大功率燃料电池供氢循环系统、方法、装置及存储介质与流程

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种大功率燃料电池供氢循环系统、方法、装置及存储介质。

背景技术：

1、在相关技术中，cn115775899a公开了一种燃料电池系统动态控制方法、电子设备及储存介质，所述燃料电池系统包括燃料电池电堆、发动机控制系统、冷却回路子系统、阴极回路子系统、阳极回路子系统和电力回路子系统，所述控制方法包括：电力回路子系统按照发动机控制系统的预设特性曲线进行自主随动调整，使燃料电池系统输出的电流和电压计算所得的一类变量和二类变量符合预设特性曲线；发动机控制系统控制冷却回路子系统和阴极回路子系统；阳极回路子系统以阴极回路子系统的变化状态进行自动调整。

2、cn115411312a提供了一种燃料电池氢气再循环系统、控制方法及燃料电池系统，涉及燃料电池控制领域，该燃料电池氢气再循环系统与燃料电池堆相连接，包括：第一循环通路、第二循环通路以及氢气再循环通路；其中，第一循环通路中设置有：空压机、加湿器和背压阀；第二循环通路中设置有排氢阀、气液分离器和氢循环装置；氢气再循环通路中设置有流量控制阀，利用流量控制阀实现了将第一循环通路中的空气废气作为第二循环通路的氢循环装置的循环动力，减少了燃料电池辅助系统的功率需求，提升了系统的整机效率，从而提高了氢气循环的执行效率。

3、cn115241496a提供了一种燃料电池的气水分离系统、控制方法及燃料电池系统，涉及燃料电池控制领域，该燃料电池的气水分离系统与燃料电池堆相连接，包括：第一空气通路、第二空气通路以及气液分离通路；其中，第一空气通路中包括：进气系统、空压机、中冷器、加湿器以及背压阀；第二空气通路中包括：流量控制阀、气液分离器以及排氢阀；气液分离通路中包括：氢循环系统以及气液分离器；该燃料电池的气水分离系统可利用第二空气通路中设置的第一叶轮带动气液分离器中的第二叶轮，实现了将第一通路中的排气能量利用至气液分离器中，为气液分离器中的气液分离提供了额外动力，从而提高了气液分离通路的工作效率。

4、然而，相关技术中，在排出燃烧后的水汽和氮气时，均可能排出大量未燃烧的氢气，造成氢气的浪费，而回收氢气的过程中，可能掺杂有氮气和水分，造成氢气纯度不高，再次输入燃料电池堆进行燃烧时可能造成燃料电池堆的功率不足，甚至引起安全问题。

5、公开于本技术背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本技术的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种大功率燃料电池供氢循环系统、方法、装置及存储介质，能够减少氢气的浪费，并精确控制燃料电池堆的输出功率。

2、本发明实施例的第一方面，提供一种大功率燃料电池供氢循环系统，包括：喷氢比例阀、引射器、氢气循环泵、氮氢水分离器、控制器以及检测组件；

3、所述喷氢比例阀连接至氢气气源，用于控制氢气的输入流量；

4、所述喷氢比例阀连接至引射器，所述引射器用于提高氢气流速，获得高速氢气流，并输入燃料电池堆的氢气入口；

5、所述氮氢水分离器用于对燃料电池堆输出的混合介质中的氮气、液态水和氢气进行分离，排出液态水和氮气，并将氢气输入引射器和/或氢气循环泵；

6、所述氢气循环泵用于将氢气输入燃料电池堆的氢气入口；

7、所述检测组件用于检测所述燃料电池堆的氢气入口处氢气的流量、温度和流速，氮氢水分离器输出的氢气流量，以及燃料电池堆的实际输出功率；

8、所述控制器用于：

9、根据所述燃料电池堆的预设输出功率，确定所述喷氢比例阀输入的氢气的初始输入流量；

10、根据所述初始输入流量生成初始控制信号并发送至所述喷氢比例阀；

11、根据所述燃料电池堆的氢气入口处氢气的流量、温度和流速、所述燃料电池堆的实际输出功率和预设输出功率，确定在各个控制周期中，氮氢水分离器输出的氢气输入引射器的氢气流量和输入氢气循环泵的氢气流量的目标流量比；

12、根据所述目标流量比，生成各个控制周期的比例控制信号，并发送至所述氮氢水分离器；

13、根据所述燃料电池堆的氢气入口处氢气的流量、温度和流速，氮氢水分离器输出的氢气流量、所述目标流量比，以及所述燃料电池堆的实际输出功率和预设输出功率，确定在各个控制周期中所述喷氢比例阀输入的氢气的目标输入流量；

14、根据在各个控制周期中所述喷氢比例阀输入的氢气的目标输入流量，生成各个控制周期的流量控制信号，并发送至所述喷氢比例阀。

15、根据本发明的实施例，所述氮氢水分离器包括一级分离器、二级分离器、储水体和电磁阀；

16、其中，所述一级分离器用于对所述混合介质中的液态水进行分离，并输入储水体，以及对分离液态水后的第一混合气体进行氮氢分离，获得氢气以及第二混合气体，其中，第二混合气体中的氢气含量低于第一混合气体中的氢气含量；

17、所述二级分离器用于对第二混合气体进行分离，获得氢气和氮气；

18、所述电磁阀包括对所述储水体中的液态水进行排放的第一电磁阀，以及对氮气进行排放的第二电磁阀；

19、所述第一电磁阀在所述储水体中的液态水储量达到预设的储量阈值的情况下打开，使得液态水排出；

20、所述第二电磁阀在所述氮氢水分离器开始工作的情况下打开，使得氮气排出。

21、根据本发明的实施例，所述检测组件还用于检测排出的氮气的湿度以及所述排出的氮气中的氢气含量，所述二级分离器具有第三电磁阀，在所述第三电磁阀开启的情况下使得所述二级分离器与外界空气连通；

22、所述控制器还用于：在所述排出的氮气的湿度大于或等于湿度阈值的情况下，连接所述二级分离器与所述储水体之间的通路，使得排出的氮气进入所述储水体，并控制所述第一电磁阀打开；

23、在所述排出的氮气中的氢气含量大于或等于含量阈值的情况下，打开所述第三电磁阀，使外界空气进入所述二级分离器。

24、根据本发明的实施例，根据所述燃料电池堆的氢气入口处氢气的流量、温度和流速、所述燃料电池堆的实际输出功率和预设输出功率，确定在各个控制周期中，氮氢水分离器输出的氢气输入引射器的氢气流量和输入氢气循环泵的氢气流量的目标流量比，包括：

25、将第1个控制周期的目标流量比设定为预设流量比；

26、在第i个控制周期中，根据所述燃料电池堆的实际输出功率和预设输出功率、燃料电池堆的氢气入口处氢气的流量、温度和流速、氢气入口处氢气的预设温度以及氮氢水分离器输出的氢气流量，确定在第i个控制周期的目标流量比，其中，i为大于1的整数。

27、根据本发明的实施例，在第i个控制周期中，根据所述燃料电池堆的实际输出功率和预设输出功率、燃料电池堆的氢气入口处氢气的流量、温度和流速、氢气入口处氢气的预设温度以及氮氢水分离器输出的氢气流量，确定在第i个控制周期的目标流量比，包括：

28、根据边界条件，对优化函数进行优化，获得第i个控制周期中燃料电池堆的氢气入口处氢气的流速vi的最优解，并将流速vi的最优解确定为目标流速vmi，其中，gi为燃料电池堆的氢气入口处氢气的流量，其中，ghi为第i个控制周期中喷氢比例阀的氢气输入流量，gsi为第i个控制周期中氮氢水分离器输出的氢气流量，p（gi，vi）为燃料电池堆在氢气入口处氢气的流量为gi且氢气的流速为vi的情况下的实际输出功率，且p（gi，vi）与gi正相关，与vi反相关，ps为预设输出功率，t（gi，vi）为燃料电池堆的氢气入口处在氢气的流量为gi且氢气的流速为vi的情况下的温度，且t（gi，vi）与gi和vi均正相关，ts为预设温度，△p为第一功率误差，△t为第一温度误差，优化方向为使△p和△t最小化；

29、根据边界条件，对优化函数进行优化，获得第i个控制周期中的氮氢水分离器输出的氢气输入引射器的氢气流量和输入氢气循环泵的氢气流量的流量比ri的最优解，并将流量比ri的最优解确定为第i个控制周期的目标流量比rmi，其中，gei为第i个控制周期中氮氢水分离器输出的氢气输入引射器的氢气流量，gpi为第i个控制周期中氮氢水分离器输出的氢气输入氢气循环泵的氢气流量，△v为第一流速误差，v（gi，ri）为在氢气入口处流量为gi，且流量比为ri情况下的实际流速，且v（gi，ri）与gi和ri均正相关，优化方向为使△v最小化。

30、根据本发明的实施例，根据所述燃料电池堆的氢气入口处氢气的流量、温度和流速，氮氢水分离器输出的氢气流量、所述目标流量比，以及所述燃料电池堆的实际输出功率和预设输出功率，确定在各个控制周期中所述喷氢比例阀输入的氢气的目标输入流量，包括：

31、将第1个控制周期的目标输入流量确定为所述初始输入流量；

32、在第i个控制周期中，根据所述燃料电池堆的氢气入口处氢气的流量、温度和流速，氮氢水分离器输出的氢气流量、所述目标流量比和所述目标流速，以及所述燃料电池堆的实际输出功率和预设输出功率，确定在第i个控制周期中所述喷氢比例阀输入的氢气的目标输入流量，其中，i为大于1的整数。

33、根据本发明的实施例，在第i个控制周期中，根据所述燃料电池堆的氢气入口处氢气的流量、温度和流速，氮氢水分离器输出的氢气流量、所述目标流量比和所述目标流速，以及所述燃料电池堆的实际输出功率和预设输出功率，确定在第i个控制周期中所述喷氢比例阀输入的氢气的目标输入流量，包括：

34、对优化函数进行优化，获得第i个控制周期中所述燃料电池堆的氢气入口处氢气的流量gi的最优解，并将所述燃料电池堆的氢气入口处氢气的流量gi的最优解确定为目标流量gmi，其中，p（gi，vmi）为燃料电池堆在氢气入口处氢气的流量为gi且氢气的流速为vmi的情况下的实际输出功率，v（gi，rmi）为在氢气入口处流量为gi，且流量比为rmi情况下的实际流速，为第二功率误差，为第二流速误差，优化方向为使和最小化；

35、根据公式，确定第i个控制周期中所述喷氢比例阀输入的氢气的目标输入流量ghmi。

36、根据本发明的第二方面，提供一种大功率燃料电池供氢循环方法，包括：

37、根据燃料电池堆的预设输出功率，确定喷氢比例阀输入的氢气的初始输入流量；

38、根据所述初始输入流量生成初始控制信号并发送至所述喷氢比例阀；

39、根据所述燃料电池堆的氢气入口处氢气的流量、温度和流速、所述燃料电池堆的实际输出功率和预设输出功率，确定在各个控制周期中，氮氢水分离器输出的氢气输入引射器的氢气流量和输入氢气循环泵的氢气流量的目标流量比；

40、根据所述目标流量比，生成各个控制周期的比例控制信号，并发送至所述氮氢水分离器；

41、根据所述燃料电池堆的氢气入口处氢气的流量、温度和流速，氮氢水分离器输出的氢气流量、所述目标流量比，以及所述燃料电池堆的实际输出功率和预设输出功率，确定在各个控制周期中所述喷氢比例阀输入的氢气的目标输入流量；

42、根据在各个控制周期中所述喷氢比例阀输入的氢气的目标输入流量，生成各个控制周期的流量控制信号，并发送至所述喷氢比例阀。

43、根据本发明的第三方面，提供一种大功率燃料电池供氢循环装置，包括：

44、初始输入流量确定模块，用于根据燃料电池堆的预设输出功率，确定喷氢比例阀输入的氢气的初始输入流量；

45、第一发送模块，用于根据所述初始输入流量生成初始控制信号并发送至所述喷氢比例阀；

46、目标流量比确定模块，用于根据所述燃料电池堆的氢气入口处氢气的流量、温度和流速、所述燃料电池堆的实际输出功率和预设输出功率，确定在各个控制周期中，氮氢水分离器输出的氢气输入引射器的氢气流量和输入氢气循环泵的氢气流量的目标流量比；

47、第二发送模块，用于根据所述目标流量比，生成各个控制周期的比例控制信号，并发送至所述氮氢水分离器；

48、目标输入流量确定模块，用于根据所述燃料电池堆的氢气入口处氢气的流量、温度和流速，氮氢水分离器输出的氢气流量、所述目标流量比，以及所述燃料电池堆的实际输出功率和预设输出功率，确定在各个控制周期中所述喷氢比例阀输入的氢气的目标输入流量；

49、第三发送模块，用于根据在各个控制周期中所述喷氢比例阀输入的氢气的目标输入流量，生成各个控制周期的流量控制信号，并发送至所述喷氢比例阀。

50、根据本发明的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现大功率燃料电池供氢循环方法。

51、根据本发明的实施例的大功率燃料电池供氢循环系统，可通过检测组件获取多种检测参数，从而确定排出未燃烧的氢气的流量，进而调节氮氢水分离器，以减少氢气的浪费，并可通过在多个周期中求解喷氢比例阀输入的氢气目标流量，使得引入的氢气和回收的氢气能够使燃料电池堆接近或达到预设的输出功率，从而保护用电设备不会因输出功率过高而损坏，也不会因输出功率过低而无法驱动用电设备，提升氢气利用率，以及燃料电池堆的使用安全性。

52、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，而非限制本发明。根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及方面将更清楚。