用于燃料电池系统的加湿系统及其控制方法、存储介质与流程

1.本技术总体上涉及燃料电池技术，尤其涉及用于燃料电池系统的加湿系统及其控制方法。本技术还涉及一种机器可读的非易失性存储介质。


背景技术：

2.利用燃料与氧化剂的电化学反应发电的燃料电池系统被日益广泛地用来提供电力，尤其是在电动车辆领域中。质子交换膜燃料电池是一种广泛应用的燃料电池，其采用氢气为燃料，氧气为氧化剂。在质子交换膜燃料电池运行期间，氢气和空气被分别供给到质子交换膜燃料电池的阳极和阴极。进入阳极的氢分子被催化剂吸附并离化为氢离子和电子，氢离子经由质子交换膜转移到阴极，电子则通过外电路流向阴极以形成电流。空气中的氧气在阴极与氢离子和电子相结合成水分子。只有在质子交换膜上的含水量处于合适的水平，才能确保良好的质子传导能力。已知通过调节进入阴极的空气的相对湿度可以控制电堆中的含水量，以将质子交换膜上的含水量维持在合适的水平。
3.空气通过燃料电池系统的空压机吸入进气通道，被空压机加压，随后经过设置在该空压机下游的中冷器而被冷却。目前已知用于燃料电池系统的多种空气加湿系统，其通常设置在中冷器下游以对空气进行加湿。现有的加湿系统都是基于空气通过空压机吸入进气通道时的初始相对湿度(亦即燃料电池系统外部的环境中的空气相对湿度)来对空气进行加湿，以调节进入阴极的空气的相对湿度，而没有考虑空气经过空压机和中冷器的温度变化导致的相对湿度变化。这导致基于该初始相对湿度来对空气进行加湿误差较大，难以精确控制进入阴极的空气的相对湿度，从而使得难以精确控制电堆中的含水量。
4.因此，需要对现有的加湿系统进行改进。


技术实现要素：

5.本技术旨在提供一种用于燃料电池系统的加湿系统，以克服以上缺陷中的至少一种。
6.根据本技术的一个方面，提供了一种用于燃料电池系统的加湿系统。所述燃料电池系统包括被配置成用于向所述燃料电池系统的电堆的阴极入口供给空气的进气通道、设置在所述进气通道上并且被配置成对空气进行加压的空压机、以及设置在所述进气通道上位于所述空压机下游并且被配置成对经加压的空气进行冷却的中冷器。所述加湿系统被配置成设置在所述进气通道上位于所述中冷器下游，并且包括：被配置成分别连接在所述中冷器与所述阴极入口之间的加湿通道和旁通通道，所述加湿通道被配置成具有可调的第一通流能力，并且所述旁通通道被配置成具有可调的第二通流能力；设置在所述加湿通道上并且被配置成对空气进行加湿的加湿器；以及加湿控制器，所述加湿控制器被配置成响应于来自所述燃料电池系统的加湿调节请求基于所述中冷器出口处的空气相对湿度rh
icds
调节所述第一通流能力和所述第二通流能力，从而控制进入所述阴极入口的空气相对湿度。
7.根据本技术的另一方面，提供了一种用于控制燃料电池系统的加湿系统的方法。
所述燃料电池系统包括被配置成用于向所述燃料电池系统的电堆的阴极入口供给空气的进气通道、设置在所述进气通道上并且被配置成对空气进行加压的空压机、以及设置在所述进气通道上位于所述空压机下游并且被配置成对经加压的空气进行冷却的中冷器。所述加湿系统被配置成设置在所述进气通道上位于所述中冷器下游，并且包括：被配置成分别连接在所述中冷器与所述阴极入口之间的加湿通道和旁通通道，所述加湿通道被配置成具有可调的第一通流能力，并且所述旁通通道被配置成具有可调的第二通流能力；以及设置在所述加湿通道上并且被配置成对空气进行加湿的加湿器。所述方法包括响应于来自所述燃料电池系统的加湿调节请求基于所述中冷器出口处的空气相对湿度rh
icds
调节所述第一通流能力和所述第二通流能力，从而控制进入所述阴极入口的空气相对湿度。
8.根据本技术的又一方面，提供了一种机器可读的非易失性存储介质，在所述机器可读的非易失性存储介质上存储有实施前述方法的程序指令。
9.根据本技术的加湿系统能够精确地控制进入阴极的空气相对湿度，以将燃料电池系统中的电堆含水量精确地维持在期望的水平，从而确保燃料电池系统可靠和高效运行。
附图说明
10.下面将结合附图来更彻底地理解并认识本技术的上述和其它方面。应当注意的是，附图仅为示意性的，并非按比例绘制。在附图中：
11.图1示意性地示出了根据本技术优选实施例的加湿系统；以及
12.图2示意性地示出了用于控制图1的加湿系统的控制方法的流程图。
13.附图标记列表
[0014]1ꢀꢀꢀꢀ
电堆
[0015]3ꢀꢀꢀꢀ
阳极
[0016]5ꢀꢀꢀꢀ
阴极
[0017]7ꢀꢀꢀꢀ
阴极入口
[0018]8ꢀꢀꢀꢀ
阴极出口
[0019]9ꢀꢀꢀꢀ
进气通道
[0020]
10
ꢀꢀꢀ
排气通道
[0021]
11
ꢀꢀꢀ
空压机
[0022]
13
ꢀꢀꢀ
中冷器
[0023]
100
ꢀꢀ
加湿系统
[0024]
101
ꢀꢀ
加湿通道
[0025]
103
ꢀꢀ
旁通通道
[0026]
105
ꢀꢀ
第一阀机构
[0027]
107
ꢀꢀ
第二阀机构
[0028]
109
ꢀꢀ
加湿器
[0029]
111
ꢀꢀ
加湿控制器
[0030]
113
ꢀꢀ
第一传感器
[0031]
115
ꢀꢀ
第二传感器
[0032]
117
ꢀꢀ
第三传感器
具体实施方式
[0033]
下面结合示例详细描述本技术的一些优选实施例。本领域技术人员应理解到的是，这些实施例仅是示例性的，并不意味着对本技术形成任何限制。此外，在不冲突的情况下，本技术的实施例中的特征可以相互组合。在附图中，为简要起见而省略了其它的部件，但这并不表明本技术的加湿系统和燃料电池系统不可包括其它部件。应理解到，附图中各部件的尺寸、比例关系以及部件的数目均不作为对本技术的限制。
[0034]
图1示意性地示出了根据本技术优选实施例的加湿系统100(以虚线框表示)以及该加湿系统100能够应用于其中的燃料电池系统的一部分。燃料电池系统可以用于车辆中以提供电力，从而驱动车辆电机来提供动力或者使得车载系统执行各种功能。如图1所示，燃料电池系统例如是质子交换膜燃料电池(pemfc)，并且包括电堆1。电堆1包括阳极3和阴极5。在该燃料电池系统运行期间，需要将氢气和空气分别供给到电堆1的阳极3和阴极5。进入阳极3的氢分子被催化剂吸附并离化为氢离子和电子，氢离子经由电堆1中的质子交换膜(未示出)转移到阴极5，电子则通过外电路(未示出)流向阴极5以形成电流。空气从阴极入口7进入阴极5，空气中的氧气在阴极5与氢离子和电子相结合成水分子，并与空气中的其它气体一起从阴极出口8排出到排气通道10。
[0035]
为了向电堆1供给空气，该燃料电池系统包括被配置成用于向电堆1的阴极入口7供给空气的进气通道9、设置在进气通道9上并且被配置成对空气进行加压的空压机11、以及设置在进气通道9上位于空压机11下游并且被配置成对经加压的空气进行冷却的中冷器(inter-cooler)13。空压机11可以是用以压缩气体的任何合适的空压机，其在操作时能够将空气从该燃料电池系统外部的环境吸入进入通道9。由于被空压机11加压，被吸入的空气的温度、压力和流速增大。空压机11的操作(例如，功率、主轴转速等)可以由该燃料电池系统的燃料电池控制单元(fcu)(未示出)基于该燃料电池系统的运行工况(例如，燃料电池系统的功率或电流)来控制。中冷器13可以是能够冷却气体的任何合适的冷却装置(例如，空冷装置、液冷装置或其组合)，并且中冷器13在操作时在经加压的空气通过其时对经加压的空气进行冷却。由于被中冷器13冷却，经加压的空气的温度降低。
[0036]
为了将电堆1中的含水量维持在合适水平，加湿系统100被设置在进气通道9上位于中冷器13下游。加湿系统100包括被配置成分别连接在中冷器13与阴极入口7之间的加湿通道101和旁通通道103。加湿通道101被配置成具有可调的第一通流能力，并且旁通通道103被配置成具有可调的第二通流能力。如在本文中所使用的，术语“通流能力”是指通道允许流体经由其通过的能力，其通常以通道用于流通流体的有效截面积来表征。此外，如在本文中所使用的，术语“可调”是指自动调节，即，不用人力而用机械、电气等装置调节。在一个具体示例中，第一阀机构105被设置在加湿通道101上以调节第一通流能力，并且第二阀机构107被设置在旁通通道103上以调节第二通流能力，从而使得加湿通道101和旁通通道103分别具有可调的第一通流能力和第二通流能力。具体而言，第一阀机构105可以是电动或气动调节阀，使得加湿通道101的第一通流能力与第一阀机构105的阀开度相关联。类似地，第二阀机构107可以是电动或气动调节阀，使得旁通通道103的第二通流能力与第二阀机构107的阀开度相关联。通过这种方式，能够通过控制第一阀机构105和第二阀机构107的阀开度来调节加湿通道101的第一通流能力和旁通通道103的第二通流能力。在这种情况下，通过增大阀机构的阀开度来提高通道的通流能力，并且通过减小阀机构的阀开度来降低通道
的通流能力。应理解，在其它部分示例中，加湿通道101和旁通通道103也可以包括可选、替代或附加的合适机构，或者呈其它合适的形式，以分别具有可调的第一通流能力和第二通流能力。
[0037]
加湿系统100还包括被配置成设置在加湿通道101上并且对空气进行加湿的加湿器109。加湿器109可以是在空气经由其通过时对空气进行加湿的任何合适加湿装置，例如自加湿器(如在图1中示例性地描绘的，其被配置成利用从阴极出口8排出的排气来加湿要被供给到阴极入口7的空气，这是因为从阴极出口8排出的排气比要被供给到阴极入口7的空气含水量高)、液态水喷射加湿器、湿膜加湿器、鼓泡加湿器、渗透膜加湿器等。
[0038]
加湿系统100还包括加湿控制器111。加湿控制器111被配置成响应于来自该燃料电池系统的加湿调节请求基于中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
调节加湿通道101的第一通流能力和旁通通道103的第二通流能力，从而控制进入阴极入口7的空气相对湿度。具体而言，当该燃料电池系统的运行工况(例如，燃料电池系统的功率或电流)发生变化时，fcu向加湿控制器111发送加湿调节请求，该加湿调节请求指示进入阴极入口7的期望空气相对湿度rh
cip
。例如，该期望空气相对湿度rh
cip
可以基于燃料电池系统的诸如功率或电流、压缩机的功率之类的运行工况预先标定。加湿控制器111响应于该加湿调节请求基于中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
调节加湿通道101的第一通流能力和旁通通道103的第二通流能力，以调节空气在通过加湿系统100时通过加湿通道101而被加湿的部分与通过旁通通道103而未被加湿的部分的比例。通过这种方式，能够精确控制空气在通过加湿系统100时被加湿的程度，以控制进入阴极入口7的空气相对湿度。相对于现有技术中的加湿系统，加湿系统100能够更精确地控制进入阴极入口7的空气相对湿度，以将燃料电池系统中的电堆含水量精确维持在期望的水平，从而确保燃料电池系统可靠和高效运行。
[0039]
在一个具体示例中，加湿控制器111被配置成能够与上文描述的第一阀机构105和第二阀机构107通信(如图1中以虚线表示的)，以通过控制第一阀机构105和第二阀机构107的阀开度来调节加湿通道101的第一通流能力和旁通通道103的第二通流能力。
[0040]
为了确定中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
，在一种实现方式中，加湿系统100还可以包括被配置成用于感测中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
的相对湿度传感器(未示出)。加湿控制器111被配置成能够与该相对湿度传感器通信，以接收指示感测到的中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
的信号。
[0041]
作为另一种实现方式中，加湿控制器111被配置成基于以下公式确定中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
：
[0042][0043]
其中，t
amb
、p
amb
和rh
amb
分别是通过空压机11吸入进气通道9的空气的温度(单位为k)、压力(单位为pa)和相对湿度(单位为％)，t
icds
和p
icds
分别是中冷器13出口处的空气温度(单位为k)和空气压力(单位为pa)，并且f(t
amb
)和f(t
icds
)通过公式计算得到，e是自然常数。与上文描述的实现方式不同，这种实现方式没有通过相对湿度传感器直接测量中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
，而是基于通过空压机11吸入进气通道9的空气的温度t
amb
、压力p
amb
和相对湿度rh
amb
以及中冷
器13出口处的空气温度t
icds
和空气压力p
icds
间接计算得到中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
。通过空压机11吸入进气通道9的空气的温度t
amb
、压力p
amb
和相对湿度rh
amb
实际上分别对应于该燃料电池系统所处的环境中的空气的温度、压力和相对湿度，因而可以通过设置在进气通道9入口处的第一传感器113或者设置在该燃料电池系统的其它合适位置的传感器测量得到。第一传感器113可以是本领域中已知的任何合适类型的传感器或传感器集群。中冷器13出口处的空气温度t
icds
和空气压力p
icds
可以通过设置在中冷器13出口处的第二传感器115测量得到。第二传感器115可以是本领域中已知的任何合适类型的传感器或传感器集群。相比于上文描述的实施方式，在本实施方式中对通过空压机11吸入进气通道9的空气温度t
amb
、空气压力p
amb
和空气相对湿度rh
amb
以及中冷器13出口处的空气的温度t
icds
和压力p
icds
进行测量所采用的传感器更易于获得，并且满足车规级的要求。此外，对通过空压机11吸入进气通道9的空气温度t
amb
、空气压力p
amb
和空气相对湿度rh
amb
以及中冷器13出口处的空气的温度t
icds
和压力p
icds
进行测量所得到的数据的可信程度更高。这些都能够提高加湿系统100的可靠性和精确性，并且更具成本效益。此外，应理解到，第一传感器113和第二传感器115可以是加湿系统100的部件，或者可以是该燃料电池系统的部件。
[0044]
加湿控制器111被配置成将该加湿调节请求所指示的进入阴极入口7的期望空气相对湿度rh
cip
与所确定的中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
进行比较，并且基于期望空气相对湿度rh
cip
与所确定的中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
之差来确定第一通流能力和第二通流能力的调节目标值。第一通流能力和第二通流能力的调节目标值可以被与前述差值以及诸如空压机11的运行参数之类的燃料电池运行工况相关联地预先标定，例如通过map图。在一个具体示例中，对上文描述的第一阀机构105和第二阀机构107的阀开度的调节目标值可以被与前述差值和空压机11的功率(因为空压机11的功率决定了空气在进气通道9中的流动)相关联地预先标定。加湿控制器111被进一步配置成在期望空气相对湿度rh
cip
与所确定的中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
之差变大(例如，需要提高进入阴极入口7的空气相对湿度、通过空压机11吸入进气通道9的空气变得干燥)时，提高第一通流能力和/或降低第二通流能力，并且在期望空气相对湿度rh
cip
与所确定的中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
之差变小(例如，需要降低进入阴极入口7的空气相对湿度、通过空压机11吸入进气通道9的空气变得湿润)时，降低第一通流能力和/或提高第二通流能力。如此，可以在期望空气相对湿度rh
cip
和所确定的中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
中的至少一者发生变化时，更快速且更精确地调节空气在通过加湿系统100时通过加湿通道101而被加湿的部分与通过旁通通道103而未被加湿的部分的比例。通过这种方式，能够更快速且更精确地控制进入阴极入口7的空气相对湿度，从而确保燃料电池系统可靠和高效运行。
[0045]
在上文描述的实施例中，并未考虑空气从中冷器13出口到阴极入口7的温度变化对空气相对湿度的影响，而是假定空气从中冷器13出口到阴极入口7的温度没有发生变化。已知在其它条件一定的情况下，空气的温度升高会使其相对湿度降低，温度降低会使其相对湿度升高。
[0046]
为了更精确地控制进入阴极入口7的空气相对湿度，加湿控制器111还被配置成基于空气从中冷器13出口到阴极入口7的温度变化以如下方式修正对加湿通道101的第一通流能力和旁通通道103的第二通流能力的调节：
[0047]
(a)在空气从中冷器13出口到阴极入口7的温度上升的情况下：
[0048]
(a1)在期望空气相对湿度rh
cip
与所确定的中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
之差变大时，基于温度上升的程度增大对第一通流能力的提高程度和/或增大对第二通流能力的降低程度；
[0049]
(a2)在期望空气相对湿度rh
cip
与所确定的中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
之差变小时，基于温度上升的程度减小对第一通流能力的降低程度和/或减小对第二通流能力的提高程度；以及
[0050]
(b)在空气从中冷器13出口到阴极入口7的温度下降的情况下：
[0051]
(b1)在期望空气相对湿度rh
cip
与所确定的中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
之差变大时，基于温度下降的程度减小对第一通流能力的提高程度和/或减小对第二通流能力的降低程度；
[0052]
(b2)在期望空气相对湿度rh
cip
与所确定的中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
之差变小时，基于温度下降的程度增大对第一通流能力的降低程度和/或增大对第二通流能力的提高程度。
[0053]
通过上述方式，能够修整空气从中冷器13出口到阴极入口7的温度变化对空气相对湿度的影响，从而使得能更加精确地控制进入阴极入口7的空气相对湿度。这使得可以将燃料电池系统中的电堆含水量更加精确地维持在期望的水平，从而确保燃料电池系统可靠和高效运行。
[0054]
在一些实施例中，阴极入口7处的空气温度t
cip
可以通过第三传感器117测量得到。第三传感器117可以是燃料电池系统或加湿系统的一部分，并且被配置成感测阴极入口7处的空气温度t
cip
。加湿控制器111被配置成将中冷器13出口处的空气的温度t
icds
与阴极入口7处的空气温度t
cip
进行比较，以确定空气从中冷器13出口到阴极入口7的温度变化，并且基于该温度变化以上述方式修正对加湿通道101的第一通流能力和旁通通道103的第二通流能力的调节。应理解，在其它部分实施例中，也可以不设置第三传感器117，而是基于该燃料电池系统和加湿系统100的运行工况预先标定阴极入口7处的空气温度t
cip
。
[0055]
下面将结合图2详细描述用于控制图1的加湿系统100的控制方法。如图2所示，在步骤s201，加湿系统100的加湿控制器111响应于来自燃料电池系统的加湿调节请求确定中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
。在一些示例中，如上所述，加湿控制器111能够与被配置成用于感测中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
的相对湿度传感器通信，以接收感测到的指示中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
的信号。在其它部分示例中，同样如上所述，加湿控制器111基于公式(1)确定中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
。
[0056]
接下来，在步骤s203，加湿控制器111基于该加湿调节请求所指示的进入阴极入口7的期望空气相对湿度rh
cip
与所确定的中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
进行比较，并且基于期望空气相对湿度rh
cip
与所确定的中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
之差来确定第一通流能力和第二通流能力的调节目标值，在该期望空气相对湿度rh
cip
与所确定的中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
之差变大时，提高第一通流能力和/或降低第二通流能力，在该期望空气相对湿度rh
cip
与所确定的中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
之差变小时，降低第一通流能力和/或提高第二通流能力。
[0057]
可选地，接下来，在步骤s205，加湿控制器111基于空气从中冷器13出口到阴极入口7的温度变化以如下方式修正对加湿通道101的第一通流能力和旁通通道103的第二通流
能力的调节：
[0058]
(a)在空气从中冷器13出口到阴极入口7的温度上升的情况下：
[0059]
(a1)在期望空气相对湿度rh
cip
与所确定的中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
之差变大时，基于温度上升的程度增大对第一通流能力的提高程度和/或增大对第二通流能力的降低程度；
[0060]
(a2)在期望空气相对湿度rh
cip
与所确定的中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
之差变小时，基于温度上升的程度减小对第一通流能力的降低程度和/或减小对第二通流能力的提高程度；以及
[0061]
(b)在空气从中冷器13出口到阴极入口7的温度下降的情况下：
[0062]
(b1)在期望空气相对湿度rh
cip
与所确定的中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
之差变大时，基于温度下降的程度减小对第一通流能力的提高程度和/或减小对第二通流能力的降低程度；
[0063]
(b2)在期望空气相对湿度rh
cip
与所确定的中冷器13出口处的空气相对湿度rh
icds
之差变小时，基于温度下降的程度增大对第一通流能力的降低程度和/或增大对第二通流能力的提高程度。
[0064]
接下来，在步骤s207，加湿控制器111通过调节加湿通道101的第一通流能力和旁通通道103的第二通流能力来以调节空气在通过加湿系统100时通过加湿通道101而被加湿的部分与通过旁通通道103而未被加湿的部分的比例，从而控制进入阴极入口7的空气相对湿度。
[0065]
通过这种方式，能够精确控制空气在通过加湿系统100时被加湿的程度，以控制进入阴极入口7的空气相对湿度。相对于现有技术中的加湿系统，加湿系统100能够更精确地控制进入阴极入口7的空气相对湿度，以便将燃料电池系统中的电堆含水量精确维持在期望的水平，从而确保燃料电池系统可靠和高效运行。
[0066]
应理解，如图2所示的控制方法可以是可执行的程序指令，所述可执行的程序指令被存储在机器可读的非易失性存储介质上。
[0067]
还应理解，术语“第一”、“第二”和“第三”仅用于将一个元件或部件与另一个元件或部件区分开来，但是这些元件和/或部件不应受到此类术语的限制。
[0068]
以上结合具体实施例对本技术进行了详细描述。显然，以上描述以及在附图中示出的实施例均应被理解为是示例性的，而不构成对本技术的限制。对于本领域技术人员而言，可以在不脱离本技术的精神的情况下对其进行各种变型或修改，这些变型或修改均不脱离本技术的范围。