一种燃料电池质子交换膜水热平衡控制方法

本发明涉及燃料电池，具体涉及一种燃料电池质子交换膜水热平衡控制方法。

背景技术：

1、质子交换膜的最佳工作温度为70到90℃，且在工作过程中，对含水率也有着较为严格的要求。因此，控制燃料电池的水热平衡，是保证燃料电池工作效率的关键之一。

2、在低温冷启动的情况下，由于水可能处于固态的状态，若直接启动燃料电池，极易导致由于水处于固态而导致无法加湿，难以使燃料电池保持较佳的工作温度及含水率。

3、现有技术中，为了保证在低温冷启动情况下成功启动，通常是利用蓄电池进行预热，在低温情况下，尤其是在长时间放置的情况下，蓄电池本身就会存在一定的亏电，若进行充分预热，容易导致蓄电池电量不足，使得车辆难以启动。

4、如何保证燃料电池在低温冷启动的情况下，控制燃料电池质子交换膜水热平衡，是本领域亟待解决的重要问题之一。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种燃料电池质子交换膜水热平衡控制方法，以解决现有技术中的不足，在低温冷启动状态下，控制燃料电池的水热平衡，以使燃料电池能够平稳、快速地启动。

2、本发明提供了一种燃料电池质子交换膜水热平衡控制方法，其中，该方法用于燃料电池低温冷启动工况下；包括以下步骤，

3、s1，检测环境温度；

4、s2，判断环境温度是否低于第一设定温度值；如果是，执行步骤s3；如果否，控制燃料电池以常温状态启动；

5、s3，判断环境温度是否低于第二设定温度值；如果是，执行步骤s4；如果否，执行步骤s5；

6、s4，按第一控制方法控制燃料电池启动；

7、s5，按第二控制方法控制燃料电池启动；

8、s6，判断燃料电池是否成功启动，如果是，切换至第三控制方法控制燃料电池的水热平衡；如果否，执行步骤s7；

9、s7，判断蓄电池电池soc是否大于设定值，如果是，执行步骤s8；如果否，发出警报，并退出本方法；

10、s8，获取燃料电池温度、在步骤s3到s6过程中的阴极进水量、在步骤s3到s6过程的阳极进水量、尾排含水量及尾排温度；

11、s9，对燃料电池和/或加湿所用的水进行加热，直到燃料电池温度、加湿所用的水的温度均达到对应的设定温度范围；

12、s10，根据在步骤s3到s6过程中的阴极进水量、在步骤s3到s6过程的阳极进水量和尾排含水量，计算燃料电池内的含水量，控制增加或减少进入燃料电池的阴极进水量和阳极进水量，以使燃料电池内的含水量达到设定含水量范围；并执行步骤s6。

13、如上所述的燃料电池质子交换膜水热平衡控制方法，其中，可选的是，步骤s4包括，

14、s41，对燃料电池和加湿器进行加热，使燃料电池的温度达到50到70℃度，使加湿器内水的温度达到15℃以上；

15、s42，对空气压缩机加压后的空气进行加热及加湿，向燃料电池的阴极通入加热且加湿后的高压空气，并保持一段时间，并继续对阳极加湿器内的水进行加热；

16、s43，向燃料电池的阳极通入加湿后的氢气。

17、如上所述的燃料电池质子交换膜水热平衡控制方法，其中，可选的是，步骤s5包括，

18、s51，对燃料电池、加湿器、空气进气系统、氢循环系统进行预热；直到加湿器温度、空气进气系统的温度、氢循环系统的温度均大于5℃，且燃料电池的温度不小于30℃；

19、s52，对燃料电池的阳极通入一定量的氢气后关闭氢罐的阀门，通过氢泵控制氢循环系统，使氢气及其中的水汽在氢循环系统内不断循环，并对氢循环系统进行加热一段时间，同时，继续对燃料电池、加湿器、空气进气系统、氢循环系统进行加热；

20、s53，启动空气压缩机，并对压缩后的空气加湿并加热，将加温且加热后的空气通入到燃料电池的阴极，并保持一段时间；

21、s54，打开氢罐的阀门，同时向燃料电池内通入设定压力和湿度的空气和氢气。

22、如上所述的燃料电池质子交换膜水热平衡控制方法，其中，可选的是，在步骤s1到s10中，实时监测阴极入口的空气流量、阴极入口的空气含水率、阴极出口的尾气流量、阴极出口的尾气含水率、阳极进气口的氢气流量、阳极进气口的氢气含水率、阳极出口的尾气含水率、阳极出口的氢气流量；

23、根据阴极入口的空气流量、阴极入口的空气含水率、阴极出口的尾气流量、阴极出口的尾气含水率、阳极进气口的氢气流量、阳极进气口的氢气含水率、阳极出口的尾气含水率、阳极出口的氢气流量计算燃料电池的含水量；

24、并根据燃料电池内的含水量计算阴极含水量与阳极含水量的比值。

25、如上所述的燃料电池质子交换膜水热平衡控制方法，其中，可选的是，计算燃料电池含水量的方法为，

26、根据阳极进口的氢气流量和阳极出口的氢气流量计算单位时间内参与反应的氢气量；

27、根据单位时间内参与反应的氢气量，计算单位时间内反应产生的水；

28、根据阴极入口的空气流量、阴极入口的空气含水率、阴极出口的尾气流量、阴极出口的尾气含水率、阳极进气口的氢气流量、阳极进气口的氢气含水率、阳极出口的尾气含水率、阳极出口的氢气流量计算单位时间内通过加湿器进入到燃料电池内的水；

29、计算单位时间内反应产生的水在时间上的积分，以及单位时间内通过加湿器进入到燃料电池内的水在时间上的积分；并对二者求和，以得到燃料电池含水量。

30、如上所述的燃料电池质子交换膜水热平衡控制方法，其中，可选的是，计算阴极含水量与阳极含水量比值的方法为，

31、预先构建水平衡模型；该水平衡模型为神经网络模型；

32、该水平衡模型的输入为单位时间内参与反应的氢气量、单位时间内通过阳极进水量与阳极出水量之差、单位时间内阴极进水量与阳极出水量之差；

33、该水平衡模型的输出为燃料电池阴极含水量与阳极含水量比值。

34、如上所述的燃料电池质子交换膜水热平衡控制方法，其中，可选的是，计算阴极含水量与阳极含水量比值的方法为，

35、通过积分计算阳极含水量；

36、通过积分计算阴极含水量；

37、根据初始阳极含水量和初始阴极含水量的比值确定水扩散速率；

38、根据单位时间内参与反应的氢气量，确定水电迁移速率；

39、确定本时段内水扩散量及扩散方向，将本时段内水扩散量累加到阳极含水量或阴极含水量，同时，减少另一极的含水量；

40、确定本时段内电迁移水量，将本时段内电迁移水量累加到阴极含水量，同时，将阳极含水最减少对应的本时段内电迁移水量；

41、计算累加后的阳极含水量与阴极含水量的比值。

42、如上所述的燃料电池质子交换膜水热平衡控制方法，其中，可选的是，本时段内水扩散量的计算方法为，本时段内，水扩散速率在时间上的积分；

43、本时段内水扩散方向的判断方法为：比较本时段开始时刻阳极含水量与阴极含水量的大小；

44、若本时段开始时刻阳极含水量大于阴极含水量，则水扩散方向是由阳极朝向阴极；

45、若本时段开始时刻阳极含水量小于阴极含水量，则水扩散方向是由阴极朝向阳极；

46、若本时段开始时刻阳极含水量等于阴极含水量，则水扩散方向是由阴极朝向阳极；则两侧水扩散速度相等。

47、如上所述的燃料电池质子交换膜水热平衡控制方法，其中，可选的是，累加后的阳极含水量与阴极含水量之差的绝对值越大，扩散速率越大；

48、确定水扩散速率的方法为，预先确定水扩散速率与温度、阳极含水量与阴极含水量之差的绝对值之间的map图；

49、通过根据阴极含水量之差的绝对值、燃料电池温度查找map图的方式来确定扩散速率。

50、如上所述的燃料电池质子交换膜水热平衡控制方法，其中，可选的是，根据阳极含水量与阴极含水量的比值以及燃料电池含水量控制加湿器的喷水量。

51、与现有技术相比，本发明通过在低温冷启动状态下根据环境温度的不同，按照不同的控制方法对燃料电池内的水热平衡进行控制，综合考虑了蓄电池soc、环境温度、含水量等因素，能够在合适的时间内，以较佳的方式启动燃料电池。

52、在本发明中，还提出了一种基于积分计算燃料电池的含水量、阴极与阳极的燃料电池含水量比值。由于燃料电池每次运行结束，都需要进行吹扫，以除去燃料电池内的水分，因而，每次积分的时长最长仅为燃料电池在该次运行的时长，也即误差累计的时长较短，能够使水平衡控制更加准确。