燃料电池系统停机过程中的氢气供给方法与流程

1.本发明涉及燃料电池车辆控制领域，具体而言，涉及一种燃料电池系统停机过程中的氢气供给方法。


背景技术：

2.氢燃料电池是一种将氢与氧反应产生的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置，具有发电效率高，环境污染小等优点，因此被广泛应用于汽车领域。燃料电池是一种电化学反应装置，由氢气容腔、氧气容腔和膜电极组成，将氢气和氧气的化学能转换为电能同时生成水，为维持一定的电化学反应速率，需要外界源源不断供给氢气和氧气，氢气电化学反应是在氢气容腔内发生，氧气电化学反应是在氧气容腔内发生，膜电极提供质子传导介质和电化学反应触媒，容腔入口与电化学反应消耗物供给来源通过部件和管路连通，容腔内反应产物和反应物残留物通过部件和管路与大气连通而实施排出。
3.燃料电池系统的停机过程是指燃料电池系统的燃料电池停止对外输出电能，且燃料电池系统由运转状态逐渐切换为非运转状态，并最终实施系统部件全部掉电且恢复部件设计应用初始状态(比如阀门掉电后在自身结构和工作原理约束下恢复到关闭状态)。需要注意的是在燃料电池系统的停机过程中需要使氢气反应容腔内留有一定量的氢气，如氢气浓度过低则会加速电堆的老化，影响电堆寿命；而另一方面，燃料电池系统停机后其供氢管路里留存的氢气会带来安全隐患。
4.在现有的技术方案中氢瓶的瓶口阀在停机过程中会在预设的固定时间后关闭。在实际使用中，燃料电池在停机过程中需要消耗的氢气会受到各种环境因素和车辆运行状态的影响而发生变化。现有的技术方案因为无法对停机过程中的供氢量进行调整，所以不能保证在停机过程中氢瓶供给的氢气量满足停机的需要并尽量减少停机后供氢管路中留存的氢气。
5.综上所述，需要提供一种燃料电池系统停机过程中的氢气供给方法，其能够克服现有技术的缺陷。


技术实现要素：

6.本发明旨在提供一种燃料电池系统停机过程中的氢气供给方法，其能够克服现有技术的缺陷。本发明的发明目的通过以下技术方案得以实现。
7.本发明的一个实施方式提供了一种燃料电池系统停机过程中的氢气供给方法,其中所述燃料电池系统停机过程中的氢气供给方法包括多个步骤：
8.步骤1：使燃料电池系统的各个部件处于停机运转模式；
9.步骤2：根据燃料电池系统的冷却组件的状态查表得到燃料电池系统停机过程预期的氢气总消耗质量mco；
10.步骤3：获取燃料电池系统的氢气供给系统的从氢瓶瓶口阀到减压阀入口端管路容积vh、从减压阀出口端到氢气供给调节部件入口端管路容积vl、减压阀入口端管路氢气
压力ph和减压阀出口端管路压力pl；
11.步骤4：获取所有氢瓶的温度中的最高温度tmax；
12.步骤5：根据所有氢瓶的最高温度tmax、减压阀入口端管路容积vh、减压阀入口端压力ph、减压阀出口端管路容积vl和减压阀出口端压力pl，使用非理想气体状态方程分别计算高压管路内氢气容纳质量mh和减压阀后低压管路内氢气容纳质量ml；
13.步骤6：判断预期的氢气总消耗质量mco是否大于等于mh ml
△
m，其中
△
m是预设的阈值，若“是”，执行步骤7；若“否”，执行步骤8；
14.步骤7：保持至少一个氢瓶为开启状态并继续执行正常停机过程，然后再次执行步骤2；
15.步骤8：关闭所有氢瓶的瓶口阀，继续执行正常停机过程，直至达到燃料电池停机所设定的指标。
16.根据本发明的上述任意一个实施方式提供的燃料电池系统停机过程中的氢气供给方法，其中所述停机运转模式是指预设的燃料电池系统的各个部件在停机过程中的运转模式。
17.根据本发明的上述任意一个实施方式提供的燃料电池系统停机过程中的氢气供给方法，其中所述步骤2：根据燃料电池系统的冷却组件的状态查表得到燃料电池系统停机过程预期的氢气总消耗质量m包括：
18.步骤201：获取冷却液进入燃料电池的温度、冷却液离开燃料电池的温度、燃料电池当前水含量和燃料电池目标水含量；
19.步骤202：根据冷却液进入燃料电池的温度、冷却液离开燃料电池的温度、燃料电池当前水含量和燃料电池目标水含量查表得到燃料电池系统停机过程预期的氢气总消耗质量m。
20.根据本发明的上述任意一个实施方式提供的燃料电池系统停机过程中的氢气供给方法，其中所述燃料电池当前水含量是指当前时刻聚集在燃料电池电堆内部结构中且未被排出的总的水含量，所述燃料电池当前水含量基于交流阻抗在线测量技术的水含量估计方法获得或者基于燃料电池输出电压电流和温度等多个传感器信息综合分析的水含量估计方法获得。
21.根据本发明的上述任意一个实施方式提供的燃料电池系统停机过程中的氢气供给方法，其中所述步骤4：获取所有氢瓶的温度中的最高温度tmax是指将所有氢气瓶的温度分别记为t1、t2
…
tn，其中氢气瓶总数量为n，所有氢瓶的温度中的最高温度tmax＝max{t1,t2,t3
…
tn}。
22.根据本发明的上述任意一个实施方式提供的燃料电池系统停机过程中的氢气供给方法，其中所述步骤5：根据所有氢瓶的最高温度tmax、减压阀入口端管路容积vh、减压阀入口端压力ph，减压阀出口端管路容积vl和减压阀出口端压力pl，使用非理想气体状态方程分别计算高压管路内氢气容纳质量mh和减压阀后低压管路内氢气容纳质量ml包括：
23.步骤501：根据所有氢瓶的最高温度tmax、减压阀入口端管路容积vh和减压阀入口端压力ph，使用非理想气体状态方程计算高压管路内氢气容纳质量mh；
24.步骤502：根据所有氢瓶的最高温度tmax、减压阀出口端管路容积vl和减压阀出口端压力pl，使用非理想气体状态方程计算和减压阀后低压管路内氢气容纳质量ml。
25.根据本发明的上述任意一个实施方式提供的燃料电池系统停机过程中的氢气供给方法，其中所述燃料电池系统包括电堆、供气组件、供氢组件和散热组件，所述供氢组件包括氢瓶组、第一管路、第二管路和排氢阀，所述供气组件包括空压机、第三管路、第四管路和节气门，所述散热组件包括三通管路、液泵、第五管路、散热器、第六管路、节温器和第七管路，所述氢瓶组包括多个氢瓶，每个氢瓶的瓶口均设有瓶口阀，所述氢瓶组通过第一管路与减压阀连通，减压阀通过第八管路与氢气供给调节部件连通，氢气供给调节部件通过第九管路与电堆的氢气入口连通，排氢阀通过第二管路与电堆的氢气出口连通，空压机通过第三管路与电堆的空气入口连通，节气门通过第四管路与电堆的空气出口连通，所述三通管路的第一端与电堆的冷却液出口连通，三通管路的第二段与液泵连通，三通管路的第三端与节温器的第一端连通，散热器通过第五管路与液泵连通，节温器的第二端通过第六管路与散热器联通，节温器的第三端通过第七管路与电堆的冷却液入口连通。
26.该燃料电池系统停机过程中的氢气供给方法的优点在于：在燃料电池系统停机过程中，根据燃料电池系统停机过程的设定目标和预期的氢气消耗质量，对比氢气供给系统的从氢气瓶瓶口阀到氢气供给调节部件入口端的管路内所容纳的氢气质量，优化设定燃料电池系统停机过程中所有氢气瓶的瓶口阀必须全部关闭的动作判定依据和执行瓶口阀关闭命令，待所有氢气瓶的瓶口阀全部关闭后，继续执行燃料电池系统停机过程直至结束；可以在不影响燃料电池系统停机过程的前提下，尽可能的减少高压管路内存储的氢气质量，同时提高燃料电池系统安全系数且更加便于燃料电池系统在开机过程中进行故障诊断。
附图说明
27.参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
28.图1示出了根据本发明一个实施方式的燃料电池系统；
29.图2示出了如图1所示的根据本发明一个实施方式的燃料电池系统停机过程中的氢气供给方法的流程图。
具体实施方式
30.图1-2和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
31.图1示出了根据本发明一个实施方式的燃料电池系统。如图1所示，所述燃料电池系统包括电堆900、供气组件910、供氢组件920和散热组件930，所述供氢组件920包括氢瓶组921、第一管路922、第二管路923、排氢阀924、减压阀925、氢气供给调节部件926、第八管路927和第九管路928，所述供气组件910包括空压机911、第三管路912、第四管路913和节气门914，所述散热组件930包括三通管路931、液泵932、第五管路933、散热器934、第六管路935、节温器936和第七管路937，所述氢瓶组921包括多个氢瓶，每个氢瓶的瓶口均设有瓶口
阀，所述氢瓶组921通过第一管路922与减压阀925连通，减压阀925通过第八管路927与氢气供给调节部件926连通，氢气供给调节部件926通过第九管路928与电堆的氢气入口连通，排氢阀924通过第二管路923与电堆的氢气出口连通，空压机911通过第三管路912与电堆的空气入口连通，节气门914通过第四管路913与电堆的空气出口连通，所述三通管路931的第一端与电堆的冷却液出口连通，三通管路931的第二段与液泵932连通，三通管路931的第三端与节温器936的第一端连通，散热器934通过第五管路933与液泵932连通，节温器936的第二端通过第六管路935与散热器934联通，节温器936的第三端通过第七管路937与电堆的冷却液入口连通。
32.根据本发明的上述任意一个实施方式提供的燃料电池系统，其中所述氢气供给调节部件926用于调节氢气流量，包括但不限于能够调节开度的喷嘴或阀门等。
33.图2如图1所示的根据本发明一个实施方式的燃料电池系统停机过程中的氢气供给方法的流程图。如图2所示，所述燃料电池系统停机过程中的氢气供给方法包括多个步骤：
34.步骤1：使燃料电池系统的各个部件处于停机运转模式；所述料电池系统的部件包括但不限于燃料电池系统的氢瓶组、压力传感器、温度传感器、排氢阀、空压机、节气门、液泵、散热器和节温器；
35.步骤2：根据燃料电池系统的冷却组件的状态查表得到燃料电池系统停机过程预期的氢气总消耗质量mco；
36.步骤3：获取燃料电池系统的氢气供给系统的从氢瓶瓶口阀到减压阀入口端管路容积vh、从减压阀出口端到氢气供给调节部件入口端管路容积vl、减压阀入口端管路氢气压力ph和减压阀出口端管路压力pl；
37.步骤4：获取所有氢瓶的温度中的最高温度tmax；
38.步骤5：根据所有氢瓶的最高温度tmax、减压阀入口端管路容积vh、减压阀入口端压力ph、减压阀出口端管路容积vl和减压阀出口端压力pl，使用非理想气体状态方程分别计算高压管路内氢气容纳质量mh和减压阀后低压管路内氢气容纳质量ml；
39.步骤6：判断预期的氢气总消耗质量mco是否大于等于mh ml
△
m，其中
△
m是由于燃料电池系统执行过程中不确定性误差而预先增设的阈值，可根据系统特性有所调整，若“是”，执行步骤7；若“否”，执行步骤8；
40.步骤7：保持至少一个氢瓶为开启状态并继续执行正常停机过程，然后再次执行步骤2；
41.步骤8：关闭所有氢瓶的瓶口阀，继续执行正常停机过程，直至达到燃料电池停机所设定的指标。
42.根据本发明的上述任意一个实施方式提供的燃料电池系统停机过程中的氢气供给方法，其中所述停机运转模式是指预设的燃料电池系统的各个部件在停机过程中的运转模式。
43.根据本发明的上述任意一个实施方式提供的燃料电池系统停机过程中的氢气供给方法，其中所述步骤2：根据燃料电池系统的冷却组件的状态查表得到燃料电池系统停机过程预期的氢气总消耗质量m包括：
44.步骤201：获取冷却液进入燃料电池的温度、冷却液离开燃料电池的温度、燃料电
池当前水含量和燃料电池目标水含量；
45.步骤202：根据冷却液进入燃料电池的温度、冷却液离开燃料电池的温度、燃料电池当前水含量和燃料电池目标水含量查表得到燃料电池系统停机过程预期的氢气总消耗质量m。
46.根据本发明的上述任意一个实施方式提供的燃料电池系统停机过程中的氢气供给方法，其中所述燃料电池当前水含量是指当前时刻聚集在燃料电池电堆内部结构中且未被排出的总的水含量，所述燃料电池当前水含量基于交流阻抗在线测量技术的水含量估计方法获得或者基于燃料电池输出电压电流和温度等多个传感器信息综合分析的水含量估计方法获得。
47.根据本发明的上述任意一个实施方式提供的燃料电池系统停机过程中的氢气供给方法，其中所述步骤4：获取所有氢瓶的温度中的最高温度tmax是指将所有氢气瓶的温度分别记为t1、t2
…
tn，其中氢气瓶总数量为n，所有氢瓶的温度中的最高温度tmax＝max{t1,t2,t3
…
tn}。
48.根据本发明的上述任意一个实施方式提供的燃料电池系统停机过程中的氢气供给方法，其中所述步骤5：根据所有氢瓶的最高温度tmax、减压阀入口端管路容积vh、减压阀入口端压力ph，减压阀出口端管路容积vl和减压阀出口端压力pl，使用非理想气体状态方程分别计算高压管路内氢气容纳质量mh和减压阀后低压管路内氢气容纳质量ml包括：
49.步骤501：根据所有氢瓶的最高温度tmax、减压阀入口端管路容积vh和减压阀入口端压力ph，使用非理想气体状态方程计算高压管路内氢气容纳质量mh；计算公式为：
50.mh＝ph*vh*m/(r*tmax*cof1),其中m是管路内氢气的摩尔质量，r是通用气体常数，cof1是预先确定的反映温度和压力对应关系的修正系数，cof1的值与ph和tmax相关。
51.步骤502：根据所有氢瓶的最高温度tmax、减压阀出口端管路容积vl和减压阀出口端压力pl，使用非理想气体状态方程计算和减压阀后低压管路内氢气容纳质量ml；计算公式为：
52.ml＝pl*vl*m/(r*tmax*cof2),其中m是管路内氢气的摩尔质量，r是通用气体常数，cof2是预先确定的反映温度和压力对应关系的修正系数，cof2的值与pl和tmax相关。
53.该燃料电池系统停机过程中的氢气供给方法的优点在于：在燃料电池系统停机过程中，根据燃料电池系统停机过程的设定目标和预期的氢气消耗质量，对比氢气供给系统的从氢气瓶瓶口阀到氢气供给调节部件入口端的管路内所容纳的氢气质量，优化设定燃料电池系统停机过程中所有氢气瓶的瓶口阀必须全部关闭的动作判定依据和执行瓶口阀关闭命令，待所有氢气瓶的瓶口阀全部关闭后，继续执行燃料电池系统停机过程直至结束；可以在不影响燃料电池系统停机过程的前提下，尽可能的减少高压管路内存储的氢气质量，同时提高燃料电池系统安全系数且更加便于燃料电池系统在开机过程中进行故障诊断。
54.当然应意识到，虽然通过本发明的示例已经进行了前面的描述，但是对本发明做出的将对本领域的技术人员显而易见的这样和其他的改进及改变应认为落入如本文提出的本发明宽广范围内。因此，尽管本发明已经参照了优选的实施方式进行描述，但是，其意并不是使具新颖性的设备由此而受到限制，相反，其旨在包括符合上述公开部分、权利要求的广阔范围之内的各种改进和等同修改。