一种燃料电池系统的控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池系统的控制方法。

背景技术

燃料电池是一种电化学反应装置，由氢气和氧气分别在两个半电极内发生反应生成水，将化学能转化为电能，同时伴随着效率损失而转化为热能。

燃料电池堆是由多片燃料电池单片按照负极-正极-负极-正极重复的方式进行串联而成，相邻两片燃料电池单片用双极板进行隔离。在双极板一侧表面形成有氢气供给流道且与氢气反应电极接触，在双极板另一侧表面形成有氧气（空气）供给流道且与氧气反应电极接触，在双极板中间形成有冷却液供给通道。不同介质流道间，用密封材料进行密封。燃料电池系统是由燃料电池堆、空气供给系统、氢气供给系统、冷却系统和控制系统等组成，各系统协同工作确保燃料电池处于预期工作状态。

燃料电池系统应用于车辆动力系统，作为动力源驱动车辆，不可避免的出现车辆需求功率增加、并且要求燃料电池系统满足来自动力系统的功率需求。为了提高燃料电池系统的输出功率，燃料电池系统的输出电流必须增加。燃料电池输出电流增加，导致燃料电池电堆内电化学反应生成水含量同步增加，燃料电池电堆内部的水含量过度增加，反过来导致燃料电池电堆的输出功率降低、有损于燃料电池电堆的寿命。在燃料电池系统输出电流快速增加且输出电流达到稳定后的一段时间内，如何采取措施，控制燃料电池电堆内部的水含量过度增加幅度、控制水含量使其快速恢复到输出电流对应的平衡水含量，是燃料电池领域亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池系统的控制方法，实现了燃料电池电堆内部的水含量过度增加幅度可控、且水含量可快速恢复到输出电流对应的平衡水含量。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

本发明提供了一种燃料电池系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤S1：读取燃料电池电堆的目标电流I2、当前初始电流I1、输出电流升高斜率；

步骤S2：设定燃料电池电堆的目标水含量W4、当前初始水含量W1；

步骤S3：设定燃料电池电堆的稳态目标电堆温度T3、当前初始电堆温度T1、动态目标电堆温度T2及电堆温度升高斜率；

步骤S4：读取燃料电池电堆的当前输出电流I，按照所述输出电流升高斜率提高输出电流I；

步骤S5：判断是否当前输出电流I=目标电流I2，如果是，则进入步骤S6；如果否，则进入步骤S4；

步骤S6：维持当前输出电流I=目标电流I2；

步骤S7：判断是否当前电堆温度T≥动态目标电堆温度T2，如果是，则进入步骤S9；如果否，则进入步骤S8；

步骤S8：按照所述电堆温度升高斜率提高电堆温度，再次进入步骤S7；

步骤S9：维持当前电堆温度T=目标电堆温度T2；

步骤S10：判断是否当前水含量W≤阈值水含量W3，如果是，则进入步骤S11；如果否，则再次进入步骤S10；

步骤S11：按照所述电堆温度升高斜率降低电堆温度，读取当前电堆温度T，必须保证当前电堆温度T>稳态目标电堆温度T3；

步骤S12：判断是否当前水含量W≤目标水含量W4，如果是，则进入步骤S13；如果否，则再次进入步骤S11；

步骤S13：按照所述电堆温度升高斜率降低当前电堆温度T，使得当前电堆温度T=稳态目标电堆温度T3。

进一步地，步骤S1中所述输出电流升高斜率为设定值，具体为dI/dt，即(I2-I1)/(t2-t1)。

进一步地，水含量可以借助燃料电池电堆的交流阻抗频谱与水含量对照关系计算、或借助燃料电池电堆的空气侧压力降和氢气侧压力降与水含量对照关系计算，对照关系可来自试验数据或建模统计数据。

进一步地，燃料电池电堆的当前初始水含量W1、当前初始电堆温度T1为直接读取的数值。

进一步地，电堆温度可以是燃料电池电堆的冷却液入口温度或者冷却液出口温度。

进一步地，电堆温度可以是燃料电池电堆的冷却液入口温度与冷却液出口温度的加权平均值。

进一步地，动态目标电堆温度T2，可来自燃料电池系统的试验数据。

进一步地，阈值水含量W3、稳态目标电堆温度T3，均可来自燃料电池系统的试验数据。

进一步地，目标水含量W4、稳态目标电堆温度T3，均可来自燃料电池系统的试验数据。

进一步地，当前电堆温度T的升高斜率是按照燃料电池系统预设来调控的，预设可来自燃料电池系统的试验数据。

与现有技术相比，本发明提供的燃料电池系统的控制方法，通过控制燃料电池电堆的电流，来控制电堆温度，最终控制水含量。通过本发明的燃料电池系统的控制方法在燃料电池系统输出电流快速增加且输出电流达到稳定后的一段时间内，实现燃料电池电堆内部的水含量过度增加幅度可控、并且水含量可快速恢复到输出电流对应的平衡水含量。

附图说明

图1为本实施例的燃料电池系统的控制方法的流程图；

图2为本实施例的燃料电池系统的控制方法的温度、电流和水含量的随时间的量变示意图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做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。

如图1所示，本实施例提供了一种燃料电池系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤S1：控制流程开始；

步骤S2：读取燃料电池电堆的目标电流I2，读取燃料电池电堆的当前初始电流I1，设定燃料电池电堆的输出电流升高斜率dI/dt，即(I2-I1)/(t2-t1)；

步骤S3：根据燃料电池电堆的目标电流I2，设定燃料电池电堆的目标水含量W4，读取燃料电池电堆的当前初始水含量W1；

步骤S4：根据燃料电池电堆的目标电流I2，设定燃料电池电堆的稳态目标电堆温度T3，读取燃料电池电堆的当前初始电堆温度T1，设定燃料电池电堆的动态目标电堆温度T2及电堆温度升高斜率；

步骤S5：读取燃料电池电堆的当前输出电流，记为I，按照燃料电池电堆的输出电流升高斜率dI/dt，提高燃料电池电堆的输出电流I；

步骤S6：判断是否燃料电池电堆的当前输出电流I=目标电流I2，如果是，则进入步骤S7；如果否，则进入步骤S5；

步骤S7：维持燃料电池电堆的当前输出电流I=目标电流I2；

步骤S8：判断是否燃料电池电堆的当前电堆温度T≥目标电堆温度T2，如果是，则进入步骤S10；如果否，则进入步骤S9；

步骤S9：按照预设的电堆温度升高斜率提高电堆温度，再进入步骤S8；

步骤S10：维持燃料电池电堆的当前电堆温度T=动态目标电堆温度T2；

步骤S11：判断是否燃料电池电堆的当前水含量W≤阈值水含量W3，如果是，则进入步骤S12；如果否，则再次进入步骤S11；

步骤S12：按照预设的电堆温度升高斜率降低燃料电池电堆的电堆温度，读取燃料电池电堆的当前电堆温度T，必须保证当前电堆温度T>稳态目标电堆温度T3；

步骤S13：判断是否燃料电池电堆的当前水含量W≤目标水含量W4，如果是，则进入步骤S14；如果否，则再次进入步骤S12；

步骤S14：按照预设的电堆温度升高斜率降低燃料电池电堆的当前电堆温度T，使得当前电堆温度T=稳态目标电堆温度T3；

步骤S15：控制流程结束。

具体地，本实施例的燃料电池的控制方法的电流、温度计水含量随时间的量变示意图如图2所示：

初始地，燃料电池系统处于稳定运行的状态，对应的燃料电池电堆的初始电流I1、初始水含量W1、初始电堆温度T1。在t1时刻，燃料电池电堆的输出电流I，开始按照燃料电池系统预设的输出电流升高斜率不断升高，对应的燃料电池电堆的当前水含量W、当前电堆温度T也不断升高。其中，当前电堆温度T的升高斜率是按照燃料电池系统预设来调控的，预设可来自燃料电池系统的试验数据（在不同实验条件下测试燃料电池温度升高斜率）。其中，水含量可以借助燃料电池电堆的交流阻抗频谱与水含量对照关系计算（此过程是个查表过程，每个频谱对应一个水含量值，此表示由试验数据或者标定所得）、或借助燃料电池电堆的空气侧压力降和氢气侧压力降与水含量对照关系计算（对照关系计算是通过可知数据来查表，此表为一一对应关系，此表示由试验数据或者标定所得），对照关系可来自试验数据或建模统计数据（对照关系是通过可知数据来查表，此表为一一对应关系或者建模根据可知数据在线计算）。其中，电堆温度可以是燃料电池电堆的冷却液入口温度、或冷却液出口温度、或冷却液入口温度与冷却液出口温度的加权平均值。

在t2时刻，燃料电池电堆的输出电流I达到目标电流I2，且随后燃料电池电堆的输出电流I维持不变，燃料电池电堆的当前电堆温度T仍然按照燃料电池系统预设的电堆温度升高斜率进行调控，燃料电池电堆的当前水含量W继续不断升高。

在t3时刻，燃料电池电堆的当前电堆温度T达到动态目标电堆温度T2，且随后燃料电池电堆的动态目标电堆温度T2维持不变，燃料电池电堆的当前水含量W继续不断升高。其中，动态目标电堆温度T2可来自燃料电池系统的试验数据（在每个功率点下，通过试验寻找燃料电池系统最佳运行温度，即为目标温度）。

在t4时刻，燃料电池电堆的当前水含量W达到峰值水含量W2，随后燃料电池堆的当前水含量W开始不断降低。

在t5时刻，燃料电池电堆的当前水含量W降低到阈值水含量W3，此时开始按照燃料电池系统预设的电堆温度的下降斜率来调控燃料电池电堆的当前电堆温度T、且燃料电池电堆的当前电堆温度T大于燃料电池电堆的稳态目标电堆温度T3，燃料电池电堆的当前水含量W继续不断降低。其中，阈值水含量W3、稳态目标电堆温度T3，均可来自燃料电池系统的试验数据（在每个功率点下，通过试验寻找燃料电池系统最佳运行温度，即为目标温度）。

在t6时刻，燃料电池电堆的当前水含量W等于目标水含量W4，继续按照燃料电池系统预设的电堆温度的下降斜率来调控燃料电池电堆的当前电堆温度T，直到燃料电池电堆的当前电堆温度T等于燃料电池电堆的稳态目标电堆温度T3。其中，目标水含量W4、稳态目标电堆温度T3，均可来自燃料电池系统的试验数据（具体操作同上述水含量及目标温度的寻找过程，不再赘述）。

在t7时刻，燃料电池的当前电堆温度T达到稳态目标电堆温度T3。

本实施例提供的燃料电池系统的控制方法，通过控制燃料电池电堆的电流，来控制电堆温度，最终控制水含量。通过本发明的燃料电池系统的控制方法在燃料电池系统输出电流快速增加且输出电流达到稳定后的一段时间内，实现燃料电池电堆内部的水含量过度增加幅度可控、并且水含量可快速恢复到输出电流对应的平衡水含量。

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。