一种燃料电池用排氢阀控制系统的制作方法

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种燃料电池用排氢阀控制系统。

背景技术：

1、燃料电池的反应为阳极的氢气和阴极的氧气所发生的的电化学反应。由于质子交换膜并非完全隔绝气体的传输，因此随着反应的进行阴极的氮气、氧气会在阳极侧逐渐堆积，此外，阴极生成的水也会随着全福磺酸质子交换膜迁移至阳极，在高温下生成水蒸气。氮气和氧气浓度的增加导致氢气浓度降低，从而影响了燃料电池的反应，降低了电堆的发电量。因此，阳极需要排氢阀来去除阳极侧累积的杂质气体。目前，燃料电池用排氢阀控制方案主要有以下4种。

2、第一种是目前大多数燃料电池系统采用的排氢阀控制方案，通过排氢阀定时排气排水。基于拉载电流的大小，进行排氢阀的开闭，如拉载电流为100a时，排氢阀设置为开1s关15s；拉载电流为300a时，排氢阀设置为开1.5s关8s；拉载电流为100a时，排氢阀设置为开2s关5s。

3、第二种是丰田公式采用的排氢阀控制方案，根据氮气浓度估算结果通过排氢阀进行排气。首先，判断排氢阀是否处于关闭状态，若否，执行关闭排氢阀，若是，执行打开排氢阀，并根据冷却剂温度和空气压力计算出氮气的当前传输量（当前阳极中的氮气量是上次重设氮气量之后的累积量加上当前量），判断当前阳极氮气量是否大于或者等于累积阈值，如果是就打开排氢阀，重新设定氮气量，如果否就重新读取氢气压力、空气压力以及冷却剂温度的信号，重新循环。

4、第三种参见专利us 2012/0156575 a的日产燃料电池系统排氢阀控制方案。基于在通过氢气供应阀停止氢气的期间内氢气供应阀下游的负极系统中的压力变化来计算从负极系统排放的气体量。通过测定不同时间段的阳极压力变化，来计算需要排出的废气量。

5、第四种参见中国专利cn103035935b的美国通用公司生产的燃料电池系统排氢阀控制方案。提供了一种组合的水排放和稀释气体吹扫阀，其将流体从燃料电池的阳极侧引至阴极入口。当请求吹扫稀释气体时，该阀打开，从而排出例如存在于水分离装置的贮槽中的任何液体。在液体被排空之后，稀释气体被吹扫。使用燃料喷射器反馈的阳极排放模型能够确定离开所述阀的气体量，并且一旦吹扫了所需量的稀释物，就能够请求关闭所述阀。一旦经过所述阀的氢气达到阴极电极之后，其就能够被催化消耗，从而使得阴极排气以及燃料电池排气具有减少的氢含量。

6、现有技术存在以下问题：控制过程中排氢阀关闭时间无法智能控制，会造成氢气多排，浪费以及安全问题。采用积分等计算方法进行排气和氮气浓度的估算，具有不准确性，估算结果和实际不一致，导致排氢阀关闭时间过早或过晚。排氢阀关闭时间过早会导致水、杂质气体排放不充分，水排放不充分会导致水反流至电堆，造成电堆水淹，杂质气体排放不充分会导致单电池电压降低，电堆发电量小。排氢阀关闭时间过晚会导致大量氢气从尾排排除，造成氢气浪费和安全隐患。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种燃料电池用排氢阀控制系统，用以解决现有技术排氢阀关闭时间过早或过晚导致燃料电池性能下降、存在安全隐患的问题。

2、一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池用排氢阀控制系统，包括电堆、比例阀、排氢阀、气液分离器、氢循环装置、控制器；其中，

3、电堆的氢侧气体进口分别接比例阀、氢循环装置的输出端，其氢侧尾气出口接气液分离器的输入端；气液分离器的气体出口接氢循环装置的输入端，并接排氢阀，其液体出口接排氢阀；

4、控制器，用于对排氢阀执行周期性启闭控制；以及，每一控制周期内，在燃料电池系统正常运行且排氢阀处于关闭状态时，识别当前工况下电堆的水生成量达到设定值后，控制气液分离器的液体出口-排氢阀所在支路导通、排氢阀开启，以实现排氢阀的排水功能；以及，在排水结束后，控制气液分离器的气体出口-排氢阀所在支路导通，以实现排氢阀的短时排氢，直到识别电堆的尾排氢气浓度达到设定值后，关闭排氢阀。

5、上述技术方案的有益效果如下：实现了排氢阀的自动排气排水功能。控制过程中排氢阀开启时间、关闭时间智能控制，不会造成氢气多排，节约了氢气，并保证了燃料电池的使用安全。通过识别电堆的尾排氢气浓度判断排氢阀的关闭时刻，相比现有技术的估算结果控制更具有准确性，和实际一致，可防止排氢阀关闭时间过早或过晚。

6、基于上述系统的进一步改进，该控制器执行如下程序以完成每一控制周期内排氢阀的控制功能：

7、在燃料电池系统正常运行且排氢阀处于关闭状态时，定时识别当前工况下电堆的水生成量是否达到设定值，如果是，控制气液分离器的液体出口-排氢阀所在支路导通、排氢阀开启、气液分离器的气体出口-排氢阀所在支路关闭，控制比例阀开度增大，以实现排氢阀的排水功能，并执行下一步，否则，控制该排氢阀和比例阀保持开度不变；

8、识别排水完毕后，控制比例阀开度增大，以通过气液分离器的液体出口-排氢阀所在支路实现排氢阀的排杂质功能，排出杂质气体；

9、识别杂质气体排放完毕后，控制气液分离器的气体出口-排氢阀所在支路导通、气液分离器液体出口-排氢阀所在支路关闭，同时控制比例阀开度再次增大，以实现排氢阀的短时排氢气功能；

10、识别电堆的尾排氢气浓度达到设定值后，控制排氢阀关闭。

11、进一步，该燃料电池用排氢阀控制系统还包括第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀；其中，

12、气液分离器的气体出口经第一电磁阀接氢循环装置的输入端，并经第二电磁阀接排氢阀，其液体出口经第三电磁阀接排氢阀；第一电磁阀，用于控制气液分离器的气体出口-氢循环装置所在支路的开启或关闭；第二电磁阀，用于控制气液分离器的气体出口-排氢阀所在支路的开启或关闭；第三电磁阀，用于控制气液分离器的液体出口-排氢阀所在支路的开启与关闭。

13、进一步，控制器进一步执行如下程序完成识别当前工况下电堆的水生成量是否达到设定值的功能：

14、获取当前工况下从排氢阀关闭时刻起燃料电池发动机的输出电流；

15、对上述输出电流进行时间方向上的积分，得到当前工况下电堆的水生成量；

16、识别当前工况下电堆的水生成量是否达到设定值。

17、进一步，控制器进一步通过如下程序完成识别当前工况下电堆的水生成量是否达到设定值的功能：

18、通过试验数据，得到不同工况下从排氢阀关闭时刻起到气液分离器液位达到高液位临界值的时间阈值；

19、识别当前工况，获取当前工况对应的时间阈值；

20、识别当前工况下从排氢阀关闭时刻起的累积时间是否超过上述当前工况对应的时间阈值时，若是，判定当前工况下电堆的水生成量达到设定值，若否，判定当前工况下电堆的水生成量未达到设定值。

21、进一步，控制器进一步通过如下程序完成识别当前工况下电堆的水生成量是否达到设定值的功能：

22、获取当前工况下实测的燃料电池单电池平均电压；

23、识别是否满足燃料电池单电池平均电压小于标称单电池平均电压减30mv；若是，判定当前工况下电堆的水生成量达到设定值，若否，执行下一步；

24、获取当前工况下气液分离器内液位高度；

25、识别当前工况下气液分离器内液位高度是否超过气液分离器可容纳的高液位临界值，若是，判定当前工况下电堆的水生成量达到设定值，若否，判定当前工况下电堆的水生成量未达到设定值。

26、进一步，控制器还执行如下程序：

27、识别排氢阀开启后，控制比例阀的制度执行pid调节，以使入堆氢气压力快速恢复至目标设定值。

28、进一步，控制器执行如下程序完成识别电堆的尾排氢气浓度达到设定值的功能：

29、监测比例阀开度；

30、识别比例阀开度在一个排氢阀控制周期内，是否出现经历了开始排水是的第一次开度增大和开始排杂质气体时的第二次开度增大后又出现第三次开度增大的时刻，若是，判定电堆的尾排氢气浓度达到设定值，若否，判定电堆的尾排氢气浓度尚未达到设定值。

31、进一步，控制器执行如下程序完成识别电堆的尾排氢气浓度达到设定值的功能：

32、获取燃料电池系统的尾排中设置的氢气浓度传感器数据或氢气流量计数据；

33、识别上述数据中当前时刻的氢气浓度较前一时刻的氢气浓度的增大量是否超过设定值，或当前时刻的氢气流量较前一时刻的氢气流量的增大量是否超过设定值，若是，判定电堆的尾排氢气浓度达到设定值，若否，判定电堆的尾排氢气浓度尚未达到设定值。

34、进一步，控制器执行如下程序完成识别电堆的尾排氢气浓度达到设定值的功能：

35、获取燃料电池系统的尾排中设置的氮气浓度传感器数据或氮气流量计数据；

36、识别上述数据中当前时刻的氮气浓度较前一时刻的氮气浓度的减小量是否超过设定值，或当前时刻的氮气流量较前一时刻的氮气流量的减小量是否超过设定值，若是，判定电堆的尾排氢气浓度达到设定值，若否，判定电堆的尾排氢气浓度尚未达到设定值。

37、提供
技术实现要素：
部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本发明的重要特征或必要特征，也无意限制本发明的范围。