一种燃料电池控制方法、控制系统、电子设备及存储介质

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控制方法、控制系统、电子设备及存储介质。

背景技术

质子交换膜燃料电池具有能量密度高，启动速度快，续航能力强等优点,其发电效率可高达60％左右，且排放物仅为水，对环境无污染。

在实际应用中，由于单电池的输出功率比较低，因此通常需要把多个单电池串联起来，以电堆的形式满足用户对功率或电压的需求。这种燃料电池在停机后，随着温度下降，电堆中容易存留液态水，过多的液态水在低温环境下结冰后，容易刺穿电堆内的膜电极，造成膜电极的不可逆损伤，进而降低燃料电池的使用寿命。

为解决上述问题，现有技术中常见的做法为：在停机时或停机后对电堆内部进行吹扫，以排出多余的液态水。但是这种停机吹扫的方法往往难以将大量的液态水彻底排出，依然存在低温下电堆被冻伤的风险；且在低温条件下，停机吹扫时间过长，用户体验不佳。此外，在低温条件下，燃料电池气流循环系统中的电磁阀、气体循环泵等关键零部件也存在被冻住的风险，一旦被冻住，只能依靠零部件自身能力解冻(比如启动前的电磁阀自加热功能、气体循环泵的破冰功能等)，不但会延长启动时间，甚至会出现燃料电池冷启动失败的问题，严重影响了燃料电池的低温性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池控制方法、控制系统、电子设备及存储介质，以解决低温条件下燃料电池容易出现结冰、电堆寿命衰减等问题，并保证燃料电池输出性能稳定。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

第一方面，提供了一种燃料电池控制方法，燃料电池包括电堆和热管理系统，所述热管理系统包括加热循环管路，所述加热循环管路的两端均与所述电堆连接，所述加热循环管路设有加热器和冷却液循环泵，所述燃料电池控制方法包括：

在所述燃料电池停机后，检测电堆出口温度Ta；

当电堆出口温度Ta小于第一预设温度T1时，则启动所述加热器以加热冷却液，并启动所述冷却液循环泵以使所述冷却液对所述电堆循环加热；

当电堆出口温度Ta大于第二预设温度T2时，其中，T2＞T1；则控制所述加热器及所述冷却液循环泵关闭，以停止对所述电堆进行加热。

作为燃料电池控制方法的可选方案，所述燃料电池还包括气流循环系统，所述气流循环系统包括储气装置和管路，所述管路连通所述储气装置和所述电堆，所述燃料电池控制方法还包括：

当T1＜Ta＜T2时，则启动所述气流循环系统，以使气体在所述电堆和所述管路中循环流动。

作为燃料电池控制方法的可选方案，所述气流循环系统被配置为与所述加热器和所述冷却液循环泵同步关闭。

作为燃料电池控制方法的可选方案，所述气流循环系统还包括进气控制装置，所述燃料电池控制方法还包括：

检测所述管路中的气体含量，若所述管路中的气体含量低于预设值，则控制所述进气控制装置开启，以使所述储气装置能向所述管路中补充气体。

作为燃料电池控制方法的可选方案，所述管路设有气液分离器，所述燃料电池控制方法还包括如下步骤：

检测所述气液分离器中的水位，若所述气液分离器中的水位高于预设水位时，则排出部分水。

第二方面，提供了一种燃料电池控制系统，包括燃料电池，所述燃料电池包括电堆和热管理系统，所述热管理系统包括加热循环管路，所述加热循环管路的两端均与所述电堆连接，所述加热循环管路设有加热器和冷却液循环泵，所述燃料电池控制系统还包括：

检测模块，用于在所述燃料电池停机后，检测电堆出口温度Ta；

第一执行模块，用于当电堆出口温度Ta小于第一预设温度T1时，启动所述加热器以加热冷却液，并启动所述冷却液循环泵以使所述冷却液对所述电堆循环加热；

第二执行模块，用于当电堆出口温度Ta大于第二预设温度T2时，其中，T2＞T1；则控制所述加热器及所述冷却液循环泵关闭，以停止对所述电堆进行加热。

作为燃料电池控制系统的可选方案，所述燃料电池还包括气流循环系统，所述气流循环系统包括储气装置和管路，所述管路连通所述储气装置和所述电堆，所述燃料电池控制系统还包括：

第三执行模块，用于当T1＜Ta＜T2时，则启动所述气流循环系统，以使气体在所述电堆和所述管路中流动。

第三方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现如上任意一项所述的燃料电池控制方法。

第四方面，提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机可读的至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由处理器加载并执行以实现如上任意一项所述的燃料电池控制方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的燃料电池控制方法及控制系统，在不改变现有燃料电池架构的基础上，通过该燃料电池控制方法能对停机状态的燃料电池电堆进行加热，使电堆内部温度始终保持在冰点以上，既能避免出现电堆内部结冰的问题，有利于延长电堆使用寿命，还能缩短燃料电池在低温条件下关机和冷启动耗时，规避了冷启动失败的风险，提高了燃料电池在低温条件下的输出性能。

本发明的电子设备及存储介质，通过执行上述的燃料电池控制方法，既能避免出现电堆内部结冰的问题，有利于延长电堆使用寿命，还能缩短燃料电池在低温条件下关机和冷启动耗时，规避了冷启动失败的风险，提高了燃料电池在低温条件下的输出性能。

附图说明

图1为本发明实施例一中燃料电池的结构示意图；

图2为本发明实施例一中燃料电池控制方法的流程图；

图3为本发明实施例二中燃料电池控制方法的流程图；

图4为本发明实施例三中燃料电池控制方法的流程图。

附图标记：

1、空气滤清器；2、流量计；3、气温传感器；3a、出液温度传感器；3b、进液温度传感器；4、空压机；5、中冷器；6、进气节气门；7、增湿器；8、压力传感器；9、背压阀；10、旁通阀；11、消声器；12、储气装置；13、进气截止阀；14、比例阀；15、气液分离器；16、排水阀；17、气体循环泵；18、加热器；19、散热器；20、去离子器；21、膨胀水箱；22、节温器；23、冷却液循环泵；24、电堆；25、液位传感器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

燃料电池在停机后，随着温度下降，电堆中存留的液态水容易结冰，导致电堆内的膜电极被刺穿，造成膜电极的不可逆损伤，进而降低燃料电池的使用寿命。现有技术中采用吹扫的方法，不能将水完全去除，无法彻底规避电堆被冻伤的风险，仍然会造成启动时间过长、冷启动失败等问题。另外，在低温条件下，停机吹扫时间过长，用户体验不佳。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种燃料电池，包括空气系统、气流循环系统、热管理系统和电堆24，其中，空气系统包括与电堆24的空气入口相连通的空气输入管路和与电堆24的空气出口相连通的空气输出管路，沿空气流动方向，空气输入管路依次设有空气滤清器1、流量计2、气温传感器3、空压机4、中冷器5、进气节气门6、增湿器7和压力传感器8，空气输出管与增湿器7连接，且沿空气流动方向，增湿器7下游的空气输出管依次设有背压阀9和消声器11。可选地，空气输入管与空气输出管之间通过旁通管路相连通，旁通管路设有旁通阀10。

气流循环系统包括储气装置12、气体输入管路和气体回收管路，气体输入管路的两端分别与储气装置12和电堆24的气体入口相连通，气体回收管路的两端分别与电堆24的气体出口和气体输入管路相连通，气体输入管路设有进气控制装置，气体回收管路设有气体循环泵17和气液分离器15。具体地，进气控制装置包括进气截止阀13和比例阀14，沿气体流动方向，气体回收管路与气体输入管路的连接处位于比例阀14的下游，比例阀14位于进气截止阀13的下游。可选地，气体输入管路还设有用于检测气体含量的检测件例如压力传感器8、流量计2等。可选地，气液分离器15设有用于检测气液分离器15内水位的液位检测件例如液位传感器25。气液分离器15设有排水阀16，可通过开关排水阀16以控制气液分离器15排水，气液分离器15的排水口通过管路与消声器11连接。在本实施例中，储气装置12存储的气体为氢气，具体地，可以为压缩氢气、液态氢、固态金属储氢或重整气体等不同的存储形式，可以理解的是，不管以哪种形式存储，由储气装置12释放出来的均为高纯度的气态氢气，上述存储形式均为现有技术，在此不再赘述。

热管理系统包括进液管、出液管、加热支管、散热支管和节温器22，进液管与电堆24的冷却液进液口相连通，出液管与电堆24的冷却液出液口相连通，加热支管和散热支管均连接于进液管与出液管之间，且加热支管和散热支管相互并联设置，通过节温器22可选择加热支管或散热支管接通，以控制冷却液流动路径，为了便于描述，将冷却液经过加热支管循环时的流动路径记为加热循环管路，冷却液经过散热支管循环时的流动路径记为散热循环管路。具体地，出液管设有出液温度传感器3a，进液管设有冷却液循环泵23和进液温度传感器3b，加热支路设有用于加热冷却液的加热器18，散热支管设有用于促进冷却液散热的散热器19。可选地，热管理系统还包括连接于散热器19与进液管之间的冷却液膨胀支路，沿冷却液流动方向，冷却液膨胀支路依次设有去离子器20和膨胀水箱21。

本实施例针对上述燃料电池，提供了一种燃料电池控制方法，上述燃料电池采用该方法进行控制，如图2所示，该方法包括如下步骤：

S10、在燃料电池停机后，检测电堆24出口温度Ta；电堆24出口温度Ta为冷却液排出电堆24时的温度。

冷却液在电堆24内与电堆24进行热交换，冷却液排出电堆24时的温度几乎与电堆24内温度相等，则以冷却液排出电堆24时的温度作为判定温度，可尽可能的准确判断电堆24内的温度。

S20、当电堆24出口温度Ta小于第一预设温度T1时，则启动加热器18以加热冷却液，并启动冷却液循环泵23以使冷却液对电堆24循环加热。

在实际应用中，第一预设温度T1的值可根据需求进行设定，示例性地，T1的取值范围可以为-5℃～5℃；具体地，T1可以为-5℃、-4℃、-3℃、-2℃、-1℃、0℃、1℃、2℃、3℃、4℃、5℃中的任一值。当比较Ta与T1，且Ta＜T1时，控制加热器18及冷却液循环泵23启动，利用循环流动的高温冷却液对电堆24进行加热，可以防止电堆24在低温条件下结冰冻伤。

进一步地，由于电堆24内的水分在低温条件下不会结冰，因此燃料电池停机时也无需针对电堆24内的水分进行长时间吹扫，可缩短传统燃料电池在停机时进行吹扫排水的时间，进而缩短燃料电池关机时间；相比于现有技术中的吹扫排水的方法，在环境温度为-30℃关机时，采用本实施例提供的燃料电池控制方法，可节省关机时间至少4min～5min以上，且环境温度越低本实施例提供的燃料电池控制方法优势越明显。

同时，采用本实施例提供的燃料电池控制方法可使电堆24内的温度大于等于环境温度，且电堆24内的温度始终在冰点以上，在燃料电池启动时，还可节省燃料电池加热融冰的等待时间，冷启动时间大大缩短；相比于现有技术中的吹扫排水的方法，在环境温度为-30℃启动时，采用本实施例提供的燃料电池控制方法，可节省启动时间至少1min左右，且环境温度越低优势越明显。采用本实施例提供的燃料电池控制方法，可大大缩短燃料电池启停时间，提升了用户体验。

S30、当电堆24出口温度Ta大于第二预设温度T2时，其中，T2＞T1；则控制加热器18及冷却液循环泵23关闭，以停止对电堆24进行加热。

在实际应用中，第二预设温度T2的值可根据需求进行设定，示例性地，T2的取值范围可以为30℃～50℃；具体地，T2可以为30℃、35℃、40℃、45℃、50℃中的任一值。当比较Ta与T2，且Ta＞T2时，即说明电堆24内的温度已经足够高，此时可控制加热器18及冷却液循环泵23关闭，停止对电堆24进行加热，具有节能的效果。

本实施例提供的燃料电池控制方法，在不改变现有燃料电池架构的基础上，能对停机状态的燃料电池进行加热，使电堆24内部温度始终保持在冰点以上，既能避免出现电堆24内部结冰的问题，有利于延长电堆24使用寿命，还能缩短燃料电池在低温条件下关机和冷启动耗时，规避了冷启动失败的风险，提高了燃料电池在低温条件下的输出性能。

本实施例提供的燃料电池控制方法可应用于车辆、船舶或其他交通出行工具，示例性地，车辆包括但不限于汽车和轨道交通车辆，其他交通出行工具包括但不限于飞机。在其他实施例中，本实施例提供的燃料电池控制方法还可应用于电站。

实施例二

如图3所示，本实施例提供了一种燃料电池控制方法，本实施例是在实施例1的基础上增加了新的步骤，该方法包括如下步骤：

S10、在燃料电池停机后，检测电堆24出口温度Ta。

S20、当电堆24出口温度Ta小于第一预设温度T1时，则启动加热器18以加热冷却液，并启动冷却液循环泵23以使冷却液对电堆24循环加热。

S30、比较电堆24出口温度Ta与第一预设温度T1及第二预设温度T2的大小，其中，T2＞T1；当T1＜Ta＜T2时，则启动气流循环系统，以使气体在电堆24、气体输入管路和气体回收管路中流动。

当比较Ta与T2，且T1＜Ta＜T2时，即说明电堆24已经升温，并具有一定温度，电堆24内存留的气体也随着电堆24升温，此时控制气体循环泵17启动，可使气体不断地进出电堆24进行热交换，进而利用具有一定温度的气体为气流循环系统中的气体循环泵17、排水阀16、比例阀14等关键零部件加热，防止这些关键零部件在低温下结冰，影响下次的开机启动。

此外，随着燃料电池停机时间的增加，电堆24、气体输入管路及气体回收管路中存留的气体会有泄漏，为了避免气体含量过少，起不到加热气体循环泵17等零部件的作用，在气体循环泵17工作过程中，可实时检测气体输入管路中的气体含量，在气体含量不足时，可控制进气控制装置开启补充气体。

同时，为了避免气液分离器15中液态水过多容易出现因加热不足而结冰的问题，可在燃料电池停机后，实时检测气液分离器15中的水位，并在气液分离器15中的水位高于预设水位时，开始排水。为了避免气体由气液分离器15排出，可在排水时不要将水全部排出，使气液分离器15中始终留有部分水，以隔离气体。

S40、当电堆24出口温度Ta大于第二预设温度T2时，则控制加热器18及冷却液循环泵23关闭，以停止对电堆24进行加热。

具体地，气体循环泵17被配置为与加热器18及冷却液循环泵23同步关闭。

本实施例提供的燃料电池控制方法，在上述实施例的基础上，增加了对气流循环系统的加热控制，可对气流循环系统的气体循环泵17、排水阀16、比例阀14等关键部件起到保护作用，具有进一步提高燃料电池在低温条件下的输出性能的效果。

实施例三

如图4所示，本实施例提供了一种燃料电池控制方法，本实施例以将实施例二提供的燃料电池控制方法应用于车辆为例，对本实施例提供的燃料电池控制方法的控制原则进行介绍。

具体地，车辆包括整车控制器(VCU)和与VCU电连接的低压电源、动力电源和上述燃料电池。

S10、在燃料电池停机后，车辆的低压电源常电，为出液温度传感器3a供电，此时燃料电池的燃料电池控制器(FCU)处于休眠状态(仍有微弱电流供应，但耗电量较低)，出液温度传感器3a实时检测冷却液排出电堆24时的温度，即电堆24出口温度Ta，并将电堆24出口温度Ta传送至FCU，FCU将Ta与第一预设温度T1进行比较。

S20、当FCU判断Ta＜T1时，则FCU及燃料电池的零部件上电，FCU上电后，触发VCU低压上电，FCU与VCU相互通信，FCU向VCU发送整车高压上电请求，VCU接受整车高压上电请求后，通过动力电源为热管理系统中的高压零部件供电，热管理系统中的加热器18、节温器22、冷却液循环泵23等开始上电工作。此时，热管理系统的进入小循环工作模式，冷却液的流动路径依次为加热器18、节温器22、冷却液循环泵23、进液温度传感器3b、电堆24、出液温度传感器3a、加热器18，由此形成一个闭环回路，以利用循环流动的高温冷却液对电堆24进行循环加热，使得停机后的电堆24内部始终保持在冰点以上，以防止电堆24在低温条件下结冰冻伤。

S30、当FCU判断T1＜Ta＜T2时，在整车高压上电后，通过动力电源为气流循环系统中的高压零部件供电，气流循环系统中的气体循环泵17开始上电工作。此时，气体的循环流动路径依次为气体循环泵17、压力传感器8、电堆24、气液分离器15、气体循环泵17，由此形成一个闭环回路，可使气体充分利用冷却液传递给电堆24的热量，为气流循环系统中的排水阀16、比例阀14、气体循环泵17等关键零部件加热，防止这些关键零部件在低温下结冰，影响下次的开机启动。

此外，在气体循环泵17工作过程中，压力传感器8实时检测气体输入管路中的气体含量，并将测得的气体含量信号传送至FCU，当FCU判断测得的气体含量低于预设气体含量时，则FCU控制进气控制装置开启，以使储气装置12能向气体输入管路中补充气体。

可选地，在燃料电池上电后，液位传感器25实时检测气液分离器15中的水位，并将测得的水位信号传送至FCU，当FCU判断测得的水位高于预设水位上限时，则FCU控制排水阀16打开，开始排水，以防止液态水过多因加热不足而结冰；在排水的过程中，液位传感器25仍然实时检测气液分离器15中的水位，并传送给FCU，当FCU判断测得的水位低于预设水位下限时，则FCU控制排水阀16关闭，停止排水，以使气液分离器15中存有部分水，进而可避免气体由气液分离器15排出，减少气体浪费。

S40、当FCU判断Ta＞T2时，FCU控制加热器18及冷却液循环泵23关闭，使热管理系统停止对电堆24进行加热，并向VCU发送下电请求，使整车(包括燃料电池的高压零部件)高压下电及VCU低压下电。

实施例四

本实施例提供一种燃料电池控制系统，包括上述燃料电池，还包括检测模块、第一执行模块、第二执行模块和第三执行模块，检测模块用于在燃料电池停机后，检测电堆24出口温度Ta。第一执行模块用于当电堆24出口温度Ta小于第一预设温度T1时，启动加热器18以加热冷却液，并启动冷却液循环泵23以使冷却液对电堆24循环加热。第二执行模块用于当电堆24出口温度Ta大于第二预设温度T2时，其中，T2＞T1；控制加热器18及冷却液循环泵23关闭，以停止对电堆24进行加热。第三执行模块，用于当T1＜Ta＜T2时，启动气流循环系统，以使气体在电堆24、气体输入管路和气体回收管路中流动。

本实施例提供的燃料电池控制系统可用于执行上述实施例提供的燃料电池控制方法，并具备与上述燃料电池控制方法相同的功能和有益效果。

实施例五

本实施例提供了一种电子设备，电子设备包括处理器和存储器，存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行以实现如上述的燃料电池控制方法。

本实施例提供的电子设备，可执行上述实施例提供的燃料电池控制方法，并具有与上述燃料电池控制方法相同的功能和有益效果。

实施例六

本实施例提供了一种存储介质，存储介质中存储有计算机可读的至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行以实现如上述的燃料电池控制方法。

本实施例提供的计算机可读存储介质，可执行上述实施例提供的燃料电池控制方法，并具有与上述燃料电池控制方法相同的功能和有益效果。

通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccessMemory，RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，并包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是机器人，个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的燃料电池控制方法。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。