一种燃料电池的吹扫控制方法、系统、设备及计算机与流程

1.本发明涉及燃料电池吹扫技术领域，特别涉及一种燃料电池的吹扫控制方法、系统、设备及计算机。


背景技术：

2.燃料电池系统作为实现“碳中和”和“碳达峰”的重要技术路线，在国家大力提倡下，近年来技术革新不断。随着“示范运营”城市的政策落地，尤其是质子膜燃料电池迎来了行业发展的重要机遇。质子膜燃料电池是通过电化学反应将氢气能源转化为电能，在发电的同时会产生液态水。早冬日发动机不工作时，为避免系统内部液态水过多结冰而引发mea、膜增湿器失效等可靠性问题，低温环境下停机必须经过吹扫，借以确保燃料电池系统内部存储水量不影响部件寿命和正常工作。
3.而当前随着燃料电池系统功率越来愈大的趋势，多数系统会集成膜增湿器确保其运行寿命，但增湿器的集成也会加大吹扫难度。一般来说，为实现吹扫完成，需要保持吹扫过程中对应电堆温度，由于使用场景和停机前置工况的不确定性，可能存在关机时燃料电池堆温尚未达到吹扫目标温度的情况，吹扫温度若偏低，可能会导致吹扫不完成，以致燃料电池系统内部水量过多结冰引发mea、膜增湿器失效等可靠性问题。
4.现有技术一般在燃料电池系统上集成有外加热器，当遇到吹扫温度低于目标温度时，可以通过外部加热的方式提升堆温，确保吹扫完成，而若没有外加热的架构的燃料电池系统，一般要求电堆耐受多次冻融，损害电堆寿命。但在燃料电池系统外部增加外加热器，会使燃料电池系统的结构变得更为复杂，且成本相较更高，低温高耐受的电堆的设计的难度也更为大，材料成本也更高。


技术实现要素：

5.为了解决燃料电池系统冷吹扫时，需要控制电堆温度，以此达到更优的吹扫效果，本发明提供了一种燃料电池的吹扫控制方法、系统、设备及计算机，以解决燃料电池冷吹扫不便、或需增加额外成本的问题。
6.本发明的技术内容如下：
7.一种燃料电池的吹扫控制方法，包括以下步骤：
8.当fcu接收到燃料电池系统关机指令时，检测是否需要进行冷吹扫；
9.若燃料电池系统需要冷吹扫，确认堆温后基于预设冷吹扫策略进行冷吹扫；
10.若燃料电池系统不需要冷吹扫，进行常温吹扫。
11.进一步地，所述确认堆温包括：
12.判断电堆出口水温是否高于预设标定温度；
13.若是，执行预设冷吹扫策略，若否，进入自加热状态至电堆出口水温高于预设标定温度后执行预设冷吹扫策略。
14.进一步地，所述自加热状态包括降低阴极计量比，和控制冷却液流量。
15.进一步地，所述阴极计量比通过不同空气计量比下电堆电流与电堆电压的标定确定。
16.进一步地，所述预设冷吹扫策略包括提高燃料电池系统内空气路流量，和监控电堆在线阻抗值。
17.进一步地，在确认堆温后基于预设冷吹扫策略进行冷吹扫的过程中，所述方法还包括：
18.判断电堆在线阻抗值是否高于预设标定阻抗值；
19.若是，停止冷吹扫后，接受燃料电池系统关机指令，若否，继续冷吹扫。
20.进一步地，所述检测是否需要进行冷吹扫包括：通过温度传感器监测信息或云平台监测天气数据进行确认是否需要进行冷吹扫。
21.根据实施例一种燃料电池的吹扫控制方法，本发明提供了一种燃料电池的吹扫控制系统，包括：
22.燃料电池控制模块，用于接收燃料电池系统关机指令时，检测是否需要进行冷吹扫；
23.吹扫执行模块，用于执行燃料电池系统常温吹扫或冷吹扫操作；
24.关机模块，用于执行常温吹扫后关机或通过判断冷吹扫过程中的电堆在线阻抗值高于预设标定阻抗值后关机。
25.根据实施例一种燃料电池的吹扫控制方法，本发明提供了一种燃料电池的吹扫控制设备，包括：
26.存储器，用于存储计算机程序；
27.处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述任一项所述的燃料电池的吹扫控制方法的步骤。
28.根据实施例一种燃料电池的吹扫控制方法，本发明还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的燃料电池吹扫控制方法的步骤。
29.本发明的有益效果至少包括：
30.(1)本发明通过调控阴极计量比实现燃料电池系统在无外加热器的情况下快速加热，确保燃料电池因前置工况导致低温的情形下也可以完成冷吹扫的操作，表面燃料电池系统吹扫不完全时失效，同时提升燃料电池系统的可靠性；
31.(2)通过自加热及冷吹扫策略的配合，实现燃料电池系统冷吹扫操作，自加热的设计可取代现有技术中外加热器功能，既保证了堆温升温功能，又降低了燃料电池系统结构的复杂度及电堆设计难度，同时降低了整机成本。
附图说明
32.图1为本发明实施例1提出的一种燃料电池的吹扫控制方法的流程示意图。
33.图2为本发明实施例2提出的一种无外加热器的燃料电池的吹扫控制方法的流程示意图。
34.图3为本发明实施例3提出的一种无外加热器的燃料电池的吹扫控制装置的结构示意图。
35.其中，1-燃料电池电堆；2-交流阻抗件；3-直流电源变换器dcdc；4-燃料电池控制器fcu；5-整车控制器vcu；6-温度传感器；7-节温器；8-水泵；9-补偿水箱；10-去离子罐；11-散热器；12-空滤；13-流量计；14-空压机；15-中冷器；16-电控三通阀；17-尾排节气门；18-增湿器；19-氢气喷射器；20-引射器；21-入堆氢压传感器；22-安全阀；23-阳极分水件；24-尾排阀。
具体实施方式
36.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，都属于本发明保护的范围。
37.实施例1
38.结合图1所示，本实施例提供了一种燃料电池的吹扫控制方法，包括以下步骤：
39.当fcu接收到燃料电池系统关机指令时，检测是否需要进行冷吹扫；
40.若燃料电池系统需要冷吹扫，确认堆温后基于预设冷吹扫策略进行冷吹扫；
41.若燃料电池系统不需要冷吹扫，进行常温吹扫。
42.进一步地，所述确认堆温包括：
43.判断电堆出口水温是否高于预设标定温度；
44.若是，执行预设冷吹扫策略，若否，进入自加热状态至电堆出口水温高于预设标定温度后执行预设冷吹扫策略。
45.进一步地，所述自加热状态包括降低阴极计量比，和控制冷却液流量。
46.进一步地，所述阴极计量比通过不同空气计量比下电堆电流与电堆电压的标定确定。
47.进一步地，所述预设冷吹扫策略包括提高燃料电池系统内空气路流量，和监控电堆在线阻抗值。
48.进一步地，在确认堆温后基于预设冷吹扫策略进行冷吹扫的过程中，所述方法还包括：
49.判断电堆在线阻抗值是否高于预设标定阻抗值；
50.若是，停止冷吹扫后，接受燃料电池系统关机指令，若否，继续冷吹扫。
51.进一步地，所述检测是否需要进行冷吹扫包括：通过温度传感器监测信息或云平台监测天气数据进行确认是否需要进行冷吹扫。
52.实施例2
53.根据实施例1及图2所示，本实施例提供了一种无外加热器的燃料电池的吹扫控制方法，包括以下步骤：
54.首先，燃料电池系统在开机时，会自行检查各子系统通讯及对应各监测传感器原位数值是否正常，然后根据上位机或用户需求，通过fcu控制dcdc对应根据系统设计时标定得到的标准p-i曲线进行电流拉载。
55.其次，fcu根据接收到的指令进行降载关机操作，一般控制dcdc进行电流卸载，同步控制氢空水路部件响应对应电流下流量和压力需求，fcu在卸载的同时，通过环境温度传
感器或者数据云平台发布的日期及天气信息判断燃料电池系统是否需要进行冷吹扫。
56.若判断结果无需进行冷吹扫，即环境温度和天气信息显示气温会在0度以上，可执行常温吹扫，常温吹扫一般仅需去除电堆内部流道存水即可，因此用低频阻抗作为该步骤的跳出条件，若无在线交流阻抗，也可以通过固定吹扫时间为该步骤的跳出条件，吹扫完成后关机。
57.若判断结果需要进行冷吹扫，则进一步地判断电堆出口水温t
out
是否高于预设标定温度t
set
，若是，执行预设冷吹扫策略，若否，进入自加热状态至电堆出口水温高于预设标定温度后执行预设冷吹扫策略。
58.自加热状态包括降低阴极计量比λ，即在设定电流i下获得一个较低的整体电压值v，目的是为了降低燃料电池电堆电效率，提高对应热效率，同步控制冷却液流量，即控制冷却路小循环冷却液流量实现电堆快速暖机直至堆温达到t
set
。
59.阴极计量比通过不同空气计量比下电堆电流与电堆电压的标定确定，即设定电流i及整体电压值v进行标定确定，对应整体电压值v可根据下列公式确定：
[0060][0061]
其中，t为设计加热时长，单位为秒，n为电堆片数；
[0062]
dq/dt为系统小循环整体热容，可通过材料计算或者实际测试标定而得；
[0063]
t为实际堆温；v为整体电压，单位为v；i为拉载电流。
[0064]
执行冷吹扫策略时，即提高空气路流量进行强制吹扫，同时监控整堆在线阻抗r值。
[0065]
最后，判断电堆在线阻抗值r是否高于预设标定阻抗值r
set
；
[0066]
若是，停止冷吹扫后，接受燃料电池系统的关机指令，若否，继续冷吹扫。
[0067]rset
为低温停机要求值，可以根据不同环境温度需求进行变化，目的是为了保证冷吹扫完成但不过分吹扫，进一步提高燃料电池系统的可靠性和寿命。
[0068]
本实施例可以适配储能装置，同步启动2个或多个以上的机组，综合减小储能装置需求及快速响应需求。
[0069]
实施例3
[0070]
根据实施例2结合图3所示，本实施例提供了一种无外加热器的燃料电池的吹扫控制装置，包括有：
[0071]
燃料电池电堆(1)，
[0072]
交流阻抗件(2)，设置在所述燃料电池电堆(1)上；
[0073]
直流电源变换器dcdc(3)，与所述燃料电池电堆(1)连接；
[0074]
燃料电池控制器fcu(4)，与所述直流电源变换器dcdc(3)连接；
[0075]
整车控制器vcu(5)，用于将需求功率输入所述fcu(4)；
[0076]
氢气子系统、空气子系统、冷却子系统，均与所述燃料电池电堆(1)连接；
[0077]
其中，所述fcu(4)控制燃料电池系统进行常温吹扫或监测堆温大于预设堆温后进行冷吹扫；
[0078]
所述交流阻抗件(2)用于获取所述燃料电池电堆(1)的在线阻抗值，所述燃料电池系统通过在线阻抗值判断吹扫是否完成。
[0079]
进一步地，所述装置还包括加热循环系统，所述加热循环系统与所述燃料电池电堆(1)连接形成加热回路，所述加热循环系统包括节温器(7)与水泵(8)，所述燃料电池电堆(1)通过所述加热循环系统控制循环回路内的冷却液流量及fcu降低燃料电池电堆(1)阴极计量比提升堆温。
[0080]
进一步地，所述燃料电池电堆(1)冷却液进、出口端上均设置有温度传感器(6)。
[0081]
进一步地，所述燃料电池电堆(1)空气进、出口端上连接有同一个增湿器(18)。
[0082]
进一步地，所述空气子系统包括空滤(12)、流量计(13)、空压机(14)、中冷器(15)、电控三通阀(16)与尾排节气门(17)，所述空滤(12)、流量计(13)、空压机(14)、中冷器(15)与电控三通阀(16)依次连接，所述电控三通阀(16)通过增湿器(18)与燃料电池电堆(1)连接，所述尾排节气门(17)设置在燃料电池电堆(1)空气出口端，所述燃料电池电堆(1)通过增湿器(18)与尾排节气门(17)连接。
[0083]
进一步地，所述氢气子系统包括氢气喷射器(19)、引射器(20)、入堆氢压传感器(21)、安全阀(22)、阳极分水件(23)及尾排阀(24)，所述氢气喷射器(19)、引射器(20)、入堆氢压传感器(21)、安全阀(22)、燃料电池电堆(1)、阳极分水件(23)与尾排阀(24)依次连接，所述阳极分水件(23)与引射器(20)连接。
[0084]
进一步地，所述冷却子系统包括散热器(11)、去离子罐(10)与补偿水箱(9)，所述散热器(11)两端分别与所述燃料电池电堆(1)冷却液进、出口端连接，所述去离子罐(10)两端分别与所述补偿水箱(9)及燃料电池电堆(1)冷却液进口端连接，所述补偿水箱(9)还与所述燃料电池电堆(1)冷却液出口端、水泵(8)连接。
[0085]
交流阻抗件(2)用以监测电堆阻抗值是否达到低温停机要求值。
[0086]
引射器(20)可以通过氢气循环泵代替，所述阳极分水件(23)与引射器(20)连接。
[0087]
电控三通阀(16)可以通过进气阀代替。
[0088]
通过本实施例的装置，可以在燃料电池系统无外加热器时，实现自加热技术。
[0089]
实施例4
[0090]
根据实施例1提供的实施方案，本实施例提供了一种燃料电池的吹扫控制系统，包括：
[0091]
燃料电池控制模块，用于接收燃料电池系统关机指令时，检测是否需要进行冷吹扫；
[0092]
吹扫执行模块，用于执行燃料电池系统常温吹扫或冷吹扫操作；
[0093]
关机模块，用于执行常温吹扫后关机或通过判断冷吹扫过程中的电堆在线阻抗值高于预设标定阻抗值后关机。
[0094]
实施例5
[0095]
根据实施例1提供的实施方案，本实施例提供了一种燃料电池的吹扫控制设备，包括：
[0096]
存储器，用于存储计算机程序；
[0097]
处理器，用于执行所述计算机程序时实现实施1提供的任一项所述的燃料电池的吹扫控制方法的步骤。
[0098]
实施例6
[0099]
根据实施例1提供的实施方案，本实施例还提供了一种计算机存储介质，所述计算
机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1提供的任一项所述的燃料电池吹扫控制方法的步骤。
[0100]
通过上述多个实施例可知，本发明在不外设加热器的情况下，实现自加热技术，有效保障燃料电池系统因前置工况导致停机堆温不足时，可以通过fcu控制电堆自加热及控制加热循环系统冷却液流量，以实现燃料电池系统的正常吹扫，同时通过监测交流阻抗件，以判断吹扫是否完成，在该装置实施过程中，不损害电堆寿命，并且简化了现有燃料电池系统的结构，节约了成本。
[0101]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。