一种氢燃料电池的阴极空气供给系统控制方法与流程

[0001]
本发明涉及氢能汽车技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池的阴极空气供给系统控制方法。


背景技术：

[0002]
氢能是一类清洁、高效、安全、可再生的能源，是未来能源利用开发的发展方向，反应过程中不涉及燃料的燃烧过程，转化效率高，在电力、通讯、航天以及交通等领域有着广泛的应用前景。燃料电池的原理是运用氢气与氧气发生的氧化还原反应，将此过程中氢气和氧气的化学能转化为可以为汽车提供动力的电能。氢气与氧气的反应过程中，产物为水，绿色环保。整个过程不会像铅酸电池一样对环境造成危害。就能量转化效率而言，燃料电池高于传统内燃机2-3倍，发电效率更是高达82.9％。中国在新能源汽车方向，相比较于发达国家起步较晚，与汽车工业发达国家有较大差距，但是在燃料电池汽车领域，整体水平与发达国家相当。近年来，中国燃料电池汽车研发进程加速发展，也在与世界各国通力合作。燃料电池中的质子交换膜燃料电池凭借效率高、比功率大、质量轻、腐蚀性小、受co2影响较小以及来源广泛等优势，最有希望成为电动汽车的动力源。
[0003]
燃料电池发电系统包括燃料电池电堆、阴极空气供给系统、阳极氢气系统、冷却系统以及各种传感器等。燃料电池系统的阴极空气供给系统的稳定对燃料电池系统的稳定运行起到至关重要的作用。燃料电池阴极空气供给系统在供给电堆空气时，本身会有一定的滞后性，供给电堆的需求流量需要不断跟随负载的功率来变化。当负载突然变化时，燃料电池反应会消耗更多的氧气，如果空气供应不足，就会产生“氧气饥饿”，即电堆阴极供气不足现象，导致电池输出电压的衰退、电堆水淹、损害燃料电池的寿命等不利影响。当空气流量远高于需求量时，压缩机功率消耗(寄生功耗)过大而电堆输出功率没有明显提高，使整个燃料电池系统运行的效率降低。并且温度对电堆的影响也是非常明显，温度通过影响空气的饱和水蒸气压影响湿度，在温度过低时需要保持高的过氧比，在温度高时也需要保持一定的过氧比。因此，快速准确地控制空气流量，使系统过氧比始终保持在理想范围是使燃料电池汽车的运行满足工况复杂和负载时刻变化的重要保障。


技术实现要素：

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有鉴于此，本发明提供了一种能够考虑到燃料电池过氧比和温度的氢燃料电池的阴极空气供给系统控制方法，该控制方法解决了天气温度变化对燃料电池阴极空气系统影响过大的问题，同时保证在这种控制方法下，燃料电池系统能稳定输出功率，通过使过氧比保持在理想范围从而避免燃料电池氧气供应不足产生“饥饿”现象和减小空气系统的能量消耗，使燃料电池的效率和寿命得到提高，使系统运行过程更加合理。
[0005]
本发明提供一种氢燃料电池的阴极空气供给系统控制方法，包括以下步骤：
[0006]
s1，计算当前需要加载的燃料电池电堆电流i
st
下的氧气需求流量；
[0007]
s2，根据步骤s1得到的氧气需求流量计算当前需要加载的燃料电池电堆电流i
st
下
的空气需求流量；
[0008]
s3，根据步骤s2得到的空气需求流量计算空气压缩机应该供给燃料电池电堆的空气流量，之后根据该空气流量和空压机特性数据查图得到空气压缩机的转速，将该转速设定给空气压缩机；
[0009]
s4，根据空气流量计采集到的空气流量计算当前空气流量可以加载的燃料电池电堆电流i
st_set
，比较当前空气流量可以加载的燃料电池电堆电流i
st_set
与当前需要加载的燃料电池电堆电流i
st
的大小，选取两者中的较小电流值，将该较小电流值设定给dc/dc转换器。
[0010]
进一步地，当前需要加载的燃料电池电堆电流i
st
下的氧气需求流量的计算公式为：
[0011][0012]
式中，m
o2
为氧气的摩尔质量，n为燃料电池电堆节数，i
st
为当前需要加载的燃料电池电堆电流，f为法拉第常数，w
o2，rec
为当前需要加载的燃料电池电堆电流下的氧气需求流量。
[0013]
进一步地，当前需要加载的燃料电池电堆电流i
st
下的空气需求流量的计算公式为：
[0014][0015]
式中，m
air
为空气的摩尔质量，χ
o2
为氧气占空气的摩尔质量分数，其值为0.21，w
air,rec
为当前需要加载的燃料电池电堆电流下的空气需求流量。
[0016]
进一步地，空气压缩机应该供给燃料电池电堆的空气流量的计算公式为：
[0017]
w
air
＝λ
air
w
air,rec
[0018]
式中，λ
air
为空气的化学计量比，通过燃料电池电堆冷却水温度和当前燃料电池电堆的电流、温度和压力查燃料电池电堆厂家手册得出，w
air
为空气压缩机应该供给燃料电池电堆的空气流量。
[0019]
进一步地，当前空气流量可以加载的燃料电池电堆电流的计算公式为：
[0020][0021]
式中，w
air_m
为空气流量计采集到的空气流量，i
st_set
为当前空气流量可以加载的燃料电池电堆电流。
[0022]
温度通过影响空气的饱和水蒸气压影响燃料电池电堆湿度，因此，在天气温度等变化时，可能原先的空气压缩机设定与流量要求已经不再适应燃料电池电堆，在温度过低时需要保持高的过氧比，即加大空气流量的供给，在温度高时也需要减小过氧比，即减小空气流量的供给；本发明提供的阴极空气供给系统控制方法考虑了温度天气变化对燃料电池的影响，温度过低增大过氧比，即增加空气流量供给，温度升高时减小过氧比，即减小空气流量供给，从而保持过氧比维持在合理范围内，提高燃料电池的效率。
[0023]
本发明提供的阴极空气供给系统控制方法利用空气压缩机的实时流量来限制加载电流，避免空气供应不足时加载大电流导致电堆损伤，引起寿命衰减的问题。
附图说明
[0024]
图1是本发明一种氢燃料电池的阴极空气供给系统控制方法的流程示意图。
[0025]
图2是本发明一种氢燃料电池的阴极空气供给系统控制方法的阴极空气供给系统的结构示意图。
具体实施方式
[0026]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
[0027]
请参考图1，本发明的实施例提供了一种氢燃料电池的阴极空气供给系统控制方法，包括以下步骤：
[0028]
步骤s1，计算当前需要加载的燃料电池电堆电流i
st
下的氧气需求流量；其中，当前需要加载的燃料电池电堆电流i
st
下的氧气需求流量的计算公式为：
[0029][0030]
式中，m
o2
为氧气的摩尔质量，n为燃料电池电堆节数，i
st
为当前需要加载的燃料电池电堆电流，当前需要加载的燃料电池电堆电流i
st
的值为根据需求设置的值或利用整车需求功率与汽车母线电压计算得到的值，f为法拉第常数，w
o2，rec
为当前需要加载的燃料电池电堆电流下的氧气需求流量。
[0031]
步骤s2，根据步骤s1得到的氧气需求流量计算当前需要加载的燃料电池电堆电流i
st
下的空气需求流量；其中，当前需要加载的燃料电池电堆电流i
st
下的空气需求流量的计算公式为：
[0032][0033]
式中，m
air
为空气的摩尔质量，χ
o2
为氧气占空气的摩尔质量分数，其值为0.21，w
air,rec
为当前需要加载的燃料电池电堆电流下的空气需求流量。
[0034]
步骤s3，根据步骤s2得到的空气需求流量计算空气压缩机应该供给燃料电池电堆的空气流量，之后根据该空气流量和空压机特性数据查空压机map图或空气流量与空气压缩机转速的对应关系图得到空气压缩机的转速，将该转速设定给空气压缩机；其中，空气压缩机应该供给燃料电池电堆的空气流量的计算公式为：
[0035]
w
air
＝λ
air
w
air,rec
[0036]
式中，λ
air
为空气的化学计量比，通过燃料电池电堆冷却水温度和当前燃料电池电堆的电流、温度和压力查燃料电池电堆厂家手册得出，w
air
为空气压缩机应该供给燃料电池电堆的空气流量。
[0037]
步骤s4，根据空气流量计采集到的空气流量计算当前空气流量可以加载的燃料电池电堆电流i
st_set
，比较当前空气流量可以加载的燃料电池电堆电流i
st_set
与当前需要加载的燃料电池电堆电流i
st
的大小，选取两者中的较小电流值，将该较小电流值设定给dc/dc转换器；其中，当前空气流量可以加载的燃料电池电堆电流的计算公式为：
[0038]
[0039]
式中，w
air_m
为空气流量计采集到的空气流量，i
st_set
为当前空气流量可以加载的燃料电池电堆电流。
[0040]
本实施例中的阴极空气供给系统的结构图见图2，该阴极空气供给系统包括空气滤清器1、空气流量计2、空气压缩机3、中冷器4、增湿器5、入堆节气门6、压力传感器7、出堆节气门8和燃料电池电堆9，空气经过空气滤清器1过滤后，通过空气压缩机3、中冷器4、增湿器5和入堆节气门6进入燃料电池电堆9，空气压缩机3主要用于供给燃料电池电堆9反应需要的空气，空气流量计2用于检测空气流量。
[0041]
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
[0042]
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
[0043]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。