一种燃料电池系统氢压控制方法及系统与流程

本发明涉及燃料电池，更具体地，涉及一种燃料电池系统氢压控制方法及系统。

背景技术：

1、随着3060碳达峰的要求，燃料电池因为其清洁、高效等特点，被大面积推广应用。燃料电池系统现在受限于耐久问题，很难与锂电或者燃油车进行比较，而耐久性又是多变量耦合控制的。

2、对于燃料电池系统氢子系统来说，根据电流的大小，设置进入电堆的氢气压力，通过比例阀的开度大小进行闭环控制调节。而氢气路又由于要提高氢气利用率，一般是采用回流循环利用的方式；但是由于会积累水分和氮气，所以需要间隔进行排水排氮。这样会导致氢气压力波动，从而导致膜电极两侧来回震荡，增大机械应力，对寿命产生影响。

3、目前针对氢压波动方面的研究主要包括将排水排氮分开、长短周期间隔排气、通过氢压波动闭环，缩小氢压的波动，从原来的±8kpa到现在的±3kpa，但是并没有解决源头问题，只能减小寿命衰减，并不能彻底解决。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中存在的目前针对氢压波动方面的研究只能缩小氢压的波动，无法解决波动的技术问题。

2、本发明提供了一种燃料电池系统氢压控制方法，包括以下步骤：

3、s1，氢气从氢瓶出来后，依次经过比例阀、电堆及分水器，通过分水器进行分水后将多余的氢气回流至电堆参与反应；

4、s2，依据电堆进口与电堆出口的气体质量守恒，得到电堆进口处的压力和电堆出口处的压力的关系模型；

5、s3，当分水器在开启与关闭之间切换时，电堆出口处的压力会发生变化，根据所述关系模型计算得到对应变化后的电堆进口处的压力；

6、s4，根据分水器切换前后的电堆进口处的压力变化，补充调节比例阀开度以使得电堆进口处的压力保持在初始值不变。

7、优选地，所述s1具体包括：获取比例阀进口处的氢压p0、电堆进口处的氢压p1处及电堆出口处的氢压p2，其中，比例阀的特性取决于比例阀前后压力的大小：

8、

9、其中，t代表比例阀处温度，qn代表气体在标准状态下的流量m3/h,ρn代表标准状态下的密度kg/m3,δp代表p0与p1的差值，kv代表不同口径阀体的流量系数；通过比例阀的质量流量为：

10、

11、优选地，所述s1还包括利用下列公式计算质量流量：

12、

13、

14、qtotal＝qh2+qwater；

15、

16、其中i代表电流，n代表电堆的片数，代表电堆出口处温度t2下的饱和水分压，是一个仅与t2相关的常数，λh2代表氢气的计量比，mwater代表水的分子质量；mh2代表氢气的分子质量，qwater为分水器排出的水蒸气的质量流量，qh2为分水器排出的氢气的质量流量，qtotal为分水器排出的气体总质量流量。

17、优选地，所述s2中气体质量守恒具体包括：

18、qin＝qtotal

19、

20、优选地，所述s3具体包括：根据关系模型计算得到对应变化后的电堆进口处的压力，压力变化差即为氢压补偿以作为流量补偿。

21、优选地，所述s4具体包括：当分水器切换前后的电堆进口处的压力变化前，提前将氢压补偿作为流量补偿来调节比例阀，以使得电堆进口处的压力保持在初始值不变。

22、优选地，所述s4具体包括：当分水器准备开启时，提前给定氢压补偿p补，作流量的补偿；当分水器将要关闭时，同时将氢压降回原来控制的氢入压力，从而达到流量平衡，氢压不波动。

23、本发明还提供了一种燃料电池系统氢压控制系统，所述系统用于实现燃料电池系统氢压控制方法，包括：

24、建模单元，氢气从氢瓶出来后，依次经过比例阀、电堆及分水器，通过分水器进行分水后将多余的氢气回流至电堆参与反应；依据电堆进口与电堆出口的气体质量守恒，得到电堆进口处的压力和电堆出口处的压力的关系模型；

25、压力补偿单元，当分水器在开启与关闭之间切换时，电堆出口处的压力会发生变化，根据所述关系模型计算得到对应变化后的电堆进口处的压力；根据分水器切换前后的电堆进口处的压力变化，补充调节比例阀开度以使得电堆进口处的压力保持在初始值不变。

26、有益效果：本发明提供的一种燃料电池系统氢压控制方法及系统，其中方法包括以下步骤：氢气从氢瓶出来后，依次经过比例阀、电堆及分水器，通过分水器进行分水后将多余的氢气回流至电堆参与反应；依据电堆进口与电堆出口的气体质量守恒，得到电堆进口处的压力和电堆出口处的压力的关系模型；当分水器在开启与关闭之间切换时，电堆出口处的压力会发生变化，根据所述关系模型计算得到对应变化后的电堆进口处的压力；根据分水器切换前后的电堆进口处的压力变化，补充调节比例阀开度以使得电堆进口处的压力保持在初始值不变。本发明彻底解决了氢压波动的问题，从根本上提高了电池使用寿命。

技术特征：

1.一种燃料电池系统氢压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统氢压控制方法，其特征在于，所述s1具体包括：获取比例阀进口处的氢压p0、电堆进口处的氢压p1处及电堆出口处的氢压p2，其中，比例阀的特性取决于比例阀前后压力的大小：

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统氢压控制方法，其特征在于，所述s1还包括利用下列公式计算质量流量：

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统氢压控制方法，其特征在于，所述s2中气体质量守恒具体包括：

5.根据权利要求1所述的燃料电池系统氢压控制方法，其特征在于，所述s3具体包括：根据关系模型计算得到对应变化后的电堆进口处的压力，压力变化差即为氢压补偿以作为流量补偿。

6.根据权利要求5所述的燃料电池系统氢压控制方法，其特征在于，所述s4具体包括：当分水器切换前后的电堆进口处的压力变化前，提前将氢压补偿作为流量补偿来调节比例阀，以使得电堆进口处的压力保持在初始值不变。

7.根据权利要求6所述的燃料电池系统氢压控制方法，其特征在于，所述s4具体包括：当分水器准备开启时，提前给定氢压补偿p补，作流量的补偿；当分水器将要关闭时，同时将氢压降回原来控制的氢入压力，从而达到流量平衡，氢压不波动。

8.一种燃料电池系统氢压控制系统，其特征在于，所述系统用于实现如权利要求1-7任一项所述的燃料电池系统氢压控制方法，包括：

技术总结
本发明属于燃料电池技术领域，具体提供了一种燃料电池系统氢压控制方法及系统，其中方法包括以下步骤：氢气从氢瓶出来后，依次经过比例阀、电堆及分水器，通过分水器进行分水后将多余的氢气回流至电堆参与反应；依据电堆进口与电堆出口的气体质量守恒，得到电堆进口处的压力和电堆出口处的压力的关系模型；当分水器在开启与关闭之间切换时，电堆出口处的压力会发生变化，根据所述关系模型计算得到对应变化后的电堆进口处的压力；根据分水器切换前后的电堆进口处的压力变化，补充调节比例阀开度以使得电堆进口处的压力保持在初始值不变。本发明彻底解决了氢压波动的问题，从根本上提高了电池使用寿命。

技术研发人员：黄易元,唐廷江,陈宏,刘骞,江坤
受保护的技术使用者：武汉雄韬氢雄燃料电池科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15