一种燃料电池电堆的停机吹扫方法及装置与流程

1.本发明涉及燃料电池电堆停机吹扫技术领域，尤其涉及一种燃料电池电堆的停机吹扫方法及装置。


背景技术：

2.燃料电池电堆停机吹扫时，质子交换膜内所吸收的水（模态水）不易除去，这部分水的存在使得电堆在低温存储及启动过程中更易结冰，对电池结构会产生破坏，造成电堆的性能衰减。
3.目前的吹扫方式大多只是进行简单的吹扫，一些监测高频阻抗实现闭环的吹扫策略中大多未考虑质子交换膜内模态水的影响。


技术实现要素：

4.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种车载燃料电池的停机吹扫方法及装置，用以解决现有技术未能有效消除质子交换膜内模态水的问题。
5.一方面，本发明实施例提供了一种车载燃料电池的停机吹扫方法，包括如下步骤：获取不同环境温度下燃料电池的含水量低于预设值时的阻抗范围；接收到用户发出的整车关机指令后，监测当前时刻的环境温度，识别该环境温度对应的燃料电池的含水量低于预设值时的阻抗范围；对燃料电池电堆执行第一次吹扫，监测吹扫过程中电堆的实时高频阻抗，直到所述实时高频阻抗落入上述识别的阻抗范围，停止吹扫，并记录第一次吹扫时间；停止吹扫达预设时间后，再次监测环境温度，继续对燃料电池电堆执行吹扫，直到最后一次吹扫的时间达到指定阈值，对整车进行停机，并关闭燃料电池电堆。
6.上述技术方案的有益效果如下：根据环境温度与阻抗控制进行间歇式多次吹扫的方案，能够有效消除质子交换膜内模态水，使得燃料电池在低温存储及启动过程中不易结冰，不会对电池结构产生破坏，并增强电堆的使用性能，大幅度提高用户体验。
7.基于上述方法的进一步改进，所述获取不同环境温度下燃料电池的含水量低于预设值时的阻抗范围的步骤，进一步包括：获取燃料电池电堆的包括不同环境温度、阻抗、电池寿命对应的数据样本；对上述数据样本进行拟合，通过最佳逼近方法确定环境温度
‑
阻抗
‑
电池寿命的函数曲线；通过上述函数曲线，确定每一环境温度下燃料电池的额定寿命到最高寿命对应的阻抗范围，作为含水量低于预设值时的阻抗范围。
8.上述进一步改进方案的有益效果是：建立了环境温度
‑
阻抗
‑
电池寿命的输出关系，经研究发现，电池的寿命与质子交换膜内模态水含水量也有直接关系。虽然质子交换膜内模态水含水量不易确定，但通过对电池寿命的限定，可作为含水量评判的基准，使得后续吹风控制方案更加精准。
9.进一步，所述监测当前时刻的环境温度，识别该环境温度对应的燃料电池的含水量低于预设值时的阻抗范围的步骤，进一步包括：通过布设于整车车厢内的温度传感器，监测当前时刻的环境温度；识别上述环境温度对应的含水量低于预设值时的阻抗范围，并得出该阻抗范围对应的阻抗上下限。
10.上述进一步改进方案的有益效果是：限定了环境温度测量的方法，在整车不开启空调的情况下，车厢内的温度作为电池工作的环境温度更有利于精准调控。
11.进一步，所述对燃料电池电堆执行第一次吹扫的步骤，进一步包括：停止向所述燃料电池电堆通入燃料后，通过该电堆的空气进气口处的空气泵对燃料电池电堆内部进行第一次吹扫；通过阻抗测定装置监测上述吹扫过程中电堆的实时高频阻抗；将所述实时高频阻抗与所述阻抗上下限进行比较；如果所述实时高频阻抗大于阻抗上限，则对进气口处的空气进行加湿，并以第一吹气速度对燃料电池电堆执行吹扫，直到预设时间段内的实时高频阻抗均落在在该环境温度对应的阻抗范围内，结束第一次吹扫；如果所述实时高频阻抗在该环境温度对应的阻抗范围内，直接结束第一次吹扫；如果所述实时高频阻抗小于阻抗下限，则对进气口处的空气进行干燥，并以第二吹气速度对燃料电池电堆执行吹扫，直到预设时间段内的所述实时高频阻抗均落入该环境温度对应的阻抗范围后，结束第一次吹扫；记录上述第一次吹扫所耗费的时间，作为第一次吹扫时间。
12.上述进一步改进方案的有益效果是：只有质子膜的含水量处于预设范围内可电堆方可正常工作，如果实时高频阻抗大于阻抗上限，说明质子膜过干，需要适当加湿，如果实时高频阻抗小于阻抗下限，说明质子交换膜内模态水含水量过高，需要降低模态水含量。通过上述调控可以提升电堆的冷启动性能，并提高燃料电池耐久性及寿命。
13.进一步，每次吹扫结束后，停止吹扫的预设时间均相同；所述第二吹气速度大于第一吹气速度；每次吹扫，进气口处空气的湿度和压力均不得超过对应阈值。
14.上述进一步改进方案的有益效果是：通过上述停止吹扫的时间设置和吹气速度的设置，能够使得车载燃料电池的含水量始终保持在预设设为内，满足用户需求。
15.另一方面，本发明实施例提供了一种车载燃料电池的停机吹扫装置，包括：数据采集设备，用于采集燃料电池电堆的实时高频阻抗和整车车厢内的环境温度，发送至数据分析与控制设备；数据分析与控制设备，用于获取不同环境温度下燃料电池的含水量低于预设值时的阻抗范围；以及，接收到用户发出的整车关机指令后，识别当前时刻的环境温度对应的燃料电池的含水量低于预设值时的阻抗范围；控制执行机构对燃料电池电堆执行第一次吹扫，监测吹扫过程中电堆的实时高频阻抗，直到所述实时高频阻抗落入上述识别的阻抗范围，停止吹扫，并得出第一次吹扫时间；停止吹扫达预设时间后，再次监测环境温度，控制执行机构继续对燃料电池电堆执行吹扫，直到最后一次的吹扫时间达到指定阈值，对整车进行停机，并关闭燃料电池电堆；执行机构，用于根据所述数据分析与控制设备的控制启动后，对燃料电池电堆执
行相应吹扫。
16.采用上述进一步改进方案的有益效果是：根据环境温度与阻抗控制进行间歇式多次吹扫的方案，能够有效消除质子交换膜内模态水，使得燃料电池在低温存储及启动过程中不易结冰，不会对电池结构产生破坏，并增强电堆的使用性能，大幅度提高用户体验。
17.基于上述装置的进一步改进，所述数据采集设备包括：阻抗测定装置，与燃料电池电堆的供电端连接，用于采集燃料电池电堆的实时高频阻抗；温度传感器，设置于整车车厢内，用于采集整车车厢内的环境温度；湿度传感器，设置于燃料电池电堆的空气进气口管道内壁上，用于采集进气口处空气的湿度；压力传感器，设置于燃料电池电堆的空气进气口管道内壁上，用于采集进气口处空气的压力。
18.采用上述进一步改进方案的有益效果是：对数据采集设备的种类进行了限定，通过上述设置，能够使得吹扫方案更加精准地降低电堆中模态水含量，减小电堆低温存储状态结冰风险，同时提升电堆冷启动性能，提高燃料电池耐久性及寿命。
19.进一步，所述数据分析与控制设备进一步包括：历史数据分析模块，用于获取不同环境温度下燃料电池的额定寿命到最高寿命范围内的阻抗范围，作为燃料电池的含水量低于预设值时的阻抗范围，并存储；吹扫分析与控制模块，用于接收到用户发出的整车关机指令后，识别历史数据分析模块存储的当前时刻的环境温度对应的燃料电池的含水量低于预设值时的阻抗范围；以及，控制执行机构对燃料电池电堆执行第一次吹扫，监测吹扫过程中电堆的实时高频阻抗，以及进气口处空气的湿度和压力，直到所述实时高频阻抗落入上述识别的阻抗范围，且进气口处空气的湿度和压力满足预设阈值范围，停止吹扫，并得出第一次吹扫时间；停止吹扫达预设时间后，再次监测环境温度，控制执行机构继续对燃料电池电堆执行吹扫，直到最后一次的吹扫时间达到指定阈值，向关机模块发出关机指令；关机模块，用于接收到上述关机指令后，对整车进行停机，并关闭燃料电池电堆。
20.采用上述进一步改进方案的有益效果是：对数据分析与控制设备的机构进行了限定，通过上述设置，能够使得吹扫方案更加精准地降低电堆中模态水含量，提升电堆冷启动性能，并提高燃料电池的寿命。
21.进一步，所述执行机构进一步包括：空气泵，其输出端与燃料电池电堆的空气进气口连接，用于启动后根据数据分析与控制设备发出的吹扫指令，以预设吹气速度对燃料电池电堆内部进行吹扫；所述预设吹气速度包括第一吹气速度和第二吹气速度；增湿设备，其输出端也与燃料电池电堆的空气进气口连接，用于启动后根据数据分析与控制设备发出的增湿指令，对进气口处的空气进行加湿，直到预设时间段内的实时高频阻抗均落在在该环境温度对应的阻抗范围内，且进气口处空气的湿度和压力满足预设阈值范围，执行关闭增湿设备。
22.采用上述进一步改进方案的有益效果是：对执行机构的种类进行了限定，通过上述设置，能够使得停机后电堆中模态水含量处于预设范围内，提升电堆冷启动性能，并提高
燃料电池的寿命。
23.进一步，该停机吹扫装置还包括：尾气阀门，设置于燃料电池电堆的排气口处，其控制端与所述数据分析与控制设备的输出端连接；冷却水泵，输入、输出端分别与燃料电池堆的冷却液出水口和进水口连接，其控制端与所述数据分析与控制设备的输出端连接；散热器，设置于燃料电池堆的冷却液进水管道上，其控制端与所述数据分析与控制设备的输出端连接。
24.采用上述进一步改进方案的有益效果是：因为吹扫过程中会产生一定量的热量，通过设置尾气阀门、冷却水泵与散热器，进一步提高了吹扫效果。
25.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公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
26.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。
27.图1示出了实施例1车载燃料电池的停机吹扫方法步骤示意图；图2示出了实施例3车载燃料电池的停机吹扫装置结构示意图；图3示出了实施例4车载燃料电池的停机吹扫装置结构示意图。
具体实施方式
28.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开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公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
29.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。
30.高频阻抗：一种电化学表征手段，通过给被测对象施加微小的高频电流或者电压扰动信号，实现阻抗的测量；高频阻抗常用来表征质子交换膜燃料电池中的含水量。
31.实施例1本发明的一个实施例，公开了一种车载燃料电池的停机吹扫方法，如图1所示，包括如下步骤：s1. 获取不同环境温度下燃料电池的含水量低于预设值时的阻抗范围；s2. 接收到用户发出的整车关机指令后，监测当前时刻的环境温度，识别该环境
温度对应的燃料电池的含水量低于预设值时的阻抗范围；s3. 对燃料电池电堆执行第一次吹扫，监测吹扫过程中电堆的实时高频阻抗，直到所述实时高频阻抗落入上述识别的阻抗范围，停止吹扫，并记录第一次吹扫时间；s4. 停止吹扫达预设时间后，再次监测环境温度，继续对燃料电池电堆执行吹扫，直到最后一次吹扫的时间达到指定阈值，对整车进行停机，并关闭燃料电池电堆。
32.实施时，由于随着吹扫次数的增加，电堆内模态水不断减小，高频阻抗到达指定范围的时间t
i
也逐渐缩短，即实际表现t
n
<t
n
‑1<
…
t
i
…
<t2<t1。因此上述方案具备可实施性。
33.与现有技术相比，本实施例提供的装置是一种根据环境温度与阻抗控制进行间歇式多次吹扫的方案，能够有效消除质子交换膜内模态水，使得燃料电池在低温存储及启动过程中不易结冰，不会对电池结构产生破坏，并增强电堆的使用性能，大幅度提高用户的体验效果。
34.实施例2在实施例1的基础上进行优化，所述步骤s1进一步包括：s11. 获取燃料电池电堆的包括不同环境温度、阻抗、电池寿命对应的数据样本；s12. 对上述数据样本进行拟合，通过最佳逼近方法确定环境温度
‑
阻抗
‑
电池寿命的函数曲线；s13. 通过上述函数曲线，确定每一环境温度下燃料电池的额定寿命到最高寿命对应的阻抗范围，作为含水量低于预设值时的阻抗范围。
35.优选地，步骤s2进一步包括：s21. 接收到用户发出的整车关机指令后，通过布设于整车车厢内的温度传感器，监测当前时刻的环境温度；s22. 识别上述环境温度对应的含水量低于预设值时的阻抗范围，并得出该阻抗范围对应的阻抗上下限。
36.优选地，步骤s3进一步包括：s31. 停止向所述燃料电池电堆通入燃料后，通过该电堆的空气进气口处的空气泵对燃料电池电堆内部进行第一次吹扫；s32. 通过阻抗测定装置监测上述吹扫过程中电堆的实时高频阻抗；s33. 将所述实时高频阻抗与所述阻抗上下限进行比较；如果所述实时高频阻抗大于阻抗上限，则对进气口处的空气进行加湿，并以第一吹气速度对燃料电池电堆执行吹扫，直到预设时间段内的实时高频阻抗均落在在该环境温度对应的阻抗范围内，结束第一次吹扫；如果所述实时高频阻抗在该环境温度对应的阻抗范围内，直接结束第一次吹扫；如果所述实时高频阻抗小于阻抗下限，则对进气口处的空气进行干燥，并以第二吹气速度对燃料电池电堆执行吹扫，直到预设时间段内的所述实时高频阻抗均落入该环境温度对应的阻抗范围后，结束第一次吹扫；优选地，所述第二吹气速度大于第一吹气速度。优选地，吹扫过程中，进气口处空气的湿度和压力均不得超过对应阈值。
37.s34. 记录上述第一次吹扫所耗费的时间，作为第一次吹扫时间。
38.由于后续吹扫的方法与上面步骤s31~s34相同，电堆本领域技术人员能够理解，不再赘述。直到第n次吹扫时间小于等于预设阈值时，对整车进行停机，并关闭燃料电池。
39.每次吹扫结束后，停止吹扫的预设时间可根据不同的燃料电池或者燃料电池系
统，在不同的应用场景等自由选择。示例性地，功率80 kw的燃料电池电堆工作在常温常压下时，第一次吹扫后停止吹扫的预设时间可设置为15 s，第二次吹扫后停止吹扫的预设时间可设置为10 s。
40.优选地，每次吹扫结束后，停止吹扫的预设时间均相同。示例性地，功率80 kw的燃料电池电堆工作在常温常压下时，停止吹扫的预设时间可设置为10 s。
41.与实施例1相比，本实施例提供的方法进一步提出了燃料电池的额定寿命到最高寿命对应的阻抗范围，作为含水量低于预设值时的阻抗范围，进而执行对燃料电池的温度调控，调控更加精准，并有利于提高电池寿命。
42.实施例3本发明还公开了一种与实施例1对应的车载燃料电池的停机吹扫装置，包括依次连接或者无线数据传输的数据采集设备、数据分析与控制设备和执行机构，如图2所示。
43.数据采集设备，用于采集燃料电池电堆的实时高频阻抗和整车车厢内的环境温度，发送至数据分析与控制设备。
44.数据分析与控制设备，用于获取不同环境温度下燃料电池的含水量低于预设值时的阻抗范围；以及，接收到用户发出的整车关机指令后，识别当前时刻的环境温度对应的燃料电池的含水量低于预设值时的阻抗范围；控制执行机构对燃料电池电堆执行第一次吹扫，监测吹扫过程中电堆的实时高频阻抗，直到所述实时高频阻抗落入上述识别的阻抗范围，停止吹扫，并得出第一次吹扫时间；停止吹扫达预设时间后，再次监测环境温度，控制执行机构继续对燃料电池电堆执行吹扫，直到最后一次的吹扫时间达到指定阈值，对整车进行停机，并关闭燃料电池电堆。
45.执行机构，用于根据所述数据分析与控制设备的控制启动后，对燃料电池电堆执行相应吹扫。
46.实施例4在实施例3的基础上进行改进，公开了一种与实施例2方法对应的车载燃料电池的停机吹扫装置，所述数据采集设备进一步包括阻抗测定装置、温度传感器、湿度传感器和压力传感器。
47.阻抗测定装置，与燃料电池电堆的供电端连接，用于采集燃料电池电堆的实时高频阻抗。阻抗测定装置采用现有技术，可参见现有专利cn201480080557.9或cn201510924306.0。
48.温度传感器，设置于整车车厢内，用于采集整车车厢内的环境温度。
49.湿度传感器，设置于燃料电池电堆的空气进气口管道内壁上，用于采集进气口处空气的湿度。
50.压力传感器，设置于燃料电池电堆的空气进气口管道内壁上，用于采集进气口处空气的压力。
51.优选地，所述数据分析与控制设备进一步包括依次连接的历史数据分析模块、吹扫分析与控制模块、关机模块。吹扫分析与控制模块的输入端还与上述数据采集设备的输出端连接。
52.历史数据分析模块，用于获取不同环境温度下燃料电池的额定寿命到最高寿命范围内的阻抗范围，作为燃料电池的含水量低于预设值时的阻抗范围，并存储。
53.吹扫分析与控制模块，用于接收到用户发出的整车关机指令后，识别历史数据分析模块存储的当前时刻的环境温度对应的燃料电池的含水量低于预设值时的阻抗范围；以及，控制执行机构对燃料电池电堆执行第一次吹扫，监测吹扫过程中电堆的实时高频阻抗，以及进气口处空气的湿度和压力，直到所述实时高频阻抗落入上述识别的阻抗范围，且进气口处空气的湿度和压力满足预设阈值范围，停止吹扫，并得出第一次吹扫时间；停止吹扫达预设时间后，再次监测环境温度，控制执行机构继续对燃料电池电堆执行吹扫，直到最后一次的吹扫时间达到指定阈值，向关机模块发出关机指令。
54.关机模块，用于接收到上述关机指令后，对整车进行停机，并关闭燃料电池电堆。
55.优选地，所述执行机构进一步包括空气泵、增湿设备、尾气阀门、冷却水泵和散热器。
56.空气泵，其输出端与燃料电池电堆的空气进气口连接，用于启动后根据数据分析与控制设备发出的吹扫指令，以预设吹气速度对燃料电池电堆内部进行吹扫；所述预设吹气速度包括第一吹气速度和第二吹气速度。
57.增湿设备，其输出端也与燃料电池电堆的空气进气口连接，用于启动后根据数据分析与控制设备发出的增湿指令，对进气口处的空气进行加湿，直到预设时间段内的实时高频阻抗均落在在该环境温度对应的阻抗范围内，且进气口处空气的湿度和压力满足预设阈值范围，执行关闭增湿设备。
58.尾气阀门，设置于燃料电池电堆的排气口处，其控制端与数据分析与控制设备的输出端连接，用于排放电堆内产生的水以及未完成反应的剩余气体。
59.冷却水泵，输入、输出端分别与燃料电池堆的冷却液出水口和进水口连接，控制端与数据分析与控制设备的输出端连接。
60.散热器，设置于燃料电池堆的冷却液进水管道上，其控制端与数据分析与控制设备的输出端连接。
61.示例性地，如图3所示，可采用冷却水泵与散热器串联的方式，对燃料电池电堆进行降温。
62.以上已经描述了本公开的各实施例，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。