CN116487653A - 一种燃料电池发动机的阳极排气阀控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃料电池发动机的阳极排气阀控制方法，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术未能有效评估质子交换膜的氮气渗透速率用于排气开启策略的问题。该方法包括：S1.获取燃料电池总运行时长，得出电堆内质子交换膜的氮气渗透系数；S2.获取电堆的阴极侧和阳极侧尾气各自的流量、温度、压力和湿度，结合氮气渗透系数得出电堆的阳极侧氮气累积浓度；S3.识别上述氮气累积浓度是否超过阈值，如果是，开启阳极排气阀，执行步骤S4，否则，返回步骤S1；S4.获取电堆阳极排气阀前后端的气体压力，得出电堆阳极的气体流通量，识别该气体流通量大于氮气累积浓度时，关闭阳极排气阀并执行步骤S1，否则，维持阳极排气阀的状态不变。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池发动机的阳极排气阀控制方法。
背景技术
燃料电池发动机供氢***通常采用氢气循环模式。在氢气循环过程中，阴极空气中的氮气和水蒸气透过质子交换膜会扩散到阳极，燃料电池长时间运行后会引起氢气分压降低，局部氢气饥饿造成电堆电压下降，甚至引起膜电极的电化学腐蚀，导致电堆性能发生不可逆下降。因此，在运行过程中需要间歇性打开排气阀吹扫，排出阳极的杂质、氮气和水。
目前，发动机排气阀的开启策略多为固定时间周期策略，例如4s为周期，每个周期内开启1s，没有考虑到随着燃料电池长时间运行而引起的膜渗透特性变化，以及电堆性能变化等带来的气体渗透速率变化。
申请号为CN202211235770.5的中国专利通过电压的下降阈值或者电压的分散程度来判断氮气的累积程度，从而控制排气阀开启，排出***内累积的氮气。但单片电压的判断容易造成误判，控制效果不佳。
申请号为CN201710992471.9的中国专利通过神经网络的算法，预估下一周期的氮气浓度，来调节排气阀的开启频次，但没有负向的反馈作为判断基准或用来修正判断，也容易造成误判，同时模型中没有考虑到温度、压力等多种因素对于氮气渗透和氮气积累的影响。
申请号为CN200810144696.X的中国专利通过控制排气阀的流通流量和期望流量来进行排气阀开启策略，避免了氢气的浪费，但对于排气阀的启动策略没有详细的阐述，还在研究阶段。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种燃料电池发动机的阳极排气阀控制方法，用以解决现有技术未能有效评估质子交换膜的氮气渗透速率用于排气开启策略的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池发动机的阳极排气阀控制方法，包括如下步骤：
S1.获取环境温度Tamb、燃料电池总运行时长t总，输入预先标定好的氮气扩散模型中，得出电堆内质子交换膜的氮气渗透系数；
S2.分别获取当前时刻电堆的阴极侧和阳极侧尾气各自的流量、温度、压力和湿度，结合氮气渗透系数得出电堆的阳极侧氮气累积浓度；
S3.识别上述阳极侧氮气累积浓度是否超过设定浓度阈值，如果是，开启阳极排气阀，并执行步骤S4，否则，返回执行步骤S1；
S4.分别获取电堆阳极排气阀前后端的气体压力，进而得出电堆阳极的气体流通量，识别该气体流通量是否大于阳极侧氮气累积浓度，如果是，关闭阳极排气阀并执行步骤S1，否则，维持阳极排气阀的状态不变。
上述技术方案的有益效果如下：通过质子交换膜的氮气渗透系数评估质子交换膜的氮气渗透速率，并作为阳极排气阀开启的决策依据，能够精确地控制燃料电池发动机阳极排气阀的开启和关闭。随着燃料电池发动机的长时间运行，膜的渗透速率会产生偏移，导致氮气的渗透速率和累积速率产生变化，基于该策略，可实现较长时间尺度上的动态调节。
基于上述装置的进一步改进，步骤S1通过下面公式中的氮气扩散模型得出电堆内质子交换膜的氮气渗透系数λ：
其中，
t的范围为0→t总，式中，κ为膜电极随时间维度的变化系数，/>为阳极侧的氮气摩尔分数，t为时间，/>为氮气常数，T为电堆正常运行温度，Pa为阳极侧氢气尾气压力，S为电堆的单电池有效面积，V为电堆阳极的腔体容积，Pc为阴极侧空气尾气压力，EN 2为氮气的焓值，ξ为膜中水含量，Vd为干膜的体积，Vw为湿膜的体积。
进一步，步骤S2进一步包括：
S21.获取当前时刻电堆的阴极侧空气尾气的流量、温度、压力和湿度；
S22.获取当前时刻电堆的阳极侧氢气尾气的流量、温度、压力和湿度；
S23.将上述阴极侧空气尾气的流量、温度、压力和湿度，阳极侧氢气尾气的流量、温度、压力和湿度，以及氮气渗透系数一起输入事先标定好的氮气累积浓度物理模型中，得出电堆阳极侧的氮气累积浓度
进一步，步骤S23中的氮气累积浓度物理模型采用人工神经网络，或者，采用下面公式的模型：
式中，T′为当前时刻电堆温度，t当前为从燃料电池发动机开机起计时到当前时刻的时间。
进一步，步骤S4进一步包括：
S41.定时分别获取电堆阳极排气阀前端进口处的气体压力P1、后端出口处的气体压力P2；
S42.将上述气体压力P1、P2输入事先标定好的气体流通量物理模型中，得出电堆阳极的气体流通量Q；
S43.识别上述气体流通量Q是否大于阳极侧氮气累积浓度如果是，关闭阳极排气阀，并执行步骤S1，否则，维持阳极排气阀的开启状态不变，继续下一周期的步骤S41～S43识别。
进一步，步骤S42中的气体流通量物理模型采用人工神经网络，或者，采用下面公式的模型：
式中，d为排气阀口径，为氮气的分子质量。
进一步，该方法在步骤S1之前，还包括如下步骤：
S0.识别到燃料电池发动机的***离散程度大于阈值后，启动阳极排气阀执行排气操作。
进一步，步骤S0进一步包括：
S01.获取燃料电池的所有单片电压；
S02.识别是否存在燃料电池的任一单片电压小于电压阈值；如果是，启动阳极排气阀执行排气操作后，再次执行步骤S01；否则，执行步骤S03；
S03.获取所有单片电压构成的数据集的离散程度；
S04.识别该离散程度是否超过阈值；如果是，启动阳极排气阀执行排气操作后，再次执行步骤S01；否则，执行步骤S1。
进一步，在阳极排气阀的前端进口处管道内壁上布设氮气浓度传感器，用于直接采集阳极侧氮气累积浓度，作为补充数据；并且，该方法还包括如下步骤：
S5.识别氮气浓度传感器数据超过设定浓度阈值，启动阳极排气阀执行排气操作，并执行步骤S4。
进一步，在阳极排气阀的前端进口处或后端出口处管道内壁上布设气体流量传感器，用于直接采集电堆阳极的气体流通量，作为补充数据；并且，该方法还包括如下步骤：
S6.识别气体流量传感器数据是否大于阳极侧氮气累积浓度，如果是，关闭阳极排气阀并执行步骤S1，否则，维持阳极排气阀的状态不变。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、提供了一种扩散系数和燃料电池单片性能表现相结合的控制算法。首先读取燃料电池单片的电压信息，当电压小于预设的电压阈值后，开启阳极排气阀进行排气，反之，继续判断燃料电池离散程度与预设的离散阈值之间的关系，当离散程度大于预设的电压阈值后，开启阳极排气阀排气，反之，不进行排气操作。当燃料电池的单片表现和离散程度均在合理范围内后，进行扩散系数的计算和排气策略，实现了时间尺度上氮气扩散速率的动态调整。
2、实现了发动机运行过程中，氢腔内的氮气浓度的动态计算与阳极排气阀排出流量的动态计算。
3、实现了氮气浓度、单片性能、***一致性、排气流量等多判断项融合的开启策略。
4、通过步骤S0、S5上述添加了辅助的判断策略，当阳极侧氮气浓度过高时，则会引起电堆性能的下降，因此，当识别到发动机性能下降后，***打开阳极排气阀进行排气操作，当识别到***离散程度(标准差)大于阈值后，同样进行打开阳极排气阀进行排气操作。
提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本发明的重要特征或必要特征，也无意限制本发明的范围。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了实施例1燃料电池发动机的阳极排气阀控制方法组成示意图；
图2示出了实施例1燃料电池发动机氮气扩散模型示意图；
图3示出了实施例2阳极排气阀控制逻辑示意图。
附图标记
6-阴极流道(空气)；7-第一气体扩散层；8-膜电极；9-第二气体扩散层；10-阳极流道(氢气)。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
下面首先介绍本发明涉及的缩略语及其定义。
燃料电池发动机：将氢气和氧气经过电化学反应将化学能转变成电能的装置，包括燃料供应***，氧化剂供应***，冷却***，电堆等。
阳极排气阀：又称排氢阀，其作用是将燃料电池发动机工作过程中从阴极渗透来的氮气进行周期性的排出，避免氮气浓度累积影响发动机性能。
氢喷：氢气喷射器，其作用是为电堆提供足够流量，足够浓度的氢气，保证反应正常进行。
氢气循环组件：包含引射器或氢泵，将电堆出口的氢气通过再循环返回电堆入口，避免氢气浪费，同时保证入堆的氢气流量，保证反应正常进行。
实施例1
本发明的一个实施例，公开了一种燃料电池发动机的阳极排气阀控制方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1.获取环境温度Tamb、燃料电池总运行时长t总，输入预先标定好的氮气扩散模型中，得出电堆内质子交换膜的氮气渗透系数；
S2.分别获取当前时刻电堆的阴极侧和阳极侧尾气各自的流量、温度、压力和湿度，结合氮气渗透系数得出电堆的阳极侧氮气累积浓度；
S3.识别上述阳极侧氮气累积浓度是否超过设定浓度阈值，如果是，开启阳极排气阀，并执行步骤S4，否则，返回执行步骤S1；
S4.分别获取电堆阳极排气阀前后端的气体压力，进而得出电堆阳极的气体流通量，识别该气体流通量是否大于阳极侧氮气累积浓度，如果是，关闭阳极排气阀并执行步骤S1，否则，维持阳极排气阀的状态不变。
实施时，如图2所示，氢气和空气分别通过阴极流道6和阳极流道10进入电堆，并通过第二气体扩散层9扩散至膜电极8。氢气在膜电极出分离为质子和电子，质子与水结合形成水合氢离子，氮气则在浓度梯度下，从阴极流道6扩散到阳极流道10，从而造成阳极侧氮气累积。
控制器读取燃料电池的运行时长，获得运行时长和扩散系数之间的关系，进而计算膜的氮气渗透系数，同时获取阴极、阳极两侧的温度、湿度、流量、压力等相关信息，与扩散系数做关联后，计算阳极侧的氮气累积浓度，当累积浓度大于燃料电池预设的氮气累积阈值后，***开启阳极排气阀进行排气，反之，进行继续计算。开启阳极排气阀的过程中，评估流通阳极排气阀的流量，如果排出的流量大于氮气累积的浓度，则停止排气，反之，继续排气。以上循环结束后，重复进入下一循环。
与现有技术相比，本实施例提供的燃料电池发动机的阳极排气阀控制方法通过质子交换膜的氮气渗透系数评估质子交换膜的氮气渗透速率，并作为阳极排气阀开启的决策依据，能够精确地控制燃料电池发动机阳极排气阀的开启和关闭。随着燃料电池发动机的长时间运行，膜的渗透速率会产生偏移，导致氮气的渗透速率和累积速率产生变化，基于该策略，可实现较长时间尺度上的动态调节。
实施例2
在实施例1的基础上进行改进，步骤S1通过下面公式中的氮气扩散模型得出电堆内质子交换膜的氮气渗透系数λ：
其中，
t的范围为0→t总，式中，κ为膜电极随时间维度的变化系数，/>为阳极侧的氮气摩尔分数，t为时间，/>为氮气常数，T为电堆正常运行温度，Pa为阳极侧氢气尾气压力，S为电堆的单电池有效面积，V为电堆阳极的腔体容积，Pc为阴极侧空气尾气压力，EN 2为氮气的焓值，ξ为膜中水含量，Vd为干膜的体积，Vw为湿膜的体积。
优选地，步骤S2进一步包括：
S21.获取当前时刻电堆的阴极侧空气尾气的流量、温度、压力和湿度；
S22.获取当前时刻电堆的阳极侧氢气尾气的流量、温度、压力和湿度；
S23.将上述阴极侧空气尾气的流量、温度、压力和湿度，阳极侧氢气尾气的流量、温度、压力和湿度，以及氮气渗透系数一起输入事先标定好的氮气累积浓度物理模型中，得出电堆阳极侧的氮气累积浓度
优选地，步骤S23中的氮气累积浓度物理模型采用人工神经网络，或者，采用下面公式的模型：
式中，T′为当前时刻电堆温度，t当前为从燃料电池发动机开机起计时到当前时刻的时间。
优选地，步骤S4进一步包括：
S41.定时分别获取电堆阳极排气阀前端进口处的气体压力P1、后端出口处的气体压力P2；
S42.将上述气体压力P1、P2输入事先标定好的气体流通量物理模型中，得出电堆阳极的气体流通量Q；排气阀的流通能力受到多种因素的影响，比如口径、排气前后端的压力差、排气速率、湿度、温度等多种参数的影响，一般情况下，气体流通量可通过下面公式进行计算：
式中，d为排气阀口径，为氮气的分子质量；
一定时间内，流经阳极排气阀的流量则可通过积分形式进行计算，得到流通量和时间的关系曲线。
S43.识别上述气体流通量Q是否大于阳极侧氮气累积浓度如果是，关闭阳极排气阀，并执行步骤S1，否则，维持阳极排气阀的开启状态不变，继续下一周期的步骤S41～S43识别。
优选地，该方法在步骤S1之前，还包括如下步骤：
S0.识别到燃料电池发动机的***离散程度大于阈值后，启动阳极排气阀执行排气操作。
优选地，如图3所示，步骤S0进一步包括：
S01.获取燃料电池的所有单片电压；
S02.识别是否存在燃料电池的任一单片电压小于电压阈值；如果是，启动阳极排气阀执行排气操作后，再次执行步骤S01；否则，执行步骤S03；
S03.获取所有单片电压构成的数据集的离散程度；
S04.识别该离散程度是否超过阈值；如果是，启动阳极排气阀执行排气操作后，再次执行步骤S01；否则，执行步骤S1。
优选地，该方法还包括如下步骤：
S7.识别到燃料电池发动机的性能下降后，启动阳极排气阀执行排气操作。
通过步骤S0、S5上述添加了辅助的判断策略，当阳极侧氮气浓度过高时，则会引起电堆性能的下降，因此，当识别到发动机性能下降后，***打开阳极排气阀进行排气操作，当识别到***离散程度(标准差)大于阈值后，同样进行打开阳极排气阀进行排气操作。具体逻辑见图3。
优选地，在阳极排气阀的前端进口处管道内壁上布设氮气浓度传感器，用于直接采集阳极侧氮气累积浓度，作为补充数据；并且，该方法还包括如下步骤：
S5.识别氮气浓度传感器数据超过设定浓度阈值，启动阳极排气阀执行排气操作，并执行步骤S4。
优选地，在阳极排气阀的前端进口处或后端出口处管道内壁上布设气体流量传感器，用于直接采集电堆阳极的气体流通量，作为补充数据；并且，该方法还包括如下步骤：
S6.识别气体流量传感器数据是否大于阳极侧氮气累积浓度，如果是，关闭阳极排气阀并执行步骤S1，否则，维持阳极排气阀的状态不变。
与现有技术相比，本实施例提供的燃料电池发动机的阳极排气阀控制方法具有如下有益效果：
1、提供了一种扩散系数和燃料电池单片性能表现相结合的控制算法。首先读取燃料电池单片的电压信息，当电压小于预设的电压阈值后，开启阳极排气阀进行排气，反之，继续判断燃料电池离散程度与预设的离散阈值之间的关系，当离散程度大于预设的电压阈值后，开启阳极排气阀排气，反之，不进行排气操作。当燃料电池的单片表现和离散程度均在合理范围内后，进行扩散系数的计算和排气策略，实现了时间尺度上氮气扩散速率的动态调整。
2、实现了发动机运行过程中，氢腔内的氮气浓度的动态计算与阳极排气阀排出流量的动态计算。
3、实现了氮气浓度、单片性能、***一致性、排气流量等多判断项融合的开启策略。
4、通过步骤S0、S5上述添加了辅助的判断策略，当阳极侧氮气浓度过高时，则会引起电堆性能的下降，因此，当识别到发动机性能下降后，***打开阳极排气阀进行排气操作，当识别到***离散程度(标准差)大于阈值后，同样进行打开阳极排气阀进行排气操作。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (10)
1.一种燃料电池发动机的阳极排气阀控制方法，其特征在于，包括：
S1.获取环境温度Tamb、燃料电池总运行时长t总，输入预先标定好的氮气扩散模型中，得出电堆内质子交换膜的氮气渗透系数；
S2.分别获取当前时刻电堆的阴极侧和阳极侧尾气各自的流量、温度、压力和湿度，结合氮气渗透系数得出电堆的阳极侧氮气累积浓度；
S3.识别上述阳极侧氮气累积浓度是否超过设定浓度阈值，如果是，开启阳极排气阀，并执行步骤S4，否则，返回执行步骤S1；
S4.分别获取电堆阳极排气阀前后端的气体压力，进而得出电堆阳极的气体流通量，识别该气体流通量是否大于阳极侧氮气累积浓度，如果是，关闭阳极排气阀并执行步骤S1，否则，维持阳极排气阀的状态不变。
2.根据权利要求1所述的燃料电池发动机的阳极排气阀控制方法，其特征在于，步骤S1通过下面公式中的氮气扩散模型得出电堆内质子交换膜的氮气渗透系数λ：
其中，
t的范围为0→t总
式中，κ为膜电极随时间维度的变化系数，为阳极侧的氮气摩尔分数，t为时间，/>为氮气常数，T为电堆正常运行温度，Pa为阳极侧氢气尾气压力，S为电堆的单电池有效面积，V为电堆阳极的腔体容积，Pc为阴极侧空气尾气压力，EN 2为氮气的焓值，ξ为膜中水含量，Vd为干膜的体积，Vw为湿膜的体积。
3.根据权利要求2所述的燃料电池发动机的阳极排气阀控制方法，其特征在于，步骤S2进一步包括：
S21.获取当前时刻电堆的阴极侧空气尾气的流量、温度、压力和湿度；
S22.获取当前时刻电堆的阳极侧氢气尾气的流量、温度、压力和湿度；
S23.将上述阴极侧空气尾气的流量、温度、压力和湿度，阳极侧氢气尾气的流量、温度、压力和湿度，以及氮气渗透系数一起输入事先标定好的氮气累积浓度物理模型中，得出电堆阳极侧的氮气累积浓度
4.根据权利要求3所述的燃料电池发动机的阳极排气阀控制方法，其特征在于，步骤S23中的氮气累积浓度物理模型采用人工神经网络，或者，采用下面公式的模型：
式中，T′为当前时刻电堆温度，t当前为从燃料电池发动机开机起计时到当前时刻的时间。
5.根据权利要求4所述的燃料电池发动机的阳极排气阀控制方法，其特征在于，步骤S4进一步包括：
S41.定时分别获取电堆阳极排气阀前端进口处的气体压力P1、后端出口处的气体压力P2；
S42.将上述气体压力P1、P2输入事先标定好的气体流通量物理模型中，得出电堆阳极的气体流通量Q；
S43.识别上述气体流通量Q是否大于阳极侧氮气累积浓度如果是，关闭阳极排气阀，并执行步骤S1，否则，维持阳极排气阀的开启状态不变，继续下一周期的步骤S41～S43识别。
6.根据权利要求5所述的燃料电池发动机的阳极排气阀控制方法，其特征在于，步骤S42中的气体流通量物理模型采用人工神经网络，或者，采用下面公式的模型：
式中，d为排气阀口径，为氮气的分子质量。
7.根据权利要求1-6任一项所述的燃料电池发动机的阳极排气阀控制方法，其特征在于，在步骤S1之前，还包括如下步骤：
S0.识别到燃料电池发动机的***离散程度大于阈值后，启动阳极排气阀执行排气操作。
8.根据权利要求7所述的燃料电池发动机的阳极排气阀控制方法，其特征在于，步骤S0进一步包括：
S01.获取燃料电池的所有单片电压；
S02.识别是否存在燃料电池的任一单片电压小于电压阈值；如果是，启动阳极排气阀执行排气操作后，再次执行步骤S01；否则，执行步骤S03；
S03.获取所有单片电压构成的数据集的离散程度；
S04.识别该离散程度是否超过阈值；如果是，启动阳极排气阀执行排气操作后，再次执行步骤S01；否则，执行步骤S1。
9.根据权利要求1-6任一项所述的燃料电池发动机的阳极排气阀控制方法，其特征在于，在阳极排气阀的前端进口处管道内壁上布设氮气浓度传感器，用于直接采集阳极侧氮气累积浓度，作为补充数据；并且，该方法还包括如下步骤：
S5.识别氮气浓度传感器数据超过设定浓度阈值，启动阳极排气阀执行排气操作，并执行步骤S4。
10.根据权利要求1-6任一项所述的燃料电池发动机的阳极排气阀控制方法，其特征在于，在阳极排气阀的前端进口处或后端出口处管道内壁上布设气体流量传感器，用于直接采集电堆阳极的气体流通量，作为补充数据；并且，该方法还包括如下步骤：
S6.识别气体流量传感器数据是否大于阳极侧氮气累积浓度，如果是，关闭阳极排气阀并执行步骤S1，否则，维持阳极排气阀的状态不变。
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