加湿器，实现对气体的湿度控制包括：
若所述氢燃料电池的运行状态为第一运行状态，
根据所述电堆电流确定所述氢燃料电池的阴极压强和阳极压强，基于所述阴极压强和所述阳极压强的压强差，通过预设模糊控制算法控制所述加湿器的阀门信号，实现对所述气体的湿度控制。
在一种可选的实施方式中，
所述根据所述氢燃料电池的运行状态，通过预设模糊控制算法控制所述加湿器，实现对气体的湿度控制还包括：
若所述氢燃料电池的运行状态为第二运行状态，
将所述电堆电流与预设电流阈值的电流差值作为状态干扰向量，
基于所述加湿器对应的目标控制向量，以及所述状态干扰向量，通过所述预设模糊控制算法对应的目标函数，确定偏差状态向量；
根据所述偏差状态向量，通过局部优化算法确定对所述加湿器的控制量，实现对所述气体的湿度控制。
在一种可选的实施方式中，
所述根据所述偏差状态向量，通过局部优化算法确定对所述加湿器的控制量，实现对所述气体的湿度控制包括：
其中，Z表示控制量,v表示所述加湿器入口气体的相对湿度，M表示所述加湿器入口气体的摩尔质量，k表示所述加湿器入口气体的目标湿度，e表示，Wm表示目标控制向量，Ws表示状态干扰向量,h表示扰动输入，f(x)表示状态转换函数。
本发明实施例的第二方面，
提供一种氢燃料电池，包括气体供给模块、气体流动模块、电磁阀、加湿器，还包括：
第一单元，用于基于预先构建的气体供给模型，以及所述气体流动模块所需的气体流量，通过动态控制所述电磁阀调节所述气体供给模块供给至所述气体流动模块的反应气体的气体流量；
第二单元，用于所述气体流动模块通过阳极流道、阴极流道以及预先构建的气体流动模型控制所述反应气体进行电化学反应，确定所述氢燃料电池的运行状态，其中，所述运行状态包括第一运行状态和第二运行状态，所述第一运行状态用于指示进行电化学反应所产生的电堆电流低于预设电流阈值，所述第二运行状态用于指示所述电堆电流高于所述预设电流阈值；
第三单元，用于根据所述氢燃料电池的运行状态，通过预设模糊控制算法控制所述加湿器，实现对气体的湿度控制。
在一种可选的实施方式中，
所述第一单元还用于：
基于预先构建的气体供给模型，确定所述气体供给模块的最大气体容积、气体临界压力值以及电磁阀的属性参数，其中，所述电磁阀的属性参数包括电磁阀的开启面积、喷嘴流量、电磁阀的振荡频率中至少一种；
根据所述气体流动模块所需的气体流量，动态控制所述电磁阀，根据实际气体流量与所述最大气体容积，确定所述气体供给模块中的实际气体压力值；
若所述实际气体压力值小于所述气体临界压力值，则保持所述电磁阀的当前属性参数不变；
若所述实际气体压力值大于所述气体临界压力值，则调整所述电磁阀的当前属性参数，直至所述实际气体压力值小于所述气体临界压力值。
在一种可选的实施方式中，
所述第一单元还用于：
按照如下公式确定反应气体的气体流量：
其中，L表示反应气体供给量的流量，Cout表示所述电磁阀的开启面积，A表示电磁阀的喷嘴流量，w表示电磁阀的振荡频率，y表示电磁阀的磁阻尼系数，P1、Pmax分别表示气体供给模块的实际气体压力值以及气体临界压力值，K表示空气热比例系数，R表示通用气体常数。
在一种可选的实施方式中，
所述第二单元还用于：
根据流入所述阳极流道的反应气体的第一气体流量，所述阳极流道所消耗的所述反应气体的消耗量，通过所述气体流动模型所确定的通过所述阳极流道的质子交换膜的水流量、所述阳极流道中反应气体的各组分气体的压强、所述阳极流道的体积，构建第一电化学反应模型，确定阳极电流；
根据流入所述阴极流道的反应气体的第二气体流量，流出所述阴极流道的反应气体的第三气体流量，通过所述气体流动模型所确定的所述反应气体中各组分的质量分数、以及所述反应气体中各组分的气体常数以及所述阴极流道的体积，构建第二电化学反应模型，确定阴极电流；
根据所述阳极电流、所述阴极电流以及电堆中单体电池数量确定电堆电流。
在一种可选的实施方式中，
所述第三单元还用于：
若所述氢燃料电池的运行状态为第一运行状态，
根据所述电堆电流确定所述氢燃料电池的阴极压强和阳极压强，基于所述阴极压强和所述阳极压强的压强差，通过预设模糊控制算法控制所述加湿器的阀门信号，实现对所述气体的湿度控制。
所述第三单元还用于：
若所述氢燃料电池的运行状态为第二运行状态，
将所述电堆电流与预设电流阈值的电流差值作为状态干扰向量，
基于所述加湿器对应的目标控制向量，以及所述状态干扰向量，通过所述预设模糊控制算法对应的目标函数，确定偏差状态向量；
根据所述偏差状态向量，通过局部优化算法确定对所述加湿器的控制量，实现对所述气体的湿度控制。
在一种可选的实施方式中，
所述第三单元还用于：
按照如下公式确定所述加湿器的控制量：
其中，Z表示控制量,v表示所述加湿器入口气体的相对湿度，M表示所述加湿器入口气体的摩尔质量，k表示所述加湿器入口气体的目标湿度，e表示，Wm表示目标控制向量，Ws表示状态干扰向量,h表示扰动输入，f(x)表示状态转换函数。
本发明实施例的第三方面，
提供一种氢燃料电池的湿度动态控制设备，包括：
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行前述所述的方法。
本发明实施例的第四方面，
提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现前述所述的方法。
本发明的方法能够通过动态控制所述电磁阀调节所述气体供给模块供给至所述气体流动模块的反应气体的气体流量，气体供给模型可以确定所述气体供给模块的最大气体容积、气体临界压力值以及电磁阀的属性参数，保证气体供给模块工作在正常状态，并且控制电磁阀的相关属性参数，精准调节所输出的气体流量，实现稳定的氢气计量比，提高燃料电池的性能；
根据预先构建的气体流动模型控制所述反应气体进行电化学反应，能够根据电堆电流控制氢燃料电池的运行状态，而根据氢燃料电池工作在不同运行状态，能够针对性地给出对应的控制策略，提高后续湿度控制的准确性；
根据所述氢燃料电池的运行状态，通过预设模糊控制算法控制所述加湿器对气体的加湿湿度，有效解决气体流动模块中湿度过高和湿度过低导致影响氢燃料电池性能的问题，并且能够有效的抑制外部扰动，提高算法的鲁棒性。
附图说明
图1为本发明实施例氢燃料电池的湿度动态控制方法的流程示意图。
图2为本发明实施例确定电堆电流的流程示意图。
图3为本发明实施例控制仿真示意图。
图4为本发明实施例氢燃料电池的结构示意图。
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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
应当理解，在本发明的各种实施例中，各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
应当理解，在本发明中，“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
应当理解，在本发明中，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“包含A、B和C”、“包含A、B、C”是指A、B、C三者都包含，“包含A、B或C”是指包含A、B、C三者之一，“包含A、B和/或C”是指包含A、B、C三者中任1个或任2个或3个。
应当理解，在本发明中，“与A对应的B”、“与A相对应的B”、“A与B相对应”或者“B与A相对应”，表示B与A相关联，根据A可以确定B。根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可以根据A和/或其他信息确定B。A与B的匹配，是A与B的相似度大于或等于预设的阈值。
取决于语境，如在此所使用的“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。
下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
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。氢燃料电池在使用时需要保证电堆相对湿度，将其控制在90-98％之间最佳，若湿度接近或超过100％时，液态水会阻碍催化剂电极并且减少气体扩散层的有效空隙率,并有可能会出水泛滥，从而会导致不可接受的电压降。若湿度过低，可能会发生脱水，导致性能变差，甚至是电池损伤；同时电堆内部的温度越高则使得电堆内部的水分加速流失,因此，需要根据相应的温度进行湿度的精确控制，保障氢燃料电池正常有效运行。
图1为本发明实施例氢燃料电池的湿度动态控制方法的流程示意图，如图1所示，所述方法包括：
S101.基于预先构建的气体供给模型，以及所述气体流动模块所需的气体流量，动态控制所述电磁阀调节所述气体供给模块供给至所述气体流动模块的反应气体的气体流量；
气体供给模块的功能是向电堆源源不断地供给反应所需的氢气，它需要保证燃料电池系统时刻有适量的氢气进入，从而使电化学反应可以持续性地发生，满足电堆不间断地向外发电的需求，同时保证安全地储存、输运氢气，并对尾排的氢气进行处理。
由于氢燃料电池空气供给系统中的各个组件之间不能直接相连，需要绝缘橡胶管道相连，为了保证氢燃料电池空气供给系统模型的准确性，需要对空气供给系统中的管道进行建模，有利于对氢燃料电池空气供给系统的整体研究以及减小模型的偏差。
示例性地，本发明实施例的气体供给模型，能够确定所述气体供给模块的最大气体容积、气体临界压力值以及电磁阀的属性参数，其中，气体供给模块的最大气体容积，也即，气体供给模块对应的数学模型的最大体积；气体临界压力值，也即，气体供给模块所能容纳最大气体对应的压力值；所述电磁阀的属性参数包括阀门的开启面积、喷嘴流量系数、电磁阀的阻尼系数中至少一种；
可以理解的是，电磁阀在氢气和空气供给系统中都起着关键的作用，电磁阀由控制器控制其阀门的开启面积的大小，调节供给系统反应气体供给量的流量，进而决定氢燃料电池电堆的反应条件，影响氢燃料电池的输出性能。
在一种可选的实施方式中，
所述基于预先构建的气体供给模型，以及所述气体流动模块所需的气体流量，通过动态控制所述电磁阀调节所述气体供给模块供给至所述气体流动模块的反应气体的气体流量包括：
基于预先构建的气体供给模型，确定所述气体供给模块的最大气体容积、气体临界压力值以及电磁阀的属性参数，其中，所述电磁阀的属性参数包括电磁阀的开启面积、喷嘴流量、电磁阀的振荡频率中至少一种；
根据所述气体流动模块所需的气体流量，动态控制所述电磁阀，根据实际气体流量与所述最大气体容积，确定所述气体供给模块中的实际气体压力值；
若所述实际气体压力值小于所述气体临界压力值，则保持所述电磁阀的当前属性参数不变；
若所述实际气体压力值大于所述气体临界压力值，则调整所述电磁阀的当前属性参数，直至所述实际气体压力值小于所述气体临界压力值。
示例性地，本发明实施例的气体供给模型，可以通过数学方法构建，以数学的方式构建气体供给模块对应的各种类型参数，例如，最大气体容积、气体临界压力值以及电磁阀的属性参数等，能够对氢燃料电池空气供给系统进行整体研究，并且减小模型的偏差。
可选地，可以根据实际气体流量与所述最大气体容积，确定所述气体供给模块中的实际气体压力值，再根据实际气体压力值与气体临界压力值的比较关系，分别对电磁阀的当前属性参数进行调整，也即，
若实际气体压力值小于气体临界压力值，则说明气体供给模块能够满足气体供给的要求，可以保持电磁阀的当前属性参数不变，也即，可以保持阀门的开启面积不变；
若实际气体压力值大于气体临界压力值，则说明气体供给模块无法满足当前气体供给的流量，需要调整电磁阀的当前属性参数，例如，可以降低电磁阀的阀门的开启面积，减少通过电磁阀的气体流量。
在一种可选的实施方式中，
所述基于预先构建的气体供给模型，以及所述气体流动模块所需的气体流量，通过动态控制所述电磁阀调节所述气体供给模块供给至所述气体流动模块的反应气体的气体流量还包括：
按照如下公式确定反应气体的气体流量：
其中，L表示反应气体供给量的流量，Cout表示所述电磁阀的开启面积，A表示电磁阀的喷嘴流量，w表示电磁阀的振荡频率，y表示电磁阀的磁阻尼系数，P1、Pmax分别表示气体供给模块的实际气体压力值以及气体临界压力值，K表示空气热比例系数，R表示通用气体常数。
S102.所述气体流动模块通过阳极流道、阴极流道以及预先构建的气体流动模型控制所述反应气体进行电化学反应，确定所述氢燃料电池的运行状态；
示例性地，所述运行状态包括第一运行状态和第二运行状态，所述第一运行状态用于指示进行电化学反应所产生的电堆电流低于预设电流阈值，所述第二运行状态用于指示所述电堆电流高于所述预设电流阈值；
氢燃料电池其复杂的工况决定了能源装置-燃料电池的功率变化范围较大，传统供氢系统方案采用单一氢气再循环模式，难以兼顾不同运行状态下氢气的循环利用，本发明依据电堆电流大小分为两个运行状态：第一运行状态和第二运行状态。
在第一运行状态下，电堆电流低于预设电流阈值，则可以认为氢燃料电池工作在正常状态下，可通过模糊控制算法控制加湿器的阀门信号，实现对所述气体的湿度控制，控制模式较为简单；
在第二运行状态下，电堆电流高于预设电流阈值，则说明氢燃料电池工作模式需要通过复杂的控制，使其实现对气体的湿度控制。
在一种可选的实施方式中，
图2为本发明实施确定电堆电流的流程示意图，如图2所示，所述气体流动模块通过阳极流道、阴极流道以及预先构建的气体流动模型控制所述反应气体进行电化学反应，确定电堆电流包括：
S201.根据流入所述阳极流道的反应气体的第一气体流量，所述阳极流道所消耗的所述反应气体的消耗量，通过所述气体流动模型所确定的通过所述阳极流道的质子交换膜的水流量、所述阳极流道中反应气体的各组分气体的压强和、所述阳极流道的体积，构建第一电化学反应模型，确定阳极电流；
示例性地，本发明实施例中阳极采用死端的方式，故排出项目均为零。但是为了避免水淹以及惰性气体积累问题，本发明实施例定期/不定期开启排气阀的阀门，将多余的水分或者气体排出。
本发明实施例确定阳极电流的方法可以如下公式所示：
其中，Is表示阳极电流，d表示气体消耗系数，T1表示第一气体流量,C表示反应气体的消耗量，Rw表示通过所述阳极流道的质子交换膜的水流量，Pz表示各组分气体的压强和，V1表示阳极流道的体积，o表示阳极的孔口系数。
S202.根据流入所述阴极流道的反应气体的第二气体流量，流出所述阴极流道的反应气体的第三气体流量，通过所述气体流动模型所确定的所述反应气体中各组分的质量分数、以及所述反应气体中各组分的气体常数以及所述阴极流道的体积，构建第二电化学反应模型，确定阴极电流；
本发明实施例确定阴极电流的方法可以如下公式所示：
其中，In表示阴极电流，T2表示第二气体流量，T3表示第三气体流量，d表示气体消耗系数，C表示反应气体的消耗量,Mw表示反应气体中各组分的质量分数，E表示反应气体中各组分的气体常数，V2表示阴极流道的体积。
S203.根据所述阳极电流、所述阴极电流以及电堆中单体电池数量确定所述电堆电流。
本发明实施例确定电堆电流的方法可以如下公式所示：
其中，ID表示电堆电流，n表示电堆中单体电池数量，A表示阳极电流对应的偏置系数，B表示阴极电流对应的偏置系数。
S103.根据所述氢燃料电池的运行状态，通过预设模糊控制算法控制所述加湿器对气体的加湿湿度。
示例性地，本发明实施例模糊控制算法由模糊化，模糊推理和反模糊化三部分组成。模糊控制算法的主要是依据语言规则进行模糊推理决策。模糊控制是基于操作者或领域专家的经验知识来确定的，是对被控对象进行控制的一个知识模型。模糊控制算法实际上是一组多重模糊条件语句，可以表示为从输入变量论域到被控制量论域的模糊关系矩阵，模糊推理的作用就是采用合适的推理方法将输入变量的模糊向量与模糊关系进行合成，由此得到被控制量的模糊向量清晰化是模糊化的反过程，它的作用是将模糊推理得到的控制量模糊量变换为实际用于控制的清晰量。
在一种可选的实施方式中，
所述根据所述氢燃料电池的运行状态，通过预设模糊控制算法控制所述加湿器对气体的加湿湿度包括：
若所述氢燃料电池的运行状态为第一运行状态，
根据所述电堆电流确定所述氢燃料电池的阴极压强和阳极压强，基于所述阴极压强和所述阳极压强的压强差，通过预设模糊控制算法控制所述加湿器的阀门信号，实现对所述气体的湿度控制。
示例性地，在第一运行状态下，电堆电流低于预设电流阈值，则可以认为氢燃料电池工作在正常状态下，可通过模糊控制算法控制加湿器的阀门信号，实现对所述气体的湿度控制，控制模式较为简单；也即，通过压强差控制加湿器的阀门信息，使其气体的湿度满足预设要求即可，本空开实施例对此不进行展开。
在一种可选的实施方式中，
所述根据所述氢燃料电池的运行状态，通过预设模糊控制算法控制所述加湿器对气体的加湿湿度还包括：
若所述氢燃料电池的运行状态为第二运行状态，
将所述电堆电流与预设电流阈值的电流差值作为状态干扰向量，
基于所述加湿器对应的目标控制向量，以及所述状态干扰向量，通过所述预设模糊控制算法对应的目标函数，确定偏差状态向量；
根据所述偏差状态向量，通过局部优化算法确定对所述加湿器的控制量，实现对所述气体的湿度控制。
在一种可选的实施方式中，
所述根据所述偏差状态向量，通过局部优化算法确定对所述加湿器的控制量，实现对所述气体的湿度控制包括：
按照如下公式确定所述加湿器的控制量：
其中，Z表示控制量,v表示所述加湿器入口气体的相对湿度，M表示所述加湿器入口气体的摩尔质量，k表示所述加湿器入口气体的目标湿度，e表示，Wm表示目标控制向量，Ws表示状态干扰向量,h表示扰动输入，f(x)表示状态转换函数。
示例性地，本发明实施例的目标函数可以为状态转换函数，用于将各个状态向量转换为对应的空间矩阵，便于后续计算。
图3为本发明实施例控制仿真示意图。如图3所示，示例性地，在上述仿真中，电堆电压在5秒时从286V降至281V，在10秒电压上升产生尖峰达到292V，又迅速稳定，这是由于氢气压强在10秒消耗量的突然减少产生的尖峰，然后控制器控制压强使其迅速下降至稳定点，整体上电堆电压与负载电流的变化趋势相反。电堆输出功率变化趋势与负载电流一致，变化范围在5kw内。当负载电流阶跃上升时阴、阳极压强差变小，同理当负载电流阶跃下降时，压强差呈现上升的超势，这是由于负载电流引起电堆阳极氢气质量变化引起的压强下降，但控制流量控制阀的开启面积使阳极压强又迅速回归到预设目标值。压强差的峰值变化范围在(0.1×10)Pa与(2×10)Pa之间，稳定在(1×10)Pa附近。
上述仿真结果表明燃料电池供氢系统负载电流的增大会使输出电压减小，电堆输出功率增加，阴、阳极压强差减小，氢气计量比增加。实验结果验证了本发明实施例的控制算法能够有效的抑制外部扰动，保持控制目标湿度在稳定值。
本发明实施例的第二方面，
提供一种氢燃料电池，包括气体供给模块、气体流动模块、电磁阀、加湿器，图4为本发明实施例氢燃料电池的结构示意图，还包括：
第一单元，用于基于预先构建的气体供给模型，以及所述气体流动模块所需的气体流量，通过动态控制所述电磁阀调节所述气体供给模块供给至所述气体流动模块的反应气体的气体流量；
第二单元，用于所述气体流动模块通过阳极流道、阴极流道以及预先构建的气体流动模型控制所述反应气体进行电化学反应，确定所述氢燃料电池的运行状态，其中，所述运行状态包括第一运行状态和第二运行状态，所述第一运行状态用于指示进行电化学反应所产生的电堆电流低于预设电流阈值，所述第二运行状态用于指示所述电堆电流高于所述预设电流阈值；
第三单元，用于根据所述氢燃料电池的运行状态，通过预设模糊控制算法控制所述加湿器，实现对气体的湿度控制。
在一种可选的实施方式中，
所述第一单元还用于：
基于预先构建的气体供给模型，确定所述气体供给模块的最大气体容积、气体临界压力值以及电磁阀的属性参数，其中，所述电磁阀的属性参数包括电磁阀的开启面积、喷嘴流量、电磁阀的振荡频率中至少一种；
根据所述气体流动模块所需的气体流量，动态控制所述电磁阀，根据实际气体流量与所述最大气体容积，确定所述气体供给模块中的实际气体压力值；
若所述实际气体压力值小于所述气体临界压力值，则保持所述电磁阀的当前属性参数不变；
若所述实际气体压力值大于所述气体临界压力值，则调整所述电磁阀的当前属性参数，直至所述实际气体压力值小于所述气体临界压力值。
在一种可选的实施方式中，
所述第一单元还用于：
按照如下公式确定反应气体的气体流量：
其中，L表示反应气体供给量的流量，Cout表示所述电磁阀的开启面积，A表示电磁阀的喷嘴流量，w表示电磁阀的振荡频率，y表示电磁阀的磁阻尼系数，P1、Pmax分别表示气体供给模块的实际气体压力值以及气体临界压力值，K表示空气热比例系数，R表示通用气体常数。
在一种可选的实施方式中，
所述第二单元还用于：
根据流入所述阳极流道的反应气体的第一气体流量，所述阳极流道所消耗的所述反应气体的消耗量，通过所述气体流动模型所确定的通过所述阳极流道的质子交换膜的水流量、所述阳极流道中反应气体的各组分气体的压强、所述阳极流道的体积，构建第一电化学反应模型，确定阳极电流；
根据流入所述阴极流道的反应气体的第二气体流量，流出所述阴极流道的反应气体的第三气体流量，通过所述气体流动模型所确定的所述反应气体中各组分的质量分数、以及所述反应气体中各组分的气体常数以及所述阴极流道的体积，构建第二电化学反应模型，确定阴极电流；
根据所述阳极电流、所述阴极电流以及电堆中单体电池数量确定所述电堆电流。
在一种可选的实施方式中，
所述第三单元还用于：
若所述氢燃料电池的运行状态为第一运行状态，
根据所述电堆电流确定所述氢燃料电池的阴极压强和阳极压强，基于所述阴极压强和所述阳极压强的压强差，通过预设模糊控制算法控制所述加湿器的阀门信号，实现对所述气体的湿度控制。
所述第三单元还用于：
若所述氢燃料电池的运行状态为第二运行状态，
将所述电堆电流与预设电流阈值的电流差值作为状态干扰向量，
基于所述加湿器对应的目标控制向量，以及所述状态干扰向量，通过所述预设模糊控制算法对应的目标函数，确定偏差状态向量；
根据所述偏差状态向量，通过局部优化算法确定对所述加湿器的控制量，实现对所述气体的湿度控制。
在一种可选的实施方式中，
所述第三单元还用于：
按照如下公式确定所述加湿器的控制量：
其中，Z表示控制量,v表示所述加湿器入口气体的相对湿度，M表示所述加湿器入口气体的摩尔质量，k表示所述加湿器入口气体的目标湿度，e表示，Wm表示目标控制向量，Ws表示状态干扰向量,h表示扰动输入，f(x)表示状态转换函数。
本发明实施例的第三方面，
提供一种氢燃料电池的湿度动态控制设备，包括：
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行前述所述的方法。
本发明实施例的第四方面，
提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现前述所述的方法。
本发明可以是方法、装置、系统和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于执行本发明的各个方面的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。
用于执行本发明操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本发明的各个方面。
这里参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。
这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理单元，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其他可编程数据处理装置的处理单元执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。
也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其他可编程数据处理装置、或其他设备上，使得在计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其他可编程数据处理装置、或其他设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。
附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
注意，除非另有直接说明，否则本说明书(包含任何所附权利要求、摘要和附图)中所揭示的所有特征皆可由用于达到相同、等效或类似目的的可替代特征来替换。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每一个特征仅是一组等效或类似特征的一个示例。在使用到的情况下，进一步地、较优地、更进一步地和更优地是在前述实施例基础上进行另一实施例阐述的简单起头，该进一步地、较优地、更进一步地或更优地后带的内容与前述实施例的结合作为另一实施例的完整构成。在同一实施例后带的若干个进一步地、较优地、更进一步地或更优地设置之间可任意组合的组成又一实施例。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。
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。
Claims (10)
1.一种氢燃料电池的湿度动态控制方法，其特征在于，所述方法应用于氢燃料电池，所述氢燃料电池包括气体供给模块、气体流动模块、电磁阀、加湿器，所述方法包括：
基于预先构建的气体供给模型，以及所述气体流动模块所需的气体流量，动态控制所述电磁阀调节所述气体供给模块供给至所述气体流动模块的反应气体的气体流量；
所述气体流动模块通过阳极流道、阴极流道以及预先构建的气体流动模型控制所述反应气体进行电化学反应，确定所述氢燃料电池的运行状态，其中，所述运行状态包括第一运行状态和第二运行状态，所述第一运行状态用于指示进行电化学反应所产生的电堆电流低于预设电流阈值，所述第二运行状态用于指示所述电堆电流高于所述预设电流阈值；
根据所述氢燃料电池的运行状态，通过预设模糊控制算法控制所述加湿器，实现对气体的湿度控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于预先构建的气体供给模型，以及所述气体流动模块所需的气体流量，动态控制所述电磁阀调节所述气体供给模块供给至所述气体流动模块的反应气体的气体流量包括：
基于预先构建的气体供给模型，确定所述气体供给模块的最大气体容积、气体临界压力值以及电磁阀的属性参数，其中，所述电磁阀的属性参数包括电磁阀的开启面积、喷嘴流量、电磁阀的振荡频率中至少一种；
根据所述气体流动模块所需的气体流量，动态控制所述电磁阀，根据实际气体流量与所述最大气体容积，确定所述气体供给模块中的实际气体压力值；
若所述实际气体压力值小于所述气体临界压力值，则保持所述电磁阀的当前属性参数不变；
若所述实际气体压力值大于所述气体临界压力值，则调整所述电磁阀的当前属性参数，直至所述实际气体压力值小于所述气体临界压力值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于预先构建的气体供给模型，以及所述气体流动模块所需的气体流量，动态控制所述电磁阀调节所述气体供给模块供给至所述气体流动模块的反应气体的气体流量还包括：
按照如下公式确定反应气体的气体流量：
其中，L表示反应气体供给量的流量，Cout表示所述电磁阀的开启面积，A表示电磁阀的喷嘴流量，w表示电磁阀的振荡频率，y表示电磁阀的磁阻尼系数，P1、Pmax分别表示气体供给模块的实际气体压力值以及气体临界压力值，K表示空气热比例系数，R表示通用气体常数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体流动模块通过阳极流道、阴极流道以及预先构建的气体流动模型控制所述反应气体进行电化学反应包括：
根据流入所述阳极流道的反应气体的第一气体流量，所述阳极流道所消耗的所述反应气体的消耗量，通过所述气体流动模型所确定的通过所述阳极流道的质子交换膜的水流量、所述阳极流道中反应气体的各组分气体的压强和、所述阳极流道的体积，构建第一电化学反应模型，确定阳极电流；
根据流入所述阴极流道的反应气体的第二气体流量，流出所述阴极流道的反应气体的第三气体流量，通过所述气体流动模型所确定的所述反应气体中各组分的质量分数、以及所述反应气体中各组分的气体常数以及所述阴极流道的体积，构建第二电化学反应模型，确定阴极电流；
根据所述阳极电流、所述阴极电流以及电堆中单体电池数量确定电堆电流。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述氢燃料电池的运行状态，通过预设模糊控制算法控制所述加湿器，实现对气体的湿度控制包括：
若所述氢燃料电池的运行状态为第一运行状态，
根据所述电堆电流确定所述氢燃料电池的阴极压强和阳极压强，基于所述阴极压强和所述阳极压强的压强差，通过预设模糊控制算法控制所述加湿器的阀门信号，实现对所述气体的湿度控制。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述氢燃料电池的运行状态，通过预设模糊控制算法控制所述加湿器，实现对气体的湿度控制还包括：
若所述氢燃料电池的运行状态为第二运行状态，
将所述电堆电流与预设电流阈值的电流差值作为状态干扰向量，
基于所述加湿器对应的目标控制向量，以及所述状态干扰向量，通过所述预设模糊控制算法对应的目标函数，确定偏差状态向量；
根据所述偏差状态向量，通过局部优化算法确定对所述加湿器的控制量，实现对所述气体的湿度控制。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述偏差状态向量，通过局部优化算法确定对所述加湿器的控制量，实现对所述气体的湿度控制包括：
按照如下公式确定所述加湿器的控制量：
其中，Z表示控制量,v表示所述加湿器入口气体的相对湿度，M表示所述加湿器入口气体的摩尔质量，k表示所述加湿器入口气体的目标湿度，e表示，Wm表示目标控制向量，Ws表示状态干扰向量,h表示扰动输入，f(x)表示状态转换函数。
8.一种氢燃料电池，其特征在于，包括气体供给模块、气体流动模块、电磁阀、加湿器，还包括：
第一单元，用于基于预先构建的气体供给模型，以及所述气体流动模块所需的气体流量，通过动态控制所述电磁阀调节所述气体供给模块供给至所述气体流动模块的反应气体的气体流量；
第二单元，用于所述气体流动模块通过阳极流道、阴极流道以及预先构建的气体流动模型控制所述反应气体进行电化学反应，确定所述氢燃料电池的运行状态，其中，所述运行状态包括第一运行状态和第二运行状态，所述第一运行状态用于指示进行电化学反应所产生的电堆电流低于预设电流阈值，所述第二运行状态用于指示所述电堆电流高于所述预设电流阈值；
第三单元，用于根据所述氢燃料电池的运行状态，通过预设模糊控制算法控制所述加湿器，实现对气体的湿度控制。
9.一种氢燃料电池的湿度动态控制设备，其特征在于，包括：
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行权利要求1至7任意一项所述的氢燃料电池的湿度动态控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其特征在于，所述计算机程序指令被处理器执行时实现权利要求1至7任意一项所述的氢燃料电池的湿度动态控制方法。
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