一种车载燃料电池空气进气湿度调节方法及调节系统

1.本技术涉及燃料电池领域，具体涉及一种车载燃料电池空气进气湿度调节方法及调节系统。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池是一种可以使氢气和空气在特定条件下发生电化学反应生成水和电能的高效清洁的能量转换装置，是极具发展前景的汽车动力源，也是国内外高校和科研机构的研究热点。
3.水在现有的质子交换膜燃料电池中扮演至关重要的角色。在质子交换膜中质子的传导必须有水参与，膜中必须含有充分的水已保证质子传导率。如果膜的水分过少会造成燃料电池性能的下降，在极端的条件下甚至导致材料物理性能的永久性损伤。如果膜的水分过多，且无法有效地排出，则会淹没电极，造成燃料电池性能下降甚至出现反极现象。此外，燃料电池工作电流密度的不断提升加剧了内部水状态分布的不均匀现象，局部水含量过低、局部水饱和度过高的现象更明显。如何保持燃料电池水平衡是质子交换膜燃料电池研究的热点之一。保持燃料电池的水平衡不仅对提高燃料电池性能有着重要的影响，对延长燃料电池的使用寿命也至关重要。
4.车载燃料电池系统在工作过程中涉及到启停、过载与怠速等多种运行工况，不同工况对进气湿度的需求也不同，需要在工况变化时，实现对空气进气湿度的迅速调节。同时，当燃料电池工作环境湿度改变时，也需要对加湿器的性能进行相应的调节，使进气湿度保持在合理的范围内。
5.在现有技术中，采用以下几种方式对燃料电池的膜的水分进行调节：1、通过切换气路来进行水分的调节，使气体流经不同水分含量的加湿装置，达到加湿或除湿效果。但这种方式需要两套加湿装置，增大燃料电池系统的体积和成本，不适用于车载环境。2、采用湿度调节器与加湿装置结合的方式来进行水分调节，湿度调节器根据燃料电池控制单元的指令，通过控制加湿器湿侧空气流量来调节入堆空气湿度。但是这种方式的响应速度慢，在需要干燥气体时，无法立即提供干燥气体。
6.因此，需要一种适用于车载环境的燃料电池空气进气湿度调节方法及调节装置，其能够迅速准确的调节燃料电池入堆空气的湿度(或干度)，使燃料电池内部的水含量维持所需范围内。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本技术提供了一种车载燃料电池空气进气湿度调节方法及调节系统，其能够主动、迅速且准确的调节燃料电池入堆空气的湿度，使燃料电池内部的水含量维持在所需范围。
8.本技术实施例的第一方面，提供了一种车载燃料电池空气进气湿度调节方法，包括：获取燃料电池的电堆阻抗、电堆工作温度以及工况信息；当工况信息指示燃料电池的工
况改变时，根据所述电堆阻抗、所述电堆工作温度确定所述燃料电池的膜含水量，其中所述工况信息包括功率变化值，所述工况改变时，所述功率变化值超过其相应的预设值的预设百分比；根据所述膜含水量和阴极相对湿度的对应关系，确定当前工况下空气的进气湿度值；根据所述功率变化值与增湿变化值的对应关系确定增湿变化值；根据所述当前工况下空气的进气湿度值以及所述增湿变化值，对进气湿度进行调节。
9.车载燃料电池系统在工作过程中涉及到启停、过载与怠速等多种运行工况，不同工况对进气湿度的需求也不同，通过上述的根据工况信息来确定工况，进而能够确定出不同工况下的空气的进气湿度，适用于车载场景；在工况改变时根据电堆阻抗、电堆工作温度来确定燃料电池的膜含水量，从而以主动的方式较为准确且迅速地确定出燃料电池的膜含水量，进而通过上述方实现对进气湿度的调节，使进气湿度达到该工况下所需的湿度。
10.在一种可能的实现方式中，根据所述电堆阻抗、所述电堆工作温度确定所述燃料电池的膜含水量具体包括：根据以下公式确定所述膜含水量：电池的膜含水量具体包括：根据以下公式确定所述膜含水量：电池的膜含水量具体包括：根据以下公式确定所述膜含水量：其中，r
ohm
为欧姆阻抗，tm为质子交换膜厚度，σm为膜电导率，b1，b2为经验参数，t
st
为电堆工作温度，λm为膜水含量，a为水活度。
11.通过上述设置，能够通过欧姆阻抗、质子交换膜厚度、膜电导率、电堆工作温度，准确且快速的确定出当前工况下的膜水含量，进而实现对空气的进气湿度的迅速、准确地调节。
12.在一种可能的实现方式中，根据所述当前工况下空气的进气湿度值以及所述增湿变化值，对进气湿度进行调节具体包括：将所述进气湿度值以及所述增湿变化值的和与所述加湿器的湿度调节范围进行比较；当所述和在所述调节范围内时，调节所述加湿器的旁通阀的开度，使进气湿度为所述和；当所述和大于所述调节范围时，关闭所述加湿器的旁通阀；当所述和小于所述调节范围时，将所述加湿器的旁通阀的开度调节至最大。
13.当所述和大于所述调节范围时，表示需要尽可能地增加空气的湿度，因此，关闭所述加湿器的旁通阀，使空气均流入加湿器中进行加湿；当所述和小于所述调节范围时，表示需要降低空气的湿度，因此，将所述加湿器的旁通阀的开度调节至最大，尽可能使空气不流入加湿器；当所述和在所述调节范围内时，表示将空气的进气湿度维持在所述和是最合适的，因此，通过pid对旁通阀的开度进行或大或小的调节，使空气一部分流入加湿器，另一部分流入旁通阀，直至温度湿度压力传感器检测到进气湿度值为所述和。通过调节旁通阀开度的方式来调节进气湿度(或干度)，其调节方式简单，调节迅速，适用于车载场景。
14.在一种可能的实现方式中，根据所述当前工况下空气的进气湿度值以及所述增湿变化值，对进气湿度进行调节后还包括：获取电堆的工况信息；当所述功率变化值大于额定功率的预设百分比时，重复上述步骤。
15.通过上述设置，能够根据功率的变化对进气湿度进行实时调节，实现了对空气入
堆湿度的实时闭环修正，使膜保持在目标湿度范围内，使得对膜湿度控制地更准确，从而保障燃料电池的电堆质子交换膜在适宜的工作湿度下运行。
16.在一种可能的实现方式中，所述预设百分比为0.4％～0.8％。
17.在一种可能的实现方式中，所述获取燃料电池的电堆阻抗、电堆工作温度以及工况信息前还包括：获取电堆工作温度；当所述电堆工作温度大于0℃时，进行上述步骤；当所述电堆工作温度小于0℃时，将所述加湿器的旁通阀的开度调节至最大。
18.通过上述设置，能够燃料电池开始运行后，判断电堆温度是否大于0℃，当电堆温度低于0℃时，实现利用干燥空气对电堆进行低温吹扫，并在电堆温度上升至0℃时正常启动运行，进而缩短了电堆冷启动的时间。
19.本技术实施例的第二方面，提供了一种车载燃料电池空气进气湿度调节系统，包括：空气滤清器、空气压缩机、中冷器、加湿器、旁通阀、燃料电池、控制器以及阻抗检测装置，所述燃料电池具有电堆，其中，所述空气滤清器的出口与所述空气压缩机的入口连接；所述空气压缩机的出口与所述中冷器的入口连接；所述中冷器的出口与所述加湿器的第一入口连接；所述加湿器的第一出口与所述电堆的阴极入口连接；所述旁通阀的一端与所述中冷器的出口连接；所述旁通阀的另一端与所述加湿器的第一出口连接；所述电堆的阴极出口与所述加湿器的第二入口连接；所述加湿器的第二出口与外部连通；所述阻抗检测装置与所述燃料电池连接；所述控制器与所述旁通阀、所述阻抗检测装置连接，用于根据前述第一方面所述的调节方法控制所述旁通阀的开度。
20.通过上述结构，无需多个加湿装置即可实现对膜的湿度(或干度)的调节，其结构简单，适用于车载燃料电池系统；通过设置阻抗检测装置，能够迅速且主动的获得电堆的阻抗，通过控制器能够利用上述调节方法确定出所需的进气湿度值，进而控制旁通阀的开度实现进气湿度的调节，进而实现对膜的湿度控制，实现空气进气湿度的主动、迅速且精确的调节。在燃料电池功率需求以及工作环境湿度的变化下，质子交换膜水含量需求也会发生变化，通过对空气进气湿度的迅速调节，对燃料电池质子交换膜的含水量进行较为快速的调节，使膜的含水量维持在适宜的范围内，进而提高了电堆性能。同时本发明实现了对空气入堆湿度的实时闭环修正，使得控制更准确。
21.在一种可能的实现方式中，所述控制器包括：pid和燃料电池控制器。
22.在一种可能的实现方式中，还包括：多个温度湿度压力传感器以及背压阀，所述多个温度湿度压力传感器分别设置于所述空气压缩机和所述中冷器之间、所述加湿器的第一出口与所述电堆的阴极入口之间、所述电堆的阴极出口与所述加湿器的第二入口之间；所述背压阀与所述加湿器的第二出口连接。
23.在一种可能的实现方式中，还包括：空气流量装置或空气压力传感器，其中，所述空气流量装置或所述空气压力传感器的一端与所述空气滤清器的出口连接，所述空气流量装置或所述空气压力传感器的另一端与所述空气压缩机的入口连接。
附图说明
24.下面参照附图来进一步说明本技术的各个技术特征和它们之间的关系。附图为示例性的，一些技术特征并不以实际比例示出，并且一些附图中可能省略了本技术所属技术领域中惯用的且对于理解和实现本技术并非必不可少的技术特征，或是额外示出了对于理
解和实现本技术并非必不可少的技术特征，也就是说，附图所示的各个技术特征的组合并不用于限制本技术。另外，在本技术全文中，相同的附图标记所指代的内容也是相同的。具体的附图说明如下：图1是本技术实施例提供的车载燃料电池空气进气湿度调节系统的结构示意图；图2是本技术实施例提供的车载燃料电池空气进气湿度调节系统的旁通阀的关闭时空气流动方向的示意图；图3是本技术实施例提供的车载燃料电池空气进气湿度调节系统的旁通阀的开度调节至最大时空气流动方向的示意图；图4是本技术实施例提供的车载燃料电池空气进气湿度调节系统的旁通阀部分开启时空气流动方向的示意图；图5是本技术实施例提供的车载燃料电池空气进气湿度调节方法的流程图；图6是本技术实施例提供的车载燃料电池在部分工况下的膜含水量和阴极相对湿度的对应关系示意图。
具体实施方式
25.下面，参照附图对本技术的具体实施方式进行详细的说明。
26.图1示出了本技术实施例提供的车载燃料电池空气进气湿度调节系统的结构，如图1所示，本技术实施例提供的车载燃料电池空气进气湿度调节系统100(以下简称系统)包括彼此通过管路连接的：用于滤除空气中灰尘、砂粒等的空气滤清器1、用于压缩空气的空气压缩机3、用于冷却被压缩的空气的中冷器5、用于对被冷却的空气进行加湿的加湿器6、用于控制流经加湿器6与干侧气体量的旁通阀7、具有电堆10的燃料电池、用于检测燃料电池的电堆10的阻抗的阻抗检测装置9、以及通过有线或无线方式控制旁通阀7的开度的控制器13。其中，在一些实施例中，所述系统100还可以包括用于保持系统的管路内部所需压力的背压阀12、用于检测空气流量的空气流量装置2、用于检测系统的相应管路内的温度、湿度以及压力的温度湿度压力传感器4、8、11以及用于检测电堆温度的电堆温度传感器16。
27.如图1所示，空气滤清器1的出口与空气流量装置2的一端连接，空气流量装置2的另一端与所述空气压缩机3的入口连接；所述空气压缩机3的出口与所述中冷器5的入口连接；所述中冷器5的出口与所述加湿器6的第一入口61连接；所述加湿器6的第一出口62与所述电堆10的阴极入口14连接；所述旁通阀7的一端与所述中冷器5的出口连接；所述旁通阀7的另一端与所述加湿器6的第一出口62连接；所述电堆10的阴极出口15与所述加湿器6的第二入口63连接；所述加湿器6的第二出口64通过所述背压阀12与外部连通；所述阻抗检测装置9与所述燃料电池连接；所述控制器与所述旁通阀7、所述阻抗检测装置9连接；温度湿度压力传感器可以包括三个，也可以是2个、1个或更多个，其中，当温度湿度压力传感器为三个时，温度湿度压力传感器4可以设置于空气流量装置2的下游与中冷器5之间；温度湿度压力传感器8可以设置于加湿器6的第一出口与电堆10的阴极入口14之间；温度湿度压力传感器11可以设置于加湿器6的第二入口与电堆10的阴极出口15之间。
28.所述空气流量装置2还可以为空气压力传感器。所述控制器可以包括：pid(proportion integration differentiation)控制器13和与所述pid控制器连接的燃料电池控制器。所述燃料电池控制器可以根据阻抗检测装置9检测的阻抗确定所需的进气湿度，
pid控制器用于根据所需的进气湿度控制旁通阀7的开度，使进入电堆的空气的湿度达到所述所需的进气湿度。旁通阀的开度例如可以是其能够旋转的角度的范围，在旁通阀的旋转角度的范围是0
°‑
90
°
的情况下，旁通阀旋转至0
°
时其开度为最小或旁通阀关闭，在旁通阀旋转至90
°
时，其开度最大，反之亦然。
29.在燃料电池运行时，系统100为电堆10提供氧化剂。空气依次经过空气滤清器1、空气流量装置2、空气压缩机3、温度湿度压力传感器4以及中冷器5，再根据旁通阀7的开度流经加湿器6和/或旁通阀7，经过温度湿度压力传感器8后通过电堆的入口进入电堆10。反应后的尾气进入加湿器6，再流经背压阀12排出。
30.为使质子交换膜的湿度维持在合理的范围内，需要根据阻抗检测装置9测得的电阻值计算当前质子交换膜的水含量，根据水含量与当前工况下燃料电池质子交换膜最优的进气湿度值，通过pid控制器13调节加湿器干侧旁通阀7的开度，对进入电堆的空气湿度进行调节。
31.下面参照图2-6对本技术实施例提供的车载燃料电池空气进气湿度调节方法进行描述。
32.如图5所示，本技术实施例提供的车载燃料电池空气进气湿度调节方法包括以下步骤：
33.步骤s1：获取所述电堆的温度。
34.其中，电堆的温度可以通过电堆温度传感器16(如图1-4所示)来获得。
35.步骤s2：确定电堆的温度是否大于0℃。
36.当所述电堆的温度大于0℃时，执行步骤s4。
37.当所述电堆的温度小于0℃时，执行步骤s3：将所述加湿器的旁通阀的开度调节至最大。
38.在步骤s2中，当电堆的温度小于0℃时，表示环境温度较低，利用干燥空气对电堆进行低温吹扫，并在电堆温度上升至0℃时正常启动运行，进而能够缩短电堆冷启动的时间。
39.在步骤s3中，入堆空气流通方向如图3的粗实线箭头所示。当旁通阀7的开度调节至最大时，因为流经进气支路气体的压降远小于流经加湿器6的压降，因此进入电堆的空气全部通过进气支路进入电堆，干燥空气对电堆进行低温吹扫。吹扫一段时间后，例如10-20min或更短或更长，执行步骤s1，直至电堆的温度大于0℃。
40.当电堆的温度大于0℃时，表示燃料电池可以开始启动运行，电堆开始工作，执行步骤s4：获取燃料电池的电堆阻抗以及工况信息。
41.其中，燃料电池的电堆阻抗可以通过阻抗检测装置9获得，所述工况信息可以包括功率变化值。当然，工况信息也可以包括电流或电压。
42.步骤s5：确定工况信息是否改变。当工况信息指示燃料电池的工况改变时，执行步骤s6。
43.车载燃料电池系统在工作过程中涉及到启停、过载与怠速等多种运行工况，不同工况对进气湿度的需求也不同，因此，需要根据工况信息来确定工况是否发生改变。在本技术实施例中，当所述工况改变时，表示电流、电压或功率变化值超过其相应的预设值。例如，当功率变化值大于其额定功率的0.5％时，表示工况发生了改变。
44.步骤s6：根据所述电堆阻抗、所述电堆工作温度确定所述燃料电池的膜含水量。
45.其中，电堆工作温度可以通过电堆温度传感器来获得。在工况改变时，根据电堆阻抗、电堆工作温度来确定燃料电池的膜含水量，从而能够较为准确且迅速地确定出燃料电池的膜含水量，进而实现对空气进气湿度的迅速调节。
46.在步骤s6中，具体可以根据以下公式确定所述膜含水量λm：：：其中，r
ohm
为欧姆阻抗，tm为质子交换膜厚度，σm为膜电导率，b1，b2为经验参数，t
st
为电堆工作温度，λm为膜水含量，a为水活度。
47.步骤s7：根据所述膜含水量和阴极相对湿度的对应关系，确定当前工况下空气的进气湿度值h1。
48.燃料电池在不同工况下，其膜含水量与阴极相对湿度rhc具有对应关系。图6是本技术实施例提供的车载燃料电池在部分工况下的膜含水量和阴极相对湿度的对应关系示意图。
49.步骤s8：根据所述工况信息确定功率变化值δp，并根据所述功率变化值δp与增湿变化值δh的对应关系确定增湿变化值δh。
50.其中，功率变化值δp与增湿变化值δh之间的关系根据预先进行大量的摸底试验，形成对应关系表，并将其写入整车控制器，作为查表计算的基础。例如，功率变化值δp(例如减少3kw)和增湿变化值δh(对应湿度增加3％)的对应关系，得到增湿变化值δh。
51.步骤s9：根据当前工况下空气的进气湿度值以及所述增湿变化值，对进气湿度进行调节。
52.在步骤s9中，具体可以包括以下步骤：
53.步骤s91：根据当前工况下的进气湿度值以及所述增湿变化值的和确定实际进气湿度值。
54.在步骤s91中，可以将进气湿度值h1以及所述增湿变化值δh的和h1 δh作为实际进气湿度值h2。
55.步骤s92：将实际进气湿度值h2与加湿器的湿度调节范围进行比较。
56.在步骤s92中，加湿器的进气湿度调节范围可以用(hmin，hmax)表示。
57.步骤s93：确定实际进气湿度值是否在所述调节范围内。
58.当实际进气湿度值在所述调节范围内时，即：h2∈(hmin，hmax)，即加湿器湿度调节最小值hmin≤实际进气湿度值h2≤加湿器湿度调节最大值hmax，执行步骤s95：调节所述加湿器的旁通阀的开度，通过pid控制燃料电池入堆空气的湿度稳定在h2。
59.如本技术上述实施例所述，旁通阀的开度例如可以是其能够旋转的角度的范围，在旁通阀的旋转角度的范围是0
°‑
90
°
的情况下，旁通阀旋转至0
°
时其开度为最小或旁通阀关闭，在旁通阀旋转至90
°
时，其开度最大，反之亦然。当实际进气湿度值在所述调节范围内
时，表示将所需的空气的进气湿度值维持在实际进气湿度值h2是最合适的，因此，通过pid对旁通阀的开度进行或大或小的调节，直至温度湿度压力传感器检测到进气湿度值为实际进气湿度值h2。
60.在步骤s95中，入堆空气流通方向如图4粗实线箭头所示。空气分别流经加湿器6和旁通阀7，通过pid控制器13对加湿器干侧旁通阀7开度进行微调，控制流经加湿器与干气回路的气量，使进入电堆的空气湿度维持在适宜的范围内，提升燃料电池的整体性能。
61.当实际进气湿度值未在所述调节范围时，执行步骤s94：确定实际进气湿度值是否大于加湿器湿度调节最大值，即确定h2是否大于hmax。
62.当实际进气湿度值大于加湿器湿度调节最大值时，即h2》hmax，执行步骤s96：关闭所述加湿器的旁通阀或将加湿器的旁通阀的开度调节至最小。
63.在步骤s96中，当实际进气湿度值大于加湿器湿度调节最大值时，表示需要加大进气湿度，使进气湿度尽可能达到所需的值。入堆空气流通方向如图2粗实线箭头所示。在图2中，加湿器的旁通阀7关闭，空气从中冷器5流出后，仅流经加湿器6，使空气湿度尽可能地达到所需的湿度。
64.当实际进气湿度值h2小于加湿器湿度调节最小值hmin时，即h2《hmin执行步骤s97：将所述加湿器的旁通阀的开度调节至最大。
65.在步骤s97中，入堆空气流通方向如图3粗实线箭头所示。当实际进气湿度值h2小于加湿器湿度调节最小值hmin时，空气从中冷器5流出后，仅流经旁通阀，尽可能地减小空气的湿度。
66.步骤s10：获取电堆的工况信息。
67.在执行完步骤s9后，进一步确定电堆的工况信息，确定工况是否改变。
68.步骤s11：确定工信息指示的功率变化值是否大于额定功率的预设百分比。
69.当所述功率的变化值大于额定功率的预设百分比时，执行步骤s6。
70.当所述功率变化值小于或等于额定功率的预设百分比时，结束对膜的湿度调控。
71.通过上述步骤，能够实施根据工况信息(例如根据功率变化值)对进气湿度进行实时调节，当调节后的工况信息指示其工况并未发生改变时，可以结束对膜的湿度调控，当调节后的工况信息指示其工况发生变化和，继续执行上述步骤，对进气湿度进行调节，直至满足要求。实现了对空气入堆湿度的实时闭环修正，使膜保持在目标湿度范围内，从而保障燃料电池的电堆质子交换膜在适宜的工作湿度下运行。
72.除非另有定义，本技术全文所使用的所有技术和科学术语与本技术所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同。如有不一致，以本技术全文中所说明的含义或者根据本技术全文中记载的内容得出的含义为准。另外，本说明中所使用的术语只是为了描述本技术实施例的目的，不是旨在限制本技术。
73.方法和装置是基于同一构思的，由于方法及装置解决问题的原理相似，因此装置与方法的实施可以相互参见，重复之处不再赘述。
74.在本技术全文中使用的词语“第一、第二、第三等”或模块a、模块b、模块c等类似用语，仅用于区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解的是，在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。
75.在本技术全文中，所涉及的表示步骤的标号，如s10、s20
……
等，并不表示一定会
按此步骤执行，在允许的情况下可以互换前后步骤的顺序，或同时执行。
76.在本技术的全文中使用的术语“包括”不应解释为限制于其后列出的内容；它不排除其它的结构要素或步骤。因此，其应当诠释为指定所提到的所述技术特征、整体、步骤或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或更多其它技术特征、整体、步骤或部件及其组群。
77.可以理解，本领域技术人员可以将本技术全文中提到的一个或多个实施例中提到的特征，以任何适当的方式与其他实施例中的特征进行组合来实施本技术。
78.注意，上述仅为本技术的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本技术不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本技术的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本技术进行了较为详细的说明，但是本技术不仅仅限于以上实施例，在不脱离本技术的技术构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本技术的保护范畴。