燃料电池及其控制方法、车辆和计算机可读存储介质

技术领域

本发明涉及车辆领域，具体涉及一种燃料电池及其控制方法和计算机可读存储介质。

背景技术

燃料电池汽车是汽车领域十分引人关注的领域。燃料电池运行过程中，质子交换膜（或者电解质膜）需要保持一定的含水量才能维持质子的传导，因此需要对入口气体进行加湿，以保证质子膜得到合理的润湿，增强质子的传导性。但是，若进气加湿不足，会导致“膜干”、膜欧姆内阻增大；若进气加湿过高，又会导致电池堆内部的“水淹”问题。因此，进气的润湿程度或者质子交换膜的润适度对燃料电池的效率、冷启动、耐久性及综合性能等具有重要影响。

膜增湿器可以用于对燃料电池的进气进行加湿处理，但膜增湿器在实际应用中存在着难以精准定量地控制加湿程度的问题，从而限制了燃料电池系统的性能提升。因此，需要提供一种改进的燃料电池的需求，以提高燃料电池的效率、冷启动性能、耐久性。

发明内容

本发明提供了一种燃料电池及其控制方法、车辆和计算机可读存储介质。

在本公开的第一方面，提供了一种燃料电池。该燃料电池包括：燃料电池堆，设置有供气体流入燃料电池堆的气体入口和将气体排出燃料电池堆的气体出口；包括第一通道和第二通道的交换器，交换器被配置为允许第二通道内的流体将第一通道内的流体加湿；其中第一通道包括与环境连通的第一入口和与气体入口连通的第一出口，第二通道包括与气体出口连通的第二入口和与环境连通的第二出口；以及阀，包括以下中的至少一项：第一阀，具有分别与环境、第一入口和气体入口连通的阀口；以及第二阀，具有分别与环境、第二入口和气体出口连通的阀口。

根据本公开的实施例，可精准、定量地控制燃料电池堆的进气湿度，确保电池堆运行在最佳湿度范围内。

在一些实施例中，第一阀是三通阀，第一阀的阀芯是可调节的，以控制流入到第一入口和气体入口的环境气体的量。

在一些实施例中，第二阀是三通阀，第二阀的阀芯是可调节的，以控制流到第二入口和环境的从气体出口排出的气体的量。

在本公开的第二方面，提供了一种车辆。车辆包括：根据本公开的第一方面的燃料电池；鼓风机，被配置为向燃料电池堆供应气体；以及电动机，被配置为由燃料电池产生的电力驱动。

在本公开的第三方面，提供了一种用于控制燃料电池的方法，例如用于控制根据本公开的第一方面的燃料电池的方法。该方法包括：接收感测到的燃料电池堆的特征信息；基于特征信息，执行以下至少一项：调节第一阀的阀芯的位置，以改变流入到第一入口和气体入口的环境气体的量；调节第二阀的阀芯位置，以控制流到第二入口和环境的从气体出口排出的气体的量。

在一些实施例中，调节第一阀的阀芯的位置包括：调节第一阀的阀芯的位置，以增加流入到第一入口的环境空气的量并且减少经由第一阀而直接流入到气体入口的环境气体的量；或者调节第一阀的阀芯的位置，以减少流入到第一入口的环境空气的量并且增加经由第一阀而直接流入到气体入口的环境气体的量。

在一些实施例中，调节第二阀的阀芯的位置包括：调节第二阀的阀芯的位置，以增加流入到第二入口的排出的气体的量并且减少经由第二阀而直接流到环境的排出的气体的量；或者调节第二阀的阀芯的位置，以减少流入到第二入口的排出的气体的量并且增加经由第二阀而直接流到环境的排出的气体的量。

在一些实施例中，接收感测到的燃料电池堆的特征信息包括：接收感测到的燃料电池堆的内阻或功率。优选地，接收感测到的燃料电池堆的功率包括接收感测到的燃料电池堆的净输出功率。

在一些实施例中，方法还包括：响应于燃料电池在低温环境下关机，执行以下至少一项：调节第一阀的阀芯的位置，以减少流入到第一入口的环境空气的量并且增加经由第一阀而直接流入到气体入口的环境气体的量；以及调节第二阀的阀芯的位置，以减少流入到第二入口的排出的气体的量并且增加经由第二阀而直接流到环境的排出的气体的量。

在本公开的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现如本公开的第一方面的方法。

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公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了本公开的实施例的燃料电池的示意性框图；

图2示出了本公开的实施例的另一燃料电池的示意性框图；

图3示出了本公开的实施例的另一燃料电池的示意性框图；以及

图4示出了根据本公开的实施例的用于控制燃料电池的示例方法的流程图。

在各个附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开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公开更加透彻和完整，并且能够将本公开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。

燃料电池汽车是未来新能源汽车的重要发展方向。膜增湿器可以用于对燃料电池的进气进行加湿处理，但膜增湿器在实际应用中存在着难以精准定量地控制加湿程度的问题，从而限制了燃料电池系统的性能提升。

图1-图3分别示出了本公开的实施例的燃料电池的示意性框图。如图1至图3所示，燃料电池包括燃料电池堆1、交换器2和阀。

燃料电池堆1，设置有供气体流入燃料电池堆1的气体入口11和将气体排出燃料电池堆1的气体出口13。在一些实施例中，燃料电池堆1包括电解质膜（例如聚合物电解质膜，或称为质子交换膜）。在一些实施例中，供给到燃料电池堆1的气体可以是空气或者氧气。

交换器2包括第一通道和第二通道。交换器2允许第二通道内的流体将第一通道内的流体加湿。第一通道包括与环境连通的第一入口21和与气体入口11连通的第一出口22，第二通道包括与气体出口13连通的第二入口23和与环境连通的第二出口24。

在一些实施例中，交换器2例如可以是膜加湿器。在一些实施例中，交换器2内可以包括中空纤维膜束，以使得第二通道内的流体将第一通道内的流体加湿和/或加热。

在一些实施例中，第一通道与进气管3流体地连通，第二通道与排气管6流体地连通。

燃料电池的阀包括第一阀4和/或第二阀7。第一阀4具有分别与环境、第一入口21和气体入口11连通的阀口；第二阀7具有分别与环境、第二入口23和气体出口13连通的阀口。

由此，环境空气可以经由第一阀4而单独地流入第一入口21或气体入口11；或者环境空气可以经由第一阀4同时流入到第一入口21和气体入口11。而且，从气体出口13排出的气体可以经由第二阀7而单独地流入第二入口23或环境；或者从气体出口13排出的气体可以经由第二阀7同时流入到第二入口23和环境。

在一些实施例中，第一阀4是三通阀，第一阀4的阀芯是可调节的，以控制流入到第一入口21和气体入口11的环境气体的量。

在一些实施例中，其中第二阀7是三通阀，第二阀7的阀芯是可调节的，以控制流到第二入口23和环境的从气体出口13排出的气体的量。

根据本公开的实施例，还提供了一种车辆。车辆包括根据前文所述的燃料电池，鼓风机，被配置为向燃料电池堆1供应气体（例如，空气或氧气）；以及电动机，被配置为由燃料电池产生的电力驱动。

本文所使用的术语“车辆”一般包括所有类型的燃料电池机动车辆，例如包括运动型多功能车、公共汽车、卡车、各种商用车辆在内的客运车辆、包括艇和船在内的水运工具、飞行器等，并且包括混合动力燃料电池车、辅助插电式燃料电池混合电动车、电动机动力燃料电池车和其他优选的燃料电池车。

根据本公开的实施例，还提供了一种控制燃料电池的方法。图4示出了根据本公开的实施例的用于控制燃料电池的示例方法400的流程图。

在框402，电子设备接收感测到的燃料电池堆1的特征信息。在一些实施例中，接收感测到的燃料电池堆1的特征信息包括接收感测到的燃料电池堆1的内阻或功率。优选地，接收感测到的燃料电池堆1的功率包括接收感测到的燃料电池堆1的净输出功率。

在框404，电子设备基于特征信息，执行以下至少一项：调节第一阀4的阀芯的位置，以改变流入到第一入口21和气体入口11的环境气体的量；以及调节第二阀7的阀芯位置，以控制流到第二入口23和环境的从气体出口13排出的气体的量。

在一些实施例中，调节第一阀4的阀芯的位置包括：调节第一阀4的阀芯的位置，以增加流入到第一入口21的环境空气的量并且减少经由第一阀4而直接流入到气体入口11的环境气体的量；或者调节第一阀4的阀芯的位置，以减少流入到第一入口21的环境空气的量并且增加经由第一阀4而直接流入到气体入口11的环境气体的量。

由此，可精准、定量地控制燃料电池堆的进气湿度，确保燃料电池堆的电解质膜运行在最佳湿度范围内。

在一些实施例中，调节第二阀7的阀芯的位置包括：调节第二阀7的阀芯的位置，以增加流入到第二入口23的排出的气体的量并且减少经由第二阀7而直接流到环境的排出的气体的量；或者调节第二阀7的阀芯的位置，以减少流入到第二入口23的排出的气体的量并且增加经由第二阀7而直接流到环境的排出的气体的量。由此，可精准、定量地控制燃料电池堆的进气湿度，确保燃料电池堆的电解质膜运行在最佳湿度范围内。

在一些实施例中，方法400还包括响应于燃料电池在低温环境下关机，执行以下至少一项：调节第一阀4的阀芯的位置，以减少流入到第一入口21的环境空气的量并且增加经由第一阀4而直接流入到气体入口11的环境气体的量；以及调节第二阀7的阀芯的位置，以减少流入到第二入口23的排出的气体的量并且增加经由第二阀7而直接流到环境的排出的气体的量。

由此，可以在燃料电池低温关机时，快速排出电池堆内的水分，提升电池堆的低温启动性能。

欧姆内阻是反应燃料电池的燃料电池堆1的运行状态的重要指标，欧姆内阻与电解质膜的润湿程度有很大关系，通过欧姆内阻可以间接评估电解质膜的湿度，为电解质膜的湿度控制提供依据。

当燃料电池堆1的电解质膜含水量过高时，燃料电池堆1的欧姆内阻将会显著降低；而当燃料电池堆1的电解质膜含水量过低时，燃料电池堆1的欧姆内阻将会显著升高，以上两种情况都不利于燃料电池堆1性能的提升。因此，基于燃料电池堆1的电解质膜的含水量和欧姆内阻的关系特性，依据燃料电池堆反馈的欧姆内阻信号，调节第一阀4旁通出口开度和第二阀7旁通出口开度。

通过建立起第一阀4/第二阀7旁通出口开度和燃料电池堆欧姆内阻的对应关系，从而定量地控制加湿的气体量，确保燃料电池堆1的电解质膜的含水量控制在最佳湿度范围内，从而提高燃料电池性能。

例如，当检测到欧姆内阻过低（膜含水量过高）时，可增大第一阀4旁通出口的开度，使更多的进气不经过交换器2（例如是膜增湿器）直接进入燃料电池堆1，从而降低燃料电池堆1内湿度；和/或，可增大第二阀7旁通出口的开度，使更多的排气不经过交换器2直接排到外界环境，也可以降低燃料电池堆1内湿度。

当检测到欧姆内阻过高（膜含水量过低）时，可减小第一阀4旁通出口的开度，使更多的进气经过交换器2（例如是膜增湿器）进入燃料电池堆1，从而提高燃料电池堆1内湿度；或者，可减小第二阀7旁通出口的开度，使更多的排气经过交换器2对进气进行加湿，从而提高燃料电池堆1内湿度。

优选地或者附加地，还可以建立起燃料电池堆1的净输出功率和第一阀4和/或第二阀7的阀芯位置之间的关系，通过调节第一阀4和/或第二阀7的阀芯位置，得到不同工况下燃料电池堆1的最佳输出功率。由此，为电解质膜的湿度控制提供依据（即，为调节第一阀4和/或第二阀7的阀芯位置提供依据）。

例如，在不同工况下，调节第一阀4的旁通出口开度或第二阀7旁通出口开度使得系统净输出功率最大，得到燃料电池堆1的最佳功率与旁通出口开度的对应关系，并以此为依据调节燃料电池堆1内的湿度。

如前文所述，在低温环境下燃料电池堆1关机时，可以使燃料电池堆1排出的湿热气体不经过交换器2，直接排入外界环境，以达到快速排出燃料电池堆1内水分的目的，从而提升燃料电池堆1的低温冷启动性能。

作为示例，下文将描述根据本公开的某些实施例的具体实现方式。应当理解，下述方式仅是对本公开的实施例的进一步说明，不旨在限制本公开的保护范围。

实施例1

参考图1，其示意性地示出了根据本公开的实施例的燃料电池，其中第一阀4安装在交换器2入口前的进气管3上。第一阀4可以是三通阀，其一个阀口连通环境、一个阀口与交换器的第一入口21连通，并且第一阀4的另一阀口（旁通出口）通过管与燃料电池堆1的气体入口11连通。

当燃料电池堆1反馈的欧姆内阻小于0.01～0.05Ω时，此时逐渐增大第一阀4旁通出口的开度，使更多的进气不经过交换器2直接进入燃料电池堆1，从而降低燃料电池堆1内湿度。当燃料电池堆1反馈的欧姆内阻大于0.15～0.2Ω时，此时逐渐减小第一阀4旁通出口的开度，使更多的进气经过交换器2进入燃料电池堆1，从而提高燃料电池堆1内湿度。应当理解，前述数值范围仅是对本公开的实施例的进一步说明，不旨在限制本公开的保护范围。

优选地或附加地，在不同工况下，调节第一阀4旁通出口开度使得燃料电池堆1的净输出功率最大，得到最大功率（或最大净输出功率）与第一阀4旁通出口开度的对应关系，并以此为依据进行燃料电池堆1内湿度调节。

在一些实施方式中，在低温环境下燃料电池关机时，打开第一阀4旁通出口，关闭第一阀4与交换器2相连的出口，使全部进气不经过交换器2而是直接进入燃料电池堆1内进行吹扫，以达到快速排出燃料电池堆1内水分的目的，从而提升燃料电池堆1的低温冷启动性能。

实施例2

参考图2，其示意性地示出了根据本公开的另一实施例的燃料电池，其中第二阀7安装在交换器2和燃料电池堆1之间。第二阀4可以是三通阀，其一个阀口与燃料电池堆1的气体出口13连通、一个阀口与交换器的第二入口23连通、另一个阀口（旁通出口）连通环境。

当燃料电池堆1反馈的欧姆内阻小于0.01～0.05Ω时，此时逐渐增大第二阀7旁通出口的开度，使更多的排气不经过交换器2直接排到外界环境，从而降低燃料电池堆1内湿度。当燃料电池堆1反馈的欧姆内阻大于0.15～0.2Ω时，此时逐渐减小第二阀7旁通出口的开度，使更多的排气经过交换器2对进气进行加湿，从而提高燃料电池堆1内湿度。应当理解，前述数值范围仅是对本公开的实施例的进一步说明，不旨在限制本公开的保护范围。

优选地或附加地，在不同工况下，调节第二阀7旁通出口开度使得燃料电池堆1的净输出功率最大，得到最大功率（或最大净输出功率）与第二阀7旁通出口开度的对应关系，并以此为依据进行燃料电池堆1内湿度调节。

在一些实施方式中，在低温环境下燃料电池关机时，打开第二阀7旁通出口，关闭第二阀7与交换器2相连的出口，使燃料电池堆1排出的湿热气体不经过交换器2，直接排入外界环境，以达到快速排出燃料电池堆1内水分的目的，从而提升燃料电池堆1的低温冷启动性能。

实施例3

参考图3，其示意性地示出了根据本公开的另一实施例的燃料电池，其中，同时设置了第一阀4和第二阀7。第一阀4和第二阀7的连接方式分别按照图1和图2中的连接方式进行实施，不再赘述。

当燃料电池堆1反馈的欧姆内阻小于0.01～0.05Ω时，此时逐渐增大第一阀4旁通出口的开度，使更多的进气不经过交换器2直接进入燃料电池堆1，从而降低燃料电池堆1内湿度；或者/同时，逐渐增大第二阀7旁通出口的开度，使更多的排气不经过交换器2直接排到外界环境，从而降低燃料电池堆1内湿度。当燃料电池堆1反馈的欧姆内阻大于0.15～0.2Ω时，此时逐渐减小第一阀4旁通出口的开度，使更多的进气经过交换器2进入燃料电池堆1，从而提高燃料电池堆1内湿度；或者/同时，逐渐减小第二阀7旁通出口的开度，使更多的排气经过交换器2对进气进行加湿，从而提高燃料电池堆1内湿度。应当理解，前述数值范围仅是对本公开的实施例的进一步说明，不旨在限制本公开的保护范围。

优选地或附加地，在不同工况下，调节第一阀4的旁通出口开度和/或第二阀7旁通出口开度使得燃料电池堆1的净输出功率最大，得到燃料电池堆1的最大功率（或最大净输出功率）与第一阀4/第二阀7的旁通出口开度的对应关系，并以此为依据进行燃料电池堆1内湿度调节。

在一些实施方式中，在低温环境下燃料电池堆1关机时，打开第一阀4旁通出口，关闭第一阀4与交换器2相连的阀口，使全部进气不经过交换器2直接进入燃料电池堆1内进行吹扫；或者/同时，打开第二阀7旁通出口，关闭第二阀7与交换器2相连的阀口，使燃料电池堆1排出的湿热气体不经过交换器2，直接排入外界环境，以达到快速排出燃料电池堆1内水分的目的，从而提升燃料电池堆1的低温冷启动性能。

根据本公开的实施例，还提供了一种计算机可读存储介质。计算机可读存储介质上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现如上所公开的方法400。

上文所描述的各个过程和处理，例如方法400，可由处理装置执行。例如，在一些实施例中，方法400可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM和/或通信单元而被载入和/或安装到电子设备上。当计算机程序被加载到RAM并由CPU执行时，可以执行上文描述的方法400的一个或多个动作。

计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子（非穷举的列表）包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（EPROM或闪存）、静态随机存取存储器（SRAM）、便携式压缩盘只读存储器（CD-ROM）、数字多功能盘（DVD）、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波（例如，通过光纤电缆的光脉冲）、或者通过电线传输的电信号。

这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。

用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构（ISA）指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机（例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接）。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列（FPGA）或可编程逻辑阵列（PLA），该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开的各个方面。

这里参照根据本公开实施例的方法、装置（系统）和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。

这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理装置，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理装置执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。

也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。

附图中的流程图和框图显示了根据本公开的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上已经描述了本公开的各实施例，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、实际应用或对市场中的技术的技术改进，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。