CN113067015A - 一种燃料电池空气湿度调节***及其控制方法 - Google Patents

一种燃料电池空气湿度调节***及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池空气湿度调节***及其控制方法，控制方法包括：采集电堆阴极运行数据，获得入口处的实际空气湿度RH，将运行数据处理得到当前工况下入口处的目标空气湿度RH0，当RH＞RH0时计算差值ΔRH，根据ΔRH进行联合控制来调节电堆阴极入口空气湿度，联合控制包括控制可使将进入增湿器的新鲜空气部分旁通向混排器的泄压阀、控制可使将进入增湿器的新鲜空气部分旁通向电堆阴极入口的入口调湿阀、控制可使将进入增湿器的废空气旁通向混排器的出口调湿阀、控制空压机。本发明通过入口调湿阀、出口调湿阀、空压机、背压阀联合调节，精确控制电堆入口的空气湿度，同时提高了动态工况电堆湿度响应速率。

Description

一种燃料电池空气湿度调节***及其控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池，具体地指一种燃料电池空气湿度调节***及其控制方法。
背景技术
燃料电池***包括电堆、空气***、氢气***、冷却***以及相应控制***。其中空气***由空滤、空压机、中冷器、增湿器和背压阀等组件构成，主要是为电堆提供运行时所需的空气，由于电堆在不同工况下的工作边界不同，对空气***所供应空气的流量、温度、压力和湿度等参数需求也会相应发生变化。空压机一般为离心式，作用是为电堆提供空气流量，背压阀联合空压机转速调节可以控制进入电堆的空气压力。泄压阀可旁通多余的空气，避免空压机出现喘振。增湿器可以有效利用电堆排出的高湿度尾气对电堆入口的空气进行增湿，满足电堆入口空气湿度要求。现有技术方案中，一般在增湿器干空气侧加旁通阀或在增湿器湿空气侧加旁通阀来调节电堆入口空气湿度，类似这些湿度调节方案，在燃料电池***实际运行中，电堆入口空气湿度无法实时和精确调节，且湿度调节的范围比较窄，不满足动态工况的湿度变化需求。
通用汽车环球科技运作有限责任公司申请的中国发明专利(公开号CN101494292A)公开燃料电池***阴极入口相对湿度控制，提供了传感器输入和部件模式的组合以使得***阴极出流选择性地绕过阴极出流处理部件，从而获得保持所希望的阴极入口相对湿度或露点。该专利中采用了旁通阀来控制电堆空气出口的湿空气旁通增湿器比例来调节进入增湿器干空气侧的增湿度，从而改变电堆的空气湿度以满足目标湿度要求。该技术的存在动态工况湿度响应慢，湿度控制精度较差的问题。
本田技研工业株式会社申请的中国发明专利(公开号CN104247120A)公开了一种燃料电池***，构成为具备：涡轮型氧化剂泵，其旋转轴通过空气轴承被轴支承，通过旋转运动取入氧化剂气体并向燃料电池送出；氧化剂气体的实际流量检测单元；氧化剂气体的压力调整单元；氧化剂泵的转速确认单元和控制单元，其在氧化剂泵的转速处于能够进行空气轴承的轴支承的最低转速区域的情况下，在氧化剂气体的实际流量比目标流量多时，通过压力调整单元来提高氧化剂气体的压力。该专利采用了旁通阀来控制进入增湿器干空气侧的空气流量，从而改变进入电堆的空气湿度以满足目标湿度要求。该技术的存在湿度调节范围窄，动态工况湿度控制精度较差的问题。
因此，需要开发出一种对电堆入口空气湿度可动态精确调节的燃料电池空气湿度调节***及其控制方法。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种对电堆入口空气湿度可实时精确调节的燃料电池空气湿度调节***及其控制方法。
本发明的技术方案为：一种燃料电池空气湿度调节***，包括电堆、控制器、空滤器、空压机、中冷器、增湿器、混排器，所述空滤器、空压机、中冷器、增湿器沿进气方向依次连接通向电堆阴极入口，所述电堆阴极出口沿排气方向依次连通增湿器、混排器，其特征在于，
所述中冷器与混排器之间设置有用于调节电堆阴极入口压力的泄压阀，所述中冷器与电堆阴极入口间设有可使将进入增湿器的新鲜空气部分旁通的入口调湿阀，所述电堆阴极出口与混排器间设有可使将进入增湿器的废空气部分旁通的出口调湿阀，所述电堆阴极入口和出口设有用于监测压力、湿度和温度的监测结构，
所述空滤器、空压机间设有流量计，电堆内部设有含水量检测器，所述控制器与流量计、空压机、泄压阀、入口调湿阀、出口调湿阀、含水量检测器、监测结构电连接。
优选的，所述监测结构包括设置于电堆阴极入口处进行温度、湿度、压力测量的进堆温度湿度压力一体传感器，以及设置于电堆阴极出口处进行温度、湿度、压力测量的出堆温度湿度压力一体传感器，所述进堆温度湿度压力一体传感器、出堆温度湿度压力一体传感器与控制器电连接。
优选的，所述中冷器设有三个出口分别连通泄压阀入口、入口调湿阀入口、增湿器干空气侧入口，所述泄压阀出口与混排器入口连通，所述入口调湿阀出口、增湿器干空气侧出口均与电堆阴极入口连通。
优选的，所述电堆阴极出口与混排器之间还设置有用于调节电堆阴极出口压力的背压阀，所述背压阀与控制器电连接。
进一步的，所述出口调湿阀入口和增湿器湿空气侧入口均与电堆阴极出口连接，所述出口调湿阀出口和增湿器湿空气侧出口均与背压阀入口连接，所述背压阀出口与混排器入口连通。
本发明还提供一种燃料电池空气湿度调节控制方法，包括以下步骤：包括以下步骤：采集电堆阴极运行数据，获得入口处的实际空气湿度RH，将运行数据处理得到当前工况下入口处的目标空气湿度RH0，当RH＞RH0时计算实际空气湿度RH与目标空气湿度RH0的差值ΔRH，根据ΔRH进行联合控制来调节电堆阴极入口空气湿度，所述联合控制包括控制可使将进入增湿器的新鲜空气部分旁通向混排器的泄压阀、控制可使将进入增湿器的新鲜空气部分旁通向电堆阴极入口的入口调湿阀、控制可使将进入增湿器的废空气旁通向混排器的出口调湿阀、控制向电堆阴极提供新鲜空气的空压机。
优选的，得到当前工况下入口处的目标空气湿度RH0方法包括：
采集电堆阴极入口处的实际空气湿度RH、实际空气温度T、实际空气压力P以及空压机输送的空气流量G、电堆阴极的实际含水量Q1、电堆实际电流值I；
根据I和T查表得到电堆标准含水量Q0，当实际含水量Q1＞电堆标准含水量Q0时，计算实际含水量Q1与电堆内标准含水量Q0的差值再除以修正时间T后得到每秒的电堆含水量修正值Q2，修正时间T为根据I、Q1、RH查表得到；
根据实际空气湿度RH、实际空气温度T、实际空气压力P、空气流量G计算得到电堆阴极每秒的入口空气含水量Q3，当Q3＞Q2时，计算每秒的入口空气含水量Q3与电堆含水量修正值Q2差值得到每秒的含水量待消耗值ΔQ，根据ΔQ、空气流量G、实际空气温度T、实际空气压力P计算得到空气湿度目标值RH0。
优选的，根据ΔRH进行联合控制的方法包括：预设数值0＜a＜b＜c≤100％，
当b＞ΔRH≥a时，开启入口调湿阀并控制开度，使将进入增湿器的新鲜空气部分旁通向电堆阴极入口；或开启出口调湿阀并控制开度，使将进入增湿器的废空气部分旁通向混排器；
当c＞ΔRH≥b时，全开入口调湿阀，使将进入增湿器的新鲜空气部分旁通向电堆阴极入口，同时开启出口调湿阀并控制开度，使将进入增湿器的废空气部分旁通向混排器；
当ΔRH≥c时，提高进入电堆阴极的空气温度，全开入口调湿阀，使将进入增湿器的新鲜空气部分旁通向电堆阴极入口，同时全开出口调湿阀，使将进入增湿器的废空气部分旁通向混排器。
进一步的，所述提高进入电堆阴极的空气温度方法为：提高空压机转速，控制泄压阀开启使将进入增湿器的新鲜空气部分旁通向混排器，保持空压机提速前后出口压力以及进入电堆阴极的空气流量一致。
进一步的，开启入口调湿阀时根据差值ΔRH和电堆实际电流值I来确定开度，开启出口调湿阀时根据差值ΔRH和电堆实际电流值I来确定开度。
本发明的有益效果为：
1.入口调湿阀开启时可使一部分新鲜空气不经过增湿器直接旁通向电池阴极，快速降低电池阴极进入空气湿度；出口调湿阀开启时可使一部分废空气不经过增湿器直接旁通排放，减少与新鲜空气传湿，可间接降低电池阴极进入空气湿度。入口调湿阀和出口调湿阀可单独使用或配合使用，满足动态工况的湿度变化需求。
2.空压机可用于提高新鲜空气温度，泄压阀可旁通由空压机提速产生的多余空气，避免空压机出现喘振。
3.入口调湿阀、出口调湿阀、空压机、背压阀联合调节，精确控制电堆入口的空气湿度，同时提高了动态工况电堆湿度响应速率。
4.入口调湿阀、出口调湿阀、空压机、背压阀根据电堆阴极入口处的实际空气湿度RH与目标空气湿度RH0的差值大小进行区别控制，可让电堆入口空气湿度在较大变化范围内都能实现精确和快速控制。
5.利用电堆实际电流值I对应的前馈开度与电堆阴极入口处的目标空气湿度RH0经PID控制的调整开度结合，调节入口调湿阀、出口调湿阀开度大小，实现空气湿度快速调节。
附图说明
图1为本发明燃料电池空气湿度调节***结构示意图
图2为入口调湿阀、出口调湿阀控制原理图
其中：1-空滤器2-流量计3-空压机4-中冷器5-增湿器6-混排器7-泄压阀8-背压阀9-入口调湿阀10-出口调湿阀11-进堆温度湿度压力一体传感器12-出堆温度湿度压力一体传感器13-含水量检测器100-电堆200-控制器。
具体实施方式
下面具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种燃料电池空气湿度调节***，包括电堆100、控制器200、空滤器1、流量计2、空压机3、中冷器4、增湿器5、混排器6，空滤器1、流量计2、空压机3、中冷器4、增湿器5干空气侧沿进气方向依次连接通向电堆100阴极入口，电堆100阴极出口沿排气方向依次连通增湿器5湿空气侧、混排器6，中冷器4与混排器6之间设置有用于调节电堆100阴极入口压力的泄压阀7，电堆100阴极出口与混排器6之间设置有用于调节电堆100阴极出口压力的背压阀8，中冷器4与电堆100阴极入口间设有可使将进入增湿器5的新鲜空气进行部分旁通的入口调湿阀9，电堆100阴极出口与混排器6间设有可使将进入增湿器5的废空气进行部分旁通的出口调湿阀10，电堆100阴极入口和出口设有用于监测压力、湿度和温度的监测结构。电堆100内部设有含水量检测器13。
监测结构包括设置于电堆100阴极入口处进行温度、湿度、压力测量的进堆温度湿度压力一体传感器11，以及设置于电堆100阴极出口处进行温度、湿度、压力测量的出堆温度湿度压力一体传感器12。
控制器200与流量计2、空压机3、泄压阀7、背压阀8、入口调湿阀9、出口调湿阀10、含水量检测器13、进堆温度湿度压力一体传感器11、出堆温度湿度压力一体传感器12电连接。
以上各部件的具体连接方式为：中冷器4设有三个出口分别连通泄压阀7入口、入口调湿阀9入口、增湿器5干空气侧入口，泄压阀7出口与混排器6入口连通，入口调湿阀9出口、增湿器5干空气侧出口均与电堆100阴极入口连通。出口调湿阀10入口和增湿器5湿空气侧入口均与电堆100阴极出口连接，出口调湿阀10出口和增湿器5湿空气侧出口均与背压阀8入口连接，背压阀8出口与混排器6入口连通。
以上各部件的作用为：
空滤器1用于过滤空气中的化学和物理杂质。流量计2可实时监测空气流量的功能并将流量信号传递至控制器200。空压机3由控制器200控制转速，实现空气流量和压力调节。中冷器4可将空压机3出口的高温气体冷却至目标温度范围。入口调湿阀9、出口调湿阀10可实现进入电堆100阴极空气湿度调节。泄压阀7可实现电堆100阴极入口压力调节，背压阀8可实现电堆100阴极出口压力调节。
利用上述燃料电池空气湿度调节***进行湿度控制的方法包括以下步骤：
S1.采集数据
采集电堆100阴极运行数据，得到电堆100阴极入口处的实际空气湿度RH、实际空气温度T、实际空气压力P以及空压机3输送的空气流量G、电堆100阴极的实际含水量Q1、电堆实际电流值I；
电堆100阴极入口处的实际空气湿度RH、实际空气温度T、实际空气压力P由进堆温度湿度压力一体传感器11采集得到；空气流量G由流量计2采集得到；实际含水量Q1由含水量检测器13采集得到；电堆实际电流值I由整车控制器提供，是已知值。
S2.计算目标空气湿度RH0
根据电堆实际电流值I和实际空气温度T查表得到电堆标准含水量Q0(本领域技术人员可以理解为，燃料电池的实际电流值I、实际空气温度T及燃料电池的电堆标准含水量Q0存在对应关系，该关系可以根据燃料电池本身的性质和实际需要通过标定获取，本实施例对该对应关系不做限定，这种对应关系本质是一张数据表格，存储在控制器200的内存中)；
当实际含水量Q1＞电堆标准含水量Q0时，计算实际含水量Q1与电堆内标准含水量Q0的差值再除以修正时间T后得到每秒的电堆含水量修正值Q2，Q2＝(Q1-Q0)/T，修正时间T为根据电堆实际电流值I、实际含水量Q1、实际空气湿度RH查表得到(本领域技术人员可以理解为，在燃料电池的实际电流值I一定时，电堆阴极实际空气湿度RH的改变会导致电堆内部实际含水量Q1的改变，实际空气湿度RH的改变可根据工况换算成每秒空气含水量的改变，电堆内部含水量改变除以每秒空气含水量的改变即为修正时间T，因此燃料电池的电堆实际电流值、实际空气湿度、实际含水量与修正时间之间存在对应关系，该关系可以根据燃料电池本身的性质和实际需要通过台架测试获取，本实施例对该对应关系不做限定，这种对应关系本质是一张数据表格，存储在控制器200的内存中)。
根据实际空气湿度RH、实际空气温度T、实际空气压力P、空气流量G计算得到电堆100阴极每秒的入口空气含水量Q3，计算方法为：根据实际空气湿度RH、实际空气温度T、实际空气压力P，查表焓湿图可以计算出1kg的空气含水量，再乘以空气流量G，就得出每秒的入口空气含水量Q3；
当Q3＞Q2时，计算每秒的入口空气含水量Q3与电堆含水量修正值Q2差值得到每秒的含水量待消耗值ΔQ，ΔQ＝Q3-Q2，根据ΔQ、空气流量G、实际空气温度T、实际空气压力P计算得到空气湿度目标值RH0，计算方法为：含水量待消耗值ΔQ除以空气流量G得到计算出1kg的空气含水量，根据实际空气温度T、实际空气压力P查表焓湿图得到空气湿度目标值RH0。
S3.计算ΔRH进行联合控制
当RH＞RH0时计算实际空气湿度RH与目标空气湿度RH0的差值ΔRH，ΔRH＝RH-RH0；
根据ΔRH进行联合控制来调节电堆100阴极入口空气湿度，所述联合控制包括控制可使将进入增湿器5的新鲜空气部分旁通向混排器6的泄压阀7、控制可使将进入增湿器5的新鲜空气部分旁通向电堆100阴极入口的入口调湿阀9、控制可使将进入增湿器5的废空气旁通向混排器6的出口调湿阀10、控制向电堆100阴极提供新鲜空气的空压机3；
具体为：控制器200内预设数值0＜a＜b＜c≤100％，
(1)当b＞ΔRH≥a时，开启入口调湿阀9并控制开度，使将要进入增湿器5的新鲜空气部分旁通向电堆100阴极入口；或开启出口调湿阀10并控制开度，使将要进入增湿器5的废空气部分旁通向混排器6；
(2)当c＞ΔRH≥b时，全开入口调湿阀9，使将要进入增湿器5的新鲜空气部分旁通向电堆100阴极入口，同时开启出口调湿阀10并控制开度，使将要进入增湿器5的废空气部分旁通向混排器6；
(3)当ΔRH≥c时，提高空压机3转速，提高进入电堆100阴极的空气温度，全开入口调湿阀9，使将要进入增湿器5的新鲜空气部分旁通向电堆100阴极入口，同时全开出口调湿阀10，使将要进入增湿器5的废空气部分旁通向混排器6。
上述情况(1)、(2)、(3)中，入口调湿阀9开启时根据差值ΔRH和电堆实际电流值I来确定开度K1，具体为：根据电堆实际电流值I查表得到入口调湿阀9的前馈开度k1，根据差值ΔRH通过PID控制器来获取入口调湿阀9的调整开度k2，K1＝k1+k2(实际应用时，电堆实际电流值I与入口调湿阀9的前馈开度k1存在对应关系，可以通过标定的方式，形成两者的对应表格，根据表格，调用与电堆实际电流值I对应的入口调湿阀9前馈开度即可；同理，实际应用时，差值ΔRH与入口调湿阀9的调整开度k2存在对应关系，可以通过标定的方式，形成两者的对应表格，根据表格，调用与差值ΔRH对应的入口调湿阀9调整开度即可)
出口调湿阀10开启时根据差值ΔRH和电堆实际电流值I来确定开度，方法与入口调湿阀9确定开度方法相同，于此不再赘述。
入口调湿阀9、出口调湿阀10的PID控制均如图2所示，根据不同工况下(电堆实际电流值)的目标空气湿度与实际空气湿度的差值作为PID控制输入，增加前馈输入以提升控制的响应速度。前馈控制器和PID控制器均为控制器200内部模块。
上述情况(1)、(2)、(3)中，全开入口调湿阀9即直接使入口调湿阀9为最大开度，无需开度调节；全开出口调湿阀10即直接使出口调湿阀10为最大开度，无需开度调节。
现通过具体的流程对燃料电池空气湿度控制方法进行阐述：
S1.采集数据
整车控制器向控制器200发送信号，告知电堆实际电流值I为260A；控制器200通过进堆温度湿度压力一体传感器11得到电堆100阴极入口处的实际空气湿度RH为60％、实际空气温度T为80℃、实际空气压力P为250kPa；控制器200通过流量计2得到空气流量G为62g/s、控制器200通过含水量检测器13得到实际含水量Q1为1.32g。
S2.计算目标空气湿度RH0
根据电堆实际电流值I为260A和实际空气温度T为80℃查表得到电堆标准含水量Q0为0.44g；
当实际含水量Q1＞电堆标准含水量Q0时，计算实际含水量Q1与电堆内标准含水量Q0的差值再除以修正时间T(修正时间T为0.33s)后得到电堆含水量修正值Q2，Q2＝(Q1-Q0)/T＝2.7g/s；
根据实际空气湿度RH、实际空气温度T、实际空气压力P、空气流量G计算得到电堆100阴极的入口空气含水量Q3，计算方法为：根据实际空气湿度RH、实际空气温度T、实际空气压力P，查表焓湿图可以计算出1kg的空气含水量，为80g，再乘以空气流量G，就得出入口空气含水量Q3，Q3＝5g/s；
当Q3＞Q2时，计算入口空气含水量Q3与电堆含水量修正值Q2差值得到含水量待消耗值ΔQ，ΔQ＝2.3g/s，根据ΔQ、空气流量G、实际空气温度T、实际空气压力P计算得到空气湿度目标值RH0，计算方法为：含水量待消耗值ΔQ除以空气流量G得到计算出1kg的空气含水量，为37g，根据实际空气温度T、实际空气压力P查表焓湿图得到空气湿度目标值RH0，RH0＝30％。
S3.计算ΔRH进行联合控制
当RH＞RH0时计算实际空气湿度RH与目标空气湿度RH0的差值ΔRH，ΔRH＝RH-RH0＝30％；
根据ΔRH来联合控制可使将进入增湿器5的新鲜空气部分旁通向混排器6的泄压阀7、控制可使将进入增湿器5的新鲜空气部分旁通向电堆100阴极入口的入口调湿阀9、控制可使将进入增湿器5的废空气旁通向混排器6的出口调湿阀10、控制向电堆100阴极提供新鲜空气的空压机3；
具体为：控制器200内预设数值a＝5％，b＝10％，c＝20％
(1)当10％＞ΔRH≥5％时，控制器200通过ΔRH和电堆实际电流值I得到入口调湿阀9开度，将入口调湿阀9开度输入入口调湿阀9，使其实现相应的开度，使将要进入增湿器5的新鲜空气部分旁通向电堆100阴极入口；或控制器200通过ΔRH和电堆实际电流值I得到出口调湿阀10开度，将出口调湿阀10开度输入出口调湿阀10，使其实现相应的开度，使将要进入增湿器5的废空气部分旁通向混排器6；
(2)当20％＞ΔRH≥10％时，全开入口调湿阀9，使将要进入增湿器5的新鲜空气部分旁通向电堆100阴极入口，并且控制器200通过ΔRH和电堆实际电流值I得到出口调湿阀10开度，将出口调湿阀10开度输入出口调湿阀10，使其实现相应的开度，使将要进入增湿器5的废空气部分旁通向混排器6；
(3)当ΔRH≥20％时(本实施例ΔRH≥20％)，提高空压机3转速，控制泄压阀7开启使将要进入增湿器5的新鲜空气部分旁通向混排器6，保持空压机3提速前后出口压力以及进入电堆100阴极的空气流量一致，全开入口调湿阀9，使将要进入增湿器5的新鲜空气部分旁通向电堆100阴极入口，同时全开出口调湿阀10，使将要进入增湿器5的废空气部分旁通向混排器6。

Claims (10)

1.一种燃料电池空气湿度调节***，包括电堆(100)、控制器(200)、空滤器(1)、空压机(3)、中冷器(4)、增湿器(5)、混排器(6)，所述空滤器(1)、空压机(3)、中冷器(4)、增湿器(5)沿进气方向依次连接通向电堆(100)阴极入口，所述电堆(100)阴极出口沿排气方向依次连通增湿器(5)、混排器(6)，其特征在于，
所述中冷器(4)与混排器(6)之间设置有用于调节电堆(100)阴极入口压力的泄压阀(7)，所述中冷器(4)与电堆(100)阴极入口间设有可使将进入增湿器(5)的新鲜空气部分旁通的入口调湿阀(9)，所述电堆(100)阴极出口与混排器(6)间设有可使将进入增湿器(5)的废空气部分旁通的出口调湿阀(10)，所述电堆(100)阴极入口和出口设有用于监测压力、湿度和温度的监测结构，
所述空滤器(1)、空压机(3)间设有流量计(2)，电堆(100)内部设有含水量检测器(13)，所述控制器(200)与流量计(2)、空压机(3)、泄压阀(7)、入口调湿阀(9)、出口调湿阀(10)、含水量检测器(13)、监测结构电连接。
2.如权利要求1所述的燃料电池空气湿度调节***，其特征在于，所述监测结构包括设置于电堆(100)阴极入口处进行温度、湿度、压力测量的进堆温度湿度压力一体传感器(11)，以及设置于电堆(100)阴极出口处进行温度、湿度、压力测量的出堆温度湿度压力一体传感器(12)，所述进堆温度湿度压力一体传感器(11)、出堆温度湿度压力一体传感器(12)与控制器(200)电连接。
3.如权利要求1所述的燃料电池空气湿度调节***，其特征在于，所述中冷器(4)设有三个出口分别连通泄压阀(7)入口、入口调湿阀(9)入口、增湿器(5)干空气侧入口，所述泄压阀(7)出口与混排器(6)入口连通，所述入口调湿阀(9)出口、增湿器(5)干空气侧出口均与电堆(100)阴极入口连通。
4.如权利要求1所述的燃料电池空气湿度调节***，其特征在于，所述电堆(100)阴极出口与混排器(6)之间还设置有用于调节电堆(100)阴极出口压力的背压阀(8)，所述背压阀(8)与控制器(200)电连接。
5.如权利要求4所述的燃料电池空气湿度调节***，其特征在于，所述出口调湿阀(10)入口和增湿器(5)湿空气侧入口均与电堆(100)阴极出口连接，所述出口调湿阀(10)出口和增湿器(5)湿空气侧出口均与背压阀(8)入口连接，所述背压阀(8)出口与混排器(6)入口连通。
6.一种燃料电池空气湿度调节控制方法，其特征在于，包括以下步骤：采集电堆(100)阴极运行数据，获得入口处的实际空气湿度RH，将运行数据处理得到当前工况下入口处的目标空气湿度RH0，当RH＞RH0时计算实际空气湿度RH与目标空气湿度RH0的差值ΔRH，根据ΔRH进行联合控制来调节电堆(100)阴极入口空气湿度，所述联合控制包括控制可使将进入增湿器(5)的新鲜空气部分旁通向混排器(6)的泄压阀(7)、控制可使将进入增湿器(5)的新鲜空气部分旁通向电堆(100)阴极入口的入口调湿阀(9)、控制可使将进入增湿器(5)的废空气旁通向混排器(6)的出口调湿阀(10)、控制向电堆(100)阴极提供新鲜空气的空压机(3)。
7.如权利要求6所述的燃料电池空气湿度调节控制方法，其特征在于，得到当前工况下入口处的目标空气湿度RH0方法包括：
采集电堆(100)阴极入口处的实际空气湿度RH、实际空气温度T、实际空气压力P以及空压机(3)输送的空气流量G、电堆(100)阴极的实际含水量Q1、电堆实际电流值I；
根据I和T查表得到电堆标准含水量Q0，当实际含水量Q1＞电堆标准含水量Q0时，计算实际含水量Q1与电堆内标准含水量Q0的差值再除以修正时间T后得到每秒的电堆含水量修正值Q2，修正时间T为根据I、Q1、RH查表得到；
根据实际空气湿度RH、实际空气温度T、实际空气压力P、空气流量G计算得到电堆(100)阴极每秒的入口空气含水量Q3，当Q3＞Q2时，计算每秒的入口空气含水量Q3与电堆含水量修正值Q2差值得到每秒的含水量待消耗值ΔQ，根据ΔQ、空气流量G、实际空气温度T、实际空气压力P计算得到空气湿度目标值RH0。
8.如权利要求6所述的燃料电池空气湿度调节控制方法，其特征在于，根据ΔRH进行联合控制的方法包括：预设数值0＜a＜b＜c≤100％，
当b＞ΔRH≥a时，开启入口调湿阀(9)并控制开度，使将进入增湿器(5)的新鲜空气部分旁通向电堆(100)阴极入口；或开启出口调湿阀(10)并控制开度，使将进入增湿器(5)的废空气部分旁通向混排器(6)；
当c＞ΔRH≥b时，全开入口调湿阀(9)，使将进入增湿器(5)的新鲜空气部分旁通向电堆(100)阴极入口，同时开启出口调湿阀(10)并控制开度，使将进入增湿器(5)的废空气部分旁通向混排器(6)；
当ΔRH≥c时，提高进入电堆(100)阴极的空气温度，全开入口调湿阀(9)，使将进入增湿器(5)的新鲜空气部分旁通向电堆(100)阴极入口，同时全开出口调湿阀(10)，使将进入增湿器(5)的废空气部分旁通向混排器(6)。
9.如权利要求8所述的燃料电池空气湿度调节控制方法，其特征在于，所述提高进入电堆(100)阴极的空气温度方法为：提高空压机(3)转速，控制泄压阀(7)开启使将进入增湿器(5)的新鲜空气部分旁通向混排器(6)，保持空压机(3)提速前后出口压力以及进入电堆(100)阴极的空气流量一致。
10.如权利要求8所述的燃料电池空气湿度调节控制方法，其特征在于，开启入口调湿阀(9)时根据差值ΔRH和电堆实际电流值I来确定开度，开启出口调湿阀(10)时根据差值ΔRH和电堆实际电流值I来确定开度。
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113707916A (zh) * 2021-07-23 2021-11-26 上海重塑能源科技有限公司 燃料电池湿度估算方法及估算***
CN114520352A (zh) * 2022-01-10 2022-05-20 江苏氢导智能装备有限公司 气体压力控制装置及电堆测试平台
CN114597451A (zh) * 2022-03-16 2022-06-07 上海重塑能源科技有限公司 燃料电池电堆阴极湿度控制***及其控制方法
CN114744246A (zh) * 2022-04-13 2022-07-12 佛山仙湖实验室 一种燃料电池***及其空气湿度调节方法
CN114759230A (zh) * 2022-05-20 2022-07-15 上海捷氢科技股份有限公司 一种燃料电池***及其常温启动方法
CN115799568A (zh) * 2023-01-19 2023-03-14 国家电投集团氢能科技发展有限公司 一种燃料电池阴极***及其控制方法
CN116031447A (zh) * 2022-12-28 2023-04-28 上海氢晨新能源科技有限公司 燃料电池湿度控制方法、装置、设备及存储介质

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070287042A1 (en) * 2006-06-09 2007-12-13 Rainville Joseph D Cathode transient humidity control in a fuel cell system
CN109860664A (zh) * 2019-03-01 2019-06-07 一汽解放汽车有限公司 质子交换膜燃料电池阴极侧气体湿度调节***及其方法
DE102018215217A1 (de) * 2018-09-07 2020-03-12 Audi Ag Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung
CN111613813A (zh) * 2020-05-26 2020-09-01 东风汽车集团有限公司 一种燃料电池空气供给***及其泄压控制方法
CN111993857A (zh) * 2020-08-11 2020-11-27 东风汽车集团有限公司 一种具备乘员舱增湿功能的燃料电池增湿***及控制方法
CN112186223A (zh) * 2020-09-27 2021-01-05 重庆长安新能源汽车科技有限公司 一种汽车燃料电池***及其空气湿度控制方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070287042A1 (en) * 2006-06-09 2007-12-13 Rainville Joseph D Cathode transient humidity control in a fuel cell system
DE102018215217A1 (de) * 2018-09-07 2020-03-12 Audi Ag Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung
CN109860664A (zh) * 2019-03-01 2019-06-07 一汽解放汽车有限公司 质子交换膜燃料电池阴极侧气体湿度调节***及其方法
CN111613813A (zh) * 2020-05-26 2020-09-01 东风汽车集团有限公司 一种燃料电池空气供给***及其泄压控制方法
CN111993857A (zh) * 2020-08-11 2020-11-27 东风汽车集团有限公司 一种具备乘员舱增湿功能的燃料电池增湿***及控制方法
CN112186223A (zh) * 2020-09-27 2021-01-05 重庆长安新能源汽车科技有限公司 一种汽车燃料电池***及其空气湿度控制方法

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113707916A (zh) * 2021-07-23 2021-11-26 上海重塑能源科技有限公司 燃料电池湿度估算方法及估算***
CN113707916B (zh) * 2021-07-23 2023-08-04 上海重塑能源科技有限公司 燃料电池湿度估算方法及估算***
CN114520352A (zh) * 2022-01-10 2022-05-20 江苏氢导智能装备有限公司 气体压力控制装置及电堆测试平台
CN114520352B (zh) * 2022-01-10 2024-02-23 江苏氢导智能装备有限公司 气体压力控制装置及电堆测试平台
CN114597451A (zh) * 2022-03-16 2022-06-07 上海重塑能源科技有限公司 燃料电池电堆阴极湿度控制***及其控制方法
CN114744246A (zh) * 2022-04-13 2022-07-12 佛山仙湖实验室 一种燃料电池***及其空气湿度调节方法
CN114744246B (zh) * 2022-04-13 2024-03-19 佛山仙湖实验室 一种燃料电池***及其空气湿度调节方法
CN114759230A (zh) * 2022-05-20 2022-07-15 上海捷氢科技股份有限公司 一种燃料电池***及其常温启动方法
CN116031447A (zh) * 2022-12-28 2023-04-28 上海氢晨新能源科技有限公司 燃料电池湿度控制方法、装置、设备及存储介质
CN115799568A (zh) * 2023-01-19 2023-03-14 国家电投集团氢能科技发展有限公司 一种燃料电池阴极***及其控制方法

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