CN116525891A - 基于燃料电池排水量的控制装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于燃料电池排水量的控制装置及控制方法。其中基于燃料电池排水量的控制装置，包括：氢气子系统与电堆连通，所述空气子系统与电堆连通，所述冷却子系统与电堆连通，所述控制模块分别与氢气子系统、空气子系统、冷却子系统电连接；氢气子系统包括氢气供应装置、氢气循环装置、分水装置、水位监测装置和排水装置；氢气供应装置与电堆连通，所述电堆反应后的产物经分水装置后分离为气体和水，气体部分经氢气循环装置进入电堆，水经水位监测装置和排水装置后进入尾排，所述空气子系统与尾排连通。通过设置水位监测装置监测膜内水含量，因水位监测装置监测的即时性，从而达到及时发现堆内水平衡异常并完成闭环调节的目的。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其是涉及一种基于燃料电池排水量的控制装置及控制方法。
背景技术
燃料电池正常运行的基础是质子交换膜处于润湿程度良好的状态，过干情况下质子转移受阻且阻抗增大，过湿情况下会出现堵水单低现象，因此燃料电池运行过程中内部的“水平衡”对于燃料电池的稳定运行及耐久性起着决定性作用。
现有燃料电池的水平衡主要通过监测平均单片电压、单片电压一致性及高低频阻抗实现。
但是采用监测平均单片电压、单片电压一致性及高低频阻抗进行监测，时间延迟较为严重，当水平衡偏离正常值较大时单片电压及阻抗才会出现明显变化，且可以反应燃料电池扩散阻抗的低频阻抗测量时间较长。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于燃料电池排水量的控制装置及控制方法，至少部分的解决现有技术中存在的监测时间延迟严重问题。
第一方面，本公开实施例提供了一种基于燃料电池排水量的控制装置，包括：氢气子系统、空气子系统、冷却子系统和控制模块；
所述氢气子系统与电堆连通，所述空气子系统与电堆连通，所述冷却子系统与电堆连通，所述控制模块分别与氢气子系统、空气子系统、冷却子系统电连接；
所述氢气子系统包括氢气供应装置、氢气循环装置、分水装置、水位监测装置和排水装置；
所述氢气供应装置与电堆连通，所述电堆反应后的产物经分水装置后分离为气体和水，气体部分经氢气循环装置进入电堆，水经水位监测装置和排水装置后进入尾排，所述空气子系统与尾排连通。
可选的，所述氢气循环装置，包括氢气循环泵、氢气引射器和排气阀。
可选的，所述空气子系统，包括空滤、空压机、中冷器、增湿器、进出口节气门和三通阀。
可选的，所述冷却子系统，包括水泵、节温器、PTC加热器和散热器，所述冷却液依次经水泵、节温器、PTC加热器和散热器进入电堆。
第二方面，本公开实施例还提供了一种基于燃料电池排水量的控制方法，使用第一方面任一所述的装置，包括：
根据水位监测装置的触发时间和分水装置的容积计算得到电堆阳极在单位时间内的排水量X；
获取各工况点下电堆阳极在单位时间内的正常排水量Y；
基于膜电极及电堆计算得到的电堆阳极排水量误差范围Z；
比较排水量Y与误差范围Z的和与排水量X的大小,基于排水量X和排水量Y得到排水量变化值,基于排水量变化值对空气子系统的空气压力或冷却子系统的冷却液温度进行调节，从而维持电堆内的水平衡。
可选的，所述比较排水量Y与误差范围Z的和与排水量X的大小,基于排水量X和排水量Y得到排水量变化值,基于排水量变化值对空气子系统的空气压力或冷却子系统的冷却液温度进行调节，从而维持电堆内的水平衡，包括：
当X＞Y+Z时，则进行差值运算得出排水量增加值S1；
根据S1值判断所需要升高的冷却液温度范围，基于升高的温度范围将冷却液升温至目标温度，完成堵水闭环调节。
可选的，所述基于温度范围将冷却液升温至目标温度，包括通过调节节温器和散热器，或者通过PTC加热器对冷却液进行升温。
可选的，所述比较排水量Y与误差范围Z的和与排水量X的大小,基于排水量X和排水量Y得到排水量变化值,基于排水量变化值对空气子系统的空气压力或冷却子系统的冷却液温度进行调节，从而维持电堆内的水平衡，包括：
当X＜Y-Z时，则进行差值运算得出排水量减小值S2；
根据S2值判断所需要降低的冷却液温度范围，基于降低的温度范围将冷却液降温至目标温度。
可选的，所述基于降低的温度范围将冷却液降温至目标温度，包括：
通过调节节温器和散热器，将冷却液降温至目标温度。
可选的，所述根据S2值判断所需要降低的冷却液温度范围，基于降低的温度范围将冷却液降温至目标温度，包括：
若当前环境温度不能满足散热需求，根据S2值判断需要提升的空气压力，通过调节空压机和进出口节气门将空气压力提升至目标值。
本发明提供的基于燃料电池排水量的控制装置及控制方法，其中该基于燃料电池排水量的控制装置，通过设置水位监测装置监测膜内水含量，因水位监测装置监测的即时性，从而达到及时发现堆内水平衡异常并完成闭环调节的目的。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1为本公开实施例提供的基于燃料电池排水量的控制装置的原理框图；
图2为本公开实施例提供的基于燃料电池排水量的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
应当明确，以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图示中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
为了便于理解，如图1所示，本实施例公开了一种基于燃料电池排水量的控制装置，包括：氢气子系统、空气子系统、冷却子系统和控制模块；
所述氢气子系统与电堆连通，所述空气子系统与电堆连通，所述冷却子系统与电堆连通，所述控制模块分别与氢气子系统、空气子系统、冷却子系统电连接；
所述氢气子系统包括氢气供应装置、氢气循环装置、分水装置、水位监测装置和排水装置；
所述氢气供应装置与电堆连通，所述电堆反应后的产物经分水装置后分离为气体和水，气体部分经氢气循环装置进入电堆，水经水位监测装置和排水装置后进入尾排，所述空气子系统与尾排连通。
可选的，所述氢气循环装置，包括氢气循环泵、氢气引射器和排气阀。
可选的，所述空气子系统，包括空滤、空压机、中冷器、增湿器、进出口节气门和三通阀；
所述空气依次经空滤、空压机、中冷器、增湿器、进出口节气门和三通阀进入电堆，所述三通阀的一个出口与电堆连通，所述三通阀的另一个出口与尾排连通，其连接关系只是一个示例性说明，并不仅限于此，现有的燃料电池的空气气系统的连接关系均可。
可选的，所述冷却子系统，包括水泵、节温器、PTC加热器和散热器，所述冷却液依次经水泵、节温器、PTC加热器和散热器进入电堆。
氢气子系统：包括且不限于氢气供应装置(氢喷、比例阀、减压阀等)，氢气循环装置(氢气循环泵、氢气引射器、排气阀等)，分水装置(分水件)，水位监测装置(液位传感器)，排水装置(排水阀)等；
空气子系统：包括且不限于空滤、空压机、中冷器、增湿器、进出口节气门、三通阀、尾排等装置；
冷却子系统：包括且不限于水泵、节温器、PTC加热器、散热器等装置；
系统控制模块：通过算法控制燃料电池系统正常运行。
如图2所示，本实施例还公开了一种基于燃料电池排水量的控制方法，使用第一方面任一所述的装置，包括：
根据水位监测装置的触发时间和分水装置的容积计算得到电堆阳极在单位时间内的排水量X；
获取各工况点下电堆阳极在单位时间内的正常排水量Y；
基于膜电极及电堆计算得到的电堆阳极排水量误差范围Z；
比较排水量Y与误差范围Z的和与排水量X的大小,基于排水量X和排水量Y得到排水量变化值,基于排水量变化值对空气子系统的空气压力或冷却子系统的冷却液温度进行调节，从而维持电堆内的水平衡。
可选的，所述比较排水量Y与误差范围Z的和与排水量X的大小,基于排水量X和排水量Y得到排水量变化值,基于排水量变化值对空气子系统的空气压力或冷却子系统的冷却液温度进行调节，从而维持电堆内的水平衡，包括：
当X＞Y+Z时，则进行差值运算得出排水量增加值S1。
根据S1值判断所需要升高的冷却液温度范围，基于升高的温度范围将冷却液升温至目标温度，完成堵水闭环调节。
可选的，所述基于温度范围将冷却液升温至目标温度，包括通过调节节温器和散热器，或者通过PTC加热器对冷却液进行升温。
可选的，所述比较排水量Y与误差范围Z的和与排水量X的大小,基于排水量X和排水量Y得到排水量变化值,基于排水量变化值对空气子系统的空气压力或冷却子系统的冷却液温度进行调节，从而维持电堆内的水平衡，包括：
当X＜Y-Z时，则进行差值运算得出排水量减小值S2；
根据S2值判断所需要降低的冷却液温度范围，基于降低的温度范围将冷却液降温至目标温度。
可选的，所述基于降低的温度范围将冷却液降温至目标温度，包括：
通过调节节温器和散热器，将冷却液降温至目标温度。
可选的，所述根据S2值判断所需要降低的冷却液温度范围，基于降低的温度范围将冷却液降温至目标温度，包括：
若当前环境温度不能满足散热需求，根据S2值判断需要提升的空气压力，通过调节空压机和进出口节气门将空气压力提升至目标值。
燃料电池系统在正常工作时，由空压机压缩空气保证进堆的空气流量和压力，经过中冷器和增湿器后，入堆空气达到合适的湿度，在阴极侧氧气参与反应生产水，在浓差作用下，水会由阴极侧扩散至阳极侧；在阳极主要通过氢气循环装置控制氢气压力，通过氢气循环装置控制氢气流量及回流再利用，通过分水器将阴极扩散至阳极的水与阳极侧氢气进行分离，当水积攒至一定量时触发液位传感器，此时程序会控制排水阀开启将阳极侧的液态水排出；在冷却系统中，通过水泵转速控制进出堆冷却液的温差，通过节温器控制大小循环冷却路，必要时通过PTC对冷却液进行加热升温。
当燃料电池系统正常运行时，在各个工况点下由阴极侧扩散至阳极侧的水量应当为固定值，这样既能保证膜电极良好的润湿状态，又能防止阳极侧出现堵水；图2所示，根据氢气子系统中液位传感器触发时间，结合分水件容积，可以间接的推算出阳极在单位时间内的排水量X，通过结合理论计算与模型仿真，可以得出在各工况点下阳极在单位时间内的正常排水量Y。
根据不同膜电极及电堆，可以通过理论计算和模型仿真得出排水量误差范围Z，即排水量在±Z范围内时，不触发水平衡闭环调节；当X＞Y+Z时，说明阳极排水量增大，即由于阴极产水过多导致阴极扩散至阳极的水量增大，该情况下阳极会有局部堵水风险，根据排水量变化值S1大小，实施对应的闭环调节策略；当X＜Y+Z时，说明阳极排水量减小，即由于阴极产水量减小导致阴极扩散至阳极的水量减小，该情况下膜电极会有过干的风险，根据排水量变化值S2大小，实施对应的闭环调节策略。
当燃料电池系统运行在高温高湿环境或由于某些原因导致空气入堆流量不足时，阴极排水量会相对较少，因此由阴极扩散至阳极的水量会增大，对应着液位传感器触发时间变短。
当控制模块识别到液位传感器触发时间变短后，会根据当前触发时间计算阳极排水量X并与理论排水量Y进行比较，若X＞Y+Z，则进行差值运算得出排水量增加值S1。
根据S1值大小，判断所需要升高的冷却液温度范围，控制模块通过调节节温器和散热器，必要时可以开启PTC，将冷却液升温至目标温度，进而完成堵水闭环调节。
当燃料电池运行在低温干燥环境或增湿器性能出现衰减时，入堆空气湿度会有所减小，阴极排水量会相对增大，因此由阴极扩散至阳极的水量会有所减小，严重时可能会出现膜干的情况，对于液位传感器触发周期延长。
当控制模块识别到液位传感器触发时间延长后，会根据当前触发周期计算阳极排水量X并与理论排水量Y进行比较，若X＜Y-Z，则进行差值运算得出排水量减小值S2。
根据S2值大小，判断所需要降低的冷却液温度范围，控制模块通过调节节温器和散热器，将冷却液降温至目标温度，若当前环境温度不能满足散热需求，可以根据S2值判断需要提升的空气压力，控制模块通过调节空压机和节气门将空气压力提升至目标值，进而完成膜干闭环调节。
本实施例的装置和方法具有以下优点：
1.通过液位传感器触发周期间接判断阳极排水量，根据阳极排水量判断堆内膜电极的干湿状态，进而通过控制模块完成闭环调节，可以保证堆内水平衡处于良好状态，提升性能稳定性及燃料电池耐久性；
2.通过液位传感器触发时间推算堆内水平衡的方法耗时较短，能够及时发现堆内水平衡异常并完成闭环调节；
3.该技术方案实现方法简单，基于当前系统无需添加额外的辅助零部件。以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本公开为必须采用上述具体的细节来实现。
在本公开中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，本公开中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
另外，如在此使用的，在以“至少一个”开始的项的列举中使用的“或”指示分离的列举，以便例如“A、B或C的至少一个”的列举意味着A或B或C，或AB或AC或BC，或ABC(即A和B和C)。此外，措辞“示例的”不意味着描述的例子是优选的或者比其他例子更好。
还需要指出的是，在本公开的系统和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本公开的等效方案。
可以不脱离由所附权利要求定义的教导的技术而进行对在此所述的技术的各种改变、替换和更改。此外，本公开的权利要求的范围不限于以上所述的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法和动作的具体方面。可以利用与在此所述的相应方面进行基本相同的功能或者实现基本相同的结果的当前存在的或者稍后要开发的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法或动作。因而，所附权利要求包括在其范围内的这样的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法或动作。
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本公开。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本公开的范围。因此，本公开不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本公开的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。
Claims (10)
1.一种基于燃料电池排水量的控制装置，其特征在于，包括：氢气子系统、空气子系统、冷却子系统和控制模块；
所述氢气子系统与电堆连通，所述空气子系统与电堆连通，所述冷却子系统与电堆连通，所述控制模块分别与氢气子系统、空气子系统、冷却子系统电连接；
所述氢气子系统包括氢气供应装置、氢气循环装置、分水装置、水位监测装置和排水装置；
所述氢气供应装置与电堆连通，所述电堆反应后的产物经分水装置后分离为气体和水，气体部分经氢气循环装置进入电堆，水经水位监测装置和排水装置后进入尾排，所述空气子系统与尾排连通。
2.根据权利要求1所述的基于燃料电池排水量的控制装置，其特征在于，所述氢气循环装置，包括氢气循环泵、氢气引射器和排气阀。
3.根据权利要求1所述的基于燃料电池排水量的控制装置，其特征在于，所述空气子系统，包括空滤、空压机、中冷器、增湿器、进出口节气门和三通阀。
4.根据权利要求1所述的基于燃料电池排水量的控制装置，其特征在于，所述冷却子系统，包括水泵、节温器、PTC加热器和散热器，所述冷却液依次经水泵、节温器、PTC加热器和散热器进入电堆。
5.一种基于燃料电池排水量的控制方法，使用权利要求1至4任一所述的装置，其特征在于，包括：
根据水位监测装置的触发时间和分水装置的容积计算得到电堆阳极在单位时间内的排水量X；
获取各工况点下电堆阳极在单位时间内的正常排水量Y；
基于膜电极及电堆计算得到的电堆阳极排水量误差范围Z；
比较排水量Y与误差范围Z的和与排水量X的大小,基于排水量X和排水量Y得到排水量变化值,基于排水量变化值对空气子系统的空气压力或冷却子系统的冷却液温度进行调节，从而维持电堆内的水平衡。
6.根据权利要求5所述的基于燃料电池排水量的控制方法，其特征在于，所述比较排水量Y与误差范围Z的和与排水量X的大小,基于排水量X和排水量Y得到排水量变化值,基于排水量变化值对空气子系统的空气压力或冷却子系统的冷却液温度进行调节，从而维持电堆内的水平衡，包括：
当X＞Y+Z时，则进行差值运算得出排水量增加值S1；
根据S1值判断所需要升高的冷却液温度范围，基于升高的温度范围将冷却液升温至目标温度，完成堵水闭环调节。
7.根据权利要求6所述的基于燃料电池排水量的控制方法，其特征在于，所述基于温度范围将冷却液升温至目标温度，包括通过调节节温器和散热器，或者通过PTC加热器对冷却液进行升温。
8.根据权利要求5所述的基于燃料电池排水量的控制方法，其特征在于，所述比较排水量Y与误差范围Z的和与排水量X的大小,基于排水量X和排水量Y得到排水量变化值,基于排水量变化值对空气子系统的空气压力或冷却子系统的冷却液温度进行调节，从而维持电堆内的水平衡，包括：
当X＜Y-Z时，则进行差值运算得出排水量减小值S2；
根据S2值判断所需要降低的冷却液温度范围，基于降低的温度范围将冷却液降温至目标温度。
9.根据权利要求8所述的基于燃料电池排水量的控制方法，其特征在于，所述基于降低的温度范围将冷却液降温至目标温度，包括：
通过调节节温器和散热器，将冷却液降温至目标温度。
10.根据权利要求8所述的基于燃料电池排水量的控制方法，其特征在于，所述根据S2值判断所需要降低的冷却液温度范围，基于降低的温度范围将冷却液降温至目标温度，包括：
若当前环境温度不能满足散热需求，根据S2值判断需要提升的空气压力，通过调节空压机和进出口节气门将空气压力提升至目标值。
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2023
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