CN116995270A - 燃料电池自适应排氮控制方法及燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池自适应排氮控制方法及燃料电池系统，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术不适合复杂应用场景且容易出现氢气浪费、单片电压过低现象的问题。该方法包括：S1.确定在不同环境压力、不同环境温度下燃料电池关机静置不同时间的氢腔内氢气浓度变化曲线；S2.在燃料电池本次开机时，获取燃料电池上一次关机时间、环境压力、环境温度，结合上述氢腔内氢气浓度变化曲线，预测当前时刻燃料电池氢腔内氢气浓度；S3.识别预测的燃料电池氢腔内氢气浓度是否低于目标浓度，若是，控制燃料电池系统开机过程不进行排氮操作，否则，进一步根据预测的燃料电池氢腔内氢气浓度确定排氮时间，控制燃料电池系统开机过程执行排氮操作。

Description

燃料电池自适应排氮控制方法及燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池自适应排氮控制方法及燃料电池系统。

背景技术

燃料电池的运行过程中，需要保证氢腔的浓度达到一定浓度，以保证氢气的充分供给，避免出现单片电压过低的现象。现有技术一般采用在开机过程中控制排氮阀的开启周期、开启时间、关闭时间，将上次关机后氢腔内进入的以氮气为主的气体进行氮气置换，以保证进入燃料电池运行状态后氢腔内氢气浓度充足，防止单片电压偏低影响电堆寿命。

目前，燃料电池系统中排氮阀的控制一般采用固定开启周期、固定开启时间。该控制方案是以氢腔内氢气浓度为0的情况作为标定依据，若排氮阀的开启频率偏低或开启时间过短，会造成电堆阳极杂质过多，导致单片电压偏低。

在燃料电池使用过程中，应用场景多且复杂，排氮阀固定开启周期、开启时间的方案并不具备场景识别度，无法避免单片电压偏低现象。而如果关机后立马开机，此时氢腔内氢气浓度比较高，排氮阀开启频率偏高或开启时间长，会排放过量的氢气，造成氢气资源浪费，系统效率明显降低。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种燃料电池自适应排氮控制方法，用以解决现有技术不适合复杂应用场景且容易出现氢气浪费、单片电压过低现象的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池自适应排氮控制方法，包括如下步骤：

S1.确定在不同环境压力、不同环境温度下燃料电池关机静置不同时间的氢腔内氢气浓度变化曲线；

S2.在燃料电池本次开机时，获取燃料电池上一次关机时间、环境压力、环境温度，结合上述氢腔内氢气浓度变化曲线，预测当前时刻燃料电池氢腔内氢气浓度；

S3.识别预测的燃料电池氢腔内氢气浓度是否低于目标浓度，如果是，控制燃料电池系统开机过程不进行排氮操作，否则，进一步根据预测的燃料电池氢腔内氢气浓度确定排氮时间，控制燃料电池系统开机过程执行该排氮时间的排氮操作。

上述技术方案的有益效果如下：提供了一种自适应调整燃料电池开机排氮时间的控制策略，用于燃料电池在开机过程中自适应地根据使用场景调整排氮周期，以保证燃料电池能够快速满足正常运行状态的氢浓度。动态调整开机排氮时间，能够保证燃料电池系统在进入运行状态时能够达成运行时的氢腔浓度值，避免单低情况出现。又能够避免排氮频率偏高或开启时间长，会排放过量的氢气，导致尾排氢浓度过高产生安全风险。

基于上述燃料电池自适应排氮控制方法的进一步改进，步骤S1进一步包括：

S11.通过试验测定在不同环境压力、不同环境温度下燃料电池关机静置不同时间的氢腔内氢气浓度变化曲线；

S12.将上述在不同环境压力、不同环境温度下燃料电池关机静置不同时间的氢腔内氢气浓度变化曲线上传至云平台进行存储。

进一步，步骤S2进一步包括：

S21.燃料电池每次关机时，将其关机时间上传至云平台进行存储；

S22.在燃料电池本次开机时，燃料电池系统向云平台发出获取上一次关机时间的指令，获取燃料电池上一次关机时间，进而确定静置时间；

S23.获取当前时刻的环境压力、环境温度，燃料电池系统向云平台继续发出获取与当前时刻的环境温度、环境温度匹配的氢腔内氢气浓度变化曲线的指令，获取相应的氢腔内氢气浓度变化曲线；

S24.根据获取的氢腔内氢气浓度变化曲线，结合静置时间，得出当前时刻燃料电池氢腔内氢气浓度预测值。

另一方面，本发明实施例提供了使用上述方法的燃料电池系统，包括执行上述方法的控制器，还包括电堆、空气调控子系统、氢气调控子系统、冷却液调控子系统、尾排；其中，

冷却液调控子系统进一步包括散热器、加热器、节温器；其中，节温器的输入端接电堆的冷却液出口，其输出端一经散热器接电堆的冷却液进口，其输出端二经加热器接电堆的冷却液进口；

控制器，还用于控制空气调控子系统、氢气调控子系统、冷却液调控子系统的运行，以完成燃料电池系统的启动、运行、关机。

进一步，空气调控子系统进一步包括空压机、中冷器、增湿器、尾排节气门；其中，

电堆的空气进口依次经增湿器的支路一、中冷器接空压机的输出端，其空气尾气出口依次经增湿器的支路二、尾排节气门接尾排；

控制器的输出端接空压机、尾排节气门的控制端。

进一步，空气调控子系统还包括流量计、电控三通阀；其中，

流量计设于空压机的进气口处，用于获取进入空压机内的气体流量，发送至控制器；

电控三通阀设于空压机、中冷器之间，其输入端接空压机的输出端，其输出端一接中冷器，其输出端二接尾排，其控制端接控制器的输出端。

进一步，氢气调控子系统进一步包括氢源、减压阀、截止阀、引射器、分水件、近端排水阀、排气阀；其中，

引射器的射流入口依次经截止阀、减压阀接氢源，其引流入口接分水件的出气口，其汇流出口接电堆的氢气进口；分水件的进气口接电堆的氢气尾气出口，其出水口经近端排水阀接尾排，其出气口还经排气阀接尾排；

分水件的腔体内设置有液位传感器，用于实时获取分水件内液位高度，发送至控制器；

控制器的输出端接减压阀、截止阀、近端排水阀、排气阀的控制端。

进一步，氢气调控子系统还包括安全阀、开关阀、氢气循环泵；其中，

安全阀设于减压阀、截止阀之间，并与减压阀进行了集成；

分水件的出气口还依次经开关阀、氢气循环泵接电堆的氢气进口；

控制器的输出端还接安全阀、开关阀、氢气循环泵的控制端。

进一步，氢气调控子系统还包括主路比例阀和旁路比例阀；其中，

截止阀的输出端一路依次经主路比例阀、引射器接电堆的氢气进口，另一路经旁通比例阀接电堆的氢气进口；

板式换热器设于截止阀的前端，其输入端接安全阀，其输出端依次经截止阀、主路比例阀接引射器的射流入口。

进一步，氢气调控子系统还包括远端排水阀；并且，

电堆的氢气调控子系统的对侧底部设置有排水口，该排水口经远端排水阀接尾排。

提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本发明的重要特征或必要特征，也无意限制本发明的范围。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了实施例1燃料电池自适应排氮控制方法组成示意图；

图2示出了实施例1旁通管路及阀件布设示意图；

图3示出了实施例3燃料电池系统组成示意图；

图4示出了实施例3燃料电池系统详细组成示意图。

附图标记

P1-第一气压传感器；P2-第二气压传感器；P3-第三气压传感器。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

实施例1

本发明的一个实施例，公开了一种燃料电池自适应排氮控制方法，如图1～2所示，包括如下步骤：

S1.确定在不同环境压力、不同环境温度下燃料电池关机静置不同时间的氢腔内氢气浓度变化曲线；

具体地，燃料电池系统关机后氢腔内氢气浓度会不断地下降，可以通过试验标定测试在不同环境压力、不同环境温度下，燃料电池关机静置不同时间情况下，氢腔内氢气浓度的变化曲线；

S2.在燃料电池本次开机时，获取燃料电池上一次关机时间、环境压力、环境温度，结合上述氢腔内氢气浓度变化曲线，预测当前时刻燃料电池氢腔内氢气浓度；

具体地，通过当前时刻与燃料电池上一次关机时间可确定静置时间，通过该静置时间可定位当前环境压力、环境温度下氢腔内氢气浓度变化曲线上的具体点，即预测当前时刻燃料电池氢腔内氢气浓度；

S3.识别预测的燃料电池氢腔内氢气浓度是否低于目标浓度，如果是，控制燃料电池系统开机过程不进行排氮操作(即不启动排氮)，否则，进一步根据预测的燃料电池氢腔内氢气浓度确定排氮时间，控制燃料电池系统开机过程执行该排氮时间的排氮操作(启动排氮，并自适应地确定排氮时间)。

实施时，上述燃料电池自适应排氮控制方法适用于有排氮阀、无排氮阀存在的燃料电池系统。对于无专门排氮阀存在的燃料电池系统，排氮功能是通过排气阀与排水阀来实现的，参见已公开的中国专利CN219086009U、CN114361512B等，以及实施例2。

与现有技术相比，本实施例提供了一种自适应调整燃料电池开机排氮时间的控制策略，用于燃料电池在开机过程中自适应地根据使用场景调整排氮周期，以保证燃料电池能够快速满足正常运行状态的氢浓度。动态调整开机排氮时间，能够保证燃料电池系统在进入运行状态时能够达成运行时的氢腔浓度值，避免单低情况出现。又能够避免排氮频率偏高或开启时间长，会排放过量的氢气，导致尾排氢浓度过高产生安全风险。

实施例2

在实施例1的基础上进行改进，步骤S1进一步包括：

S11.通过试验测定在不同环境压力、不同环境温度下燃料电池关机静置不同时间的氢腔内氢气浓度变化曲线(一组数据)；

S12.将上述在不同环境压力、不同环境温度下燃料电池关机静置不同时间的氢腔内氢气浓度变化曲线(多组数据)上传至云平台进行存储。

步骤S2进一步包括：

S21.燃料电池每次关机时，将其关机时间上传至云平台进行存储；

S22.在燃料电池本次开机时，燃料电池系统向云平台发出获取上一次关机时间的指令，获取燃料电池上一次关机时间，进而确定静置时间(通过当前时刻减去燃料电池上一次关机时间获得)；

S23.获取当前时刻的环境压力、环境温度，燃料电池系统(控制器)向云平台继续发出获取与当前时刻的环境温度、环境温度匹配的氢腔内氢气浓度变化曲线的指令，获取相应的氢腔内氢气浓度变化曲线；

S24.燃料电池系统根据获取的氢腔内氢气浓度变化曲线，结合静置时间，得出当前时刻燃料电池氢腔内氢气浓度预测值。

优选地，识别预测的燃料电池氢腔内氢气浓度不低于目标浓度，进一步根据预测的燃料电池氢腔内氢气浓度确定排氮周期和每一周期内的开启时间，控制燃料电池系统开机过程执行该排氮周期和开启时间的排氮操作。

与现有技术相比，本实施例提供的燃料电池自适应排氮控制方法具有如下有益效果：

1、通过云平台控制燃料电池开机排氮时间，可保证燃料电池系统在满足氢浓度的条件下快速进入运行状态。

2、燃料电池关机后，通过云平台结合不同场景，可实时估计氢腔内氢气浓度。通过云平台后台数据进行燃料电池场景识别(环境压力、环境温度)，根据燃料电池上次运行的状态即关机后停放时间(静置时间)，在开机过程中确定燃料电池氢腔内氢气浓度。

3、燃料电池开机过程中，根据氢腔内氢气浓度不同，动态标定排氮周期与开启时间。既能够快速进入运行状态又能够避免排氮频率偏高或开启时间长，会排放过量的氢气。

实施例3

本发明的另一个实施例，公开了一种具有自适应排氮功能的燃料电池系统，包括电堆、空气调控子系统、氢气调控子系统、冷却液调控子系统、尾排以及控制器，如图3所示。

控制器执行实施例1或2所述方法的程序以进行开机过程的排氮，以及，控制空气调控子系统、氢气调控子系统、冷却液调控子系统的运行，以完成燃料电池系统的启动、运行、关机。

空气调控子系统通过空压机为阴极提供反应所需的空气。氢气调控子系统中通过控制比例阀及氢气循环泵保证阳极的氢气流量及压力。冷却液调控子系统通过节温器控制大小循环支路，保证了系统的正常运行温度。

冷却液调控子系统进一步包括散热器、加热器、节温器，如图4所示。其中，节温器的输入端接电堆的冷却液出口，其输出端一经散热器接电堆的冷却液进口，其输出端二经加热器接电堆的冷却液进口。

空气调控子系统进一步包括空压机、中冷器、增湿器、尾排节气门。其中，电堆的空气进口依次经增湿器的支路一、中冷器接空压机的输出端，其空气尾气出口依次经增湿器的支路二、尾排节气门接尾排。控制器的输出端接空压机、尾排节气门的控制端。

优选地，空气调控子系统还包括流量计、电控三通阀。其中，流量计设于空压机的进气口处，用于获取进入空压机内的气体流量，发送至控制器。电控三通阀设于空压机、中冷器之间，其输入端接空压机的输出端，其输出端一接中冷器，其输出端二接尾排，其控制端接控制器的输出端。

氢气调控子系统进一步包括氢源、减压阀、截止阀、引射器、分水件、近端排水阀(即靠近氢气调控子系统的排水控制阀)、排气阀。其中，引射器的射流入口依次经截止阀、减压阀接氢源，其引流入口接分水件的出气口，其汇流出口接电堆的氢气进口；分水件的进气口接电堆的氢气尾气出口，其出水口经近端排水阀接尾排，其出气口还经排气阀接尾排。

分水件的腔体内设置有液位传感器，用于实时获取分水件内液位高度，发送至控制器。

控制器的输出端接减压阀、截止阀、近端排水阀、排气阀的控制端。

优选地，氢气调控子系统还包括安全阀、开关阀、氢气循环泵。其中，安全阀设于减压阀、截止阀之间，且其与减压阀进行了集成；分水件的出气口还依次经开关阀、氢气循环泵接电堆的氢气进口。

控制器的输出端还接安全阀、开关阀、氢气循环泵的控制端。

优选地，氢气调控子系统还包括主路比例阀和旁路比例阀。其中，截止阀的输出端一路依次经主路比例阀、引射器接电堆的氢气进口，另一路经旁通比例阀接电堆的氢气进口。

板式换热器设于截止阀的前端，其输入端接安全阀，其输出端依次经截止阀、主路比例阀接引射器的射流入口。

优选地，氢气调控子系统还包括远端排水阀(即远离氢气调控子系统的排水控制阀)。并且，电堆的氢气调控子系统的对侧底部设置有排水口，该排水口经远端排水阀接尾排。

优选地，氢气调控子系统还包括第一气压传感器P1、第二气压传感器P2、第三气压传感器P3。其中，第一气压传感器P1设置于截止阀的输出端，为高压传感器；第二气压传感器P2设置于主比例阀的输出端，为中压传感器；第三气压传感器P3设置于电堆的氢气进口处，为低压传感器。

控制器，还用于显示上述液位传感器、第一气压传感器P1、第二气压传感器P2、第三气压传感器P3的实时数据。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种燃料电池自适应排氮控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.确定在不同环境压力、不同环境温度下燃料电池关机静置不同时间的氢腔内氢气浓度变化曲线；

S2.在燃料电池本次开机时，获取燃料电池上一次关机时间、环境压力、环境温度，结合上述氢腔内氢气浓度变化曲线，预测当前时刻燃料电池氢腔内氢气浓度；

S3.识别预测的燃料电池氢腔内氢气浓度是否低于目标浓度，如果是，控制燃料电池系统开机过程不进行排氮操作，否则，进一步根据预测的燃料电池氢腔内氢气浓度确定排氮时间，控制燃料电池系统开机过程执行该排氮时间的排氮操作。

2.根据权利要求1所述的燃料电池自适应排氮控制方法，其特征在于，步骤S1进一步包括：

S11.通过试验测定在不同环境压力、不同环境温度下燃料电池关机静置不同时间的氢腔内氢气浓度变化曲线；

S12.将上述在不同环境压力、不同环境温度下燃料电池关机静置不同时间的氢腔内氢气浓度变化曲线上传至云平台进行存储。

3.根据权利要求2所述的燃料电池自适应排氮控制方法，其特征在于，步骤S2进一步包括：

S21.燃料电池每次关机时，将其关机时间上传至云平台进行存储；

S22.在燃料电池本次开机时，燃料电池系统向云平台发出获取上一次关机时间的指令，获取燃料电池上一次关机时间，进而确定静置时间；

S23.获取当前时刻的环境压力、环境温度，燃料电池系统向云平台继续发出获取与当前时刻的环境温度、环境温度匹配的氢腔内氢气浓度变化曲线的指令，获取相应的氢腔内氢气浓度变化曲线；

S24.根据获取的氢腔内氢气浓度变化曲线，结合静置时间，得出当前时刻燃料电池氢腔内氢气浓度预测值。

4.一种具有自适应排氮功能的燃料电池系统，其特征在于，包括执行权利要求1-3任一项所述方法的控制器，还包括电堆、空气调控子系统、氢气调控子系统、冷却液调控子系统、尾排；其中，

冷却液调控子系统进一步包括散热器、加热器、节温器；其中，节温器的输入端接电堆的冷却液出口，其输出端一经散热器接电堆的冷却液进口，其输出端二经加热器接电堆的冷却液进口；

控制器，还用于控制空气调控子系统、氢气调控子系统、冷却液调控子系统的运行，以完成燃料电池系统的启动、运行、关机。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，空气调控子系统进一步包括空压机、中冷器、增湿器、尾排节气门；其中，

电堆的空气进口依次经增湿器的支路一、中冷器接空压机的输出端，其空气尾气出口依次经增湿器的支路二、尾排节气门接尾排；

控制器的输出端接空压机、尾排节气门的控制端。

6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，空气调控子系统还包括流量计、电控三通阀；其中，

流量计设于空压机的进气口处，用于获取进入空压机内的气体流量，发送至控制器；

电控三通阀设于空压机、中冷器之间，其输入端接空压机的输出端，其输出端一接中冷器，其输出端二接尾排，其控制端接控制器的输出端。

7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，氢气调控子系统进一步包括氢源、减压阀、截止阀、引射器、分水件、近端排水阀、排气阀；其中，

引射器的射流入口依次经截止阀、减压阀接氢源，其引流入口接分水件的出气口，其汇流出口接电堆的氢气进口；分水件的进气口接电堆的氢气尾气出口，其出水口经近端排水阀接尾排，其出气口还经排气阀接尾排；

分水件的腔体内设置有液位传感器，用于实时获取分水件内液位高度，发送至控制器；

控制器的输出端接减压阀、截止阀、近端排水阀、排气阀的控制端。

8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，氢气调控子系统还包括安全阀、开关阀、氢气循环泵；其中，

安全阀设于减压阀、截止阀之间，并与减压阀进行了集成；

分水件的出气口还依次经开关阀、氢气循环泵接电堆的氢气进口；

控制器的输出端还接安全阀、开关阀、氢气循环泵的控制端。

9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，氢气调控子系统还包括主路比例阀、旁路比例阀、板式换热器；其中，

截止阀的输出端一路依次经主路比例阀、引射器接电堆的氢气进口，另一路经旁通比例阀接电堆的氢气进口；

板式换热器设于截止阀的前端，其输入端接安全阀，其输出端依次经截止阀、主路比例阀接引射器的射流入口。

10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于，氢气调控子系统还包括远端排水阀；并且，

电堆的氢气调控子系统的对侧底部设置有排水口，该排水口经远端排水阀接尾排。