燃料电池系统及其运行方法、存储介质和车辆与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统及其运行方法、存储介质和车辆。


背景技术：

2.为实现氢燃料电池系统在中重型商用车辆的应用，燃料电池系统的功率及功率密度需进一步提升，因此，燃料电池电堆所加载的电流密度不断提升。当前燃料电池电堆的工作压力一般低于260kpa绝压，电流密度的提升带来反应介质传质问题凸显，尤其影响燃料电池系统的总体效率。
3.因此，如何提升燃料电池系统的总体效率，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种燃料电池系统运行方法，以提升燃料电池系统的总体效率。
5.为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
6.一种燃料电池系统运行方法，包括步骤：
7.s1：将目标压力值控制表预先存储在系统控制器中，所述目标压力值控制表包括电堆运行电流密度和空气压力与所述燃料电池系统的总体效率之间的关系；
8.s2：实时监测电堆运行电流；
9.s3：根据所述电堆运行电流计算出电堆运行电流密度，并根据所述电堆运行电流密度查询所述目标压力值控制表，以调节所述燃料电池系统的空气压力，提升所述燃料电池系统的总体效率。
10.可选地，在上述燃料电池系统运行方法中，所述步骤s3中：增大所述燃料电池系统的空气压力并控制所述空气压力小于空气压力极值点。
11.可选地，在上述燃料电池系统运行方法中，在所述步骤s3-2和所述步骤s3-2中，通过调节空气压缩机的转速，以增大所述燃料电池系统的空气压力；
12.和/或，通过调节膨胀机的变截面机构，以增大所述燃料电池系统的空气压力；
13.和/或，所述膨胀机与电堆之间设置有背压阀，通过调节所述背压阀的开度，以增大所述燃料电池系统的空气压力。
14.可选地，在上述燃料电池系统运行方法中，所述临界电堆运行电流密度值为2000ma/cm2,所述空气压力极值点的取值范围为300kpa～400kpa。
15.一种存储介质，所述存储介质存储有电池系统运行指令，所述电池系统运行指令用于使燃料电池系统执行如权利要求1至4任意一项所述的燃料电池系统运行方法。
16.一种燃料电池系统，应用如上所述的燃料电池系统运行方法，包括：
17.电堆；
18.与所述电堆电连接的系统控制器，用于预先接收并存储目标压力控制表，所述目标压力控制表包括电堆运行电流密度和空气压力与所述燃料电池系统的总体效率之间的关系；
19.电流监测装置，用于实时监测电堆运行电流，并将监测到的电堆运行电流传输至系统控制器，以使所述系统控制器计算出电堆运行电流密度；以及
20.空气压缩机总成；
21.其中，所述空气压缩机总成包括空气压缩机和膨胀机，所述空气压缩机的空气出口与所述电堆连通，用于向所述电堆提供压缩空气；所述膨胀机与所述电堆的出口连通，用于将所述电堆排出的能量进行回收利用。
22.可选地，在上述燃料电池系统中，所述空气压缩机总成包括空气压缩机和膨胀机，通过调节所述空气压缩机的转速调节所述燃料电池系统内的空气压力；
23.和/或，所述膨胀机与所述电堆之间设置有背压阀，通过调节所述背压阀的开度调节所述燃料电池系统内的空气压力；
24.和/或，所述膨胀机设置有变截面机构，通过调节所述膨胀机的变截面机构调节所述燃料电池系统的空气压力。
25.可选地，在上述燃料电池系统中，所述空气压缩机总成与所述电堆之间设置有空气换热器。
26.可选地，在上述燃料电池系统中，所述空气压缩机总成的入口处连接有空气滤清器。
27.一种车辆，包括如上所述的燃料电池系统。
28.使用本发明所提供的燃料电池系统运行方法能够实时监测电堆运行电流，并计算出电堆运行电流密度，根据已确定的电堆运行电流密度，结合预先存储的目标压力值控制表，将燃料电池系统的空气压力调节至空气压力极值点，不仅提高了电堆功率，而且提升了燃料电池系统的总体效率，使得燃料电池系统处于高效率运行状态。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明实施例所提供的燃料电池电堆在不同空气压力下的极化曲线图；
31.图2为本发明实施例所提供的燃料电池电堆在不同电流及工作压力下的总体效率曲线图；
32.图3为本发明实施例所提供的一种燃料电池系统的结构示意图；
33.图4为本发明实施例所提供的一种含有变截面机构的膨胀机在燃料电池系统的连接结构示意图；
34.图5为本发明实施例所提供的一种设置有背压阀的燃料电池系统的结构示意图。
35.其中，100为空气滤清器，200为空气压缩机总成，201为空气压缩机，202为膨胀机，300为空气换热器，400为电堆，500为系统控制器，600为背压阀。
具体实施方式
36.由背景技术可知，当前燃料电池电堆所加载的电流密度不断提升。为提升电堆的输出性能，通常提升电堆入口处的空气压力；然而，当电堆处于高电流密度工作时，通过提升电堆入口处的空气压力虽然使电堆的输出性能得到了进一步提升，但是空气压缩机总成的功耗和其它辅助零部件的综合功耗也相应增加，燃料电池系统的总体效率有存在上升和下降两种可能。
37.有鉴于此，本发明的核心在于提供一种燃料电池系统运行方法，以提高燃料电池系统在高电流密度工作时的总体效率。
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.如图1至图5所示，本发明实施例公开了一种燃料电池系统运行方法，包括步骤：
40.s1：将目标压力值控制表预先存储在系统控制器500中，目标压力值控制表包括电堆运行电流密度和空气压力与燃料电池系统的总体效率之间的关系，以根据不同的电堆运行电流密度，将空气压力调节至与某一时刻电堆运行电流密度所对应的空气压力极值点。
41.s2：实时监测电堆运行电流，以计算出电堆运行电流密度，其中，电堆运行电流密度i
cd
＝i/s，i为电堆运行电流，s为电堆导体截面面积。
42.s3：根据电堆运行电流计算出电堆运行电流密度，并根据电堆运行电流密度查询目标压力值控制表，以调节燃料电池系统的空气压力至空气压力极值点，提升燃料电池系统的总体效率，使燃料电池系统处于高效率运行状态。
43.由此可见，本发明所提供的燃料电池系统运行方法能够实时监测电堆运行电流，并计算出电堆运行电流密度，根据已确定的电堆运行电流密度，结合预先存储的目标压力值控制表，将燃料电池系统的空气压力调节至空气压力极值点，不仅改善了高电流密度下电堆的空气传质问题，提高了电堆功率，而且提升了燃料电池系统的总体效率，使得燃料电池系统处于高效率运行状态。
44.为得到上述目标压力控制表，首先需要分析电堆输出性能对空气压力的敏感性：根据燃料电池电压的热力学原理，其输出性能随空气压力的提升而提升；尤其在高电流密度下，空气压力的提升有效改善了传质问题，提升电堆电压性能。对所采用的具体的燃料电池电堆400，进行敏感性测试，得到不同空气压力下的极化曲线(如图1所示)，即u
stack
＝f(i
cd
,p
air
)，其中i
cd
为电堆运行电流密度，u
stack
为电堆输出电压，p
air
为电堆工作时的空气压力。
45.其次，需要分析空气压缩机总成200的功耗。
46.具体地，压缩机总成功耗根据下述公式进行估算：
[0047][0048]
其中，上述公式中：
[0049]
p
acp
为压缩机总成功耗；
[0050]
t
acp_in
为压缩机入口温度，根据环境条件确定；
[0051]
p
acp_out
为压缩机出口空气压力，可根据上述电堆工作时的空气压力p
air
及空气压缩机201至电堆空气入口处的流动阻力δp1相加确定，其中δp1可通过试验数据得到；
[0052]
p
acp_in
为压缩机入口压力，根据环境条件确定；
[0053]qair
为压缩机流量，可根据电堆工作电流i确定，具体地，其中n为电堆单电池片数；
[0054]
η
acp
为压缩机总体效率，可根据压缩机流量q
air
、压缩机入口压力p
acp_in
和压缩机出口压力p
acp_out
，查询空气压缩机201工作特性表得到，空气压缩机201工作特性表为空气压缩机201厂商提供；
[0055]
按上述公式(1)可计算分析得到压缩机消耗的功率p
acp
。
[0056]
再次，如图1所示，空气压缩机总成200包括空气压缩机201和膨胀机202，空气压缩机201高压比运行提高了其出口温度，通过空气换热器300，将该热量传递至膨胀机202入口空气；相同的，空气压缩机201出口的高压力空气，通过燃料电池电堆400、空气换热器300等空气侧零部件后，依然具有较高压力，该气体进入膨胀机202，通过膨胀过程，将气体中包含的能量部分传递至空气压缩机总成200中的膨胀机202的轴，膨胀机202实现了能量回收，降低了驱动空气压缩机总成200所需的电功率，提升了燃料电池系统的效率。
[0057]
因此，需要计算膨胀机202的回收功率，膨胀机202的回收功率估算公式如下述公式(2)进行计算：
[0058][0059]
上述公式(2)中的t
exp_in
为膨胀机202入口温度，空气换热器300通过燃料电池电堆400出口的气体吸收空气压缩机201出口气体的热量，提升进入膨胀机202的气体温度。由于不同空气换热器300的工作特性不同，可通过试验得到空气换热器300的工作特性表格。根据该工作特性表格，可以查询得到换热器出口温度，该换热器出口温度即为膨胀机202入口温度t
exp_in
，t
exp_in
＝lut(q
air
,q
exh
,t
acp_out
)，其中，q
exh
为电堆出口气体流量，近似等于电堆入口气体流量，亦即近似等于压缩机流量q
air
。
[0060]
t
exp_in
＝lut(q
air
,q
exh
,t
acp_out
)中的t
acp_out
为压缩机出口温度，根据下述公式(3)进行计算：
[0061][0062]
上述公式(3)中，t
acp_in
为压缩机入口温度，根据环境条件确定；
[0063]
p
acp_out
为压缩机出口空气压力，可根据上述电堆工作时的空气压力p
air
及空气压缩机201至电堆空气入口处的流动阻力δp1相加确定，其中δp1可通过试验数据得到；
[0064]
p
acp_in
为压缩机入口压力，根据环境条件确定；
[0065]
η
acp
为压缩机总体效率，可根据压缩机流量q
air
、压缩机入口压力p
acp_in
和压缩机出口压力p
acp_out
，查询空气压缩机201工作特性表得到，空气压缩机201工作特性表为空气压缩机201厂商提供；
[0066]
按上述公式(3)可计算分析得到压缩机出口温度t
acp_out
。
[0067]
因此，t
exp_in
＝lut(q
air
,q
exh
,t
acp_out
)中的q
air
为压缩机流量，根据
计算得出，n为电堆单电池片数；q
exh
为电堆出口气体流量，近似等于压缩机流量q
air
；t
acp_out
为压缩机出口温度，按照上述公式(3)计算得出，然后，查询通过试验得到的工作特性表，得到膨胀机202入口温度t
exp_in
＝lut(q
air
,q
exh
,t
acp_out
)。
[0068]
上述公式(2)中的其余参数：η
exp
为膨胀机202的泵头效率，可根据选定的膨胀机202查询特性图得到或提出相应要求进行设计；
[0069]
p
exp_in
为膨胀机202入口压力，可根据电堆入口压力与流经电堆、空气换热器300等膨胀机202入口前的各部件的压力损失
△
p2相减计算得到，其中，
△
p2可通过试验数据得到；
[0070]
p
exp_out
为膨胀机202出口压力，可近似为环境压力。
[0071]
综上，上述公式(2)中的各项参数均已确定，根据公式(2)计算出膨胀机202回收功率p
exp
。
[0072]
最后，对燃料燃烧电池系统的总体效率进行分析。
[0073]
根据电堆的电压性能，当电堆工作电流为im、电堆空气压力为p
air_n
时，电堆输出电压u
stack_mn
＝f(im,p
air_n
)。此时，空气压缩机总成200的功耗p
assm
(im,p
air_n
)＝p
acp
(im,p
air_n
)-p
exp
(im,p
air_n
)，p
acp
(im,p
air_n
)为电堆工作电流为im、电堆空气压力为p
air_n
时的空气压缩机201的功耗，p
exp
(im,p
air_n
)为电堆工作电流为im、电堆空气压力为p
air_n
时的膨胀机202回收功率；其余必要的辅助零部件的功耗综合为p
mn
，则燃料电池系统的效率近似计算为：
[0074]
η
mn
＝(系统功率/电堆功率)
×
电堆效率＝[(电堆功率-空压机总成功耗-辅助零部件的功耗综合)/电堆功率]
×
电堆效率
[0075]
其中，电堆效率为：u
stack_mn
/(1.25
×
n)，n为电堆单电池片数，代入上述各项参数后，得出燃料电池系统的效率：
[0076][0077]
根据上述公式(4)得到不同电流及工作压力下的总体效率曲线图，如本发明附图2所示。
[0078]
根据图2所示的燃料电池系统的总体效率曲线图可见，燃料电池系统的总体效率随空气压力的上升而上升，在空气压力提高至空气压力极值点后，若继续提高空气压力，则燃料电池系统的总体效率下降；因此，当电堆工作电流为im时，可确定燃料电池系统的总体效率的极值点及对应的空气压力为p
air_m
。
[0079]
经过试验发现，基于本发明所提供的燃料电池系统，尤其当燃料电池系统在高电堆电流密度时(如高于2000ma/cm2时)，提升系统压力至绝对压力300～400kpa，首先显著改善了高电流密度下电堆的空气传质问题，提高了电堆输出功率；其次，利用空气换热器300，将高压比带来的高温传递至膨胀机202入口气体，随后利用膨胀机202将燃料电池电堆400阴极侧排出的具有一定压力和温度的气体进行能量回收，降低空气压缩机总成200的功耗，避免了空气压缩机201高压比带来的功率显著上升而导致系统效率降低。基于以上两点，燃料电池系统的总体效率得到提升。
[0080]
基于上述分析，在上述步骤s3中，增大燃料电池系统的空气压力并控制空气压力小于空气压力极值点，以防止空气压力大于空气压力极值点后，燃料电池系统的总体效率
下降，使燃料电池系统的总体效率保持在高峰值。
[0081]
进一步地，本发明对增大燃料电池系统的空气压力的具体方法不作限定，例如，在步骤s3-2和步骤s3-2中，可以通过调节空气压缩机201的转速，增大燃料电池系统的空气压力；或者，在膨胀机202上设置变截面机构，通过调节变截面机构的转动角度，调节膨胀机202出口排出的空气量，以增大燃料电池系统的空气压力；或者，膨胀机202与电堆之间设置有背压阀600，通过调节背压阀600的开度，以增大燃料电池系统的空气压力，只要是能够增大燃料电池系统的空气压力，使燃料电池系统高效率运行即可。
[0082]
此外，本发明还公开了一种存储介质，存储介质存储有电池系统运行指令，电池系统运行指令用于使燃料电池系统执行如上所述的燃料电池系统运行方法，从而使燃料电池系统执行上述燃料电池系统运行方法。
[0083]
如图3至图5所示，本发明实施例还公开了一种燃料电池系统，应用如上所述的燃料电池系统运行方法，包括电堆、系统控制器500、电流监测装置和空气压缩机总成200。
[0084]
其中，系统控制器500与电堆电连接，用于预先接收并存储目标压力控制表，目标压力控制表包括电堆运行电流密度和空气压力与燃料电池系统的总体效率之间的关系；电流监测装置用于实时监测电堆运行电流，并将监测到的电堆运行电流传输至系统控制器500，由系统控制器500根据电堆运行电流计算出电堆运行电流密度；空气压缩机总成200包括空气压缩机201和膨胀机202，空气压缩机201的空气出口与电堆连通，用于向电堆提供压缩空气；膨胀机202与电堆的出口连通，用于将电堆排出的能量进行回收利用。
[0085]
由此可见，本发明所提供的燃料电池系统通过电流监测装置实时监测电堆运行电流，并计算出电堆运行电流密度，根据已确定的电堆运行电流密度，结合预先存储的目标压力值控制表，将燃料电池系统的空气压力调节至空气压力极值点，不仅提高了电堆功率，而且提升了燃料电池系统的总体效率，使得燃料电池系统处于高效率运行状态。
[0086]
另外，空气压缩机总成200包括空气压缩机201和膨胀机202，本发明对增大燃料电池系统的空气压力的具体技术手段不作限定，例如，可以通过调节空气压缩机201的转速，调节燃料电池系统内的空气压力；或者，膨胀机202与电堆之间设置有背压阀600，通过调节背压阀600的开度调节燃料电池系统内的空气压力；或者，膨胀机202设置有变截面机构，通过调节膨胀机202的变截面机构调节燃料电池系统的空气压力；还可以同时调节空气压缩机201的转速、背压阀600的开度和变截面机构，只要是能够增大燃料电池系统的空气压力的方法均属于本发明保护范围内。
[0087]
空气压缩机总成200与电堆之间设置有空气换热器300，以通过空气换热器300将空气压缩机201高压比运行输出的热量传递至膨胀机202入口空气；相同的，空气压缩机201出口的高压力空气，通过燃料电池电堆400、空气换热器300等空气侧零部件后，依然具有较高压力；该气体进入膨胀机202，通过膨胀过程，将气体中包含的能量部分传递至空气压缩机总成200中的膨胀机202的轴，降低了驱动空气压缩机总成200所需的电功率，提升了燃料电池系统的效率。
[0088]
并且，本发明还公开的燃料电池系统中，空气压缩机总成200的入口处连接有空气滤清器100，以过滤空气中的杂质。
[0089]
此外，本发明还公开了一种车辆，包括如上所述的燃料电池系统，因此兼具了上述燃料电池系统的所有技术效果，本文在此不再一一赘述。
[0090]
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有设定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。
[0091]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。