一种氢燃料电池耐久测评中流量和压力的协同控制方法与流程

1.本发明涉及氢燃料电池技术领域，尤其是涉及一种氢燃料电池耐久测评中流量和压力的协同控制方法。


背景技术：

2.随着环保要求的日益提高和化石能源的枯竭，氢能越来越受到世界各国的重视。氢燃料电池，又称质子交换膜燃料电池(pemfc)，是一种以氢气为燃料的先进能源转化装置，具有高效、清洁和续航里程长等优点，其工作温度低并且能够在低温下快速启动，是目前最适合作为车辆发动机的燃料电池。为了制备出具有高性能、低成本、长寿命的燃料电池产品，推进燃料电池商业化应用，燃料电池的耐久性更加受到业界的关注。
3.在车辆运行过程中，频繁变工况是引起燃料电池寿命降低的最主要原因，因为电流载荷的瞬态变化会引起反应气压力、流量、温度和湿度等频繁波动，从而导致材料本身或部件结构的机械性损伤。其中，燃料电池在加载瞬间，由于流量的响应滞后于加载的电信号，会引起燃料电池出现短期饥饿现象，瞬间的燃料饥饿会使阳极电位升高，导致碳氧化反应的发生。另外，压力的波动会导致燃料电池单片一致性较差。在实际测试中加载和流量的变化也会引起背压膜的压力波动，使电堆进口压力工作在不稳定的区间，影响了燃料电池的性能。
4.现有技术对于耐久测试中大变载加载的控制策略一般采用计量比模式，该模式会导致供气量不足，即电堆“饥饿”，使电堆输出功率降低，甚至使质子交换膜烧损。采用“前馈”控制策略，即在加载前预置一定量的反应气，可在一定程度上减少“缺气”现象，但在大变载情况下，电流的骤增会引起流量的突然增大，进而引起压力波动，参见图2，造成电堆进出口压差过大，对膜电极造成损坏，降低燃料电池的性能。
5.公开号为cn111106366a的专利公开了一种用于测试燃料电池性能的燃料电池电堆测试台，该测试台通过增加背压控制模块装置来实时快速调节背压，设计复杂成本较高，且只能单一控制压力波动情况，不能实现流量和压力的协同控制。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种氢燃料电池耐久测评中流量和压力的协同控制方法，以此解决燃料电池因压力波动引起的膜电极两侧压差过大的情况，降低耐久测试对膜电极的损坏，提高燃料电池的寿命。
7.因此，申请人在构思历程中认为有效控制气体供给系统的压力、流量是提升燃料电池效率和可靠性的关键，设计有效的气体供应系统的控制策略使得供气量快速响应负载功率请求，维持电堆内反应气体压力稳定，对于提高燃料电池效率和延长其使用寿命有着重要意义。
8.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
9.本发明提供了一种氢燃料电池耐久测评中流量和压力的协同控制方法，包括以下
步骤：
10.s001：根据氢燃料电池耐久工况信息计算燃料电池所需氢气和空气的流量；
11.s002：以大变载加载过程中采取添加中间缓冲点设定值的控制方式，得到流量和压力的多个分步设定点；
12.s003：安装连接燃料电池电堆与燃料电池测试台，启动燃料电池测试台；
13.s004：将燃料电池测试台的供气方式选择流量模式，以先设定流量值，再设定压力值为一步的方式进行加载，得到一个阳极、阴极进出口压力的变化数据；
14.s005：基于s002中得到的多个分步设定点，循环进行各分步，完成大变载加载过程。
15.进一步地，s001中，所述工况信息包括电流增幅范围和阳极、阴极压力增幅范围。
16.进一步地，s001中，基于电流增幅范围的起点值分别计算得到氢气、空气流量的起点值。
17.进一步地，s001中，基于电流增幅范围的终点值分别计算得到氢气、空气流量的终点值。
18.进一步地，s001中，所需氢气流量的计算方式为：
[0019][0020]
进一步地，s001中，所需空气流量的计算方式为：
[0021][0022]
式中：f
h2
和f
air
分别为氢气和空气的流量，st为计量比；
[0023]
22.42为1mol氢气在标准状态下的体积；
[0024]
60秒为1分钟转换单位；
[0025]
96485c为1摩尔电子所携带的电荷量；
[0026]
式(1)中2为1摩尔氢气转移的电子数量；
[0027]
式(2)中4为1摩尔氧气转移的电子数量，0.21为空气中氧气的含量。
[0028]
进一步地，s002中，先判断该加载速率是否符合大变载工况，再采取添加中间缓冲点设定值的控制方式。
[0029]
进一步地，s002中，基于大变载加载过程中缓冲点的增加历程，均匀设置中间氢气流量缓冲点、中间空气流量缓冲点、中间阳极压力缓冲点、中间阴极压力缓冲点。
[0030]
进一步地，s002中，所述中间氢气流量缓冲点的步长为5～18nlpm，所述中间空气流量缓冲点的步长为15～25nlpm。
[0031]
进一步地，s002中，所述阳极、阴极压力缓冲点的步长为10～30kpa。
[0032]
与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
[0033]
1)本方法在测试过程中采用流量模式，避免了在计量比模式下电流突然增大引起流量在短时间内大幅度增加导致的压力波动现象；
[0034]
2)本方法减少了耐久测试对膜电极的损害，压力波动容易引起电堆阳极和阴极较大的压差，会对膜电极的机械强度产生一定的负面影响；
[0035]
3)本方法提升了燃料电池堆的耐久性能。在流量模式下，测试平台会先响应设定
的气体流量，再改变电流密度，避免在电流密度增大时产生的缺气现象，而在计量比模式下，测试平台会先响应电流密度变化，再响应流量变化，存在电堆的缺气的风险，降低燃料电池堆的耐久性能。
附图说明
[0036]
图1示出了本发明流量和压力的控制方法的流程图。
[0037]
图2示出了现有技术前控制方法压力数据图。
[0038]
图3示出了本发明控制方法压力数据图。
具体实施方式
[0039]
本发明中燃料电池电堆耐久测试过程中流量和压力的协同控制方法，本方法主要是在确定氢燃料电池耐久测试工况后，首先计算出燃料电池在各个电流点下需要的流量，然后在测试过程中采用“设置流量
→
调节压力
→
大变载加载”的方式进行测试，最终保证测试过程中流量和压力的稳定变化。与现有技术相比，本发明方法采用流量模式代替计量比模式，避免了在计量比模式下引起的电堆缺气情况，最大程度地减小了压力在大变载过程中的波动，有效解决了燃料电池因压力波动引起的膜电极两侧压差过大的情况，降低耐久测试对膜电极的损坏，提高燃料电池的寿命。
[0040]
具体地，本发明中氢燃料电池耐久测评中流量和压力的协同控制方法，该方法包括如下步骤：
[0041]
s001、根据耐久工况信息计算燃料电池所需流量(如下所示)：流量计算可根据燃料电池内部化学反应过程中，不同工况点所需消耗的电荷体积与电子转移的总电荷量的比值来计算，计算公式如下：
[0042][0043][0044]
式中：f
h2
和f
air
分别为氢气和空气的流量，st为计量比；
[0045]
22.42为1mol氢气在标准状态下的体积；
[0046]
60秒为1分钟转换单位；
[0047]
96485c为1摩尔电子所携带的电荷量；
[0048]
式(1)中2为1摩尔氢气转移的电子数量；
[0049]
式(2)中4为1摩尔氧气转移的电子数量，0.21为空气中氧气的含量。
[0050]
s002、在大变载加载过程中采取添加中间缓冲点设定值的控制方法，将流量和压力分为若干部分分步设定；
[0051]
s003、将燃料电池电堆与燃料电池测试台安装连接，启动燃料电池测试台；
[0052]
s004、供气方式选择流量模式，并采用“设置流量
→
调节压力
→
变载加载”的方式；
[0053]
s005、循环进行，完成大变载加载过程。
[0054]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的结构/模块名称、控制模式、算法、工艺过程或组成配比等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。
[0055]
实施例1
[0056]
本实施例提供了一种燃料电堆耐久测试中流量和压力的协同控制方法，具体步骤如图1所示。
[0057]
本实施例耐久测试工况中要求一片数为15片的燃料电池堆的电流从457a增加至697a，阳极压力从100kpa增加至160kpa，阴极压力从90kpa增加至150kpa，初步判断该加载速率符合大变载工况，可增加中间缓冲点进行流量和压力的控制，该控制方法包括如下步骤：
[0058]
(1)根据公式计算工况点所需流量，457a所需氢气、空气的流量分别为72nlpm、178nlpm；697a所需的氢气、空气流量分别为105nlpm、232nlpm；
[0059]
(2)计算各个缓冲点所需流量，可增加缓冲点的氢气流量值(单位：nlpm)为：72、83、94、105；对应的空气流量值(单位：nlpm)分别为：178、196、214、232；阳极压力缓冲点(单位：kpa)可为：100、115、130、145、160；阴极压力缓冲点(单位：kpa)可为：90、105、120、135、150；
[0060]
(3)将燃料电池电堆与燃料电池测试台安装连接，对设备软、硬件进行检查，确认无误后启动燃料电池测试台，正常运行电堆测试；
[0061]
(4)供气方式选择流量模式，根据上述气体流量和压力缓冲点，先设定流量值，再设定压力值，最后进行加载，其中阳极进出口压力如图3所示；
[0062]
(5)循环进行，完成大变载加载过程。以此避免了在电流密度增大时产生的缺气现象，而在计量比模式下，测试平台会先响应电流密度变化，再响应流量变化，存在电堆的缺气的风险，降低燃料电池堆的耐久性能。
[0063]
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。