CN116470104B - 控制***、控制方法、燃料电池***与工程机械 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电池技术领域,公开一种控制***、控制方法、燃料电池***与工程机械,所述控制***包括:参数接收装置,用于接收汽水分离器内的氮气的浓度;压力检测装置,用于检测电堆的阳极出口处的压力;以及控制装置,用于:在氮气的浓度大于或等于第一预设浓度的情况下,记录当前压力并确定相应的反馈值,以及控制所述汽水分离器的第一阀门打开以排出氮气;根据所述反馈值对用于进气阀的控制信号进行校准;以及根据校准后的控制信号控制进气阀,以调节进入电堆的氢气。本发明结合氮气浓度与压力参数对氮气的排出过程进行耦合控制,从而在降低控制条件复杂性的同时,提高了排氮的控制精度,进而有效降低阳极出现“氢饥饿”、排气压降冲击等风险。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域,具体地,涉及一种控制***、控制方法、燃料电池***与工程机械。
背景技术
氢燃料电池***运行时,阴极的液态水和氮气会通过质子交换膜渗透到阳极,过多的液态水会造成阳极出现“水淹”问题,影响反应活性面积和燃料传质能力;过多的氮气则会降低阳极氢气分压,导致出现“氢饥饿”问题。一般地,阳极中的氮气浓度不能超过10%。因此***整个运行阶段需要制定合适的排水排气策略,保证燃料电池的高性能和高寿命。
目前,大多采用周期性脉冲的方法控制尾排阀同时完成排水排氮,在测试前需标定尾排阀开启时间与开启周期。对于不同电流条件下,由于产水量和工作条件不同,排水排气的周期和时间也不同,这就大大增加了标定的复杂度和尾排阀控制的难度,不仅无法准确确定排水排氮量,也无法维持压力稳定。然而,排水排氮过少则会导致电池性能下降,过多会导致氢气利用率降低,压力波动较大则会给质子膜带来机械损失。
发明内容
本发明的目的是提供一种控制***、控制方法、燃料电池***与工程机械,其至少可解决上述部分问题,结合氮气浓度与压力参数对氮气的排出过程进行耦合控制,从而在降低控制条件复杂性的同时,提高了排氮的控制精度,进而有效降低阳极出现“氢饥饿”、排气压降冲击等风险。
为了实现上述目的,本发明第一方面提供一种用于燃料电池***的控制***,所述燃料电池***包括:进气阀、电堆以及汽水分离器,所述控制***包括:参数接收装置,用于接收所述汽水分离器内的氮气的浓度;压力检测装置,用于检测所述电堆的阳极出口处的压力;以及控制装置,用于执行以下操作:在所述氮气的浓度大于或等于第一预设浓度的情况下,记录当前压力并根据所述当前压力确定相应的反馈值,以及控制所述汽水分离器的第一阀门打开以排出氮气;根据所述反馈值对用于所述进气阀的控制信号进行校准;以及根据校准后的控制信号控制所述进气阀,以调节进入所述电堆的氢气。
优选地,所述参数接收装置还用于接收所述汽水分离器内的液态水的液位高度,相应地,所述控制装置还用于,在所述液位高度大于或等于第一预设高度并且所述氮气的浓度大于或等于第一预设浓度的情况下,记录当前压力并根据所述当前压力确定相应的反馈值,以及控制所述汽水分离器的第一阀门打开以排出氮气。
优选地,所述控制装置还用于,在执行所述控制所述汽水分离器的第一阀门排出氮气的步骤之后,执行以下操作:在所述氮气的浓度小于第二预设浓度或者所述当前压力与所述压力的差值大于或等于预设压差的情况下,控制所述第一阀门关闭以停止排出氮气,其中,所述第二预设浓度小于所述第一预设浓度。
优选地,所述控制装置还用于,在满足以下两种情形中的任一者的情况下,保持所述第一阀门处于关闭状态:所述液位高度大于或等于所述第一预设高度并且所述氮气的浓度小于所述第一预设浓度;或者所述液位高度小于所述第一预设高度。
优选地,所述控制装置还用于,在所述氮气的浓度大于或等于第三预设浓度且当前轮次吹扫过程中的所述液位高度的增量小于预设增量情况下,控制所述第一阀门与用于控制空气通入的旁通阀均关闭,其中,所述第三预设浓度大于所述第一预设浓度。
优选地,所述控制装置还用于执行以下操作:在所述液位高度逐渐升高且小于第二预设高度或者所述液位高度逐渐下降且等于所述第一预设高度的情况下,控制所述汽水分离器的第二阀门关闭;在所述液位高度大于或等于所述第二预设高度的情况下,控制所第二阀门打开以排出液态水,其中,所述第二预设高度大于所述第一预设高度;或者在接收到停机信号的情况下,控制所述第二阀门打开,以及在所述液位高度等于0的情况下,控制所述第二阀门关闭。
优选地,所述汽水分离器包括:外壳,该外壳包括相对设置的第一侧面与第二侧面;入口,被设置在所述第一侧面上,用于引入汽水混合物;隔板,所述隔板的第一端被设置在所述入口的下方并且所述隔板的第二端与所述第二侧面之间留有第一空隙,用于引导所述汽水混合物中的液态水进入所述汽水分离器的下半空间;挡板,被倾斜设置在所述隔板的上方,用于阻挡所述汽水混合物中的氢气流向所述第二侧面;所述第一阀门,被设置在所述第二侧面上,用于排出所述汽水混合物中的氮气;所述第二阀门,被设置在所述汽水分离器的底部,用于排出所述液态水;浓度传感器,用于检测所述氮气的浓度;以及液位传感器,用于检测所述液态水的液位高度。
优选地,所述汽水分离器还包括:斜槽,被设置在所述汽水分离器的底部,所述斜槽的第一端面与所述第一侧面连接并且第二端面与所述第二侧面之间留有第二空隙。
优选地,所述第一端面的面积大于所述第二端面的面积。
优选地,所述第二阀门被设置在所述汽水分离器的底部上的所述第二空隙处。
通过上述技术方案,本发明创造性地首先在汽水分离器内的氮气的浓度大于或等于第一预设浓度的情况下,记录当前压力并根据所述当前压力确定相应的反馈值,以及控制所述汽水分离器的第一阀门打开以排出氮气;然后,根据所述反馈值对用于所述进气阀的控制信号进行校准;最后,根据校准后的控制信号控制所述进气阀,以调节进入所述电堆的氢气。由此,本发明可结合氮气浓度与压力参数对氮气的排出过程进行耦合控制,从而在降低控制条件复杂性的同时,提高了排氮的控制精度,进而有效降低阳极出现“氢饥饿”、排气压降冲击等风险。
本发明第二方面提供一种用于燃料电池***的控制方法,所述燃料电池***包括:进气阀、电堆以及汽水分离器,所述控制方法包括:接收所述汽水分离器内的氮气的浓度;检测所述电堆的阳极出口处的压力;在所述氮气的浓度大于或等于第一预设浓度的情况下,记录当前压力并根据所述当前压力确定相应的反馈值,以及控制所述汽水分离器的第一阀门打开以排出氮气;根据所述反馈值对用于所述进气阀的控制信号进行校准;以及根据校准后的控制信号控制所述进气阀,以调节进入所述电堆的氢气。
优选地,所述控制方法还包括:接收所述汽水分离器内的液态水的液位高度;以及在所述液位高度大于或等于第一预设高度并且所述氮气的浓度大于或等于第一预设浓度的情况下,记录当前压力并根据所述当前压力确定相应的反馈值,以及控制所述汽水分离器的第一阀门打开以排出氮气。
有关本发明实施例提供的用于燃料电池***的控制方法的具体细节及益处可参阅上述针对用于燃料电池***的控制***的描述,于此不再赘述。
本发明第三方面提供一种燃料电池***,所述燃料电池***包括:所述的用于燃料电池***的控制***。
本发明第四方面提供一种工程机械,所述工程机械包括:所述的燃料电池***。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与下面的具体实施方式一起用于解释本发明,但并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1是本发明一实施例提供的用于燃料电池***的控制***的结构图;
图2是本发明一实施例提供的启动与运行阶段的排气控制策略的流程图;
图3是本发明一实施例提供的吹扫阶段的排气控制策略的流程图;
图4是本发明一实施例提供的阳极排水控制逻辑图;
图5是本发明一实施例提供的阳极排水控制效果图;
图6是本发明一实施例提供的燃料电池***的结构图;以及
图7是本发明一实施例提供的汽水分离器的结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
在介绍本发明各个实施例之前,先对质子交换膜气液传递进行简要分析。本发明的设计思路是建立在这些理论基础上而形成的。
燃料电池***的水气管理对性能输出和可靠性有非常重要的影响:水管理影响质子交换膜的电导率和流道或反应区的传质能力;气管理影响电堆的燃料利用率和耐久性。由于质子交换膜固有特性和浓度、压力梯度的存在,阴极产生的水(质量流量由公式(1)计算)和阴阳极的气体均会在膜内有渗透作用,各组分在膜内的传质是一个非常复杂的过程。目前主流理论认为水以水蒸气、液态水和膜态水三种形式存在,各相之间存在相变。水在膜内的摩尔通量nw,cross主要有三部分:浓差引起的扩散项,电拖曳引起的电渗项和压差引起的对流项(见公式(2))。而气体则是溶解在水中通过浓度差在膜中扩散,公式(3)给出了氮气在膜内的摩尔通量nN,cross。
nN,cross=-DN_mHN_m▽pN (3);
其中I为电堆输出电流,N为单电池片数,F为法拉第常数,为水的质量流量。Dw_m、DN_m分别是水和氮气在膜中的扩散系数,Cw是水的摩尔浓度,nd是水的电迁移系数,im是电流密度矢量,kp_m是膜的渗透率,μw是水的粘度,HN_m是氮气在膜中的溶解度,pN是氮气分压。
图1是本发明一实施例提供的用于燃料电池***的控制***的结构图。其中,所述燃料电池***可包括:进气阀(例如,比例阀4)、电堆7以及汽水分离器10,如图6所示。如图1所示,所述控制***可包括:参数接收装置100,用于接收所述汽水分离器内的氮气的浓度;压力检测装置200(例如,图6所示的压力传感器9),用于检测所述电堆的阳极出口处的压力;以及控制装置300,用于根据所述氮气的浓度、所述液位高度以及压力,综合控制进气阀与汽水分离器以实现氮气的排出。
所述控制装置300用于执行以下操作:在所述氮气的浓度大于或等于第一预设浓度的情况下,记录当前压力并根据所述当前压力确定相应的反馈值,以及控制所述汽水分离器的第一阀门打开以排出氮气;根据所述反馈值对用于所述进气阀的控制信号进行校准;以及根据校准后的控制信号控制所述进气阀,以调节进入所述电堆的氢气。
其中,所述第一预设高度可为hmin;所述第一预设浓度可为5%。
当控制装置300(例如上位机)接收到氮气浓度XN≥5%的信号时,记录阳极出口处的当前压力(即开启排气阀前的压力),并控制第一阀门(例如,电磁阀16)开启排氮,同时根据当前压力及压力与反馈值的对应关系,提供一反馈值Δθ以作为前馈值对控制信号(用于控制进气阀)的占空比θ进行校准,采用校准后的控制信号的占空比对进气阀(例如,比例阀4)进行调节以通过适当提高阀开度来补充排气带来的瞬时压降,保证阳极压力的稳定。
具体地,所述控制***还包括:另一压力检测装置(例如,图6所示的压力传感器6),用于检测所述电堆的阳极入口处的压力。相应地,所述控制装置300还用于,在所述氮气的浓度大于或等于第一预设浓度的情况下,根据阳极入口处的目标压力与所述电堆的阳极入口处的压力之差,确定所述控制信号的占空比。具体地,根据阳极入口处的目标压力与所述电堆的阳极入口处的压力之差,可通过PID算法确定所述控制信号的占空比。
在一实施例中,所述参数接收装置100还用于接收所述汽水分离器内的液态水的液位高度。相应地,所述控制装置300还用于,在所述液位高度大于或等于第一预设高度并且所述氮气的浓度大于或等于第一预设浓度的情况下,记录当前压力并根据所述当前压力确定相应的反馈值,以及控制所述汽水分离器的第一阀门打开以排出氮气。
具体地,所述参数接收装置100接收的数据可由所述汽水分离器中的液位传感器与浓度传感器提供,具体内容可参见下文关于汽水分离器的描述内容。所述压力检测装置200可为压力传感器9,如图6所示。
当液位高度h≥hmin时,表明燃料电池***进入运行阶段。在运行阶段:渗透的阴极氮气不断在阳极循环,当控制装置300(例如上位机)接收到氮气浓度XN≥5%的信号时,记录阳极出口处的当前压力,并控制第一阀门(例如,电磁阀16)开启排氮,同时根据当前压力提供一反馈值Δθ以作为前馈值对PID计算出的控制信号的占空比θ(具体确定方式同上文描述,于此不进行赘述)进行校准,采用校准后的控制信号的占空比对进气阀(例如,比例阀4)进行调节以通过适当提高阀开度来补充排气带来的瞬时压降,保证阳极压力的稳定。
在上述各个实施例中,压力与反馈值的对应关系可提前存储在上述控制装置300内。具体地,需要提前对压力与反馈值的对应关系进行标定:模拟不同阳极出口处的压力环境,在第一阀门开启时测量不同的占空比增量(即反馈值)。
在一实施例中,所述控制装置300还用于,在执行所述控制所述汽水分离器的第一阀门排出氮气的步骤之后,执行以下操作:在所述氮气的浓度小于第二预设浓度或者所述当前压力与所述压力(即所述压力检测装置所检测的所述电堆的阳极出口处的实时压力)的差值大于或等于预设压差的情况下,控制所述第一阀门关闭以停止排出氮气,其中,所述第二预设浓度小于所述第一预设浓度。
其中,所述第二预设浓度可为2%;所述预设压差可为5kPa。
具体地,第一阀门(例如,电磁阀16)开启后,所述控制装置300以阳极压降ΔP≥5kPa和氮气浓度XN<2%作为并联关闭条件,一旦发现条件满足其中之一,便控制第一阀门(例如,电磁阀16)关闭,即保证充分排氮又防止出现压力冲击。
在一实施例中,所述控制装置300还用于,在满足以下两种情形中的任一者的情况下,保持所述第一阀门处于关闭状态:所述液位高度大于或等于所述第一预设高度并且所述氮气的浓度小于所述第一预设浓度;或者所述液位高度小于所述第一预设高度。
具体地,当液位高度h≥hmin时,表明燃料电池***进入运行阶段。在运行阶段的起始:渗透的阴极氮气不断在阳极循环,当控制装置300(例如上位机)接收到氮气浓度XN<5%的信号时,控制第一阀门(例如,电磁阀16)保持关闭。
或者,在启动阶段:燃料电池刚开始运行时,产水量较少,此时控制装置300(例如上位机)接收到液位高度h<hmin,控制第一阀门(例如,电磁阀16)保持关闭。目的是保证汽水分离器的储水容器有一定容积的液态水,防止气体从第二阀门(例如,电磁阀15)流出,起到排水排气分离控制的效果。
更为具体地,如图2所示,启动与运行阶段的排气控制策略可包括以下步骤S20-S210。
步骤S20,默认排气电磁阀保持关闭。
步骤S21,判断h≥hmin是否成立,若是,执行步骤S22;否则,执行S20。
步骤S22,判断氮气浓度≥5%是否成立,若是,执行步骤S25与S28;否则,执行S20。
步骤S23,确定阳极入口处的目标压力与实际压力之差。
其中,所述实际压力为压力检测装置检测到的实时压力。
步骤S24,采用PID算法确定控制信号的占空比θ。
步骤S25,根据阳极出口处的当前压力确定反馈值Δθ。
根据反馈值对控制信号的占空比进行校准。
步骤S26,根据校准后的控制信号的占空比调节比例阀。
步骤S27,判断阳极出口处的压降≥5kPa是否成立,若是,则执行步骤S210。
步骤S28,开启排气电磁阀。
步骤S29,判断氮气浓度<2%是否成立,若是,执行步骤S210;否则,执行S28。
步骤S210,关闭排气电磁阀。
在一实施例中,所述控制装置300还用于,在所述氮气的浓度大于或等于第三预设浓度且当前轮次吹扫过程中的所述液位高度的增量小于预设增量情况下,控制所述第一阀门与用于控制空气通入的旁通阀均关闭,以结束吹扫阶段,其中,所述第三预设浓度大于所述第一预设浓度。
其中,所述第三预设浓度可为50%。
具体地,吹扫阶段的排气控制策略可包括以下步骤S30-S310,如图3所示。本实施例基于阴极空气吹扫方式,以氮气浓度作为吹扫结束的判断条件制定控制策略。
步骤S30,默认排气电磁阀保持关闭。
步骤S31,关闭比例阀。
步骤S32,关闭循环截止阀。
步骤S33,开启旁通阀。
在吹扫阶段,默认第一阀门(例如,电磁阀16)保持关闭,关闭比例阀4,关闭循环截止阀11,开启旁通阀8,通入干燥空气吹扫。
步骤S34,判断阳极出口处的压力=P2是否成立,若是,则执行步骤S35;否则继续步骤S34。
步骤S35,关闭旁通阀。
步骤S36,打开排气电磁阀。
步骤S37,判断阳极出口处的压力=P1是否成立,若是,则执行步骤S38;否则继续步骤S37。
步骤S38,关闭排气电磁阀。
当压力传感器9监测到压力达到P2时,控制关闭旁通阀8,打开电磁阀16排出混合气体(空气、氢气),待压力下降到P1后关闭电磁阀16以完成第一次吹扫。打开旁通阀8继续通入空气,同样压力达到P2后重复以上操作完成第二次吹扫。重复循环多次吹扫。
步骤S39,判断氮气浓度≥50%是否成立,若是,则执行步骤S310;否则,执行步骤S33。
步骤S310,判断当前轮次吹扫过程中的液位高度的增量<Δh是否成立,若是,则吹扫结束;否则,执行步骤S33。
直到第n次吹扫时同时满足氮气浓度XN≥50%和液位高度的上升值小于Δh两个条件,认为此时残留氢气和水几乎排尽,停止吹扫,控制关闭电磁阀16和旁通阀8,吹扫阶段结束。
在一实施例中,所述控制装置300还用于执行以下操作:在所述液位高度逐渐升高且小于第二预设高度或者所述液位高度逐渐下降且等于所述第一预设高度的情况下,控制所述汽水分离器的第二阀门关闭;在所述液位高度大于或等于所述第二预设高度的情况下,控制所第二阀门打开以排出液态水,其中,所述第二预设高度大于所述第一预设高度;或者在接收到停机信号的情况下,控制所述第二阀门打开,以及在所述液位高度等于0的情况下,控制所述第二阀门关闭。
其中,所述第二阀门可为电磁阀15,如图6或7所示。
具体地,图4和图5分别是阳极排水控制逻辑图和控制效果图(纵坐标是液位高度h,横坐标是时间t),在运行前,需确定汽水分离器10的高低液位hmax(第二预设高度)和hmin(第一预设高度)。排水控制过程具体可分为三个阶段:启动阶段、运行和吹扫阶段和停机阶段。
对于启动阶段:燃料电池刚完成启动进入怠速或低功率运行状态,电化学反应产水量较少,随着液态水积累,液位高度逐渐升高但汽水分离器10的液位高度h≤hmin(如图5所示),控制电磁阀15在启动阶段保持关闭。
对于运行和吹扫阶段:随着运行功率增加,运行时间增长,阴极渗透到阳极的水逐渐增多,汽水分离器10的储水容器的液位逐渐上升,每当接收到h>hmax时,控制开启电磁阀15以进行排水,待接收到液位下降到hmin时,再关闭电磁阀15。该阶段汽水分离器10的液位始终保持在hmin≤h≤hmax之间(如图5所示)。
停机阶段:为了保证冷启动功能,吹扫结束后汽水分离器残留的液态水必须全部排出,防止形成冰堵塞电磁阀15。因此,在吹扫阶段结束后,在接收到停机信号的情况下,控制开启电磁阀15排出所有液态水,待液位h=0,再控制关闭电磁阀15。
下面结合图6与图7,针对上述各个实施例中的汽水分离器的结构进行解释和说明。
如图7所示,所述汽水分离器10可包括:外壳30,该外壳30包括相对设置的第一侧面(例如,右侧面)与第二侧面(例如,左侧面);入口21,被设置在所述第一侧面(例如,右侧面)上,用于引入汽水混合物;隔板23,所述隔板23的第一端(例如,右端)被设置在所述入口21的下方并且所述隔板23的第二端(例如,左端)与所述第二侧面(例如,左侧面)之间留有第一空隙,用于引导所述汽水混合物中的液态水进入所述汽水分离器10的下半空间;挡板(其可为一个挡板或者多个挡板,例如,挡板18、19、20),被倾斜设置在所述隔板23的上方,用于阻挡所述汽水混合物中的氢气流向所述第二侧面(例如,左侧面);所述第一阀门(例如,电磁阀16),被设置在所述第二侧面上(例如,左侧面),用于排出所述汽水混合物中的氮气;所述第二阀门(例如,电磁阀15),被设置在所述汽水分离器10的底部,用于排出所述液态水;浓度传感器14,用于检测所述氮气的浓度;以及液位传感器13,用于检测所述液态水的液位高度。
其中,如图6或图7所示,所述浓度传感器14可被设置在所述汽水分离器的内部,例如,所述浓度传感器14可被设置在所述汽水分离器的顶部、第一侧面或者第二侧面上。所述液位传感器13可被设置在所述汽水分离器的内部,例如,所述液位传感器13被设置在所述第二侧面上且所述液位传感器13所在的高度低于所述隔板23的第二端(例如,左端)的高度。
其中,所述浓度传感器14与所述液位传感器13可分别将各自检测的数据发送至所述参数接收装置,由此可绕开水含量和氮气浓度理论计算的困难,直接监控汽水分离器内部的液位和氮气分压,并据此制定了燃料电池运行全阶段(启动、带载和吹扫)的排水排气控制策略。
在本实施例中,为同时保证燃料电池的阳极排水量和排氮量的准确,对汽水分离器进行重新设计,将排水口(第二阀门)和排气口(第二阀门)分离,并集成液位传感器和氮气浓度传感器来实现上述阳极排水排氮量的精准控制过程。
在一实施例中,所述汽水分离器10还可包括:斜槽24,被设置在所述汽水分离器10的底部,所述斜槽24的第一端面(A面)与所述第一侧面(例如,右侧面)连接并且第二端面(B面)与所述第二侧面(例如,左侧面)之间留有第二空隙,如图7所示。
其中,所述第一端面(A面)的面积大于所述第二端面(B面)的面积。也就是说,所述斜槽24与所述隔板23的倾斜趋势相类似。所述隔板23的倾斜设计使得气流过程中的液态水在重力的作用下跌落到储水容积中暂时储存,斜槽的倾斜设计使得储水容积底部的水更容易排出,以防止水聚集在容器内。
其中,所述第二阀门(例如,电磁阀15)被设置在所述汽水分离器10的底部上的所述第二空隙处。由于隔板23与斜槽24的倾斜设计使得水集聚在第二空隙处,故将所述第二阀门(例如,电磁阀15)设置在该第二空隙处,可便于水的排出,以防止水聚集在容器内,如图7所示。
在另一实施例中,从所述第一侧面向所述第二侧面的方向来看,所述外壳的底部呈向下倾斜形状。
其中,所述第二阀门被设置在所述汽水分离器的底部上的与所述第二侧面连接的一端。
具体地,在上述实施例中,在所述汽水分离器的底部设置斜槽,以防止水聚集在容器内部。而在本实施例中,直接将所述汽水分离器的底部设计为倾斜形状(未示出),且倾斜形状与隔板23的倾斜趋势相类似,以使得所述汽水分离器的底部上的紧挨着第二侧面(例如,左侧面)的第二阀门(例如,电磁阀15)更有效地将容器内的水排出。
如图1所示,所述汽水分离器还可包括:出口22,被配置正在所述汽水分离器10的顶部,用于回收所述氢气。
更为具体地,汽水分离器10由隔板23分成上下两部分:上半空间是气水混合物通道,下半空间是储水容积。在通道上侧和储水容积左侧分别安装了氮气浓度传感器14和液位传感器13。燃料电池工作时,电堆阳极出口的氢气-水混合物由汽水分离器的入口21进入,氢气顺着挡板18、挡板19和挡板20构成的流道流动,左侧安装电磁阀16作为排氮口,汽水分离器的出口22与循环泵12连接(如图6所示),实现未反应氢气的再循环;气流过程中的液态水在重力的作用下跌落到储水容积中暂时储存,储水容积底部的斜槽24设计可以防止水聚集在容器内,斜槽24末端与电磁阀15连接,电磁阀15的出口仅作排水口,如图7所示。
上述各个实施例将液位传感器和氮气浓度传感器集成到汽水分离器10上,绕开水含量和氮气浓度理论计算的困难,直接监控汽水分离器内部的液位和氮气分压,制定了燃料电池运行全阶段(启动、带载和吹扫)的排水排气控制策略:排水根据液位差作精准控制,排气与液位、压力参数作耦合控制。在降低控制条件复杂性的同时,提高了排水排氮的控制精度。上述各个实施例可以有效降低阳极出现“水淹”、“氢饥饿”、排气压降冲击和高电位的风险,有利于提高氢燃料电池燃料利用率和工作稳定性。
综上所述,本发明创造性地首先在汽水分离器内的氮气的浓度大于或等于第一预设浓度的情况下,记录当前压力并根据所述当前压力确定相应的反馈值,以及控制所述汽水分离器的第一阀门打开以排出氮气;然后,根据所述反馈值对用于所述进气阀的控制信号进行校准;最后,根据校准后的控制信号控制所述进气阀,以调节进入所述电堆的氢气。由此,本发明可结合氮气浓度与压力参数对氮气的排出过程进行耦合控制,从而在降低控制条件复杂性的同时,提高了排氮的控制精度,进而有效降低阳极出现“氢饥饿”、排气压降冲击等风险。
本发明一实施例还提供一种用于燃料电池***的控制方法,所述燃料电池***包括:进气阀、电堆以及汽水分离器,所述控制方法包括:接收所述汽水分离器内的氮气的浓度;检测所述电堆的阳极出口处的压力;在所述氮气的浓度大于或等于第一预设浓度的情况下,记录当前压力并根据所述当前压力确定相应的反馈值,以及控制所述汽水分离器的第一阀门打开以排出氮气;根据所述反馈值对用于所述进气阀的控制信号进行校准;以及根据校准后的控制信号控制所述进气阀,以调节进入所述电堆的氢气。
优选地,所述控制方法还包括:接收所述汽水分离器内的液态水的液位高度;以及在所述液位高度大于或等于第一预设高度并且所述氮气的浓度大于或等于第一预设浓度的情况下,记录当前压力并根据所述当前压力确定相应的反馈值,以及控制所述汽水分离器的第一阀门打开以排出氮气。
有关本发明实施例提供的用于燃料电池***的控制方法的具体细节及益处可参阅上述针对用于燃料电池***的控制***的描述,于此不再赘述。
本发明一实施例还提供一种燃料电池***,所述燃料电池***包括:所述的用于燃料电池***的控制***。
如图6所示,氢瓶1提供高压氢源,经过减压阀2进入氢气进气组合阀(包括截止阀3、比例阀4和泄压阀5),对进气压力进一步调控,使氢气压力达到电堆入口压力要求(通常在120-250kPa),泄压阀5可根据需求选择泄放压力(如300kPa),防止进口氢气过压。随后氢气进入电堆7发生电化学反应产生电能,进、出口分别布有压力传感器6、9。旁通阀8用于通入空气吹扫。氢气经出口进入汽水分离器10以分离出液态水、氮气和氢气,氢气再通过循环截止阀11和循环泵12再送入电堆7。另外,汽水分离器10中的液位传感器13和氮气浓度传感器14实时监控液位高度和氮气体积分数,控制装置根据传感器反馈信号控制电磁阀16排气和电磁阀15排水,最后排出部分在混合器17汇合后排向外部环境。
本发明各个实施例中的燃料电池***可为氢燃料电池***。
本发明一实施例还提供一种工程机械,所述工程机械包括:所述的燃料电池***。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合,为了避免不必要的重复,本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外,本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合,只要其不违背本发明的思想,其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (14)
1.一种用于燃料电池***的控制***,其特征在于,所述燃料电池***包括:进气阀、电堆以及汽水分离器,所述控制***包括:
参数接收装置,用于接收所述汽水分离器内的氮气的浓度;
压力检测装置,用于检测所述电堆的阳极出口处的压力;以及
控制装置,用于执行以下操作:
在所述氮气的浓度大于或等于第一预设浓度的情况下,记录所述阳极出口处的当前压力,并根据所述当前压力以及压力与反馈值的对应关系确定相应的反馈值,以及控制所述汽水分离器的第一阀门打开以排出氮气;
根据所述反馈值对用于所述进气阀的控制信号进行校准;以及
根据校准后的控制信号控制所述进气阀,以调节进入所述电堆的氢气,
其中通过以下方式标定所述对应关系:模拟所述阳极出口处的不同压力环境,在所述第一阀门开启时测量相应的占空比增量。
2.根据权利要求1所述的控制***,其特征在于,所述参数接收装置还用于接收所述汽水分离器内的液态水的液位高度,
相应地,所述控制装置还用于,在所述液位高度大于或等于第一预设高度并且所述氮气的浓度大于或等于第一预设浓度的情况下,记录当前压力并根据所述当前压力确定相应的反馈值,以及控制所述汽水分离器的第一阀门打开以排出氮气。
3.根据权利要求1所述的控制***,其特征在于,所述控制装置还用于,在执行所述控制所述汽水分离器的第一阀门排出氮气的步骤之后,执行以下操作:
在所述氮气的浓度小于第二预设浓度或者所述阳极出口处的当前压力与所述压力的差值大于或等于预设压差的情况下,控制所述第一阀门关闭以停止排出氮气,其中,所述第二预设浓度小于所述第一预设浓度。
4.根据权利要求2所述的控制***,其特征在于,所述控制装置还用于,在满足以下两种情形中的任一者的情况下,保持所述第一阀门处于关闭状态:
所述液位高度大于或等于所述第一预设高度并且所述氮气的浓度小于所述第一预设浓度;或者所述液位高度小于所述第一预设高度。
5.根据权利要求2所述的控制***,其特征在于,所述控制装置还用于,在所述氮气的浓度大于或等于第三预设浓度且当前轮次吹扫过程中的所述液位高度的增量小于预设增量情况下,控制所述第一阀门与用于控制空气通入的旁通阀均关闭,其中,所述第三预设浓度大于所述第一预设浓度。
6.根据权利要求2所述的控制***,其特征在于,所述控制装置还用于执行以下操作:
在所述液位高度逐渐升高且小于第二预设高度或者所述液位高度逐渐下降且等于所述第一预设高度的情况下,控制所述汽水分离器的第二阀门关闭;
在所述液位高度大于或等于所述第二预设高度的情况下,控制所第二阀门打开以排出液态水,其中,所述第二预设高度大于所述第一预设高度;或者
在接收到停机信号的情况下,控制所述第二阀门打开,以及在所述液位高度等于0的情况下,控制所述第二阀门关闭。
7.根据权利要求6所述的控制***,其特征在于,所述汽水分离器包括:
外壳,该外壳包括相对设置的第一侧面与第二侧面;
入口,被设置在所述第一侧面上,用于引入汽水混合物;
隔板,所述隔板的第一端被设置在所述入口的下方并且所述隔板的第二端与所述第二侧面之间留有第一空隙,用于引导所述汽水混合物中的液态水进入所述汽水分离器的下半空间;
挡板,被倾斜设置在所述隔板的上方,用于阻挡所述汽水混合物中的氢气流向所述第二侧面;
所述第一阀门,被设置在所述第二侧面上,用于排出所述汽水混合物中的氮气;
所述第二阀门,被设置在所述汽水分离器的底部,用于排出所述液态水;
浓度传感器,用于检测所述氮气的浓度;以及
液位传感器,用于检测所述液态水的液位高度。
8.根据权利要求7所述的控制***,其特征在于,所述汽水分离器还包括:
斜槽,被设置在所述汽水分离器的底部,所述斜槽的第一端面与所述第一侧面连接并且第二端面与所述第二侧面之间留有第二空隙。
9.根据权利要求8所述的控制***,其特征在于,所述第一端面的面积大于所述第二端面的面积。
10.根据权利要求8所述的控制***,其特征在于,所述第二阀门被设置在所述汽水分离器的底部上的所述第二空隙处。
11.一种用于燃料电池***的控制方法,其特征在于,所述燃料电池***包括:进气阀、电堆以及汽水分离器,所述控制方法包括:
接收所述汽水分离器内的氮气的浓度;
检测所述电堆的阳极出口处的压力;
在所述氮气的浓度大于或等于第一预设浓度的情况下,记录所述阳极出口处的当前压力,并根据所述当前压力以及压力与反馈值的对应关系确定相应的反馈值,以及控制所述汽水分离器的第一阀门打开以排出氮气;
根据所述反馈值对用于所述进气阀的控制信号进行校准;以及
根据校准后的控制信号控制所述进气阀,以调节进入所述电堆的氢气,
其中通过以下方式标定所述对应关系:模拟所述阳极出口处的不同压力环境,在所述第一阀门开启时测量相应的占空比增量。
12.根据权利要求11所述的控制方法,其特征在于,所述控制方法还包括:
接收所述汽水分离器内的液态水的液位高度;以及
在所述液位高度大于或等于第一预设高度并且所述氮气的浓度大于或等于第一预设浓度的情况下,记录当前压力并根据所述当前压力确定相应的反馈值,以及控制所述汽水分离器的第一阀门打开以排出氮气。
13.一种燃料电池***,其特征在于,所述燃料电池***包括:根据权利要求1-10中任一项所述的用于燃料电池***的控制***。
14.一种工程机械,其特征在于,所述工程机械包括:根据权利要求13所述的燃料电池***。
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