一种燃料电池排水、排杂控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种燃料电池排水、排杂控制系统及控制方法。控制系统包括空气供给系统、氢气供给系统、燃料电池堆和燃料电池控制器；通过空气供给系统和氢气供给系统中的相关设备和传感器将数据传输给燃料电池控制器，然后通过燃料电池控制器计算燃料电池堆阳极侧的有效容积和氮气百分比，并与设定值相比，来计算燃料电池堆的阳极侧排水、排氮的时长。本发明专利技术的控制方法包括运行控制系统，通过燃料电池控制器对燃料电池堆相关参数进行监测，然后计算得阳极侧的有效容积和氮气百分比，从而控制排水阀、排杂阀的排放时长。本发明专利技术解决了现有氢燃料电池的氢气循环系统中，氮气不断的从阴极渗透到阳极，影响氢气计量比，从而出现氢气供给不足的问题。给不足的问题。给不足的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池排水、排杂控制系统及控制方法


[0001]本专利技术涉及汽车燃料电池的检测
，具体涉及一种燃料电池排水、排杂控制系统及控制方法。

技术介绍

[0002]新能源汽车凭借节能环保的优势，其发展受到了越来越多的关注。其中，燃料电池汽车与传统电动车和混合动力汽车相比具有发电效率高、运行噪声低、燃料来源丰富、燃料可快速加注、无污染、NVH表现优异、舒适性高等优点，因此受到了人们的广泛关注。且以氢燃料电池为动力源的燃料电池汽车可做到真正的零排放。
[0003]现有技术中，氢燃料电池为了提高氢气的利用率，一般会使用氢气循环系统(氢气循环泵和引射器)。然而，在实际反应过程中由于质子传输影响，氮气会不断的从阴极渗透到阳极，而阳极侧作为循环腔，若阳极侧累积的氮气达到一定量后，直接影响着氢气的计量比，由此会出现因氢气供给不足引起的“氢气饥饿”的问题，不仅降低了氢气的利用率，还降低了电堆的反应效率。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种燃料电池排水、排杂控制系统及控制方法，以解决现有氢燃料电池的氢气循环系统中，氮气不断的从阴极渗透到阳极，影响氢气的计量比，从而出现因氢气供给不足引起的“氢气饥饿”的问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]一种燃料电池排水、排杂控制系统，包括空气供给系统、氢气供给系统、燃料电池堆和燃料电池控制器；
[0007]所述空气供给系统为燃料电池堆的阴极提供空气，所述空气供给系统包括空压机和尾排节气门，所述空压机与所述尾排节气门之间连接有所述的燃料电池堆；
[0008]所述氢气供给系统为燃料电池堆的阳极提供氢气，所述氢气供给系统包括依次连接的氢气供给装置、氢水分离装置、排杂阀和排水阀，所述氢气供给装置与所述氢水分离装置之间连接有所述的燃料电池堆；
[0009]所述空压机的进风口端设有流量计，所述空压机与燃料电池堆之间设有空气压力传感器和空气温度传感器，所述氢气供给装置与燃料电池堆之间设有氢气压力传感器；
[0010]还包括与燃料电池堆相连的水热系统，所述水热系统的出水口处设有温度传感器；
[0011]所述空压机、尾排节气门、排杂阀、排水阀、流量计、空气压力传感器、空气温度传感器、氢气压力传感器和温度传感器均与所述燃料电池控制器为电连接，通过空压机、流量计、空气压力传感器、空气温度传感器、氢气压力传感器和温度传感器将数据传输给燃料电池控制器，然后通过燃料电池控制器计算燃料电池堆阳极侧的有效循环腔体容积和氮气百分比，并与设定值相比较，来计算燃料电池堆的阳极侧排水、排氮的时长，再控制空压机、尾
排节气门、排杂阀和排水阀的运行。
[0012]优选的，所述空气供给系统中还包括空气滤清器、中冷器、加湿器和消声器，所述空气滤清器设在所述流量计的进气口端，所述中冷器和加湿器依次设在所述空压机和尾排节气门之间，所述尾排节气门和所述排水阀的出口端连接所述的消声器；
[0013]所述氢气供给系统还包括引射装置，所述引射装置设在所述氢气供给装置和氢气压力传感器之间，所述氢水分离装置还与所述引射装置相连，使分离后的氢气返回引射装置。
[0014]优选的，所述流量计用于监测进入燃料电池堆的空气量，所述空气压力传感器用于监测进入燃料电池堆的空气压力，所述空气温度传感器用于监测进入燃料电池堆的空气的温度，所述氢气压力传感器用于监测进入燃料电池堆的氢气压力，所述温度传感器用于监测进入燃料电池堆的水的温度。
[0015]本专利技术了还提供了一种燃料电池排水、排杂控制系统的控制方法，包括以下步骤：
[0016]运行燃料电池排水、排杂控制系统，通过燃料电池控制器对燃料电池堆的空气进入量、空气进入的压力、空气进入的温度、氢气进入的压力和水进入的温度进行监测，然后计算得到阳极侧的有效循环腔体容积和氮气百分比，并与设定值相比较，
[0017]1)当有效循环腔体容积＜设定限值，且氮气百分比＞设定限值时，则通过燃料电池控制器计算排水时长，并控制排水阀执行排水，直至有效循环腔体容积≥设定限值，再通过燃料电池控制器计算排氮时长，并控制排杂阀执行排氮；
[0018]2)当有效循环腔体容积＜设定限值，且氮气百分比≤设定限值时，则通过燃料电池控制器计算排水时长，并执行排水；
[0019]3)当有效循环腔体容积≥设定限值，且氮气百分比＞设定限值时，则通过燃料电池控制器计算排氮时长，并控制排杂阀执行排氮；
[0020]其中，燃料电池堆阳极侧的有效循环腔体容积为氢气回路的理论容积与燃料电池堆阳极侧生成水的体积之差，计算公式如下：
[0021]V2＝V0‑
V
H2O
ꢀꢀꢀ
(Ⅰ)
[0022]式Ⅰ中，V2表示燃料电池堆阳极侧的有效循环腔体容积，单位为m3，V0表示氢气回路的理论容积，单位为m3，V
H2O
表示燃料电池堆阳极侧生成水的体积，单位为m3；
[0023]燃料电池堆阳极侧的氮气百分比的计算公式如下：
[0024][0025]式Ⅱ中，μ
N2
表示氮气百分比，V
N2
表示Δt时间内燃料电池堆的阳极侧累计氮气的体积，单位为m3，V2表示燃料电池堆阳极侧的有效循环腔体容积，单位为m3，Δt表示燃料电池排水、排杂控制系统从t1时刻运行到t2时刻的时间差。
[0026]优选的，所述燃料电池堆阳极侧生成水的体积V
H2O
的计算方法包括以下步骤：
[0027]S1、根据摩尔定律，计算得出不同电流下，燃料电池堆阴极侧理论生成水的体积，根据燃料电池系统稳态试验测试出不同工况下，燃料电池堆阴极侧排出水的理论摩尔数为M
Δt
表示燃料电池堆阴极侧在Δt时间内生成水的理论累积质量，其中，Δt表示燃料电池排水、排杂控制系统从t1时刻运行到t2时的时间差；
[0028]根据公式Ⅲ得到燃料电池堆阴极侧水分子浓度C
H2OC
，公式Ⅲ如下：
[0029][0030]式Ⅲ中，I表示电流，单位为A，N
cell
表示燃料电池堆的片数，M
Δt
表示燃料电池堆阴极侧在Δt时间内生成水的理论累积质量，V
diffuse
表示燃料电池堆里的质子交换膜的扩散层体积，单位为m3，C
H2OC
表示燃料电池堆阴极侧水分子浓度；
[0031]S2、通过公式
Ⅳ‑
1和
Ⅳ‑
2计算燃料电池堆阳极侧在Δt时间内生成水的体积，公式
Ⅳ‑
1和
Ⅳ‑
2如下：
[0032][0033][0034]式
Ⅳ‑
1和
Ⅳ‑
2中，M0表示燃料电池堆的含水量，C
HOOa
，表示燃料电池堆阳极侧水分子浓度，单位为mol/m3，C
H2OC
表示燃料电池堆本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池排水、排杂控制系统，其特征在于，包括空气供给系统、氢气供给系统、燃料电池堆(1)和燃料电池控制器(2)；所述空气供给系统为燃料电池堆(1)的阴极提供空气，所述空气供给系统包括空压机(3)和尾排节气门(4)，所述空压机(3)与所述尾排节气门(4)之间连接有所述的燃料电池堆(1)；所述氢气供给系统为燃料电池堆(1)的阳极提供氢气，所述氢气供给系统包括依次连接的氢气供给装置(5)、氢水分离装置(6)、排杂阀(7)和排水阀(8)，所述氢气供给装置(5)与所述氢水分离装置(6)之间连接有所述的燃料电池堆(1)；所述空压机(3)的进风口端设有流量计(9)，所述空压机(3)与燃料电池堆(1)之间设有空气压力传感器(10)和空气温度传感器(11)，所述氢气供给装置(5)与燃料电池堆(1)之间设有氢气压力传感器(12)；还包括与燃料电池堆(1)相连的水热系统(13)，所述水热系统(13)的出水口处设有温度传感器(14)；所述空压机(3)、尾排节气门(4)、排杂阀(7)、排水阀(8)、流量计(9)、空气压力传感器(10)、空气温度传感器(11)、氢气压力传感器(12)和温度传感器(14)均与所述燃料电池控制器(2)为电连接，通过空压机(3)、流量计(9)、空气压力传感器(10)、空气温度传感器(11)、氢气压力传感器(12)和温度传感器(14)将数据传输给燃料电池控制器(2)，然后通过燃料电池控制器(2)计算燃料电池堆(1)阳极侧的有效循环腔体容积和氮气百分比，并与设定值相比较，来计算燃料电池堆(1)的阳极侧排水、排氮的时长，再控制空压机(3)、尾排节气门(4)、排杂阀(7)和排水阀(8)的运行。2.根据权利要求1所述的燃料电池排水、排杂控制系统，其特征在于，所述空气供给系统中还包括空气滤清器(15)、中冷器(16)、加湿器(17)和消声器(18)，所述空气滤清器(15)设在所述流量计(9)的进气口端，所述中冷器(16)和加湿器(17)依次设在所述空压机(3)和尾排节气门(4)之间，所述尾排节气门(4)和所述排水阀(8)的出口端连接所述的消声器(18)；所述氢气供给系统还包括引射装置(19)，所述引射装置(19)设在所述氢气供给装置(5)和氢气压力传感器(12)之间，所述氢水分离装置(6)还与所述引射装置(19)相连，使分离后的氢气返回引射装置(19)。3.根据权利要求1所述的燃料电池排水、排杂控制系统，其特征在于，所述流量计(9)用于监测进入燃料电池堆(1)的空气量，所述空气压力传感器(10)用于监测进入燃料电池堆(1)的空气压力，所述空气温度传感器(11)用于监测进入燃料电池堆(1)的空气的温度，所述氢气压力传感器(12)用于监测进入燃料电池堆(1)的氢气压力，所述温度传感器(14)用于监测进入燃料电池堆(1)的水的温度。4.如权利要求1至权利要求3任一所述的燃料电池排水、排杂控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：运行燃料电池排水、排杂控制系统，通过燃料电池控制器对燃料电池堆的空气进入量、空气进入的压力、空气进入的温度、氢气进入的压力和水进入的温度进行监测，然后计算得到阳极侧的有效循环腔体容积和氮气百分比，并与设定值相比较：1)当有效循环腔体容积＜设定限值，且氮气百分比＞设定限值时，则通过燃料电池控
制器计算排水时长，并控制排水阀执行排水，直至有效循环腔体容积≥设定限值，再通过燃料电池控制器计算排氮时长，并控制排杂阀执行排氮；2)当有效循环腔体容积＜设定限值，且氮气百分比≤设定限值时，则通过燃料电池控制器计算排水时长，并执行排水；3)当有效循环腔体容积≥设定限值，且氮气百分比＞设定限值时，则通过燃料电池控制器计算排氮时长，并控制排杂阀执行排氮；其中，燃料电池堆阳极侧的有效循环腔体容积为氢气回路的理论容积与燃料电池堆阳极侧生成水的体积之差，计算公式如下：V2＝V0‑
V
H2O
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(Ⅰ)式Ⅰ中，V2表示燃料电池堆阳极侧的有效循环腔体容积，单位为m3，V0表示氢气回路的理论容积，单位为m3，V
H2O
表示燃料电池堆阳极侧生成水的体积，单位为m3；燃料电池堆阳极侧的氮气百分比的计算公式如下：式Ⅱ中，μ
N2
表示氮气百分比，V
N2
表示Δt时间内燃料电池堆的阳极侧累计氮气的体积，单位为m3，V2表示燃料电池堆阳极侧的有效循环腔体容积，单位为m3，Δt表示燃料电池排水、排杂控制系统从t1时刻运行到t2时刻的时间差。5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述燃料电池堆阳极侧生成水的体积V
H2O
的计算方法包括以下步骤：S1、根据摩尔定律，计算得出不同电流下，燃料电池堆阴极侧理论生成水的体积，根据燃料电池系统稳态试验测试出不同工况下，燃料电池堆阴极侧排出水的理论摩尔数为M
Δt
表示燃料电池堆阴极侧在Δt时间内生成水的理论累积质量，其中，Δt表示燃料电池排水、排杂控制系统从t1时刻运行到t2时的时间差；根据公式III得到燃料电池堆阴极侧水分子浓度C
H2OC
，公式III如下：式III中，I表示电流，单位为A，N
cell
表示燃料电池堆的片数，M
Δt
表示燃料电池堆阴极侧在Δt时间内生成水的理论累积质量，V
diffuse
表示燃料电池堆里的质子交换膜的扩散层体积，单位为m3，C
H2OC
表示燃料电池堆阴极侧水分子浓度；S2、通过公式IV
‑
1和IV
‑
2计算燃料电池堆阳极侧在Δt时间内生成水的体积，公式IV
‑
1和IV
‑
2如下：2如下：式IV
‑
1和IV
‑
2中，M0表示燃料电池堆的含水量，C
H2Oa
，表示燃料电池堆阳极侧水分子浓度，单位为mol/m...

【专利技术属性】
技术研发人员：游义富，陈金锐，肖龙，杨毅，
申请(专利权)人：重庆长安新能源汽车科技有限公司，
类型：发明
国别省市：